激光測風(fēng)雷達分析典型高原機場風(fēng)場特征

范 琪，朱曉林,周鼎富*，周 杰，羅 雄，陳春利，童文皓，楊澤后

(1.西南技術(shù)物理研究所，成都 610041；2.航天系統(tǒng)部裝備部軍事代表局，北京 100000)

引 言

3維激光測風(fēng)雷達是新型的風(fēng)場探測手段，其抗干擾能力強、資料分辨率高，能夠提供十分精細(xì)的低空3維風(fēng)場信息[1-3]，可彌補傳統(tǒng)測風(fēng)手段在低空風(fēng)場探測能力上的不足，是目前晴空條件下低空風(fēng)場監(jiān)測的不二選擇，具有重要的發(fā)展?jié)摿脱芯績r值[4-5]。已知水汽含量和氣溶膠濃度是影響激光測風(fēng)雷達風(fēng)場探測能力的主要因素，高原地區(qū)太陽輻射能量強，氣溶膠濃度低，大氣透明度遠(yuǎn)高于平原地帶，自然環(huán)境惡劣多變，這對激光測風(fēng)雷達風(fēng)場探測能力提出了嚴(yán)峻的考驗。與此同時，受高原動力和熱力因素影響，高原地區(qū)本底風(fēng)場風(fēng)力強勁，海拔高度高、多高山峽谷地形復(fù)雜，又導(dǎo)致其局地環(huán)流擾動多變，這嚴(yán)重威脅著需備降高原機場的飛機的飛行安全，使得其對可實時精準(zhǔn)監(jiān)測預(yù)警風(fēng)場波動，有效保障航空安全的風(fēng)場探測設(shè)備需求迫切。以上均使激光測風(fēng)雷達在高原機場的風(fēng)場監(jiān)測能力深受關(guān)注[6-9]。

國外在激光測風(fēng)雷達的理論研究和應(yīng)用上一直處于領(lǐng)先地位,于20世紀(jì)60年代便開展了關(guān)于激光測風(fēng)雷達的相關(guān)研究[10-11]。至今硬件技術(shù)、理論算法均已相當(dāng)成熟，不僅用于軍事保障、風(fēng)電領(lǐng)域、天氣預(yù)報、機場安全維護，而且實現(xiàn)了商業(yè)化，如美國Lockheed Martin公司、法國Leosphere公司、日本三菱公司的激光測風(fēng)雷達在國外樞紐機場多有安裝，且保障能力良好[12-16]。目前，國內(nèi)對于激光測風(fēng)雷達在民航機場的應(yīng)用研究尚處起步階段，將激光測風(fēng)雷達用于航空氣象預(yù)報和航空安全保障的單位則更少[17-18]，對于激光測風(fēng)雷達在民用高原機場的運行環(huán)境適應(yīng)性研究及綜合保障能力評估尚處空白[19-20]?；诖?，本文中根據(jù)激光測風(fēng)雷達工程化研究發(fā)展和民航機場應(yīng)用需求，在典型高原惡劣自然和地形條件的機場，進行激光測風(fēng)雷達探測性能試驗研究，多方位分析激光測風(fēng)雷達在復(fù)雜地形環(huán)境下的運行適應(yīng)性，綜合評估激光測風(fēng)雷達實時監(jiān)測機場周邊風(fēng)場信息并及時告警危害性天氣的能力。

1 試驗背景及設(shè)備介紹

1.1 試驗背景

攀枝花市屬南亞熱帶-北溫帶的多種氣候類型，年溫差小、日溫差大，四季不顯著，干、濕季分明。受海拔高度和地形變化的影響，垂直差異明顯，小氣候復(fù)雜多變。攀枝花保安營機場地處青藏高原東南緣，是典型的高原、高溫、山區(qū)機場。金沙江從西，北，東三面環(huán)繞機場，機場位于一削平的山頂上，海拔高度1980.2m，由于形似航母，又被稱為“內(nèi)陸航母”機場，其四面環(huán)山，局地風(fēng)場復(fù)雜多變，飛機在本場起降時多受風(fēng)場波動影響，威脅飛行安全。

