多普勒雷達(dá)在航空氣象服務(wù)中的應(yīng)用

徐樹權(quán)

[摘 ? ?要]安全是航空飛行的首要要素，只有在確保安全的前提下才能進(jìn)行正常的航空運營。在影響航空安全的諸多要素中，氣象條件是最為關(guān)鍵的要素之一，通過良好的技術(shù)措施做好氣象條件的預(yù)測及信息收集十分關(guān)鍵。在現(xiàn)階段的航空氣象服務(wù)中，多普勒雷達(dá)的應(yīng)用被廣泛重視，其對各類影響航空飛行的天氣類型的預(yù)報與指導(dǎo)精度高、反應(yīng)快。本文主要分析討論多普勒雷達(dá)在航空氣象服務(wù)中的應(yīng)用，希望能夠起到一定的啟發(fā)與借鑒作用。

[關(guān)鍵詞]多普勒雷達(dá);通用航空;航空氣象;服務(wù)應(yīng)用

[中圖分類號]V321.252 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）05–00–03

Application of Doppler Radar in Aviation Meteorological Service

Xu Shu-quan

[Abstract]Safety is the primary factor of aviation flight， and normal aviation operation can only be carried out under the premise of ensuring safety.Among the many factors that affect aviation safety， meteorological conditions are one of the most critical elements.It is very important to forecast and collect information of meteorological conditions through good technical measures.In the current aviation meteorological service， the application of Doppler radar is widely valued.It has high precision and fast response to all kinds of weather types that affect aviation flight.This paper mainly analyzes and discusses the application of Doppler radar in aviation meteorological service， hoping to play a certain role of inspiration and reference.

[Keywords]doppler radar; general aviation; aviation meteorology; service application

多普勒雷達(dá)在航空氣象服務(wù)中被廣泛應(yīng)用，這是由于多普勒雷達(dá)在現(xiàn)階段同類產(chǎn)品技術(shù)中具有更加突出的先進(jìn)性，其不僅對天氣狀況具有預(yù)報指導(dǎo)功能，更能進(jìn)行天氣系統(tǒng)分析，實現(xiàn)精準(zhǔn)地危險天氣預(yù)警，這是多普勒雷達(dá)在航空氣象服務(wù)中最具優(yōu)勢的功能。

1 ?多普勒雷達(dá)概述

波源與觀測者之間存在一定的相對運動關(guān)系，波源發(fā)射的與觀測者接收到的波的頻率并不相同，二者互相接近時頻率升高，遠(yuǎn)離時頻率降低，這就是著名的多普勒效應(yīng)，也是多普勒雷達(dá)的工作原理，是在19世紀(jì)中期由奧利地物理學(xué)家J·C·多普勒發(fā)現(xiàn)并總結(jié)提出的?；诙嗥绽招?yīng)，多普勒雷達(dá)能夠根據(jù)回波確定探測對象的位置及相對速度，且具有強(qiáng)抗干擾能力、載頻穩(wěn)定度高、頻譜純度高、天線旁瓣低，能夠?qū)δ繕?biāo)信號進(jìn)行清晰分辨。而且，越是先進(jìn)的多普勒雷達(dá)其能夠采用的頻率重復(fù)種類越多，以及更加豐富的信號發(fā)射形式，濾波理論能夠?qū)ψ鴺?biāo)數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的處理與預(yù)測，且效果更佳。

