風廓線雷達在我國民用航空氣象領域中的研究與應用

陳高平 王琦 張明欣

云南機場集團有限責任公司麗江機場航務部氣象臺 云南 麗江 674100

引言

一直以來，在民用航空氣象界，風切變都是一個探討的熱門話題，因為風切變天氣現(xiàn)象對于飛機的運行會造成很大的威脅，如果是正在飛行當中的飛機，遇到這種氣象條件的話，會出現(xiàn)不受控制的情況，從而導致非常嚴重的安全事故，所以說為了保障飛機在運行過程當中的安全性，我們必須要從根本上對于風切變現(xiàn)象進行了解，加強針對這種現(xiàn)象的研究，降低風切變現(xiàn)象對飛機運行造成的危害以及影響。風廓線雷達是一種新型的氣象雷達，能夠有效針對風切變等一系列氣象要素進行垂直探測，低空風切變的產生跟大氣本身的運動有著密切的聯(lián)系，風廓線雷達在進行應用的時候，可以有效探測其存在，并且能夠獲得相應的數(shù)據(jù)，可以有效地為規(guī)避這種氣象條件所造成的不利影響提供幫助，能夠更好保障飛機運行當中的安全性。在本篇文章當中，會以風廓線雷達以及低空風切變作為主要的研究對象，對風廓線雷達探測低空風切變的應用進行相關的論述[1]。

1 風廓線雷達在民航氣象當中的應用現(xiàn)狀

風廓線雷達作為一種新型的探空設備，在民航當中還沒有得到完全普及和應用，現(xiàn)如今在全國已經(jīng)建成投入使用的大概有20多套左右，包括北京，上海以及廣州和西安等地，這些已經(jīng)建設了雷達的機場基本上都屬于邊界層風廓線雷達，主要的生產廠商除了芬蘭Vaisala以及日本住友以外，國內的生產品牌主要包括北京敏視達以及中國電子科技集團公司14研究所等。依據(jù)相關的調查以及用戶的交流，便可以得知這些已經(jīng)建設了風廓線雷達硬件系統(tǒng)機場在運行過程當中整體的系統(tǒng)運行的還是非常穩(wěn)定的，可以針對民航的氣象保障工作提供非常大的幫助，但是在信號的分析以及風廓線反演和質量控制方面，其實和國外仍然存在著一定的差距，對于軟件以及算法的投入研究力度還是不夠，針對二次產品的研發(fā)也相對來說比較滯后，這也會影響用戶的使用效果。

其實就目前來看，民航氣象用戶對于風廓線雷達的使用存在著很大的局限性，并沒有真正發(fā)揮出風廓線雷達的探測性能，即便是對于風切變的預報，有的時候也存在著無法做到前瞻性，這和目前國內的風廓線雷達所提供的數(shù)據(jù)質量并不高以及算法并不成熟有著非常大的聯(lián)系。因為空管系統(tǒng)預報員的工作非常的沉重，需要多次進行探測以及分析，這也決定了預報員不可能時刻的去監(jiān)控發(fā)現(xiàn)可能存在著風切變的時候，需要詢問地面的預報人員，而預報人員在分析了之后才能夠判斷是否會發(fā)生風切變，這對于天氣氣象的保障工作來說，出現(xiàn)了本末倒置。既然風廓線雷達本身是一個預警系統(tǒng)，那么不僅需要把原始的資料呈現(xiàn)給用戶，而且應該開發(fā)出更加成熟的預報產品，利用自動語音來報警提醒預報工作人員進行關注，預報工作人員的確認了之后，需要及時發(fā)布航行通告。

從某種意義上來講，邊界層風廓線雷達主要包括兩個部分，分別為風廓線儀以及天線電聲波探測系統(tǒng)，但是民航各個地區(qū)在安裝風廓線雷達的時候，因為考慮到了成本，所以只安裝了風廓線儀，并沒有真正安裝無線電聲波探測系統(tǒng)，所以導致探測的時候沒有辦法及時的探測到近地面到對流中部的溫度廓線資料。