西南技術(shù)物理研究所(下稱西物所)研制的FC-Ⅲ型激光測風(fēng)雷達于2018年3月安裝于保安營機場北側(cè)跑道盡頭，如圖1所示。其水平探測距離10000m，垂直探測高度5000m，可做平面位置指示(plan position indicator，PPI)掃描監(jiān)測機場范圍風(fēng)場波動和實時演變；可分別沿水平/垂直于跑道的方位做量程高度指示(range height indicator，RHI)掃描，幫助機場氣象工作人員全方位立體了解跑道上的天氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征；可做頂空的多普勒光束擺動(Doppler beam swinging，DBS)掃描監(jiān)測機場范圍天氣系統(tǒng)的移動路徑；還可無障礙遮擋的對飛機起降航道進行針對性下滑道(glide path，GP)掃描，實時監(jiān)測航道上的側(cè)風(fēng)和迎頭風(fēng)波動情況，對可能影響飛機飛行姿態(tài)的風(fēng)場做到提前監(jiān)測預(yù)警，輔助航班安全保障工作順利進行。

Fig.1 Installation location of lidar

1.2 設(shè)備介紹

如圖2所示，西物所研制的國產(chǎn)化激光測風(fēng)雷達采用相干探測原理，利用穩(wěn)頻脈沖激光作為照射光源，通過接收大氣中隨風(fēng)飄移氣溶膠的散射回波信號并與雷達本振光進行相干混頻，通過對中頻信號的數(shù)字鑒頻技術(shù)來獲得激光束視線方向的徑向風(fēng)矢量，通過雷達系統(tǒng)的二軸光機掃描，光束在空中形成掃描場，系統(tǒng)通過多波束風(fēng)場反演，實現(xiàn)對大氣風(fēng)場的測量。該系列雷達主要參量如表1所示。其體積小、重量輕、便于移動和攜帶；可提供徑向風(fēng)、垂直速度、信噪比以及風(fēng)切變、尾渦等多種產(chǎn)品；還可進行多種掃描，能通過調(diào)整掃描方式來較完整的捕捉過境系統(tǒng)，方便民航業(yè)務(wù)使用。

Fig.2 System structure diagram of lidar

Table 1 The main parameters of lidar

2 探測性能分析

2.1 分析方法

西物所研制的激光測風(fēng)雷達自2018年3月安裝至6月末截至，一直24h連續(xù)不斷工作，本文中對試驗階段獲取的全部數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。受激光性能的局限，不同天氣類型下激光測風(fēng)雷達的探測性能力有明顯差異，為綜合評估激光測風(fēng)雷達在不同天氣類型下的測風(fēng)能力優(yōu)劣，依據(jù)2018年3月～6月機場氣象觀測月總簿記錄的每日逐時天氣實況對天氣進行分類(缺測的時刻以MICAPS地面天氣圖實況作為輔)。以h為單位，把激光測風(fēng)雷達試驗數(shù)據(jù)劃分歸類到晴(總云量≤20%)、多云(30%≤中低云量≤60%)、陰(中低云量≥70%)、雨、霧天(大氣中因懸浮的水汽凝結(jié)，使得相對濕度≥95%，能見度≤10km的天氣現(xiàn)象)，分別統(tǒng)計不同天氣類型下激光測風(fēng)雷達的數(shù)據(jù)獲取率、有效探測距離，評估分析激光測風(fēng)雷達的運行環(huán)境適應(yīng)性，探究激光雷達的機場業(yè)務(wù)使用模式，為以后雷達的機場業(yè)務(wù)使用做鋪墊。

2.2 數(shù)據(jù)獲取率

氣象要素在垂直方向的變化梯度遠(yuǎn)大水平方向，這使得激光在水平方向傳輸所受的大氣衰減小于垂直方向，以上導(dǎo)致不同天氣類型下激光測風(fēng)雷達在垂直方向的數(shù)據(jù)獲取率廓線變化比水平方向強烈，但整體都表現(xiàn)為隨探測距離的增加而呈現(xiàn)明顯的遞減趨勢。

在雨、霧天，激光測風(fēng)雷達水平和垂直方向的數(shù)據(jù)獲取率均明顯低于其它3種天氣類型，在水平距離4.0km、垂直高度1.2km激光測風(fēng)雷達的數(shù)據(jù)覆蓋率便已不足50%，這是由于高飽和度的水汽對激光的傳輸衰減所致。而試驗期間攀枝花市雖有降水，但降水量不大且多為間歇性小雨，維持時間較短，而霧天卻是持續(xù)性大霧，因此反而水汽飽和度高的雨天數(shù)據(jù)獲取

