风廓线雷达在我国民用航空气象领域中的研究与应用

陈高平 王琦 张明欣

云南机场集团有限责任公司丽江机场航务部气象台 云南 丽江 674100

引言

一直以来，在民用航空气象界，风切变都是一个探讨的热门话题，因为风切变天气现象对于飞机的运行会造成很大的威胁，如果是正在飞行当中的飞机，遇到这种气象条件的话，会出现不受控制的情况，从而导致非常严重的安全事故，所以说为了保障飞机在运行过程当中的安全性，我们必须要从根本上对于风切变现象进行了解，加强针对这种现象的研究，降低风切变现象对飞机运行造成的危害以及影响。风廓线雷达是一种新型的气象雷达，能够有效针对风切变等一系列气象要素进行垂直探测，低空风切变的产生跟大气本身的运动有着密切的联系，风廓线雷达在进行应用的时候，可以有效探测其存在，并且能够获得相应的数据，可以有效地为规避这种气象条件所造成的不利影响提供帮助，能够更好保障飞机运行当中的安全性。在本篇文章当中，会以风廓线雷达以及低空风切变作为主要的研究对象，对风廓线雷达探测低空风切变的应用进行相关的论述[1]。

1 风廓线雷达在民航气象当中的应用现状

风廓线雷达作为一种新型的探空设备，在民航当中还没有得到完全普及和应用，现如今在全国已经建成投入使用的大概有20多套左右，包括北京，上海以及广州和西安等地，这些已经建设了雷达的机场基本上都属于边界层风廓线雷达，主要的生产厂商除了芬兰Vaisala以及日本住友以外，国内的生产品牌主要包括北京敏视达以及中国电子科技集团公司14研究所等。依据相关的调查以及用户的交流，便可以得知这些已经建设了风廓线雷达硬件系统机场在运行过程当中整体的系统运行的还是非常稳定的，可以针对民航的气象保障工作提供非常大的帮助，但是在信号的分析以及风廓线反演和质量控制方面，其实和国外仍然存在着一定的差距，对于软件以及算法的投入研究力度还是不够，针对二次产品的研发也相对来说比较滞后，这也会影响用户的使用效果。

其实就目前来看，民航气象用户对于风廓线雷达的使用存在着很大的局限性，并没有真正发挥出风廓线雷达的探测性能，即便是对于风切变的预报，有的时候也存在着无法做到前瞻性，这和目前国内的风廓线雷达所提供的数据质量并不高以及算法并不成熟有着非常大的联系。因为空管系统预报员的工作非常的沉重，需要多次进行探测以及分析，这也决定了预报员不可能时刻的去监控发现可能存在着风切变的时候，需要询问地面的预报人员，而预报人员在分析了之后才能够判断是否会发生风切变，这对于天气气象的保障工作来说，出现了本末倒置。既然风廓线雷达本身是一个预警系统，那么不仅需要把原始的资料呈现给用户，而且应该开发出更加成熟的预报产品，利用自动语音来报警提醒预报工作人员进行关注，预报工作人员的确认了之后，需要及时发布航行通告。

从某种意义上来讲，边界层风廓线雷达主要包括两个部分，分别为风廓线仪以及天线电声波探测系统，但是民航各个地区在安装风廓线雷达的时候，因为考虑到了成本，所以只安装了风廓线仪，并没有真正安装无线电声波探测系统，所以导致探测的时候没有办法及时的探测到近地面到对流中部的温度廓线资料。