2 民用航空氣象風廓線雷達以及低空風切變概述

風廓線雷達屬于一種非常先進的地基遙感探測設備，不僅能夠有效提供各個程度上的水平方以及垂直的速度，同時也能夠探測到三維風場的信息，而且安裝了無線電探測系統(tǒng)之后，還可以同時的獲取近地面到對流層中部的溫度詳細資料以及濕度詳細資料，能夠有效地揭示常規(guī)天氣資料，并且分析一些大氣的動力以及熱力特征，進而能夠使用到短時對流天氣預報當中。經(jīng)過了多年以來，眾多學者針對風廓線雷達的相關研究，風控線雷達探測天氣的現(xiàn)象已經(jīng)不再局限于晴空風切變了，吳志根提出在線分析應用模式，能夠有效地使用風廓線雷達并且可以探測出降水量的發(fā)展。劉淑媛以及鄭永光等則提出風廓線雷達，不僅能夠有效的去分析低空急流以及短時暴雨之間的對應關系，同時還可以用于加強對于暴雨的短時預報。楊引明以及陶祖鈺等也研究了將風廓線雷達所探測到不同高度的風溫資料，結合其他的地面高度以及探測資料進行更加有效的對流天氣系統(tǒng)的預報以及研究。綜上所述便可以發(fā)現(xiàn)風廓線雷達資料的應用現(xiàn)如今在各個領域正在不斷的擴展當中，已經(jīng)不僅僅局限探測晴空風切變了，風廓線雷達所探測到的大氣動力以及熱力特征，可以對于對流天氣的發(fā)生進行預報，但是這些并沒有在民航氣象上面能夠得到進一步的研究以及發(fā)展。

2.1 風廓線雷達

風廓線其實通俗來講指的就是對于風速的一種描述，是對于風速和高度關系之間的一種闡述，也就是說風廓線指的就是分析當高度變化的時候，風速是如何變化的，研究風廓線能夠有效地為風速在大氣邊界層當中的發(fā)展規(guī)律提供一定的研究基礎。調查方法就是在小于1.5km的地面高度基礎上面，測試出風速以及風向，然后通過測試觀察好風速風向和高度之間產生的聯(lián)系，并且根據(jù)大氣穩(wěn)定度了對其進行分類，得出數(shù)學表達式。

而風廓線雷達則是用來描述風廓線的，屬于一種可以進行風速研究的遙感設備，同時風廓線雷達也能夠針對天氣情況進行監(jiān)測，從不同的方向高空發(fā)射出電磁波束，電磁波在受到大氣折射率的影響之后，就會出現(xiàn)散射現(xiàn)象，雷達對于電磁波束的信息會進行接收并且處理，形成大氣風場，收集關于風場所傳遞出來的信息，針對高空風場進行進一步的探測。在整個探測的過程當中，體現(xiàn)出了自動化程度高，以及不會受到時間跟空間限制的優(yōu)勢，依據(jù)不同的分類標準，也可以將風廓線雷達分成不同的種類?？偠灾L廓線雷達對于風速、空氣質量以及天氣情況的監(jiān)測來說，會起到非常好的作用[2]。

2.2 低空風切變

低空風切變能夠滿足高度低的特點，高度大約在小于600m的地面距離，從水平方向上或者是從垂直方向上所發(fā)生的一種切變現(xiàn)象，總體來說指的就是在低空條件下從水平方向或者是從垂直方向上面風速矢量以及分量所產生的變化，這種現(xiàn)象的發(fā)生和天氣環(huán)境有著密不可分的聯(lián)系，在不同的天氣條件下，會產生不同的切變現(xiàn)象，所以說這對于飛機的飛行以及著陸來說，會造成很大的影響。

風切變是針對空間來講的一個問題，在空間的兩點上面，對于風速以及風速空間所產生變化的一種反應，發(fā)生風切變的主要的原因就是因為大氣在運動的時候產生了一定的變化，受到了地理以及環(huán)境所產生的影響，同時也有大氣本身的運動情況以及地理環(huán)境共同因素所作用而導致的。

3 探測原理

3.1 風廓線雷達的測風原理以及方法

3.1.1 大氣湍流散射。因為大氣湍流的折射率是非常的不均勻的，所以說會引起電磁波的散射，向空中發(fā)射出電磁波，也就是說在晴空的條件下，也可能會接收到來自于大氣的回波。我們可以將描寫大氣湍流散射的雷達方程式進行表示：

3.1.2 風廓線雷達的基本工作原理。一般來說會使用五波束體制，指的就是北、東、南、西這4個傾斜方向，再加上一個垂直方向，順序向空中發(fā)射出電磁波，傾斜波束的傾角是從10°~20°不等的，接收機會接收大氣湍流回波，然后根據(jù)回波的多普勒頻移值得到不同方向上的大氣運動的具體的信息，然后合成風向和風速。主要會根據(jù)3個波束來計算出風向風速，例如設定風矢量沿著正東，正北跟鉛垂方向的分量分別為UE，UN以及Ud，矢量沿著偏東以及偏北和鉛垂三波束上面的投影各項的速度分量計算公式如下所示：