Fig.3 Data acquisition rate of lidar under different weather typesa—horizontal b—vertical

率高于水汽飽和度相對低的霧天。在晴天、多云和陰天，大氣中氣溶膠含量多且水汽含量相對較少，激光不僅在傳輸過程中所受的大氣衰減少，由于高的氣溶膠含量還能產(chǎn)生更強的后向散射回波，因此以上天氣類型下，激光測風(fēng)雷達水平和垂直向數(shù)據(jù)獲取率明顯高于雨、霧天，其在水平距離6.5km、垂直高度3.3km，激光測風(fēng)雷達的數(shù)據(jù)覆蓋率才衰減至不足50%，可見激光測風(fēng)雷達更適用于干性天氣下的風(fēng)場監(jiān)測，這恰好彌補了機場晴空大氣保障能力的不足(見圖3)。

2.3 有效探測距離

為滿足機場氣象保障的不同需求，也為了全方位多角度剖析天氣系統(tǒng)，F(xiàn)C-Ⅲ型激光測風(fēng)雷達配置有PPI,RHI,DBS和下滑道4種掃描模式，用戶可根據(jù)需求自行配置由此4種基礎(chǔ)模式任意組合的混合掃描組合，因此量化4種掃描模式的有效探測距離可有效評估激光測風(fēng)雷達的機場保障能力。

如圖4所示，激光測風(fēng)雷達在晴、多云、陰天下的有效探測距離整體偏高，PPI最大可達6623m，DBS為2895m，RHI為3316m，下滑道為5264m，而這不僅能完全覆蓋航空氣象的重點保障領(lǐng)域——飛機起飛和降落期間的下滑航道區(qū)域，還能提供重點區(qū)域周邊的風(fēng)場波動特征，滿足機場氣象保障需求。在雨、霧天激光測風(fēng)雷達各掃描模式的有效探測距離最小，且霧天小于雨天，其中PPI最小為2370m，DBS為885m，RHI為953m，下滑道為1206m，其探測能力遜色于晴空大氣下，此時機場氣象保障可更多依靠于多普勒天氣雷達的監(jiān)測結(jié)果，激光測風(fēng)雷達的探測數(shù)據(jù)可用于補充和參考。

Fig.4 The effective detection range of lidar under different weather types

3 風(fēng)場特征

攀枝花機場現(xiàn)有風(fēng)場設(shè)備僅為沿跑道分布的自動觀測站，且僅能提供地表10m附近的水平風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)，因此，攀枝花機場范圍內(nèi)、垂直高度上的風(fēng)場波動特征一直都是缺失環(huán)節(jié)，而這一環(huán)節(jié)的填補對于機場環(huán)流預(yù)報和航空安全保障具有重要的意義。已知攀枝花具有四季不分明,而干濕季分明的特征，其中5月～10月為濕季，11月～來年4月為干季。本文中選用的激光測風(fēng)雷達試驗數(shù)據(jù)剛好跨越干濕季，此處劃分3月～4月為干季，5月～6月為濕季，分開統(tǒng)計試驗期間保安營機場的風(fēng)場特征，其結(jié)果見下。

3.1 風(fēng)速

按照航空氣象的需求，劃分0m/s≤v<5m/s,5m/s≤v<10m/s,10m/s≤v<15m/s,15m/s≤v<20m/s,v≤20m/s等5個風(fēng)速區(qū)間，詳細(xì)統(tǒng)計分析機場的風(fēng)速分布特征，其結(jié)果如下：由于攀枝花機場地處高原，高海拔導(dǎo)致攀枝花機場的風(fēng)速相比平原機場整體偏大，常出現(xiàn)10m/s以下的大風(fēng)，其中干季占比88%以上，濕季占比可達91%以上；其中干季最常吹0m/s≤v<5m/s區(qū)間的風(fēng)，其占比為45.02%，濕季最常吹5m/s≤v<10m/s區(qū)間的風(fēng)，占比為46.68% (見圖5)。可見攀枝花機場干季更加風(fēng)和日麗，而濕季受引發(fā)降水的系統(tǒng)性天氣過境的影響，平均風(fēng)速比干季大。