2 民用航空气象风廓线雷达以及低空风切变概述

风廓线雷达属于一种非常先进的地基遥感探测设备，不仅能够有效提供各个程度上的水平方以及垂直的速度，同时也能够探测到三维风场的信息，而且安装了无线电探测系统之后，还可以同时的获取近地面到对流层中部的温度详细资料以及湿度详细资料，能够有效地揭示常规天气资料，并且分析一些大气的动力以及热力特征，进而能够使用到短时对流天气预报当中。经过了多年以来，众多学者针对风廓线雷达的相关研究，风控线雷达探测天气的现象已经不再局限于晴空风切变了，吴志根提出在线分析应用模式，能够有效地使用风廓线雷达并且可以探测出降水量的发展。刘淑媛以及郑永光等则提出风廓线雷达，不仅能够有效的去分析低空急流以及短时暴雨之间的对应关系，同时还可以用于加强对于暴雨的短时预报。杨引明以及陶祖钰等也研究了将风廓线雷达所探测到不同高度的风温资料，结合其他的地面高度以及探测资料进行更加有效的对流天气系统的预报以及研究。综上所述便可以发现风廓线雷达资料的应用现如今在各个领域正在不断的扩展当中，已经不仅仅局限探测晴空风切变了，风廓线雷达所探测到的大气动力以及热力特征，可以对于对流天气的发生进行预报，但是这些并没有在民航气象上面能够得到进一步的研究以及发展。

2.1 风廓线雷达

风廓线其实通俗来讲指的就是对于风速的一种描述，是对于风速和高度关系之间的一种阐述，也就是说风廓线指的就是分析当高度变化的时候，风速是如何变化的，研究风廓线能够有效地为风速在大气边界层当中的发展规律提供一定的研究基础。调查方法就是在小于1.5km的地面高度基础上面，测试出风速以及风向，然后通过测试观察好风速风向和高度之间产生的联系，并且根据大气稳定度了对其进行分类，得出数学表达式。

而风廓线雷达则是用来描述风廓线的，属于一种可以进行风速研究的遥感设备，同时风廓线雷达也能够针对天气情况进行监测，从不同的方向高空发射出电磁波束，电磁波在受到大气折射率的影响之后，就会出现散射现象，雷达对于电磁波束的信息会进行接收并且处理，形成大气风场，收集关于风场所传递出来的信息，针对高空风场进行进一步的探测。在整个探测的过程当中，体现出了自动化程度高，以及不会受到时间跟空间限制的优势，依据不同的分类标准，也可以将风廓线雷达分成不同的种类。总而言之，风廓线雷达对于风速、空气质量以及天气情况的监测来说，会起到非常好的作用[2]。

2.2 低空风切变

低空风切变能够满足高度低的特点，高度大约在小于600m的地面距离，从水平方向上或者是从垂直方向上所发生的一种切变现象，总体来说指的就是在低空条件下从水平方向或者是从垂直方向上面风速矢量以及分量所产生的变化，这种现象的发生和天气环境有着密不可分的联系，在不同的天气条件下，会产生不同的切变现象，所以说这对于飞机的飞行以及着陆来说，会造成很大的影响。

风切变是针对空间来讲的一个问题，在空间的两点上面，对于风速以及风速空间所产生变化的一种反应，发生风切变的主要的原因就是因为大气在运动的时候产生了一定的变化，受到了地理以及环境所产生的影响，同时也有大气本身的运动情况以及地理环境共同因素所作用而导致的。

3 探测原理

3.1 风廓线雷达的测风原理以及方法

3.1.1 大气湍流散射。因为大气湍流的折射率是非常的不均匀的，所以说会引起电磁波的散射，向空中发射出电磁波，也就是说在晴空的条件下，也可能会接收到来自于大气的回波。我们可以将描写大气湍流散射的雷达方程式进行表示：

3.1.2 风廓线雷达的基本工作原理。一般来说会使用五波束体制，指的就是北、东、南、西这4个倾斜方向，再加上一个垂直方向，顺序向空中发射出电磁波，倾斜波束的倾角是从10°~20°不等的，接收机会接收大气湍流回波，然后根据回波的多普勒频移值得到不同方向上的大气运动的具体的信息，然后合成风向和风速。主要会根据3个波束来计算出风向风速，例如设定风矢量沿着正东，正北跟铅垂方向的分量分别为UE，UN以及Ud，矢量沿着偏东以及偏北和铅垂三波束上面的投影各项的速度分量计算公式如下所示：