需要注意的一點是因為傾斜波束偏離垂直的角度會非常的小，所以說水平分量的誤差比較大，因此垂直波束的誤差測量應該小于水平分量的誤差，也就是說風廓線雷達最適合使用在大氣垂直氣流的測量當中。

3.1.3 風廓線雷達測風的分層高度。風廓線雷達在應用的過程當中，可以使用不同的模式來進行工作，由發(fā)射脈沖寬度來確定好測風的具體的分層高度，邊界層以及對流層跟平流層的風廓線雷達存在著不同的高度，測量的屬于某一層空氣厚度的風向風速平均值不可能是瞬時值。

3.1.4 風廓線雷達所測風向風速廓線。一般來說，風廓線雷達所測得的風向風速，會使用氣象業(yè)務當中的風雨以及風矢圖來對其進行表示，所有使用的符號都和氣象用風向，風速符號是相同的，有的時候，為了區(qū)別風的大小，也會使用不同的顏色來進行表示。

3.1.5 風廓線雷達所測風向風速的特性?？傮w來說，風廓線雷達所測風向風速的特性可以分成三個方面，第一點是所測得的風的采樣空間一直都是固定的，分層高度也是固定的，第二點是每一層的風向風速都是由南北以及東西矢量來合成的，包含著每一層的所有的細節(jié)，中間的位置的湍流運動信息，對于平均值是有所貢獻的，第三點是必須要采取比較長時間的平均值，不可能存在著多瞬時值[3]。

3.2 工作方式

為了能夠有效地獲取風廓線雷達上空的三維風速信息，我們至少需要從三個不共面的波束進行了解，為了能夠有效提升探測的精度，一般來說，會采取五個固定指向波束掃描這樣的方法，按照順序向如下所述的方向發(fā)射射頻脈沖，一般來說仰角會在70~75°，以75°為例。

4 風廓線雷達在我國的民航氣象領域當中的使用

4.1 風廓線雷達在我國民航氣象領域當中的使用情況

將風廓線雷達使用在民用航空氣象探測當中，可以從時間的連續(xù)變化當中，有效得到風向風速演變的具體情況，使用傳統(tǒng)的測風方法是無法做到的，因此利用這個特點，我們可以將其使用在風切變的判斷當中，這對于短期天氣預報來說非常有用，更是航空領域涉及飛行安全的一個非常重要的指標，同時這也是目前民航推廣使用風廓線雷達的一個非常重要的原因之一。到目前為止，民航系統(tǒng)當中除了北京、上海以及廣州等幾個大的樞紐以外，深圳、玉樹以及九寨黃龍等機場也是建設風廓線雷達比較早的幾個單位，從系統(tǒng)的整體運營來說，還是非常穩(wěn)定的，能夠對于民航空管氣象工作提供很大的幫助。

4.2 風廓線雷達在民用航空氣象低空風切變探測當中的使用

4.2.1 探測條件。一般來說，在低空風切變探測的過程當中，使用的都是多普勒風廓線雷達，針對對流層當中的風場進行實時的測量，垂直風廓線的探測高度在本機上空50m到幾公里不等，具體的探測高度是根據(jù)雷達來確定的。無論是時空的分辨率還是準確度，在垂直高度條件下，所有的數(shù)值都會比較高，不需要花費更多的人力或者是物理針對其工作狀態(tài)進行實時的監(jiān)測，而且也能夠做到遠程監(jiān)控。所以風廓線雷達在低空風切變探測當中的應用價值是無法替代的，而且還有利于節(jié)約成本，生成風廓線分辨率更高，對于尺度預報會產生非常大的改變，對于非短暫風切變的監(jiān)測也能夠起到很重要的作用[4]。

4.2.2 測風原理。大氣折射率對于電磁波來說有著非常重要的影響，受到了大氣折射率的影響，電磁波會出現(xiàn)散射的情況，雷達對于返回的電磁波會進行接收，對于大氣散流進行特定的計算，大氣湍流活動的尺度和高度呈現(xiàn)正比例關系，探測高度和電磁波的長度也有著密切的聯(lián)系，對于風廓線雷達的探測高度，應該依據(jù)具體的情況選擇相應的電磁波長度。

通常情況下，會向天空中發(fā)射出五束光波，湍流回波會被接收機所接收，然后獲取其運動的信息，用合成計算的方法，得出風速以及風向，徑向速度的正方向是向天線運動的方向，風來向則是由矢量的分量正值來計算的。通過工作模式的不同，還有脈沖寬度所得出來的分層風的高度，結合空氣厚度的具體條件，就能夠測試出風速的平均值，所測得的數(shù)據(jù)需要使用氣象符號以及矢量圖來進行標注。

