蘭州中川機場低空風切變告警系統構建的探討

客　慧

(民航甘肅空管分局氣象臺　蘭州　730000)

蘭州中川機場低空風切變告警系統構建的探討

客慧

(民航甘肅空管分局氣象臺蘭州730000)

摘要隨著西北地區(qū)航班量的快速增加，飛機遭遇低空風切變事件也越來越多，對飛行造成的影響也日益嚴重。文中通過對蘭州中川機場低空風切變預警能力現狀的分析，提出低空風切變告警系統的建設方案，通過增加風場探測手段，增強氣象設施設備的探測和預警能力，建設民航氣象業(yè)務系統的立體探測網，全方位地應對低空風切變。

關鍵詞中川機場低空風切變告警系統

低空風切變是發(fā)生在600 m以下風向風速突然改變的一種大氣現象。低空風切變會使進場著陸或起飛爬升階段的航空器的飛行姿態(tài)和空速等參數突然發(fā)生劇烈變化，從而失去穩(wěn)定性和操縱性，一旦駕駛員判斷失誤或處置不當就會產生嚴重后果。世界上曾發(fā)生多起機毀人亡的事故。1985年8月2日18時，美國Delta航空公司一架L-1011飛機在達拉斯沃思堡機場遭遇風切變墜毀，135人死亡，23人受傷。1999年在香港赤臘角機場，華航CI642航班失事，就是因為風切變導致飛機落地時產生翻轉而失事。所以低空風切變是飛機的“隱形殺手”。

蘭州中川機場地處隴中黃土高原地區(qū)，秦王川盆地之中，其周圍特殊的地形和氣候造成了機場周圍的風具有明顯的地域性。隨著蘭州中川機場航空業(yè)務量逐年快速增長，飛行器受氣象因素的影響也逐顯突出。2004年機場自動觀測系統啟用后，多次觀測到跑道兩端的風向風速不同，而且大風日數明顯增多。特別是自2010年開始，進出機場的航班遭遇低空風場變化的次數逐年增多，低空風場變化成為威脅飛行器起降安全的不容忽視的重要因素。由于低空風切變嚴重威脅著航空運行安全，且低空風切變探測困難，天氣雷達很難掃描到，機場現有氣象設備為常規(guī)氣象探測設備，不能對低空風場變化進行探測與預警，因此給預報風切變帶來了很大的困難，需要更先進的探測手段提高氣象預報預警能力。

低空風切變告警系統(LLWAS)能夠探測到機場飛行區(qū)的水平風和垂直風的風速風向，為預報員對風切變預報、預警提供更多的基礎數據。考慮分局氣象部門的實際需求，在蘭州中川機場建立1套有效的針對低空風切變的告警系統迫在眉睫。

1蘭州中川機場低空風切變預警能力現狀分析

中川機場從2004年開始記錄低空風切變以來，截止到2015年6月，累計報告低空風切變110次。僅2015年1～6月，累計報告低空風切變24次。以下從低空風切變成因、預報預警能力和機場探測設備現狀3個方面對中川機場低空風切變預警能力的現狀進行分析。

1.1　中川機場低空風切變天氣成因

中川機場低空風切變的成因從氣象學的角度來說，可分為對流性天氣、鋒面、亂流和原因不詳4類，其中對流性天氣對中川機場低空風切變的發(fā)生占有絕對的主導地位，因此預報好對流性天氣是做好低空風切變預警的根本。鋒面是大尺度天氣系統，產生低空風切變的次數較少。亂流導致的低空風切變與中川機場所處的地理環(huán)境有關，雖然它的破壞力不如前2項大，但對飛行安全的影響也不容小覷。還有一些不明原因的低空風切變，這是因為低空風切變從氣象角度來說屬于小尺度天氣系統，本身存在較大的不確定性，再加上機場探測手段的缺乏，就會出現一些不易辨明原因的低空風切變[1]。

