机场风廓线雷达参数选择和安装位置分析

明 虎，阮 征，王敏仲，卢禹茜

(1.中国民用航空西北地区空中交通管理局气象中心， 西安710082)

(2.中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室， 北京100081)

(3.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所， 乌鲁木齐830002)

0 引言

风切变是影响航空器飞行的非常危险的天气现象。当跑道附近存在风切变时［1］，飞机从小的顺风进入大的顺风区域，或从大的逆风进入小的逆风或顺风区域时，速度就会减小，升力就会下降，飞机下沉导致其无法正常起飞或提前降落，危及飞行安全;当飞机进入另外一种风切变，即风速垂直切变的强烈下沉气流时，由于强度很大，甚至可能把飞机直接“砸”到地面，引发严重的飞行事故。对风切变和空间风场的有效探测既可以保证飞行安全，又可以达到节省经营成本，提高飞行效率。

风廓线雷达是利用大气湍流对电磁波的散射作用探测大气风场的一种遥感设备，它可以在时间上不间断的获取垂直空间的风场分布，利用这些数据可以有效地探测到风切变。我国在20世纪中期就开始进行了风廓线雷达在民航机场的试验研究。到目前为止，中国已经有20部左右风廓线雷达应用于实际业务。风廓线雷达正逐渐成为探测机场风切变和大风的有效探测工具。

本文根据民航机场的需求对选择的风廓线雷达参数指标及其在机场安装位置进行系统地分析。

1 风廓线雷达的有效探测高度

1.1 风廓线雷达最小探测高度

影响风廓线雷达最小探测高度的主要因素是雷达脉冲宽度和相控阵雷达［3］的天线口径。

(1)脉冲宽度决定了雷达天线接收电磁波往返的最低高度。假定脉冲宽度为τ，由于雷达天线接收回波信号的最短时间间隔为τ，则电磁波回波的最低高度Hmin1为

式中:c为电磁波传播速度。当低于Hmin1时为雷达的探测盲区。

(2)对于相控阵风廓线雷达，平面天线阵列的电磁波辐射合成平面波需要一定的空间距离。最低探测高度不能低于此距离。假定天线的口径为D，雷达波长为λ，则电磁波合成平面波的最低高度Hmin2［4］近似地可表示为

风廓线雷达最终的最低探测高度要以两个因素最大值为准。

1.2 风廓线雷达最大探测高度

风廓线雷达最大探测高度主要由脉冲重复周期、雷达自身的设计参数和大气湍流对电磁波的散射能力决定。

(1)风廓线雷达探测高度与脉冲重复周期(PRT)的关系

梁伟江等[14]采用半枫荷的提取物，用SD大鼠开展持续力竭游泳血瘀试验，发现不同极性半枫荷提取物均能改善大鼠的血瘀状态、液流变学及凝血相关指标，其中以水部位的作用最强，且水部位的作用表现出明显的量效关系，因此认为半枫荷的提取物(水部位)具有显著的活血化瘀的功能。但半枫荷活血化瘀的具体作用机制及其有效成分尚不清楚，有待进一步的研究。

在不考虑雷达自身参数和大气湍流对探测高度的影响的情况下，风廓线雷达的最大探测高度Hmax决定于脉冲重复周期，利用公式表示为

式中c为电磁波传播速度;TP为脉冲重复周期。

(2)风廓线雷达参数和大气湍流对探测高度的影响

在风廓线雷达实际设计和探测时，雷达自身参数和大气湍流对电磁波的散射能力是影响风廓线雷达最大有效探测高度的主要因素。通常用大气折射率结构常数［5］(C2n)表示大气湍流运动对电磁波后向散射能力。当雷达波处于湍流惯性子区时，文献［6］给出了散射截面(η)与大气折射率结构常数的关系

在式(6)中得到风廓线雷达实际的最大有效探测高度与发射功率Pt、天线增益G、脉冲宽度τ、馈线损耗L、雷达波长λ和大气折射率结构常数成正比，与风廓线雷达的信号处理系统能够提取的最小有效回波功率Pr成反比;Pr由雷达接收机能提取有用信号的最小信噪比决定。

2 机场风廓线雷达参数选择分析

风切变是机场风廓线雷达的主要探测对象，本文统计西北地区西安咸阳国际机场、兰州中川机场、西宁曹家堡机场和银川河东机场在2011年和2013年发生的64次影响航空器飞行的风切变高度和时间分布，如图1所示。

