激光測風(fēng)雷達(dá)在航空保障中的典型應(yīng)用分析

華志強(qiáng),黎 倩,黃 軒,馬曉玲,田維東,趙啟娜

(1.中國民航 青?？展芊志?氣象臺,西寧 810000;2.成都信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院 高原大氣與環(huán)境四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610225)

引 言

激光測風(fēng)雷達(dá)是通過測量大氣中空氣微粒對激光束后向散射的多普勒頻移，并多波束反演獲得大氣風(fēng)場的一種現(xiàn)代光電技術(shù)。激光測風(fēng)雷達(dá)具有時(shí)間和空間分辨率高、測量精度高、覆蓋范圍相對較大、激光波束窄、定向性好等特點(diǎn)，探測結(jié)果較為可靠[1]，與超聲風(fēng)速儀、探空氣球和風(fēng)廓線雷達(dá)等遙測手段相比，水平風(fēng)向風(fēng)速有較好的一致性[2-4]，因此得到迅速的發(fā)展和應(yīng)用。3維激光測風(fēng)雷達(dá)研究在國外起步較早，在機(jī)場航空氣象安全保障[5-8]等方面應(yīng)用較多，而在我國起步相對較晚。從目前國內(nèi)研究現(xiàn)狀來看，對雷達(dá)的功能性能[9-13]等研究較多，但在機(jī)場航空氣象保障中的實(shí)際應(yīng)用研究仍相對較少。

航空氣象保障應(yīng)用中的3維激光測風(fēng)雷達(dá)主要用于探測機(jī)場上空及飛機(jī)起降通道的低空風(fēng)場信息[14-15]，是目前國際上公認(rèn)的機(jī)場探測低空風(fēng)切變的一種最有效手段，在香港等[16-18]多個(gè)機(jī)場已有成功的應(yīng)用先例。西寧機(jī)場是高原機(jī)場，特殊的地理環(huán)境導(dǎo)致風(fēng)切變天氣頻發(fā)，嚴(yán)重威脅航空飛行安全，常造成飛機(jī)復(fù)飛和備降[19-20]。激光雷達(dá)自2017年在西寧機(jī)場應(yīng)用后，已多次有效捕捉與監(jiān)測了對航空安全影響較大的風(fēng)切變及典型的危險(xiǎn)性天氣過程，在機(jī)場航空氣象保障中具有較顯著的應(yīng)用效果，已成為西寧高原機(jī)場日常氣象安全保障中的一種必不可少的重要手段。

本文中利用西南技術(shù)物理研究所研制的一臺FC-Ⅲ相干激光測風(fēng)雷達(dá)在西寧機(jī)場的測風(fēng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對西寧機(jī)場2019-04-10出現(xiàn)的風(fēng)切變過程進(jìn)行初步探討和分析，旨在為航空氣象保障業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)提供一定的參考與依據(jù)。

1 激光測風(fēng)雷達(dá)的基本情況

本研究中采用的激光雷達(dá)為FC-Ⅲ型3維激光測風(fēng)雷達(dá)，該雷達(dá)是一部全光纖、相干、多普勒脈沖體制雷達(dá)，具有體積小、重量輕、安裝移動(dòng)方便等特點(diǎn)。雷達(dá)通過發(fā)射激光脈沖，以大氣中氣溶膠粒子作為探測目標(biāo)，根據(jù)對氣溶膠顆粒隨風(fēng)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻率偏移的相干檢測及多模式的掃描，來實(shí)現(xiàn)對大氣風(fēng)場信息的獲取。雷達(dá)工作波長1550nm為人眼安全波段，其風(fēng)廓線探測模式工作時(shí)垂直最大探測高度不小于3000m，掃描探測模式工作時(shí)最大徑向探測距離不小于10000m，最小徑向探測距離不大于200m；方位角掃描范圍0°～360°；俯仰角掃描范圍-10°～190°；探測風(fēng)速均方根(root mean square,RMS)誤差不大于0.8m/s；風(fēng)向均方根(RMS)誤差不大于5°。

該雷達(dá)的掃描工作模式主要包括：平面位置指示(plane position indicator,PPI)掃描、量程高度指示(range height indicator,RHI)掃描、多普勒光束擺動(dòng)(Doppler beam swinging，DBS)掃描和下滑道掃描，能夠提供徑向風(fēng)速、水平風(fēng)場、迎頭風(fēng)和側(cè)風(fēng)等多種數(shù)據(jù)。在雷達(dá)顯示界面中可對種模式測量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，其中定義冷色調(diào)為負(fù)徑向風(fēng)速，表明風(fēng)向朝向雷達(dá)，暖色調(diào)為正徑向風(fēng)速，表明風(fēng)向遠(yuǎn)離雷達(dá)；同樣定義迎頭風(fēng)朝向雷達(dá)為負(fù)，遠(yuǎn)離雷達(dá)為正；右側(cè)風(fēng)為正，左側(cè)風(fēng)為負(fù)(觀察員視角)；垂直氣流正為上升運(yùn)動(dòng)，負(fù)為下沉運(yùn)動(dòng)。

Fig.1 Position on satellite map of lidar

西寧機(jī)場位于青藏高原東北部的湟水河流域，跑道呈東西走向，處于狹長的特殊地形中，四周環(huán)山，地形復(fù)雜。2017年10月，激光測風(fēng)雷達(dá)開始在西寧機(jī)場運(yùn)行，最初安裝在跑道北側(cè)靠近跑道西端頭，由于跑道北邊山體存在遮擋，因此在2019年1月在跑道中部重新安裝了一臺3維激光測風(fēng)雷達(dá)，并24h連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。雷達(dá)的安裝位置如圖1所示。