1.2　中川機場低空風切變預報預警能力

2015年，中川機場低空風切變頻發(fā)，截止到5月，本場共出現了23次低空風切變，給運行安全帶來了很大的威脅。預報室準確預警11次，驗證率為47.8%。

低空風切變嚴重威脅著航空運行安全，且低空風切變探測難，天氣雷達很難掃描到，又因本場缺乏有效的探測手段，因此給預報風切變帶來了很大的困難。氣象臺預報室雖然成立了風切變研究小組，除了在日常工作中針對出現的低空風切變進行診斷分析、制作風切變簡報外，還多次召開風切變研討會，針對值班期間遇到的風切變做個例分析及統計分析，試圖找出一些共性及顯著特點，但只能提供理論的依據。

1.3　蘭州中川機場探測設備現狀

蘭州中川機場現有在用的探測設備有2套，即氣象自動觀測系統和C波段氣象多普勒雷達系統。設備配備布局見圖1。

圖1　探測設備布局示意圖(尺寸單位：m)

由圖1可見，由于探測設備布局的局限性，基本集中在跑道附近，加之風傳感器數量有限，對跑道外圍及延長線內的三維矩形區(qū)域體內的風要素無法做到有效監(jiān)控，低空風切變對在這一區(qū)域內將要起飛和降落的低空飛行器有極大的安全威脅。由于上述原因，空管分局氣象臺預報人員僅根據非常有限的探測資料，大多依靠多年積累的經驗進行低空風切變預報預警，為塔臺管制進行服務?？梢钥闯鲞@種對風切變的預警缺乏有效的科學依據，主觀因素占主導地位。

2蘭州中川機場低空風切變告警系統(LLWAS)建設及實施方案

2.1　LLWAS風站選址勘察

低空風切變預警系統的算法是對風站組成的多邊形內的風場數據進行計算，因此風站選址對于探測精度和實用性非常重要。在機場的LLWAS建設的前期考察中，測風站的選址從開始就得到氣象臺的重視，開展了詳細的機場測風站點的勘察工作。為了選取合適的地點建設風場探測網，氣象臺預報室和探測室設計加密風場探測點的布局，并進行了實地的考察和標記。

2.2　LLWAS站點的選址原則[2]

(1) 首先直接保護跑道區(qū)域。

(2) 對主降方向提供擴展保護區(qū)。

(3) 如果跑道的次降方向也用來降落，則也為該端增加擴展保護區(qū)。

(4) 風場的通道效應最小(峽谷和山)。

(5) 風不受附近障礙物的影響(<20%)。

(6) 所測量的風場區(qū)域包括需要監(jiān)測的飛機運行區(qū)域。

2.3　蘭州中川機場選址方案[2]

為了給飛機最后進場時提供保護，傳感器可以安裝到距離著陸點4.827 km(3 mile)的位置，在該階段飛機高度小于304.8 m(1 000 ft)。對于離場的飛機，因為在1 000 ft高度以下的飛行距離和時間都要少于降落過程，因此需要較少的保護區(qū)范圍。按照風站選址的原則及蘭州機場的實際地形情況，確定在蘭州機場跑道周邊建設12個風站，其間距均在1.8～3 km?，F階段已完成勘察8個風站。未來根據系統的運行情況和需要可以進行探測范圍的擴大，只需進行相應的南、北方向的站點實地考察，以確認新的風站位置。通過軟件中算法配置文件的修改，即可將新增的風站納入風切變預警系統。12個測風站組成一個測風網，站網數據傳輸至中央數據處理單元，經運算與判斷，可將低空風切變警告區(qū)域在塔臺終端、預報終端和觀測終端上顯示。

2.4　LLWAS建設及實施方案

LLWAS風切變告警系統是自動化程度較高的氣象探測裝備，所需建設的風探測站將工作在惡劣的室外環(huán)境中，在綜合考慮目前該系統的平均技術水平及機場氣象觀測特點的情況下，在實地站點勘查基礎上，結合中川機場實際使用的探測設備、供電方式、通信方式等，擬出本實施方案：