图1 西北地区四大机场发生风切变分布图

在图1a)中可以看出，发生风切变的最大高度小于3 000 m，在高度小于100 m时发生风切变的比例为32.8%，在高度小于500 m发生的比例为81.3%，在高度大于500 m发生的比例才为18.7%。因此，在机场及其周边影响航空器飞行的风切变主要集中在低空500 m以下，并且在低于100 m发生风切变的次数更加密集，而风切变发生的最大高度要小于3 000 m。在图1b)中可以看出，在4、5、6、7和8月份(春夏季节)发生风切变频率比较多，而在11、12和1月份(冬季)发生的频率比较低。因此，民航机场对风廓线雷达有效探测低空风场的要求更高，在风廓线雷达参数选择时更多考虑对低层风探测的有效性，而在最大探测高度只要大于或等于3 000 m即可，选择边界层风廓线雷达最好。

2.1 天线口径的选择分析

由于风廓线雷达的最低有效探测高度由脉冲宽度和相控阵天线口径决定，风廓线雷达一般都采用全固态发射机，可以工作在比较窄的脉冲宽度，最小探测盲区可以降低到30 m，所以天线口径的选择是机场选择风廓线雷达对低层风探测效果的主要考虑因素。现在风廓线雷达天线口径主要设计在1.8 m～6.0 m，假定风廓线雷达波长λ=0.234 m，则相控阵雷达天线波束形成的最低高度如图2所示。

图2 不同天线口径的最小波束形成高度曲线

机坪内或者机场周边可以利用不同高度的测风传感器实现对50 m以下风的测量，则机场风廓线雷达的最低探测高度应该低于50 m。结合图2，当天线口径在1.8 m～2.4 m之间可以满足要求。

由式(6)可知，风廓线雷达探测的最大有效高度与天线增益G成正比，相控阵的天线增益可以表示为

在式(8)中得到天线口径D的大小与风廓线雷达的最大探测高度成正比，由于满足最低探测高度小于50 m的相控阵天线口径在1.8 m～2.4 m，根据民航对低层风的应用需求天线口径的最佳选择为2.4 m。

2.2 机场温湿度对风廓线雷达探测高度影响

根据机场利用风廓线雷达对风切变探测的需求，测风的高度应该大于3 000 m，在式(6)中可以看出大气折射率常数是影响最大探测高度的一个重要因素。当忽略自由电荷的中性大气［8］，根据柯尔莫哥洛夫在局地均匀各向同性湍流场的假设，在湍流惯性副区尺度范围内，大气折射率结构常数可以表示为

以西安咸阳国际机场为例分析温度和湿度的变化对风廓线雷达最大探测高度的影响。西安咸阳国际机场的风廓线雷达是CFL-03边界层风廓线雷达，发射功率为2 kW，脉冲频率为1 290 MHz，天线口径为3.6 m，脉冲宽度为0.4 μs。统计2012年风廓线雷达的每个月的实际探测高度平均值、高度300 m的大气折射率常数和机场自动观测站测得的每月的温度和相对湿度的变化曲线如图3所示。

图3 西安咸阳国际机场风廓线雷达所测参数变化图

在图3中可以得到风廓线雷达实际的探测高度、大气折射率常数和温度、湿度的变化趋势基本一致，在冬季1月、2月和12月温度和湿度的值都比较小，大气折射率常数在10-17的量级，风廓线雷达的实际探测高度小于2 500 m;到了春季3月、4月和5月温度和湿度都逐渐增大，大气折射率常数在10-16量级，风廓线雷达的实际探测高度大于2 500 m而小于3 000 m;到了夏季和初秋季节(6月、7月、8月、9月)温度和湿度都达到非常大的值，大气折射率常数也变得很大，特别在9月份湿度达到最大值，大气折射率常数达到最大值在10-15的量级，风廓线雷达实际探测高度超过了4 000 m;到了10月和11月温度和湿度又开始下降，大气折射率常数又逐渐降到10-17的量级，风廓线雷达的实际探测高度又降到了3000 m以下。

图4a)是在湿度为55% ～58%时，风廓线雷达实际探测的有效高度随温度的变化曲线，图4b)是在温度为20℃ ～23℃时，风廓线雷达实际探测的有效高度随湿度的变化曲线。在图4中可以得到，风廓线雷达的有效探测高度随温度和湿度的增大而增大，在图4a)中当温度小于5℃时，风廓线雷达有效探测高度变化比较小，并且都在2 000 m左右，当温度大于25℃时有效的探测高度达到了3 000 m左右;在图4b)中当湿度小于45%时，风廓线雷达的探测高度在2 000 m左右，而当湿度达到80%以上时，风廓线雷达的探测高度大于4 000 m。在图4b)中风廓线雷达的有效探测高度随湿度的变化范围2 000 m～5 000 m要大于图4a)中随温度的变化范围2 000 m～3 000 m，并且变化梯度更大。

