高空风GRIB报文解析及精度分析

2. GRIB 表示意义
按国际气象组织建议把全球划 分为 8 个区域 ， 如表 1 所示 ， 分别 用 I、 J、 K、 L、 M、 N、 O 和 P 表 示 ； 每 个 栅 格 大 小 为 1.25 ×1.25， 每 个 区 域 共 有 3447 个 栅 格 ； 分 别 用 U、 V、 T 表 示 水 平 方 向 上 的 东 风/ 西风 ， 南风 / 北 风 及 温 度 值 ； 用
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专业探索
航空气象 ／ＡＥＲＯＮＡＵＴＩＣＡＬ ＭＥＴＥＯＲＯＬＯＧＹ tion，IS）； 1 段 ： 产品定义段
（Product Definition Sec－
表 １ 全球区域划分
类别 格子大小 包含范围 栅格的数量
I J K L M N O P
1.25×1.25 1.25×1.25 1.25×1.25 1.25×1.25 1.25×1.25 1.25×1.25 1.25×1.25 1.25×1.25
(一)WOB数据内容
处理后的 WOB 数 据 包 括 采 集 时间 、 航班号 、 机载设备所在的飞 机型号、 经纬度信息、 高度、 温 度 、 风向和风速 。 为方便比较 ， 本 文 将 风 速 和 风 向 转 化 为 U、 V 数 据 ， 具体信息如图 2 所示 。
《 空中交通管理 》 2010 年 第4期
图 ３ ＧＲＩＢ 数据与 ＷＯＢ 数据对比结果
格点加工数据 GRIB 。 GRIB 数据格 式是基于 “ 位 ” 的网格二进制数据 交换格式 ， 主要用来表示数值天气 分析和预报的产品资料 。 对于使用 现代通讯协议的高速通讯链路来 说 ， GRIB 是 一 种 传 送 大 批 量 网 格 化数据的有效工具 。 通过把各种相 关数据打包压缩为 GRIB 码 ， 使信 息的组织方式比起基于字符的形式 要紧凑得多 ， 因此有利于资料的存 储和加快计算机与计算机之间的传 输速 度 。 GRIB 具 有 较 强 的 自 我 描 述、 灵活和扩展性、 数据压缩功 能 、 编解码程序的简化和可作为标 准格式直接存档等特点 。
3. GRIB 压缩方式
为了能在最小的空间上尽可能 实现 要 求 的 数 据 精 度 ， GRIB 采 取 了一种特殊的数据处理方式 ， 其方 法可以用以下公式来说明 （1 ） Y×10 =R+(X×2 ) 其中 ， Y = 原始数据 ； D =10 的 幂 指 数 ； R= 参 考 值 （ 即 数 据 的 最 小 值 ）； X = 写 入 文 件 的 数 据 ； E =2 的指数幂 。 方法是先把所有的原始数据写 为 Y×10 的形式 ， 然后减去数据集
4. GRIB 编码格式简介
一 份 GRIB 编 码 资 料 分 为 6 段：
0 段 ： 指 示 段 （Indicator Sec－
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航空气象 ／ＡＥＲＯＮＡＵＴＩＣＡＬ ＭＥＴＥＯＲＯＬＯＧＹ (一)数据结果
根据所描述的准则 ， 编写相应 程序 ， 运行结果如图 3 所示 。 图 3 前 三 项 表 示 WOB 数 据 所 对 应
的 支 持 。 由 于 本 文 将 与 WOB 实 时数据进行比较， 因此利用 C 语 言 编 写 程 序 ， 对 GRIB 报 文 进 行解析。 解析后将按照规定格式存贮在 指定日期文件夹下 ， 方便存取 。 解 析后的结果如图 1 所示 。
形 式 ， 最 后 把 D 、 E、 R、 X 按 照 一定 的 格 式 写 入 文 件 中 形 成 GRIB 数据文件 。
150hpa 共 8 个 等 压 面 上 的 预 报 分 别 用 85， 70、 50、 40、 30、 25、 20 和 15 表 示 。 再 加 上 头 字 母 B，
以日期和预报发布时 间 为 扩 展 名 ， 则可以通过文件名判断文件所包含 的数据 ， 例如 BTOD70.172 表示 17 日 ， 国 际 标 准 时 间 12 时 发 布 的 D 时 段 (18h) 预 报 ， 对 应 数 据 为 O 区域 ( 东经 150° 至西经 120° ， 南纬
