ADS-B數據在航空氣象服務的應用

盧俊穎

2025年1月

航空氣象在航空飛行的安全和效率方面扮演著至關重要的角色。隨著科技的進步，預報員現在利用各種工具和數據來提升航空氣象服務，其中包括應用廣播式自動相關監察（ADS-B）的數據。

甚麼是ADS-B？

ADS-B 是一種用於支持空中交通管理的監察技術。它讓飛機通過機載系統自動廣播其位置、高度、速度和其他資訊。ADS-B 依靠衛星導航和機載航空電子設備，使其更加精確且高效 ^[1]。

ADS-B 包括兩個主要組成部分 (圖一)：
- ADS-B Out：飛機向地面站和附近的其他飛機廣播其位置、高度、速度和其他飛行數據。
- ADS-B In：飛機接收來自其他飛機和地面系統的 ADS-B 訊號，增強情境意識。

圖一 ADS-B通訊技術示意圖 ^[2] 。

ADS-B的應用加強了空中交通管制的運作，實現了飛機的實時追蹤並改善了監察的覆蓋範圍，特別是在偏遠或海洋地區。除了空中交通管理之外，ADS-B 數據還可以應用於航空氣象服務。以下部分會介紹香港天文台如何接收 ADS-B 數據、航空氣象預報員如何使用這些數據，以及 ADS-B 數據的一些應用。

香港天文台安裝的ADS-B接收器及其數據顯示

圖二大帽山氣象雷達站的 ADS-B 天線（藍色箭頭）。

香港天文台於2016年在大帽山天氣雷達站安裝了ADS-B接收器（圖二），可以追踪約500公里範圍內配備ADS-B的飛機。接收到的數據經處理後展示在綜合顯示介面上（圖三）。

圖三由香港天文台開發的綜合顯示介面上顯示的飛機位置、航線及天氣雷達影像。

ADS-B 數據如何支援航空預報員的工作？

ADS-B 數據可以讓預報員實時監察飛機資料以支援天氣風險的監測、加強與航空用戶關於潛在天氣影響的溝通。航空氣象預報員可以即時了解天氣對飛機的影響（圖三），這對於他們每天向空中交通管制單位進行日常天氣簡報時非常有幫助。

ADS-B數據的應用，包括湍流偵測和風速推導

除了實時飛機監察之外，ADS-B數據還支援航空氣象服務另外兩個主要應用：湍流偵測和背景風的估算。受到湍流影響的飛機通常會顯示突然變化的垂直速度及高度。我們可以透過分析飛機高度和位置的變化，識別湍流區域 ^[3]，獲得更多有關湍流觀測的資料。

圖四二次監視雷達以Mode-S形式進行數據詢問。

ADS-B 數據加上由二次監視雷達進行的 Mode-S 數據詢問所得的數據（圖四），可用於推導背景風場資料 ^[4]。透過分析從 ADS-B 獲得的飛機地面速度與真航跡角，與從 Mode-S 獲得的真空速與真磁航向之間的差異，可以計算出不同高度的背景風速與風向（圖五）。這些有用的風場觀測可用於驗證數值天氣預報（NWP）模型，以及透過數據同化提升 NWP 模型的預報性能 ^[5]。

圖五使用 ADS-B 數據和 Mode-S 數據推導背景風向量及其風速和風向。

參考資料：

[1]  International Civil Aviation Organization. (2020). Manual on airborne surveillance applications (Doc 9994, 2nd ed.). Montreal, Canada: ICAO. https://www.icao.int. ISBN: 978-92-9265-322-4.（只有英文版）
[2]  Viswanathan, A., & R, K. (2024). Harnessing Automation and IIoT in Air Traffic Control for Advanced Efficiency and Safety. International Journal of Multidisciplinary Research in Science, Engineering and Technology, 7, 9979-9984. （只有英文版）
[3]   Leung, C. Y. Y. and Leung, H. T.: Estimating en-route turbulence using ADS-B aircraft data, EMS Annual Meeting 2024, Barcelona, Spain, 1–6 Sep 2024, EMS2024-635 （只有英文版）
[4] De Haan, S., De Haij, M., & Sondij, J. (2013). The use of a commercial ADS-B receiver to derive upper air wind and temperature observations from Mode-S EHS information in The Netherlands. Royal Netherlands Meteorological Institute (KNMI).（只有英文版）
[5] WMO. (2023). ADS-B as a Source of Global Aircraft-Based Observations Data. WMO ABO Newsletter - Volume 25.（只有英文版）
[6]   Impact of assimilating Mode-S EHS winds in the Met Office's high-resolution NWP model.（只有英文版）