Fig.5 Wind speed distribution characteristics of Panzhihua Airporta—dry season b—wet season

3.2 風(fēng)向

為詳細(xì)分析機場上空風(fēng)向隨高度h的變化情況，分600m以下、600m≤h<1500m、1500m≤h<3000m和3000m≤h≤5000m共4個高度段統(tǒng)計分析風(fēng)向信息，探尋不同高度段的機場盛行風(fēng)向變化特征。

保安營機場位于一削平的山頂上，其四面環(huán)山，受地形夾持影響機場干季低空600m以下盛行風(fēng)向為南南東風(fēng)，占比可達20.7%，而機場跑道沿南北走向分布，偏南的盛行風(fēng)向可以有效保障飛機在起飛和降落過程中，有沿跑道方向的逆風(fēng)存在。在垂直高度600m≤h<1500m之間，地形對風(fēng)場走向的干擾明顯減小，機場盛行風(fēng)向由南南東風(fēng)變?yōu)榱私y(tǒng)一的西南西風(fēng)，風(fēng)向在垂直高度上一直存在一個90°的突變，飛機在600m高度附近容易遭遇由風(fēng)向突變引發(fā)的風(fēng)切變。在1500m≤h<3000m,3000m≤h≤5000m高度區(qū)間內(nèi)，機場盛行風(fēng)向依舊為統(tǒng)一的西南西風(fēng)，其占比分別為26.21%和24.36%。整體而言，攀枝花干季風(fēng)向波動范圍較小，風(fēng)向較為統(tǒng)一，風(fēng)隨高度增加順時針轉(zhuǎn)動，暖平流明顯(見圖6)。

Fig.6 Wind direction distribution characteristics of Panzhihua Airport in the dry season

受地形影響，保安營機場濕季低空600m以下的盛行風(fēng)向為南風(fēng)，占比可達17.5%，依舊能保障飛機逆風(fēng)起降的要求，同時還存在明顯的風(fēng)場回流，即有占比達9%左右的北北東風(fēng)，這樣對立的風(fēng)向特征一定程度上會增大攀枝花機場濕季低層風(fēng)切變突生的概率。垂直高度600m≤h<1500m區(qū)間，保安營機場，盛行風(fēng)向變?yōu)槲魑髂巷L(fēng)，占比為17.55%，此外還存在占比達10.5%的南南東風(fēng)。在1500m≤h<3000m和3000m≤h≤5000m高度區(qū)間內(nèi)，機場盛行風(fēng)向都為西西南風(fēng)，占比分別為23.60%和18.89%，但風(fēng)向分化依舊較大。整體而言，攀枝花市濕季風(fēng)向波動范圍較大，存在多個盛行風(fēng)方向，突生風(fēng)切變的概率高于干季，風(fēng)隨高度增加順時針轉(zhuǎn)動，暖平流依舊明顯(見圖7)。

Fig.7 Wind direction distribution characteristics of Panzhihua Airport in the wet season

3.3 下滑道風(fēng)

飛機的下滑和起飛的航道可以近似看為一條傾斜的立方體管道，最終在跑道端頭接地。整個立方體航道水平長3海里(約5600m)，垂直高度600m以內(nèi)，是機場的重點監(jiān)測保障領(lǐng)域。西物所研制的激光測風(fēng)雷達可對飛機起降航道進行針對性掃描，提取飛機航道風(fēng)，再反演分解為跑道側(cè)風(fēng)(垂直于跑道中心線，左側(cè)風(fēng)為正，右側(cè)風(fēng)為負(fù))和順逆風(fēng)(平行于跑道中心線，逆風(fēng)為正、順風(fēng)為負(fù))。

