風(fēng)廓線雷達(dá)在民用航空機(jī)場中的聯(lián)合應(yīng)用

摘要：本文由風(fēng)廓線雷達(dá)的概念、工作原理和特點(diǎn)出發(fā)，論述其在民用航空領(lǐng)域應(yīng)用中的優(yōu)勢，和機(jī)場單一布局風(fēng)廓線雷達(dá)的局限性，進(jìn)而結(jié)合以往的使用經(jīng)驗，探討風(fēng)廓線雷達(dá)與其他氣象探測設(shè)備相互融合，和風(fēng)廓線雷達(dá)多點(diǎn)布局在民用航空機(jī)場中的聯(lián)合應(yīng)用場景。

關(guān)鍵詞：風(fēng)廓線雷達(dá);機(jī)場;融合;多點(diǎn)布局

一、風(fēng)廓線雷達(dá)探測的基本原理

風(fēng)廓線雷達(dá)發(fā)射的電磁波，在大氣傳播過程中，因大氣折射率的不均勻分布而產(chǎn)生散射，其中，后向散射能量能夠被風(fēng)廓線雷達(dá)所接收，根據(jù)多普勒效應(yīng)，當(dāng)目標(biāo)物相對雷達(dá)波束方向存在相對運(yùn)動時，接收信號和發(fā)射信號的頻率會產(chǎn)生偏差（即多普勒頻移），根據(jù)多普勒頻移，再經(jīng)過一定的信號與數(shù)據(jù)處理，即可得到大氣的風(fēng)場信息。

另外，雷達(dá)發(fā)射的是脈沖波，根據(jù)回波信號返回的時間可以確定回波的位置。

因此，結(jié)合多普勒測速和無線電測距原理，風(fēng)廓線雷達(dá)即可得到不同高度上的風(fēng)場信息，從而獲取大氣的風(fēng)廓線資料。

二、風(fēng)廓線雷達(dá)的基本功能及其在民用航空領(lǐng)域中的應(yīng)用優(yōu)勢

根據(jù)探測高度的不同，風(fēng)廓線雷達(dá)可分為邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)、對流層風(fēng)廓線雷達(dá)及中間層-平流層-對流層雷達(dá)（MST）。邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)的探測高度通常在3km左右，對流層風(fēng)廓線雷達(dá)的探測高度通常在12-16km，MST雷達(dá)的探測高度甚至可達(dá)中間層（自平流層頂至85千米之間的大氣層）。其中，邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)主要用于邊界層探測，相對來說，其探測資料較適合中小尺度大氣科學(xué)研究、中小尺度短時預(yù)報、航空安全保障和空氣質(zhì)量預(yù)報等社會服務(wù)領(lǐng)域，因此國內(nèi)民用機(jī)場配置的風(fēng)廓線雷達(dá)，大都是L波段的邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)。

風(fēng)廓線雷達(dá)能夠提供多種氣象信息，不僅包括風(fēng)廓線及其隨時間的演變，且在獲取風(fēng)場資料的同時，可衍生分析出切變線、大氣重力波動和大氣穩(wěn)定度等多種信息，通過多波束的測量還可估算水平散度和變形量等更多的氣象信息。風(fēng)廓線雷達(dá)利用多普勒譜寬可獲取湍流信息，從雷達(dá)反射率可得到反映湍流強(qiáng)度的湍流結(jié)構(gòu)常數(shù)等，配有無線電聲探測系統(tǒng)（RASS）的風(fēng)廓線雷達(dá)，還能探測距地面特定高度范圍內(nèi)的大氣虛溫。總之，風(fēng)廓線雷達(dá)能夠提供許多依靠其他常規(guī)探測手段較難獲取的可用于大氣科學(xué)研究、天氣預(yù)報的有用信息。

風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品的連續(xù)性、實時性強(qiáng)，其測量數(shù)據(jù)的輸出時間間隔可短至幾分鐘，空間分辨率可控制在幾十米量級，因而能夠輸出較密的廓線資料，從而滿足產(chǎn)品精細(xì)化程度高、實時性強(qiáng)的航空氣象工作的苛刻要求。

此外，由于風(fēng)廓線雷達(dá)屬于遙感風(fēng)速計，特別適合類似機(jī)場這種需要無球探測的場合。

由此可見，風(fēng)廓線雷達(dá)具有獲取資料種類多，時間、空間分辨率高，適合機(jī)場使用，且故障率低、可維護(hù)性好等優(yōu)點(diǎn)。