4.2.3 風廓線雷達在實際測風當中的使用。在晴朗的天氣下，風廓線雷達對于垂直陣風和微下沖氣流的觀測具有非常明顯的直接性，能夠逐步實現(xiàn)針對低空風切變告警系統(tǒng)的三維觀測，單部風廓線有著明顯的局限性，在對于低空風切變的監(jiān)測的時候，只局限于上空，如果想要針對區(qū)域的垂直風場進行了解的話，那么還需要增加風廓線雷達的數(shù)量，并且針對這些雷達進行裝置聯(lián)網(wǎng)。

4.3 應用實例

就目前來看，跟地方氣象部門相比，風廓線雷達在我國的民用航空領域的使用仍然不夠普及，雖然說已經(jīng)在建設當中投入了一定的資金，但是已建成的跟投入使用還是比較少的，基本上都是邊界層相控陣風廓線雷達。主要原因是，一方面以對于風場的探測，還包括其他的一些技術手段，不止依賴于風廓線雷達，比方說傳統(tǒng)的探空數(shù)據(jù)，在應用的時候效果也非常的不錯，另外一方面是受制于占地面積以及投入經(jīng)費的影響，在機場跑道周邊很難形成多點以及網(wǎng)狀分布，所以說所獲得的數(shù)據(jù)的參考意義也比較有限。應用在國內的民用風廓線雷達系統(tǒng)主要的產品除了一些國外的產品以外，國內的北京敏視達以及中國電子科技集團公司第14研究所和中國航天科工集團第二研究院23所等也積累了非常多的用戶，在民航系統(tǒng)當中北京，上海，廣州以及深圳等機場現(xiàn)在對于風廓線雷達的應用，已經(jīng)比較穩(wěn)定了。

在本篇文章當中，我們主要依據(jù)西安咸陽機場的風廓線雷達系統(tǒng)進行相關的研究，西安咸陽機場所使用的是一種邊界層風溫廓線雷達系統(tǒng)，主要包括以下設備模塊，分別為天饋分系統(tǒng)，發(fā)射機分系統(tǒng)，接收機分系統(tǒng)，控制與信號處理分系統(tǒng)，以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和RASS分系統(tǒng)以及通信分系統(tǒng)等等。

在整個系統(tǒng)當中，工控機是使用于系統(tǒng)的信號處理的，主要進行調度以及對于監(jiān)測進行維護，兩臺服務器跟一臺磁盤列陣組成一個雙機熱備系統(tǒng)，對于工控機所發(fā)送的數(shù)據(jù)進行處理，并且針對數(shù)據(jù)產品進行發(fā)布。監(jiān)控維護端會使用遠端登陸來進行主機服務器的探索，對于系統(tǒng)進行操作和監(jiān)視，用戶終端能夠通過Web瀏覽器查看系統(tǒng)的具體的運行狀態(tài)，三層交換機則支持VLAN的路由功能，計算機之間能夠通過交換機以及設備實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的通信。

該服務器主要包括兩個虛擬機，一個是進行數(shù)據(jù)處理的，而另外一個是用作Web服務器來發(fā)布數(shù)據(jù)產品的，該部風廓線雷達系統(tǒng)主要包括的功能為以下幾點，第一點就是能夠有效地去提供不同高度層的水平風的風速以及垂直風的風速跟風向，提供不同高度層的大氣虛溫。第二點是當預設閾值被超過的時候，系統(tǒng)會發(fā)出視覺以及聽覺警報，第三點是能夠有效建立以及維護好數(shù)據(jù)庫，可以存儲、檢索我們所處理的數(shù)據(jù)。第四點是具有機內測試設備，方便監(jiān)察各個系統(tǒng)的各個部件的具體情況，能夠幫助維護人員進行故障診斷。第五點，可以遠程監(jiān)控系統(tǒng)的運行情況，并且輔助執(zhí)行各種常規(guī)的維護，第六點是支持以太網(wǎng)連接，能夠連接到業(yè)主的氣象網(wǎng)絡里面，并且也能夠有效提供實時數(shù)據(jù)，可以確保每天24個小時，都不間斷的進行工作[5]。

5 結束語

綜上所述，低空風切變一直以來都是國際航空界公認的飛機起飛以及著陸過程當中的無形殺手，低空風切變的形成和大氣的運動以及局部地形，包括環(huán)境等因素是密不可分的，而風廓線雷達在民航氣象業(yè)務當中的應用，能夠有效地去探測飛機起飛以及降落點附近的大氣風場的具體的情況，可以為預報員判斷機場附近的低空風切變提供很大的參考，并且也有利于對于這種特殊天氣展開更加深入的研究，對于保障飛機的飛行安全來說就有著非常明顯現(xiàn)實意義。