D(Ti)=E(Ti2)-[E(Ti)]2 D(Ui)=E(Ui2)-[E(Ui)]2 D(Vi)=E(V )-[E(Vi)]
2 i 2
（2 ） （3 ） （4 ）
GRIB 栅格划分方法 ，每个栅格将会 有多个 WOB 数据 。 因此 ， 要根据一 定的原则 ， 将 WOB 数据映射到相 应栅格中 。 原则如下 ： 根据 WOB 和 GRIB 的经纬度关系 ，高度对应关系 及 GRIB 的 有 效 预 测 时 间 （C、D 、E
引言
随着气象研究的不断深入 ， 庞 大的气象数据不但对计算机提出更 高的要求 ， 而且要求在国际间能形 成一种有效的 、 统一的 、 标准的数 据存 储 和 流 通 格 式 。 GRIB 数 据 正 是在这种情况下发展起来 ， 并迅速 成为一种流行的数据存储和交换格 式 ， 得到广泛应用的 。 另 一 方 面 ， 随着气象延伸服务的不断扩展 ， 用 户得到的气象产品越来越多 ， 而其 中相当数量的资料是以 GRIB 码形 式提供的 （ 如 ： 民航系统使用的 4/
三类 ） 关系做相应映射 ， 并对处理后 的数据进行分析 。
WOB 数 据 的
波动性进行 分析 ， 以 确 定
WOB 的 稳 定
性 ， 在确 保 其 稳定的基础 上 对 GRIB 预测数据进 行分析 ， 否 则 分析失去其 意义 。
图 ４ ＷＯＢ 方差折线图
三、预测数据分析
本文分析思想 是 WOB 数 据 为 飞机实时采集的真实数据 ， 理论上
有一定的准确公式可供计算 。 风是 由作用在空气上的水平方向的力形 成的 ， 这类力有水平 气 压 梯 度 力 、 地转偏向力、 惯性离心力和摩擦 力 。 当作用在空气上的水平力达到 平衡时 ， 就形成了稳定的风 。 风对飞行的影响分为飞机起落 和航行影响两个方面 。 近地面风有 阵性 ， 风速越大 ， 阵性越强 。 阵风 对飞机的影响具有无规律性 ， 使飞 机操纵困难 ， 甚至无法操纵 。 高空 风对航行影响表现在顺风会增大地 速 、 缩短飞行时间 、 减少油耗 ， 逆 风飞行则产生相反影响 ； 侧风会产 生偏流 ， 需进行适当修正以保持正 确的航向 。
(二)GR IB概述 1. GRIB 发展 1985 年 ， 世 界 气 象 组 织 （WMO ） 建议逐渐由字符格式编码
向表格驱动码进行过渡 ， 并制定了 过渡计划 。 WMO 推 荐 使 用 的 表 格 驱动编码为气象数据通用格式
一、高空风预测 (一)高空风对飞行影响
现实中 ， 高空风情况复杂 ， 没
航空气象 ／ＡＥＲＯＮＡＵＴＩＣＡＬ ＭＥＴＥＯＲＯＬＯＧＹ
高空风 GRIB 报文解析及精度分析
GRIB message resolution and accuracy analysis of upper-level wind
中国电子科技集团第二十八研究所 张 荣 民航局空管局 张忠勇 祁 伟 许 坚
30W-60E,0-90N 60E-150E,0-90N 150E-120W,0-90N 120W-30W,0-90N 30W-60E,90S-0 60E-150E,90S-0 150E-120W,90S-0 120W-30W,90S-0
3447 3447 3447 3447 3447 3447 3447 3447
GRIB 栅 格 点 的 T 值 、 U 值 、 V 值 的平均值与 GRIB 的差值 。 后三项 表 示 与 GRIB 数 据 对 应 的 T 值 、 U
值和 V 值的方差， 方括号内数字 表示 GRIB 栅格中所匹配的点 ， 对 应具体的经纬度信息 。 本文采用的数据范围相对集 中 ， WOB 映 射 在 栅 格 中 的 数 据 较 多。 因此应分析每个栅格内的
51 风温资料 ）。 因此 ， 如何利用这