图4 风廓线雷达随温度和湿度变化的有效探测高度曲线

2.3 发射功率的选择

发射功率是影响风廓线雷达有效探测高度的重要参数之一，在式(6)可以得到发射功率和有效探测高度成正比。根据不同的机场气候特点选择不同的发射功率可以有效的改善由于大气折射率常数不稳定对探测高度造成的起伏。当机场的温度和湿度全年都比较稳定并且值比较大时，可以选择偏小的发射功率，这样不但可以保证风廓线雷达有效探测高度，而且可以减小了对设备的硬件的要求;当机场的温度和湿度随季节变化起伏比较大(特别是在某个季节湿度太小)或者机场的温度和湿度全年温湿度都比较小时，要选择偏大的发射功率以确保风廓线雷达满足机场的探高要求。

3 风廓线雷达在民航机场安装位置的分析

风廓线雷达在机场安装位置的选择是民航气象预报员利用雷达探测数据向外提供良好天气服务的基础。安装位置的选择主要考虑净空、地理位置和风廓线雷达的有效探测高度。安装位置对净空的要求必须满足在探空区间没有遮挡物、周围有没有强电磁波和高大建筑物的影响。根据《民用航空气象探测环境管理办法》规定:风廓线雷达四周的障碍物对探测系统天线形成的遮蔽仰角应小于30°。安装位置对地形位置的要求尽量远离高大建筑物、大树、山坡等遮蔽物，尽可能远离强电场、磁场物体。风廓线雷达的安装位置一定要考虑风廓线雷达的有效探测高度:当航空器(起飞或者降落时)路经风廓线雷达的探测区域时，航空器到天线平面的垂直高度应该大于风廓线雷达的最小有效探测高度。

4 结束语

本文系统地分析了根据机场的需求选择的风廓线雷达参数和风廓线雷达在机场安装时主要考虑的因素。(1)根据民航气象对低空风切变的探测需求，风廓线雷达天线的直径选择2.4 m最好，既保证了探测低空风数据的有效性又使天线增益也比较大。(2)由于大气折射率常数与温度和湿度具有正相关性，在选择风廓线雷达发射功率一定要考虑当地机场的温度和湿度的变化特点，以保证风廓线雷达实际的探测高度满足机场对风切变的最高探空需求。(3)在机场选择风廓线雷达安装位置时也要考虑风廓线雷达的有效探测高度。

［1］ 周建华.航空气象业务［M］.北京:气象出版社，2011.Zhou Jianhua.Aeronautical meteorology business［M］.Beijing:China Meteorology Press，2011.

［2］ 胡明宝，贺宏兵，张 鹏.风廓线雷达探测模式分析与设计［J］.现代雷达，2012，34(11):26-30.Hu Mingbao，He Hongbing，Zhang Peng.Analysis and design of wind profiler detecting modes［J］.Modern Radar，2012，34(11):26-30.

［3］ 李 忱，吴 雷.风廓线雷达天线性能的限制条件分析［J］. 现代雷达，2010，32(3):18-20，23.Li Chen，Wu Lei.Analysis of limitation for the antenna performance of wind profiler［J］.Modern Radar，2010，32(3):18-20，23.

［4］ Skolnik M I.雷达手册［M］.2版.王 军，林 强，米慈中，等，译.北京:电子工业出版社，2003:242-312.Skolnik M I.Radar handbook［M］.2nd ed.Wang Jun，Lin Qiang，Mi Cizhong，et al.translate.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2003:242-312.

［5］ 阮 征，何 平，葛润生.风廓线雷达对大气折射率结构常数的探测研究［J］.大气科学，2008，32(1):133-140.Ruan Zheng，He Ping，Ge Runsheng.Determination of refractive index structure constant with wind profile radar data［J］.Chinese Journal of Atmospheric Science，2008，32(1):133-140.

［6］ Ottersten H.Atmosphere structure and radar backscattering in clear air［J］.Radio Science，1969，4(10):1179-193.

［7］ 张培昌，杜秉玉，戴铁丕.雷达气象学［M］.北京:气象出版社，2001:70-93.Zhang Peichang，Du Bingyu，Dai Tiepi.Radar meteorology［M］.Beijing:China Meteorolgical Press，2011:70-93.

［8］ 何 平.相控阵风廓线雷达［M］.北京:气象出版社，2006:44-50.He Ping.Phased array wind profile radar［M］.Beijing:China Meterorological Press，2006:44-50.