下面統(tǒng)計分析不同天氣類型下，下滑道掃描水平距離上的跑道正側(cè)風(fēng)和負(fù)側(cè)風(fēng)分布狀況，結(jié)果如圖8所示。保安營機場本底風(fēng)場強勁，平均側(cè)風(fēng)在10m/s左右，符合高原地區(qū)典型的風(fēng)場特征，且機場正側(cè)風(fēng)普遍大于負(fù)側(cè)風(fēng)。最大正/負(fù)側(cè)風(fēng)均隨下滑道長度的增加而呈明顯的遞減趨勢，在水平距離5000m內(nèi)風(fēng)速值大且波動劇烈，這是本底強勁風(fēng)場疊加復(fù)雜地形引發(fā)的局地擾動共發(fā)結(jié)果，而該范圍恰處于飛機3海里下滑階段，波動劇烈的側(cè)風(fēng)容易引發(fā)飛機飛行姿態(tài)不穩(wěn)、側(cè)偏、翻滾等，激光測風(fēng)雷達的下滑道掃描模式能在此距離提供有力的承接。5000m以外距地高度較高，地形干擾變小，主要反映出的是高原高空本底流場的狀況，此時側(cè)風(fēng)波動變小，對飛機飛行安全的威脅也變小了。

Fig.8 Fluctuation characteristics of maximum positive/negative crosswind in glide path scanning

從數(shù)值變化而言，霧天的正/負(fù)側(cè)風(fēng)波動相較其它天氣明顯偏小，這因為持續(xù)性大霧產(chǎn)生的條件需大氣相對穩(wěn)定；攀枝花陰天風(fēng)場強勁且波動大，最大正側(cè)風(fēng)可達15.6m/s，最大負(fù)側(cè)風(fēng)達11.9m/s；雨天會在攀枝花1000m范圍內(nèi)產(chǎn)生非常大的負(fù)側(cè)風(fēng)，這因為高原降水為系統(tǒng)性天氣，大氣本身對流旺盛，且攀枝花機場系統(tǒng)性天氣常從東側(cè)生成，并向西不斷發(fā)展成熟，因此會造成很大的負(fù)側(cè)風(fēng)而非正側(cè)風(fēng)。

下滑道上跑道順逆風(fēng)大小和方向的突變會導(dǎo)致飛機在起飛和著陸過程中姿態(tài)不穩(wěn)，上下顛簸，嚴(yán)重時會出現(xiàn)嚴(yán)重掉高或機頭下栽，引發(fā)重大飛行事故。統(tǒng)計分析不同天氣類型下，下滑道掃描水平距離上跑道順逆風(fēng)情況，結(jié)果如圖9所示。保安營機場本底風(fēng)場強勁，平均順逆風(fēng)在15m/s左右，符合高原地區(qū)典型的風(fēng)場特征。除雨霧天外，其余天氣下最大順/逆風(fēng)均隨下滑道長度的增加而呈遞減趨勢，在水平距離5000m內(nèi)風(fēng)速值大且波動劇烈，而該范圍恰處于飛機3海里(約5600m)下滑階段，與飛機在臨近攀枝花機場時飛機顛簸高發(fā)的實時相符，需重點監(jiān)測保障，5000m以外波動變小。從數(shù)值而言晴天、多云和陰天天氣下的最大跑道順逆風(fēng)趨勢及數(shù)值基本一致，最大逆風(fēng)可達24m/s，最大順風(fēng)可達28.9m/s，整體遠(yuǎn)大于霧天和雨天天氣下的最大順逆風(fēng)。

Fig.9 Fluctuation characteristics of maximum downwind/headwind fluctuation in glide path scanning

4 結(jié) 論

國產(chǎn)FC-Ⅲ型激光測風(fēng)雷達在惡劣自然和地形條件下的民航機場中表現(xiàn)出了優(yōu)秀的運行適應(yīng)性。在晴天、多云、陰等干性天氣下，雷達在水平距離5000m內(nèi)，垂直高度2000m下的數(shù)據(jù)覆蓋率不小于75%，能完全覆蓋飛機起飛和降落期間的下滑航道區(qū)域，滿足機場氣象保障需求；雨、霧等高飽和水汽天氣下，雷達也能保證水平距離2370m、垂直高度883m的有效探測距離，其結(jié)果可為濕性天氣下機場現(xiàn)有測風(fēng)設(shè)備測量結(jié)果提供補充參考。而激光測風(fēng)雷達對于攀枝花機場風(fēng)場特征的分析研究，其結(jié)果與機場歷史氣象日志相符，同時受益于雷達數(shù)據(jù)的高時空分辨率，也展現(xiàn)了更加詳實的細(xì)節(jié)信息，對雷達的機場業(yè)務(wù)使用挖掘了更多的方法。