Ka波段毫米波測(cè)云雷達(dá)在航空氣象觀(guān)測(cè)中的應(yīng)用

□ 民航大連空中交通管理站 郭志剛/文

Ka波段毫米波測(cè)云雷達(dá)是一種新型的氣象遙感探測(cè)設(shè)備，具有頻率高、粒子分辨能力強(qiáng)等特性，能夠?qū)?xì)微的云粒子特性進(jìn)行觀(guān)測(cè)。該類(lèi)型雷達(dá)在航空氣象領(lǐng)域中的應(yīng)用引起了民航界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。毫米波測(cè)云雷達(dá)不僅能夠獲取云的宏觀(guān)和微觀(guān)結(jié)構(gòu)（例如探測(cè)云高、云厚和云狀的外形特征），而且還能分析云內(nèi)微物理過(guò)程的結(jié)構(gòu)和演變特征等。此外，利用毫米波測(cè)云雷達(dá)可以連續(xù)觀(guān)測(cè)云的水平垂直結(jié)構(gòu)變化，獲得準(zhǔn)確的云內(nèi)宏觀(guān)參數(shù)。對(duì)于影響民航安全的低云、平流霧等航空危險(xiǎn)天氣，毫米波測(cè)云雷達(dá)能夠彌補(bǔ)激光測(cè)云儀僅能夠探測(cè)單點(diǎn)的不足，獲取大范圍的云狀態(tài)，還能夠?qū)ρ睾C(jī)場(chǎng)的平流霧實(shí)況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

大連空管站在2015年聯(lián)合23所在大連周水子機(jī)場(chǎng)開(kāi)展了利用毫米波測(cè)云雷達(dá)、邊界層風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)、微波輻射計(jì)的機(jī)場(chǎng)云霧探測(cè)驗(yàn)證試驗(yàn)，在不同天氣條件下獲得了寶貴的數(shù)據(jù)，對(duì)毫米波測(cè)云雷達(dá)在不同天氣條件下的探測(cè)效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析。本文對(duì)試驗(yàn)階段毫米波測(cè)云雷達(dá)在不同天氣條件下的應(yīng)用效果進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)于研究毫米波測(cè)云雷達(dá)在機(jī)場(chǎng)航空安全的保障能力具有重要意義。

Ka波段毫米波測(cè)云雷達(dá)介紹

本次驗(yàn)證試驗(yàn)采用的毫米波雷達(dá)由北京無(wú)線(xiàn)電測(cè)量研究所研制，其主要特點(diǎn)是采用脈沖多普勒全相參體制、固態(tài)發(fā)射機(jī)，具有多種觀(guān)測(cè)模式和雙極化功能。天線(xiàn)垂直定向探測(cè)，空間分辨率為30 m，最大探測(cè)高度為15.3 k m。雷達(dá)直接探測(cè)資料包括反射率因子、平均多普勒速度、速度譜寬、退極化比和功率譜數(shù)據(jù)。利用反演算法能夠反演包括空氣垂直運(yùn)動(dòng)速度、粒子下落速度、粒子半徑、液態(tài)水含量、冰水含量等。雷達(dá)主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

大連機(jī)場(chǎng)平流霧的主要成因是受副熱帶高壓北移影響，機(jī)場(chǎng)東部海上的低云和霧就會(huì)隨著盛行的東風(fēng)移動(dòng)至機(jī)場(chǎng)，對(duì)機(jī)場(chǎng)運(yùn)行造成影響。為了利用毫米波測(cè)云雷達(dá)實(shí)現(xiàn)對(duì)平流霧的觀(guān)測(cè)，設(shè)計(jì)了三種不同的觀(guān)測(cè)模式，包括：指定方位多仰角平面位置掃描（s PPI）、指定多方位角距離高度掃描（s RHI）以及垂直指向掃描（THI）。s PPI模式下，雷達(dá)向東側(cè)以3°仰角對(duì)73°～183°方位角進(jìn)行掃描，掃描步進(jìn)0.15°。s RHI模式下，雷達(dá)向東側(cè)83°、103°、203°三個(gè)方向，以仰角0°～90°進(jìn)行連續(xù)掃描。THI模式下，雷達(dá)采用仰角90°進(jìn)行50 s連續(xù)垂直觀(guān)測(cè)。

觀(guān)測(cè)效果介紹

表1：毫米波雷達(dá)主要技術(shù)指標(biāo)