需要注意的一点是因为倾斜波束偏离垂直的角度会非常的小，所以说水平分量的误差比较大，因此垂直波束的误差测量应该小于水平分量的误差，也就是说风廓线雷达最适合使用在大气垂直气流的测量当中。

3.1.3 风廓线雷达测风的分层高度。风廓线雷达在应用的过程当中，可以使用不同的模式来进行工作，由发射脉冲宽度来确定好测风的具体的分层高度，边界层以及对流层跟平流层的风廓线雷达存在着不同的高度，测量的属于某一层空气厚度的风向风速平均值不可能是瞬时值。

3.1.4 风廓线雷达所测风向风速廓线。一般来说，风廓线雷达所测得的风向风速，会使用气象业务当中的风雨以及风矢图来对其进行表示，所有使用的符号都和气象用风向，风速符号是相同的，有的时候，为了区别风的大小，也会使用不同的颜色来进行表示。

3.1.5 风廓线雷达所测风向风速的特性。总体来说，风廓线雷达所测风向风速的特性可以分成三个方面，第一点是所测得的风的采样空间一直都是固定的，分层高度也是固定的，第二点是每一层的风向风速都是由南北以及东西矢量来合成的，包含着每一层的所有的细节，中间的位置的湍流运动信息，对于平均值是有所贡献的，第三点是必须要采取比较长时间的平均值，不可能存在着多瞬时值[3]。

3.2 工作方式

为了能够有效地获取风廓线雷达上空的三维风速信息，我们至少需要从三个不共面的波束进行了解，为了能够有效提升探测的精度，一般来说，会采取五个固定指向波束扫描这样的方法，按照顺序向如下所述的方向发射射频脉冲，一般来说仰角会在70~75°，以75°为例。

4 风廓线雷达在我国的民航气象领域当中的使用

4.1 风廓线雷达在我国民航气象领域当中的使用情况

将风廓线雷达使用在民用航空气象探测当中，可以从时间的连续变化当中，有效得到风向风速演变的具体情况，使用传统的测风方法是无法做到的，因此利用这个特点，我们可以将其使用在风切变的判断当中，这对于短期天气预报来说非常有用，更是航空领域涉及飞行安全的一个非常重要的指标，同时这也是目前民航推广使用风廓线雷达的一个非常重要的原因之一。到目前为止，民航系统当中除了北京、上海以及广州等几个大的枢纽以外，深圳、玉树以及九寨黄龙等机场也是建设风廓线雷达比较早的几个单位，从系统的整体运营来说，还是非常稳定的，能够对于民航空管气象工作提供很大的帮助。

4.2 风廓线雷达在民用航空气象低空风切变探测当中的使用

4.2.1 探测条件。一般来说，在低空风切变探测的过程当中，使用的都是多普勒风廓线雷达，针对对流层当中的风场进行实时的测量，垂直风廓线的探测高度在本机上空50m到几公里不等，具体的探测高度是根据雷达来确定的。无论是时空的分辨率还是准确度，在垂直高度条件下，所有的数值都会比较高，不需要花费更多的人力或者是物理针对其工作状态进行实时的监测，而且也能够做到远程监控。所以风廓线雷达在低空风切变探测当中的应用价值是无法替代的，而且还有利于节约成本，生成风廓线分辨率更高，对于尺度预报会产生非常大的改变，对于非短暂风切变的监测也能够起到很重要的作用[4]。

4.2.2 测风原理。大气折射率对于电磁波来说有着非常重要的影响，受到了大气折射率的影响，电磁波会出现散射的情况，雷达对于返回的电磁波会进行接收，对于大气散流进行特定的计算，大气湍流活动的尺度和高度呈现正比例关系，探测高度和电磁波的长度也有着密切的联系，对于风廓线雷达的探测高度，应该依据具体的情况选择相应的电磁波长度。