在外場站點配備12套風站(含風傳感器、風桿、太陽能供電系統、UHF無線通信系統等)。由于中川機場將新建自動氣象觀測系統，包含有中央數據處理單元服務器(CDU)；LLWAS軟件可與新建自動氣象觀測系統融合，共用自觀系統的CDU和顯示終端工作站。LLWAS系統配置示意圖見圖2。

圖2　LLWAS系統配置示意圖

數字采集器負責采集風傳感器的數據，并將信息按需要發(fā)送到中央數據處理系統上。采集器包括所有必要的數據采集、確認、通信功能。低功耗的風變送器在太陽能板和備用電池供電下工作時可以保證最大工作時間。風傳感器、采集器和障礙燈安裝在測風塔或風桿上。

2.5　LLWAS系統設備配置

(1) 風速、風向傳感器及采集器處理單元。LLWAS系統的基礎是放置在機場起飛和降落通道周圍的風傳感器。外場測風站設備主要由風傳感器和數據采集器組成，其中風傳感器包括風向和風速傳感器。風傳感器擬采用超聲風傳感器，其優(yōu)點是傳感器免維護，風速測量范圍為0～65 m/s，精度±0.2 m /s，啟動閾值0.01 m /s；風向測量范圍0°～360°，分辨率1°，精度達到±2°。

(2) 通信方式。系統通過UHF選線通信方式傳輸至中央數據處理器，經運算與判斷，將警告區(qū)域顯示在終端上。

(3) 風塔和風桿。為達到最佳系統性能和計算可靠性，根據地形條件、機場建筑物情況等使用一定高度的風桿和風塔。通過現場勘查，可獲知最佳傳感器排列和探測高度。對于1 520 m的探測高度采用風塔，10 m及以下高度的采用風桿。

(4) 太陽能供電。對于數據采集器和風傳感器的供電，可以使用太陽能板供電，利用充放電控制器對電池進行充放電，為整套設備供電。

2.6　與自動氣象觀測系統的融合

氣象自動觀測系統主要用于提供飛機接地帶附近及跑道中部地帶風、溫、濕、壓、能見度、雨量、云高等氣象要素信息。目前蘭州機場配備有Vaisala的氣象自動觀測系統，其中風傳感器與LLWAS系統的風傳感器配置基本相同，可以將其中的數據有效地融合入LLWAS系統中進行綜合風切變分析。

3LLWAS系統的特點

(1) 風站網絡布置在跑道周圍，只針對布點范圍內發(fā)生的風切變有監(jiān)測效果。

(2) 對中高層以上的風切變監(jiān)測效果不明顯。

(3) 對由對流性天氣和鋒面導致的風切變監(jiān)測效果明顯，符合中川機場的特點。從這一點來看該系統具有可操作性。

4結語

近年來，蘭州中川機場報告的因低空風場變化從而影響正常起降的航班次數逐年增多。這也引起了機場和甘肅空管分局氣象臺的高度重視，氣象臺通過對機場附近低空風場變化的長期統計和研究，對其成因有了初步的結論。通過低空風切變告警系統的建設，增強了氣象設施設備的探測和預警能力，通過構建低空風切變告警系統組網的風場探測設備，測量與風切變相關的氣象要素，判斷其發(fā)生的可能性，并發(fā)布預警信息，對機場周圍發(fā)生的低空風切變分區(qū)域予以警告，為各駐場單位應對風切變天氣決策提供必要的預警信息，減少了因氣象信息匱乏造成的損失，提升了分局航空氣象服務的品質。

參考文獻

[1]孫偉中.蘭州中川機場低空風切變的初步分析[J].民航科技，2007(6)：11-14.

[2]蘭州中川機場氣象臺.蘭州中川機場LLWAS站點勘察報告[D].蘭州: 蘭州中川機場氣象臺,2014.