毫米波測(cè)云雷達(dá)自運(yùn)行以來(lái)，經(jīng)歷的天氣現(xiàn)象有：平流霧、霧霾、鋒面霧霾、雨夾雪、強(qiáng)對(duì)流（雷暴、冰雹）等。本文選取了一次平流霧天氣過(guò)程（2016年7月28日～29日）、一次霧霾天氣過(guò)程（2016年12月18日～19日）、一次雷暴冰雹天氣過(guò)程（2016年11月10日）對(duì)本系統(tǒng)在各種天氣條件下的探測(cè)效果進(jìn)行分析。

（一）平流霧天氣過(guò)程（2016年7月28日～29日）

2016年7月28日21時(shí)（UTC）左右，大連機(jī)場(chǎng)發(fā)生了一次平流霧天氣過(guò)程。在機(jī)場(chǎng)東部海上高壓的影響下，海上形成的霧在東風(fēng)的推動(dòng)下移動(dòng)至機(jī)場(chǎng)，使得能見(jiàn)度迅速降低。7月29日02時(shí)（UTC）左右，平流霧逐漸減弱。Ka波段毫米波測(cè)云雷達(dá)在7月29日01時(shí)開(kāi)機(jī)探測(cè)，對(duì)平流霧減弱過(guò)程進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。

圖1是當(dāng)日的能見(jiàn)度曲線(xiàn)，可見(jiàn)從28日18時(shí)（UTC）左右能見(jiàn)度開(kāi)始下降，從7月29日02時(shí)左右能見(jiàn)度開(kāi)始抬升。圖 2對(duì)29日01∶18～03∶02（UTC）時(shí)間段內(nèi)毫米波測(cè)云雷達(dá)10°仰角PPI探測(cè)的反射率進(jìn)行了連續(xù)繪圖，從圖中可見(jiàn)，強(qiáng)回波的面積隨時(shí)間的變化而不斷減小。圖 3是01∶05～02∶21時(shí)間段內(nèi)103°方位角上的RHI探測(cè)的反射率圖像。從圖中依舊可見(jiàn)回波反射率隨時(shí)間不斷減弱。

由圖可見(jiàn)，在平流霧消散過(guò)程中，雷達(dá)探測(cè)到的平流霧逐漸減弱。具體表現(xiàn)是雷達(dá)回波反射率因子數(shù)值降低，綠色回波減少，回波強(qiáng)度減弱。

（二）霧霾天氣過(guò)程（2016年12月18～19日）

2016年12月18日17時(shí)（UTC）左右，大連機(jī)場(chǎng)出現(xiàn)了一次霧霾天氣過(guò)程。能見(jiàn)度在12月18日17時(shí)（UTC）左右降低，2016年12月19日04時(shí)（UTC）左右，能見(jiàn)度逐漸好轉(zhuǎn)，能見(jiàn)度變化曲線(xiàn)如圖4所示。

圖5是能見(jiàn)度降低階段毫米波雷達(dá)回波反射率圖。由圖可見(jiàn)，隨著能見(jiàn)度的降低，雷達(dá)探測(cè)范圍內(nèi)逐漸出現(xiàn)綠色強(qiáng)回波，代表雷達(dá)東側(cè)1.5 k m區(qū)域出現(xiàn)低云，可能會(huì)對(duì)機(jī)場(chǎng)運(yùn)行產(chǎn)生影響。預(yù)報(bào)員可以結(jié)合利用雷達(dá)觀(guān)測(cè)到的強(qiáng)回波現(xiàn)象，開(kāi)展低云預(yù)警服務(wù)。

圖6是能見(jiàn)度恢復(fù)階段毫米波雷達(dá)回波反射率圖。由圖可見(jiàn)，隨著能見(jiàn)度的抬升，雷達(dá)東側(cè)回波強(qiáng)度逐漸減弱。在03∶55時(shí)刻，回波強(qiáng)度明顯減弱，相比于能見(jiàn)度變化的時(shí)刻，通過(guò)雷達(dá)發(fā)現(xiàn)回波強(qiáng)度減弱的時(shí)刻比能見(jiàn)度提升時(shí)刻存在約10分鐘的提前量。

圖7是2016年12月18日10～12時(shí)風(fēng)廓線(xiàn)截圖，風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)當(dāng)天近地面層風(fēng)速較小。從10∶12開(kāi)始，近地面風(fēng)向由西北逐漸轉(zhuǎn)東南，10∶42在300 m高度左右處開(kāi)始出現(xiàn)低層?xùn)|南風(fēng)和高層西南風(fēng)切變，形成一個(gè)阻斷層，阻礙著地面水汽和熱量的垂直交換，大氣層結(jié)穩(wěn)定，有利于霧霾天氣的形成。該阻斷層一直維持。