通常情况下，会向天空中发射出五束光波，湍流回波会被接收机所接收，然后获取其运动的信息，用合成计算的方法，得出风速以及风向，径向速度的正方向是向天线运动的方向，风来向则是由矢量的分量正值来计算的。通过工作模式的不同，还有脉冲宽度所得出来的分层风的高度，结合空气厚度的具体条件，就能够测试出风速的平均值，所测得的数据需要使用气象符号以及矢量图来进行标注。

4.2.3 风廓线雷达在实际测风当中的使用。在晴朗的天气下，风廓线雷达对于垂直阵风和微下冲气流的观测具有非常明显的直接性，能够逐步实现针对低空风切变告警系统的三维观测，单部风廓线有着明显的局限性，在对于低空风切变的监测的时候，只局限于上空，如果想要针对区域的垂直风场进行了解的话，那么还需要增加风廓线雷达的数量，并且针对这些雷达进行装置联网。

4.3 应用实例

就目前来看，跟地方气象部门相比，风廓线雷达在我国的民用航空领域的使用仍然不够普及，虽然说已经在建设当中投入了一定的资金，但是已建成的跟投入使用还是比较少的，基本上都是边界层相控阵风廓线雷达。主要原因是，一方面以对于风场的探测，还包括其他的一些技术手段，不止依赖于风廓线雷达，比方说传统的探空数据，在应用的时候效果也非常的不错，另外一方面是受制于占地面积以及投入经费的影响，在机场跑道周边很难形成多点以及网状分布，所以说所获得的数据的参考意义也比较有限。应用在国内的民用风廓线雷达系统主要的产品除了一些国外的产品以外，国内的北京敏视达以及中国电子科技集团公司第14研究所和中国航天科工集团第二研究院23所等也积累了非常多的用户，在民航系统当中北京，上海，广州以及深圳等机场现在对于风廓线雷达的应用，已经比较稳定了。

在本篇文章当中，我们主要依据西安咸阳机场的风廓线雷达系统进行相关的研究，西安咸阳机场所使用的是一种边界层风温廓线雷达系统，主要包括以下设备模块，分别为天馈分系统，发射机分系统，接收机分系统，控制与信号处理分系统，以及数据处理系统和RASS分系统以及通信分系统等等。

在整个系统当中，工控机是使用于系统的信号处理的，主要进行调度以及对于监测进行维护，两台服务器跟一台磁盘列阵组成一个双机热备系统，对于工控机所发送的数据进行处理，并且针对数据产品进行发布。监控维护端会使用远端登陆来进行主机服务器的探索，对于系统进行操作和监视，用户终端能够通过Web浏览器查看系统的具体的运行状态，三层交换机则支持VLAN的路由功能，计算机之间能够通过交换机以及设备实现互联网数据的通信。

该服务器主要包括两个虚拟机，一个是进行数据处理的，而另外一个是用作Web服务器来发布数据产品的，该部风廓线雷达系统主要包括的功能为以下几点，第一点就是能够有效地去提供不同高度层的水平风的风速以及垂直风的风速跟风向，提供不同高度层的大气虚温。第二点是当预设阈值被超过的时候，系统会发出视觉以及听觉警报，第三点是能够有效建立以及维护好数据库，可以存储、检索我们所处理的数据。第四点是具有机内测试设备，方便监察各个系统的各个部件的具体情况，能够帮助维护人员进行故障诊断。第五点，可以远程监控系统的运行情况，并且辅助执行各种常规的维护，第六点是支持以太网连接，能够连接到业主的气象网络里面，并且也能够有效提供实时数据，可以确保每天24个小时，都不间断的进行工作[5]。

5 结束语

综上所述，低空风切变一直以来都是国际航空界公认的飞机起飞以及着陆过程当中的无形杀手，低空风切变的形成和大气的运动以及局部地形，包括环境等因素是密不可分的，而风廓线雷达在民航气象业务当中的应用，能够有效地去探测飞机起飞以及降落点附近的大气风场的具体的情况，可以为预报员判断机场附近的低空风切变提供很大的参考，并且也有利于对于这种特殊天气展开更加深入的研究，对于保障飞机的飞行安全来说就有着非常明显现实意义。