Ka波段毫米波测云雷达在航空气象观测中的应用

□ 民航大连空中交通管理站 郭志刚/文

Ka波段毫米波测云雷达是一种新型的气象遥感探测设备，具有频率高、粒子分辨能力强等特性，能够对细微的云粒子特性进行观测。该类型雷达在航空气象领域中的应用引起了民航界和学术界的广泛关注。毫米波测云雷达不仅能够获取云的宏观和微观结构（例如探测云高、云厚和云状的外形特征），而且还能分析云内微物理过程的结构和演变特征等。此外，利用毫米波测云雷达可以连续观测云的水平垂直结构变化，获得准确的云内宏观参数。对于影响民航安全的低云、平流雾等航空危险天气，毫米波测云雷达能够弥补激光测云仪仅能够探测单点的不足，获取大范围的云状态，还能够对沿海机场的平流雾实况进行监测。

大连空管站在2015年联合23所在大连周水子机场开展了利用毫米波测云雷达、边界层风廓线雷达、微波辐射计的机场云雾探测验证试验，在不同天气条件下获得了宝贵的数据，对毫米波测云雷达在不同天气条件下的探测效果进行了评价分析。本文对试验阶段毫米波测云雷达在不同天气条件下的应用效果进行了总结，对于研究毫米波测云雷达在机场航空安全的保障能力具有重要意义。

Ka波段毫米波测云雷达介绍

本次验证试验采用的毫米波雷达由北京无线电测量研究所研制，其主要特点是采用脉冲多普勒全相参体制、固态发射机，具有多种观测模式和双极化功能。天线垂直定向探测，空间分辨率为30 m，最大探测高度为15.3 k m。雷达直接探测资料包括反射率因子、平均多普勒速度、速度谱宽、退极化比和功率谱数据。利用反演算法能够反演包括空气垂直运动速度、粒子下落速度、粒子半径、液态水含量、冰水含量等。雷达主要技术指标如表1所示。

大连机场平流雾的主要成因是受副热带高压北移影响，机场东部海上的低云和雾就会随着盛行的东风移动至机场，对机场运行造成影响。为了利用毫米波测云雷达实现对平流雾的观测，设计了三种不同的观测模式，包括：指定方位多仰角平面位置扫描（s PPI）、指定多方位角距离高度扫描（s RHI）以及垂直指向扫描（THI）。s PPI模式下，雷达向东侧以3°仰角对73°～183°方位角进行扫描，扫描步进0.15°。s RHI模式下，雷达向东侧83°、103°、203°三个方向，以仰角0°～90°进行连续扫描。THI模式下，雷达采用仰角90°进行50 s连续垂直观测。

观测效果介绍

表1：毫米波雷达主要技术指标

毫米波测云雷达自运行以来，经历的天气现象有：平流雾、雾霾、锋面雾霾、雨夹雪、强对流（雷暴、冰雹）等。本文选取了一次平流雾天气过程（2016年7月28日～29日）、一次雾霾天气过程（2016年12月18日～19日）、一次雷暴冰雹天气过程（2016年11月10日）对本系统在各种天气条件下的探测效果进行分析。

（一）平流雾天气过程（2016年7月28日～29日）

2016年7月28日21时（UTC）左右，大连机场发生了一次平流雾天气过程。在机场东部海上高压的影响下，海上形成的雾在东风的推动下移动至机场，使得能见度迅速降低。7月29日02时（UTC）左右，平流雾逐渐减弱。Ka波段毫米波测云雷达在7月29日01时开机探测，对平流雾减弱过程进行了监测。

图1是当日的能见度曲线，可见从28日18时（UTC）左右能见度开始下降，从7月29日02时左右能见度开始抬升。图 2对29日01∶18～03∶02（UTC）时间段内毫米波测云雷达10°仰角PPI探测的反射率进行了连续绘图，从图中可见，强回波的面积随时间的变化而不断减小。图 3是01∶05～02∶21时间段内103°方位角上的RHI探测的反射率图像。从图中依旧可见回波反射率随时间不断减弱。