在本次天氣過(guò)程中，利用毫米波雷達(dá)對(duì)上游天氣方向進(jìn)行觀(guān)測(cè)，通過(guò)觀(guān)察毫米波測(cè)云雷達(dá)的反射率變化情況，結(jié)合風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)阻斷層的出現(xiàn)，以及微波輻射計(jì)近地層相對(duì)濕度的變化，可以對(duì)低云或低能見(jiàn)度天氣的變化過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)提供預(yù)警服務(wù)。

（三）強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程（2016年11月10日）

2016年 11月 10日大連機(jī)場(chǎng)經(jīng)歷了一次較為少見(jiàn)的颮線(xiàn)天氣過(guò)程，10日 09∶28出現(xiàn)弱雷雨，09∶35轉(zhuǎn)為弱雷雨伴有雷暴大風(fēng)，瞬時(shí)最大風(fēng)速18.3 m/s，09∶59出現(xiàn)冰雹天氣，10∶05冰雹結(jié)束，10∶45雷暴結(jié)束。

根據(jù)大連氣象局多普勒雷達(dá)資料顯示，11月10日09∶33在大連地區(qū)及北部有颮線(xiàn)形成且處于發(fā)展初期，本場(chǎng)處于颮線(xiàn)系統(tǒng)的西側(cè)，但在本場(chǎng)周?chē)袕?qiáng)度50 dbz以上強(qiáng)對(duì)流單體已經(jīng)形成并已經(jīng)影響本場(chǎng)，如圖9所示。

由毫米波雷達(dá)回波強(qiáng)度圖像分析可見(jiàn)，在09∶32時(shí)本場(chǎng)東側(cè)由對(duì)流單體開(kāi)始發(fā)展且強(qiáng)度較大，至09∶39時(shí)對(duì)流單體繼續(xù)發(fā)展東移，對(duì)流頂高度在3 km左右，09∶49時(shí)對(duì)流單體發(fā)展至成熟時(shí)期，對(duì)流頂高度達(dá)5 km左右，回波強(qiáng)度都在30 dbz以上。10∶09對(duì)流單體東移至本場(chǎng)東側(cè)6～9 km左右，本場(chǎng)強(qiáng)對(duì)流天氣基本結(jié)束，如圖10所示。

總結(jié)：

本文對(duì)Ka波段毫米波測(cè)云雷達(dá)在大連機(jī)場(chǎng)三次天氣過(guò)程中的觀(guān)測(cè)效果進(jìn)行了效果介紹，得到的主要結(jié)論如下：

（1）毫米波測(cè)云雷達(dá)能夠獲取雷達(dá)周邊30 km范圍內(nèi)的反射率因子（d BZ）、平均多普勒徑向速度（Vr）、速度譜寬（Sw）、退極化比（LDR）等主要數(shù)據(jù)產(chǎn)品。通過(guò)對(duì)上述數(shù)據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行反演處理，可以得到云底、云高、云厚、云中含水量等二次數(shù)據(jù)產(chǎn)品，對(duì)于預(yù)報(bào)員研判天氣具有很大的指導(dǎo)作用。

（2）通過(guò)將毫米波測(cè)云雷達(dá)與邊界層風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)、微波輻射計(jì)聯(lián)合觀(guān)測(cè)，能夠?qū)崟r(shí)獲取機(jī)場(chǎng)上空的熱力場(chǎng)、動(dòng)力場(chǎng)以及水汽特征，從而彌補(bǔ)機(jī)場(chǎng)現(xiàn)有自動(dòng)氣象觀(guān)測(cè)系統(tǒng)觀(guān)測(cè)資料時(shí)空分辨率的不足。

（3）通過(guò)將毫米波測(cè)云雷達(dá)回波強(qiáng)度（d BZ）與機(jī)場(chǎng)RVR關(guān)系進(jìn)行對(duì)比，可以總結(jié)出一種對(duì)應(yīng)關(guān)系，可用于機(jī)場(chǎng)低能見(jiàn)度天氣的發(fā)布和解除。同時(shí)，在霧霾、強(qiáng)對(duì)流和降水天氣下也有助于開(kāi)展提升實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警能力。