风廓线雷达在民用航空机场中的联合应用

摘要：本文由风廓线雷达的概念、工作原理和特点出发，论述其在民用航空领域应用中的优势，和机场单一布局风廓线雷达的局限性，进而结合以往的使用经验，探讨风廓线雷达与其他气象探测设备相互融合，和风廓线雷达多点布局在民用航空机场中的联合应用场景。

关键词：风廓线雷达;机场;融合;多点布局

一、風廓线雷达探测的基本原理

风廓线雷达发射的电磁波，在大气传播过程中，因大气折射率的不均匀分布而产生散射，其中，后向散射能量能够被风廓线雷达所接收，根据多普勒效应，当目标物相对雷达波束方向存在相对运动时，接收信号和发射信号的频率会产生偏差（即多普勒频移），根据多普勒频移，再经过一定的信号与数据处理，即可得到大气的风场信息。

另外，雷达发射的是脉冲波，根据回波信号返回的时间可以确定回波的位置。

因此，结合多普勒测速和无线电测距原理，风廓线雷达即可得到不同高度上的风场信息，从而获取大气的风廓线资料。

二、风廓线雷达的基本功能及其在民用航空领域中的应用优势

根据探测高度的不同，风廓线雷达可分为边界层风廓线雷达、对流层风廓线雷达及中间层-平流层-对流层雷达（MST）。边界层风廓线雷达的探测高度通常在3km左右，对流层风廓线雷达的探测高度通常在12-16km，MST雷达的探测高度甚至可达中间层（自平流层顶至85千米之间的大气层）。其中，边界层风廓线雷达主要用于边界层探测，相对来说，其探测资料较适合中小尺度大气科学研究、中小尺度短时预报、航空安全保障和空气质量预报等社会服务领域，因此国内民用机场配置的风廓线雷达，大都是L波段的边界层风廓线雷达。

风廓线雷达能够提供多种气象信息，不仅包括风廓线及其随时间的演变，且在获取风场资料的同时，可衍生分析出切变线、大气重力波动和大气稳定度等多种信息，通过多波束的测量还可估算水平散度和变形量等更多的气象信息。风廓线雷达利用多普勒谱宽可获取湍流信息，从雷达反射率可得到反映湍流强度的湍流结构常数等，配有无线电声探测系统（RASS）的风廓线雷达，还能探测距地面特定高度范围内的大气虚温。总之，风廓线雷达能够提供许多依靠其他常规探测手段较难获取的可用于大气科学研究、天气预报的有用信息。

风廓线雷达产品的连续性、实时性强，其测量数据的输出时间间隔可短至几分钟，空间分辨率可控制在几十米量级，因而能够输出较密的廓线资料，从而满足产品精细化程度高、实时性强的航空气象工作的苛刻要求。

此外，由于风廓线雷达属于遥感风速计，特别适合类似机场这种需要无球探测的场合。

由此可见，风廓线雷达具有获取资料种类多，时间、空间分辨率高，适合机场使用，且故障率低、可维护性好等优点。

三、民用机场单一风廓线雷达应用的局限性及其解决方案

风廓线雷达主要探测其上方垂直层面的三维风场信息，水平区域的扩展能力有限，而现代化民用机场的飞行区范围越来越大，我国大部分开放机场的飞行区等级均在4D以上，拥有两条甚至多条跑道的情况比比皆是，因此单一风廓线雷达的探测能力很难满足实际需要。

在实际应用场景中，往往将风廓线雷达与其他气象探测设备联合应用，通过多种探测数据相互融合的方式，或是增加风廓线雷达的布局，采取雷达组网方式，增强性能，丰富产品，改善用户体验。

四、风廓线雷达在民用航空机场中的联合应用场景

（一）场景一：风廓线雷达与航空自动气象观测系统（AWOS）等的联合应用

将边界层风廓线雷达与航空自动气象观测系统（AWOS）、低空连续波测风雷达、激光测风雷达等联合应用，利用边界层风廓线雷达和AWOS系统的风场探测结果，输出湍流能量、通量、散度、波动性等监测产品，可应用于风场的监测和预警，开发风切变预警探测系统。

（二）场景二：风廓线雷达与微波辐射计等的联合应用

用边界层风廓线雷达、微波辐射计、毫米波测云雷达等构成联合探测系统。

风廓线雷达能够实时获取机场上空不同高度层的水平风和垂直风;微波辐射计能够获取机场上空不同高度层的温度、相对湿度、水汽密度和液态水含量;毫米波雷达是云的三维精细结构探测的重要工具，它具有更接近小粒子尺度的短波长，因此适合用来探测弱云。以上系统的联合应用，可将机场上空的垂直风廓线与温度垂直廓线、相对湿度垂直廓线、液态水含量垂直廓线、水汽密度垂直廓线进行融合显示，能够更直观地向预报员展示机场上空的热力场、动力场及水汽监测结果。

（三）场景三：风廓线雷达多点布局

同一机场安装多部（通常是三部）风廓线雷达，不仅可以获取每部雷达上空的风速风向数据，还可以通过数据融合，得到三部雷达围成的三角形区域的水平切变指数以及大气旋度、散度信息，有利于气象服务人员及时掌握区域内的空间风场信息。

三套风廓线雷达组网，原则上应以机场跑道为中心，选择合理的安装地点，围绕跑道进行三角形布局，这样的布局具有如下优点：

（1）近似等边三角形，有利于风场数据融合，降低误差;

（2）合理的站点间距，能够有效监测中小尺度天气系统;

（3）与跑道保持适当距离，能够避免飞机对雷达带来的干扰。

三部风廓线雷达系统可使用不同的工作频率，以避免工作期间频率干扰，再参照前文所述的不同融合模式，例如以风廓线雷达为主体，同时引入AWOS系统、激光测风雷达、微波辐射计等作为辅助，最终形成一套跨系统跨平台、产品内容丰富、实时性强、具有预警功能的适用于民用航空气象工作的综合业务系统，这也是大数据时代背景下，未来航空气象业务系统发展的必然趋势。

参考文献：

[1]杨迪.民航西北地区空管局气象探测专业培训教材风廓线雷达分册[M]. 西北空管局培训中心， 2015， 1-10