現(xiàn)階段，多普勒雷達(dá)被應(yīng)用于航空氣象服務(wù)中，其不同于傳統(tǒng)的雷達(dá)只能對氣象目標(biāo)的強(qiáng)度進(jìn)行測量，多普勒雷達(dá)還可以對大氣風(fēng)場的信號進(jìn)行捕捉，以對不同高度大氣層的空氣湍流運動的分布進(jìn)行分辨，這些都是對強(qiáng)對流天氣或者災(zāi)害天氣預(yù)報預(yù)警十分重要的氣象信息。總體來說，多普勒雷達(dá)是現(xiàn)階段國際上最先進(jìn)的雷達(dá)系統(tǒng)，在國際范圍內(nèi)應(yīng)用廣泛，備受好評，其產(chǎn)品信息豐富，天氣預(yù)報的精度大幅提升，對于提高航空氣象服務(wù)質(zhì)量有重大推動作用。其特點主要包括，首先，多普勒雷達(dá)的信號處理采用可編程序，利用代數(shù)方法，有效增大雷達(dá)信號處理的量與速度，使得雷達(dá)能夠同時進(jìn)行多種工作，保持強(qiáng)抗干擾與超視距識別的能力，連續(xù)工作能力與滿負(fù)荷工作能力強(qiáng);其次，多普勒雷達(dá)能夠自適應(yīng)波形，能根據(jù)不同的實際需要選用不同的脈沖重復(fù)頻率的波形，以保證工作處于最佳狀態(tài)，達(dá)成最佳的分析結(jié)果;最后，多普勒雷達(dá)能夠提供高分辨率的天氣圖像，并能在保持高分辨率的基礎(chǔ)上進(jìn)行局部的放大與測繪，且清晰度不會受到影響。

隨著技術(shù)的發(fā)展，多普勒雷達(dá)的結(jié)構(gòu)組成更加趨向于精密與完善，其主要由天線、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、伺服系統(tǒng)、數(shù)字信號處理機(jī)、雷達(dá)數(shù)據(jù)處理機(jī)和數(shù)據(jù)總線等組成，并且在智能化、信息化、數(shù)據(jù)化發(fā)展趨勢之下，多普勒雷達(dá)的構(gòu)成也在向這一方面轉(zhuǎn)變。

2 ?航空氣象服務(wù)概述

氣象條件直接影響到航空飛行的安全，是最為重要的影響因素，在國際范圍內(nèi)由于氣象條件導(dǎo)致的飛行事故能夠占到事故總數(shù)的三分之一，為此時刻掌握天氣狀況對于安全飛行十分重要。在我國，航空氣象服務(wù)相對完善，航空氣象服務(wù)所提供的各類信息能夠影響到機(jī)場正常運行秩序，飛機(jī)起飛準(zhǔn)備，飛行路線優(yōu)化等多個方面。

2.1 ?我國航空氣象服務(wù)概述

我國的航空氣象服務(wù)采用分級管理運行模式，主要是分為民航、地區(qū)、空管與地方機(jī)場四個分管范圍。民航負(fù)責(zé)7500米以上航空氣象服務(wù)，涉及高空的重要天氣預(yù)告、溫度、風(fēng)向等內(nèi)容，地區(qū)負(fù)責(zé)3000m與7500m之間的中空航空氣象服務(wù)，涉及中空的重要天氣預(yù)告、溫度、風(fēng)向等內(nèi)容，空管負(fù)責(zé)3000m以下的低空航空氣象服務(wù)，涉及低空的重要天氣預(yù)告、溫度、風(fēng)向等內(nèi)容，地方機(jī)場主要是針對上述三者提供的天氣信息制作發(fā)布關(guān)于天氣的報告、預(yù)告及警告。

現(xiàn)階段，我國的多普勒雷達(dá)應(yīng)用于全國近1/3的機(jī)場，特別是在北上廣地區(qū)已經(jīng)基于多普勒雷達(dá)系統(tǒng)建立完成世界區(qū)域預(yù)報系統(tǒng)接收站，極大程度豐富了我國的民航氣象數(shù)據(jù)庫，對于航空安全的提升具有重要意義。

2.2 ?國際航空氣象服務(wù)概述

國際航空氣象服務(wù)的整體性更強(qiáng)，傾向于世界范圍內(nèi)布局，目的是為確保國際航空安全起到一定的作用，在我國北上廣地區(qū)建立的基于多普勒雷達(dá)系統(tǒng)的世界區(qū)域預(yù)報系統(tǒng)接收站也是國際航空氣象服務(wù)的重要一環(huán)。