些 GRIB 码 资 料 、 GRIB 高 空 风 信 息是否能够应用于起飞 、 航路飞行 及降落的模型从而做出合理决策等 问题对 GRIB 的预测精确性提出了 更高的要求 。 本文正是基于这种目 的 ， 简 要 地 剖 析 了 GRIB 的 发 展 、 压 缩 方 法 、 解 析 过 程 ， 结 合 WOB 实时数据分析了 GRIB 的预测精确 度 ， 为 构 建 4D 轨 迹 模 型 提 供 依 据 ， 加快空中交通流量的建设 。
2. 错误数据处理
气象中心的数据也会出现错误 或缺失， 尤其有些错误如温度
261.75K 变为 26175K， 如果不及时
处理会造成严重的计 算 结 果 错 误 ， 所以程序中引人数据 合 法 性 校 验 ， 如 温 度 介 于 100 ~373K ， 风 速
-100~100 等 ， 如 不 符 则 置 空 ， 在
5 段 ： 7777 （ASCⅡ码字符 ）。 代码的开始和结束分别在 0 段 和 5 段 ， 由 4 个 8 位组的国际电报 字符 5 号码 GRIB 表示开始和 7777 表示结束 。 0 段是指示段 ， 还包含
整 个 资 料 的 长 度 和 GRIB 码 版 本 号 ； 1 段是产品定义段 ， 内容包含 段长 、 编码的分析或预报产品的标 识符； 2 段网格描述段， 是可选 段 ， 内容包含该段段长以及网格的 几何形状 ； 3 段位映射段 ， 也是可 选段 ， 内容包含段长 和 数 据 位 图 ， 每个格点一位 ， 按照顺序存放 ， 比 特位的取值指明对应格点上的数据 是 否 被 省 略 （ 0： 省 略 ； 1： 未 省 略 ）； 4 段 数 据 段 内 容 包 含 段 长 和 数据值 。
tion，PDS）； 2 段 ： 网格描 述 段 （Grid Description Sec－ tion，GDS）； 3 段 ： 位映射段 （Bit Map Section ，BMS）； 4 段 ： 二进制 数 据 段 （Binary Data Sec－ tion，BDS）；
图 １ ＧＲＩＢ 解析结果
WOB 数 据 波 动 情 况 。 本 文 采 用 相
图２ ＷＯＢ数据格式
对简单的方差计算方法 ， 公式如下
(二)数据映射
由于 WOB 数据采 集 时 间 间 隔 较短， 故经纬度差距较小。 采用
能够作为对预测数据 的 比 较 标 准 ， 但 由 于 GRIB 数 据 栅 格 跨 度 较 大 ， 覆盖 WOB 数据点较多 ， 因此应对
飞行计划中在进行插值拟合 。
00°至南纬 90°) ， 高度 70 （700hpa）
的温度数据 。
二、高空风实时数据
机载气象雷达主要用于探测 云 、 雨 、 风等各种天气现象并获得 一定空域的温度 、 湿度 、 气压等气 象要素 ， 以选择安全的航路 ， 保障 飞行的舒适和安全 。 常见机载气象 雷达有机载前视风切 变 气 象 雷 达 ， 微波多普勒雷达以及最新发展起来 的能自动连续地获取高空风廓线的 风廓线雷达 。 气象雷达采集到的高 空风信息 ， 温 度 信 息 由 ACARS 传 到 订 购 单 位 ， 经 处 理 后 得 到 WOB 数据 。 因此 ， 数据使用 。
Air Traffic Management/2010(4)
BUFR： Binary Universal Form）、 用 于 数 据 表 示 和 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 符 格 式 （ CREX ： Character Represention form for data Exchange ） 和二进制
（
C、 D、 E 代表分别代表第 12、 18、 24h 的 预 报 ， 气 象 中 心 提 供 850hpa、700hpa、 500hpa、 400hpa、 300hpa、 250hpa、 200hpa 和
D D E
(三)GR IB解析 1. GRIB 解析过程
气象资料的分析使用很大程 度上依赖于数据的图形化和可 视 化 处 理 ， GRIB 数 据 也 不 例 外 。 而 网 格 资 料 分 析 工 具
WOB 数据作为实时
中 的 最 小 值 R ， 再 转 化 为 X ×2 的
E
GRADS 对 标 准 GRIB 数 据 有 较 好