三、民用機(jī)場單一風(fēng)廓線雷達(dá)應(yīng)用的局限性及其解決方案

風(fēng)廓線雷達(dá)主要探測其上方垂直層面的三維風(fēng)場信息，水平區(qū)域的擴(kuò)展能力有限，而現(xiàn)代化民用機(jī)場的飛行區(qū)范圍越來越大，我國大部分開放機(jī)場的飛行區(qū)等級均在4D以上，擁有兩條甚至多條跑道的情況比比皆是，因此單一風(fēng)廓線雷達(dá)的探測能力很難滿足實際需要。

在實際應(yīng)用場景中，往往將風(fēng)廓線雷達(dá)與其他氣象探測設(shè)備聯(lián)合應(yīng)用，通過多種探測數(shù)據(jù)相互融合的方式，或是增加風(fēng)廓線雷達(dá)的布局，采取雷達(dá)組網(wǎng)方式，增強(qiáng)性能，豐富產(chǎn)品，改善用戶體驗。

四、風(fēng)廓線雷達(dá)在民用航空機(jī)場中的聯(lián)合應(yīng)用場景

（一）場景一：風(fēng)廓線雷達(dá)與航空自動氣象觀測系統(tǒng)（AWOS）等的聯(lián)合應(yīng)用

將邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)與航空自動氣象觀測系統(tǒng)（AWOS）、低空連續(xù)波測風(fēng)雷達(dá)、激光測風(fēng)雷達(dá)等聯(lián)合應(yīng)用，利用邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)和AWOS系統(tǒng)的風(fēng)場探測結(jié)果，輸出湍流能量、通量、散度、波動性等監(jiān)測產(chǎn)品，可應(yīng)用于風(fēng)場的監(jiān)測和預(yù)警，開發(fā)風(fēng)切變預(yù)警探測系統(tǒng)。

（二）場景二：風(fēng)廓線雷達(dá)與微波輻射計等的聯(lián)合應(yīng)用

用邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)、微波輻射計、毫米波測云雷達(dá)等構(gòu)成聯(lián)合探測系統(tǒng)。

風(fēng)廓線雷達(dá)能夠?qū)崟r獲取機(jī)場上空不同高度層的水平風(fēng)和垂直風(fēng);微波輻射計能夠獲取機(jī)場上空不同高度層的溫度、相對濕度、水汽密度和液態(tài)水含量;毫米波雷達(dá)是云的三維精細(xì)結(jié)構(gòu)探測的重要工具，它具有更接近小粒子尺度的短波長，因此適合用來探測弱云。以上系統(tǒng)的聯(lián)合應(yīng)用，可將機(jī)場上空的垂直風(fēng)廓線與溫度垂直廓線、相對濕度垂直廓線、液態(tài)水含量垂直廓線、水汽密度垂直廓線進(jìn)行融合顯示，能夠更直觀地向預(yù)報員展示機(jī)場上空的熱力場、動力場及水汽監(jiān)測結(jié)果。

（三）場景三：風(fēng)廓線雷達(dá)多點(diǎn)布局

同一機(jī)場安裝多部（通常是三部）風(fēng)廓線雷達(dá)，不僅可以獲取每部雷達(dá)上空的風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)，還可以通過數(shù)據(jù)融合，得到三部雷達(dá)圍成的三角形區(qū)域的水平切變指數(shù)以及大氣旋度、散度信息，有利于氣象服務(wù)人員及時掌握區(qū)域內(nèi)的空間風(fēng)場信息。

三套風(fēng)廓線雷達(dá)組網(wǎng)，原則上應(yīng)以機(jī)場跑道為中心，選擇合理的安裝地點(diǎn)，圍繞跑道進(jìn)行三角形布局，這樣的布局具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）近似等邊三角形，有利于風(fēng)場數(shù)據(jù)融合，降低誤差;

（2）合理的站點(diǎn)間距，能夠有效監(jiān)測中小尺度天氣系統(tǒng);

（3）與跑道保持適當(dāng)距離，能夠避免飛機(jī)對雷達(dá)帶來的干擾。

三部風(fēng)廓線雷達(dá)系統(tǒng)可使用不同的工作頻率，以避免工作期間頻率干擾，再參照前文所述的不同融合模式，例如以風(fēng)廓線雷達(dá)為主體，同時引入AWOS系統(tǒng)、激光測風(fēng)雷達(dá)、微波輻射計等作為輔助，最終形成一套跨系統(tǒng)跨平臺、產(chǎn)品內(nèi)容豐富、實時性強(qiáng)、具有預(yù)警功能的適用于民用航空氣象工作的綜合業(yè)務(wù)系統(tǒng)，這也是大數(shù)據(jù)時代背景下，未來航空氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。

參考文獻(xiàn)：

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