現(xiàn)階段，以倫敦與華盛頓為中心的世界區(qū)域預(yù)報中心可以以圖表或數(shù)據(jù)的形式在世界范圍內(nèi)發(fā)布重要天氣預(yù)報，為世界各地的航空氣象服務(wù)機(jī)構(gòu)提供必要的資料支撐，以編制本地所需的航空氣象服務(wù)資料。

2.3 ?多普勒雷達(dá)在航空氣象服務(wù)中的應(yīng)用

多普勒雷達(dá)在航空氣象服務(wù)中進(jìn)行應(yīng)用時，會向空中以直線路徑發(fā)射脈沖式電磁波，脈沖式電磁波會以接近于光波的速度進(jìn)行傳播，如果在傳播的路徑中遇到氣象目標(biāo)物其會被散射從而產(chǎn)生回波信號，回波信號進(jìn)入到處理器中根據(jù)不同時次的頻率變化就可以對氣象目標(biāo)物的空間、位置、速度、方向、強(qiáng)度等進(jìn)行判斷，從而為機(jī)組乘務(wù)人員提供飛行相關(guān)的氣象信息。

在多普勒雷達(dá)提供的多類型的氣象信息中，對于對流天氣系統(tǒng)的預(yù)報預(yù)警十分重要，這是因為對流天氣系統(tǒng)與災(zāi)害性提天氣有直接聯(lián)系，如雷暴、龍卷風(fēng)、閃電擊、強(qiáng)湍流等大氣的強(qiáng)對流運動狀況蘊含巨大能量，破壞力較強(qiáng)，如果不能通過多普勒雷達(dá)及時進(jìn)行預(yù)判，則有可能使飛機(jī)誤入強(qiáng)對流中，造成不可挽回的經(jīng)濟(jì)損失與人員傷亡。

下文將以多普勒雷達(dá)在強(qiáng)對流天氣中的應(yīng)用為例，進(jìn)行具體分析。

強(qiáng)對流天氣多伴隨雷雨，特別是在中低層低渦氣流旺盛，高空槽層結(jié)位勢不穩(wěn)定的情況下，雷雨的強(qiáng)度大、范圍廣，對于航空飛行安全的影響直接，為此通過多普勒雷達(dá)回波分析，對強(qiáng)對流天氣的形勢狀況及發(fā)展趨勢進(jìn)行判斷十分重要。

2.4 ?強(qiáng)對流天氣形勢分析

一般情況下，高空形勢200 Pa至500 Pa之間范圍內(nèi)，航空飛行地區(qū)槽前在氣流控制之下呈現(xiàn)越往低層，槽越深的趨勢特點，而低渦一般存在于700 Pa，在700 Pa到850 Pa范圍內(nèi)，低空急流強(qiáng)，水汽充足，地面倒槽加深。中低層低渦發(fā)展，產(chǎn)生等壓線閉合氣旋時，大氣層結(jié)出行不穩(wěn)定狀態(tài)，強(qiáng)烈運動狀態(tài)下極易出現(xiàn)雷雨天氣。

2.5 ?多普勒雷達(dá)回波分析

多普勒雷達(dá)回波分析主要涉及三個方面，即回波強(qiáng)度分析、回波速度分析和風(fēng)廓線分析，這三方面內(nèi)容是多普勒雷達(dá)回波分析的重點與關(guān)鍵，也是多普勒雷達(dá)在航空氣象服務(wù)中發(fā)揮作用的關(guān)鍵所在。具體分析如下：

2.5.1 ?回波強(qiáng)度

雷雨發(fā)生前，多普勒雷達(dá)會捕獲大量降水回波，并伴隨有50 dBz以上強(qiáng)回波區(qū)。在強(qiáng)回波區(qū)移動的過程中，會有強(qiáng)回波不斷產(chǎn)生，并出現(xiàn)回波缺口，而且缺口的數(shù)量會隨著時間的推移而增加，含水量增加的情況下，有可能出現(xiàn)冰雹，從而大幅衰減回波強(qiáng)度。