由图可见，在平流雾消散过程中，雷达探测到的平流雾逐渐减弱。具体表现是雷达回波反射率因子数值降低，绿色回波减少，回波强度减弱。

（二）雾霾天气过程（2016年12月18～19日）

2016年12月18日17时（UTC）左右，大连机场出现了一次雾霾天气过程。能见度在12月18日17时（UTC）左右降低，2016年12月19日04时（UTC）左右，能见度逐渐好转，能见度变化曲线如图4所示。

图5是能见度降低阶段毫米波雷达回波反射率图。由图可见，随着能见度的降低，雷达探测范围内逐渐出现绿色强回波，代表雷达东侧1.5 k m区域出现低云，可能会对机场运行产生影响。预报员可以结合利用雷达观测到的强回波现象，开展低云预警服务。

图6是能见度恢复阶段毫米波雷达回波反射率图。由图可见，随着能见度的抬升，雷达东侧回波强度逐渐减弱。在03∶55时刻，回波强度明显减弱，相比于能见度变化的时刻，通过雷达发现回波强度减弱的时刻比能见度提升时刻存在约10分钟的提前量。

图7是2016年12月18日10～12时风廓线截图，风廓线雷达当天近地面层风速较小。从10∶12开始，近地面风向由西北逐渐转东南，10∶42在300 m高度左右处开始出现低层东南风和高层西南风切变，形成一个阻断层，阻碍着地面水汽和热量的垂直交换，大气层结稳定，有利于雾霾天气的形成。该阻断层一直维持。

在本次天气过程中，利用毫米波雷达对上游天气方向进行观测，通过观察毫米波测云雷达的反射率变化情况，结合风廓线雷达阻断层的出现，以及微波辐射计近地层相对湿度的变化，可以对低云或低能见度天气的变化过程进行实时监测，同时提供预警服务。

（三）强对流天气过程（2016年11月10日）

2016年 11月 10日大连机场经历了一次较为少见的飑线天气过程，10日 09∶28出现弱雷雨，09∶35转为弱雷雨伴有雷暴大风，瞬时最大风速18.3 m/s，09∶59出现冰雹天气，10∶05冰雹结束，10∶45雷暴结束。

根据大连气象局多普勒雷达资料显示，11月10日09∶33在大连地区及北部有飑线形成且处于发展初期，本场处于飑线系统的西侧，但在本场周围有强度50 dbz以上强对流单体已经形成并已经影响本场，如图9所示。

由毫米波雷达回波强度图像分析可见，在09∶32时本场东侧由对流单体开始发展且强度较大，至09∶39时对流单体继续发展东移，对流顶高度在3 km左右，09∶49时对流单体发展至成熟时期，对流顶高度达5 km左右，回波强度都在30 dbz以上。10∶09对流单体东移至本场东侧6～9 km左右，本场强对流天气基本结束，如图10所示。

总结：

本文对Ka波段毫米波测云雷达在大连机场三次天气过程中的观测效果进行了效果介绍，得到的主要结论如下：

（1）毫米波测云雷达能够获取雷达周边30 km范围内的反射率因子（d BZ）、平均多普勒径向速度（Vr）、速度谱宽（Sw）、退极化比（LDR）等主要数据产品。通过对上述数据产品进行反演处理，可以得到云底、云高、云厚、云中含水量等二次数据产品，对于预报员研判天气具有很大的指导作用。

（2）通过将毫米波测云雷达与边界层风廓线雷达、微波辐射计联合观测，能够实时获取机场上空的热力场、动力场以及水汽特征，从而弥补机场现有自动气象观测系统观测资料时空分辨率的不足。

（3）通过将毫米波测云雷达回波强度（d BZ）与机场RVR关系进行对比，可以总结出一种对应关系，可用于机场低能见度天气的发布和解除。同时，在雾霾、强对流和降水天气下也有助于开展提升实时监测和预警能力。