2.5.2 ?回波速度

進(jìn)行回波速度的判斷分析需要以雷達(dá)為坐標(biāo)原點建立三維坐標(biāo)，進(jìn)行風(fēng)場模擬。利用PPI圖像顯示方式，在圖上表明雷達(dá)探測距離與對應(yīng)高度。對降水粒子的運動速度進(jìn)行分量分解，分量來自于垂直與水平兩個方向，并結(jié)合風(fēng)向夾角、方位角和天線仰角進(jìn)行分析。在對多普勒雷達(dá)的回波速度進(jìn)行分析時，要明確理清回波速度與其所在高度水平、垂直速度的關(guān)系，以及隨著高度的增加其大小、方向會出現(xiàn)的變化，這其中包含的函數(shù)關(guān)系是進(jìn)行回波速度分析判斷的關(guān)鍵。

一般情況下，風(fēng)速會隨高度的增加而減少，且在多普勒雷達(dá)的探測范圍內(nèi)存在一定的不規(guī)則變化，使得實際情況與模擬風(fēng)場存在差異造成誤差，甚至在風(fēng)速較大情況時出現(xiàn)速度的模糊。當(dāng)模擬風(fēng)場與雷達(dá)顯示圖類似時，就有可能出現(xiàn)雷雨天氣。

在雷雨天氣初期，較大風(fēng)速區(qū)與強(qiáng)回波區(qū)相對應(yīng)，與周邊相比明顯偏大，形成陣風(fēng)鋒的趨勢明顯且條件充足，這就會產(chǎn)生18 m/s的強(qiáng)風(fēng)，造成低空風(fēng)切變，從而對航空飛機(jī)造成巨大的安全威脅。

2.5.3 ?風(fēng)廓線

風(fēng)廓線是對風(fēng)速變化的直觀展現(xiàn)，通過風(fēng)廓線可以發(fā)現(xiàn)風(fēng)速與高度的關(guān)系成正比，高度增加風(fēng)速增大，順時針旋轉(zhuǎn)。風(fēng)速會在雷雨發(fā)生后降低，風(fēng)向發(fā)生變化，尤其在低層表現(xiàn)明顯，這表明地面與低層氣旋正在經(jīng)歷移動與發(fā)展。

結(jié)合回波強(qiáng)度、速度與風(fēng)廓線的分析模擬結(jié)果，總結(jié)強(qiáng)對流天氣下多普勒雷達(dá)航空氣象服務(wù)的內(nèi)容，可以發(fā)現(xiàn)強(qiáng)對流天氣產(chǎn)生的位勢高空槽為雷雨天氣提供了不穩(wěn)定能量，低渦急流的延續(xù)時間決定了雷雨的持續(xù)時間。基于多普勒雷達(dá)回波信息進(jìn)行的風(fēng)速、風(fēng)向模擬基本符合實際的回波情況，通過多普勒雷達(dá)速度回波可以清楚判定陣風(fēng)鋒的發(fā)展趨勢與移動方向，為低空風(fēng)切變的預(yù)報提供依據(jù)與參考。

3 ?結(jié)語

多普勒雷達(dá)在航空氣象服務(wù)中的應(yīng)用對于提升航空飛行的安全性至關(guān)重要，多普勒雷達(dá)的工作原理及技術(shù)水平保證了其在進(jìn)行氣象狀況的信息獲取與分析時，不會輕易受到外界干擾，以保證信息獲取的效率及準(zhǔn)確性，從而能夠為相關(guān)部門編制氣象服務(wù)報告奠定科學(xué)合理的基礎(chǔ)。綜觀多普勒雷達(dá)在航空氣象服務(wù)中的應(yīng)用，其對于對航空飛行影響最大的強(qiáng)對流天氣的分析判斷極為準(zhǔn)確，這也是其應(yīng)用的最大價值所在。

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