2 機(jī)場當(dāng)日天氣分析

2019-04-10，西寧機(jī)場晴～少云。早晨～中午維持風(fēng)向不定，風(fēng)速較?。?5:00之后西風(fēng)迅速增大；18:00～18:20，機(jī)場由偏西風(fēng)10m·s-1迅速轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)10m·s-1，陣風(fēng)為15m·s-1。17:35～18:48，共收到兩份風(fēng)切變航空器空中報(bào)告，造成4架飛機(jī)復(fù)飛備降。期間激光雷達(dá)采用了多模式輪流掃描工作，其中3°PPI有效探測量程為6km～7km，北部因有山體阻擋，北部測程約為2km。下面結(jié)合風(fēng)切變期間機(jī)場周邊的風(fēng)場變化情況，對該時(shí)段激光雷達(dá)探測過程進(jìn)行分析。

從08:00的500hPa(見圖2)高空圖可知：中高緯地區(qū)呈兩槽一脊型，甘肅東部至高原東部有高空槽東移；青海中部有明顯的冷溫槽，北部冷平流明顯，河西走廊至機(jī)場上空有高空急流區(qū)，西寧機(jī)場受槽后西北氣流控制，西寧單站上空高空風(fēng)速達(dá)30m/s。

Fig.2 500hPa map at 2019-04-10T08:00

從08:00的地面圖(圖略)可知，冷高壓中心位于蒙古高原西南部，在河西走廊至青海西北部有冷空氣擴(kuò)散。至14:00(見圖3)河西走廊和青海湖一帶都有明顯的大風(fēng)區(qū)。因此從宏觀上看，此次天氣過程主要是由高空冷溫槽、高空急流及槽后西北氣流引起的下傳大風(fēng)和地面冷空氣倒灌造成的風(fēng)切變過程。

通過機(jī)場VAISALA自觀資料分析對風(fēng)切變天氣發(fā)生前后11號和29號跑道風(fēng)向、風(fēng)速變化作對比分析，給出以下變化特征(見圖4)。

對比分析11號和29號跑道風(fēng)向風(fēng)速可以看出：18:04之前，11號和29號風(fēng)向均為穩(wěn)定的偏西風(fēng)，風(fēng)速略有波動(dòng)；18:04～18:12，11號跑道仍維持穩(wěn)定的西風(fēng)，29號跑道則2min內(nèi)迅速轉(zhuǎn)為東南風(fēng)，18:12～18:14，11號跑道風(fēng)向迅速轉(zhuǎn)為東南風(fēng)，風(fēng)速都先減小后增大；此后兩頭風(fēng)向風(fēng)速均維持穩(wěn)定；從轉(zhuǎn)風(fēng)向時(shí)間差來看，29號跑道比11號跑道轉(zhuǎn)風(fēng)向時(shí)間早10min，反映了風(fēng)切變系統(tǒng)的移動(dòng)速度。

3 利用激光測風(fēng)雷達(dá)分析風(fēng)切變特征

圖5為2019-04-10T17:49～18:25的雷達(dá)PPI(3°)掃描水平風(fēng)矢分布圖。從圖可以看出，17:49之前，本機(jī)場為一致的偏西風(fēng)，風(fēng)速較大；17:52在本機(jī)場東南7km處出現(xiàn)負(fù)徑向速度；在17:58在本機(jī)場東側(cè)4km有明顯的風(fēng)切變；此后風(fēng)切變位置繼續(xù)向西移動(dòng)；18:08～18:11，風(fēng)切變快速經(jīng)過本機(jī)場，此后繼續(xù)向西移動(dòng)，本場東側(cè)東南風(fēng)明顯增大；18:25風(fēng)切變位置移出雷達(dá)測量范圍，之后一直維持13m·s-1～20m·s-1的偏東風(fēng)。圖6為雷達(dá)同期進(jìn)行6°PPI掃描的風(fēng)矢量分布圖。從圖中也可以觀察到同樣的現(xiàn)象，但6°PPI掃描探測到風(fēng)切變時(shí)間略晚于3°PPI掃描的時(shí)間。

Fig.5 PPI(3°) of lidar on 2019-04-10

Fig.6 PPI(6°) of lidar on 2019-04-10

從上述兩個(gè)角度的PPI掃描風(fēng)矢量圖中可以看出，風(fēng)切變經(jīng)過本機(jī)場前，向雷達(dá)側(cè)凸起，隨著時(shí)間和距離的推移形狀趨向于線狀。由于雷達(dá)掃描呈圓錐形掃描，且3°PPI掃描探測到風(fēng)切變時(shí)間要早于6°PPI掃描，由此推測是低層比高層先發(fā)生風(fēng)切變。

從同期雷達(dá)的RHI掃描圖也觀察到同樣的現(xiàn)象，圖7和圖8分別為雷達(dá)290°和110°方位的RHI掃描圖。從圖中可以清晰看出，17:56在本機(jī)場東側(cè)6km處地面至200m高度出現(xiàn)了風(fēng)切變；17:56～18:10，風(fēng)切變位置由東向西快速移動(dòng)，地面至低空形成向東傾斜的切變層，其傾斜角約為20°，切變層以上為偏西風(fēng)，以下為偏東風(fēng)；18:10地面風(fēng)切變經(jīng)過本機(jī)場；18:10～18:19，風(fēng)切變位置繼續(xù)西移，低層偏東風(fēng)逐漸加大；18:19～18:27切變層傾斜角變大；之后，風(fēng)切變位置移出雷達(dá)范圍，低層風(fēng)速逐漸加大，切變層穩(wěn)定在1km～1.2km。從RHI圖上可見，此次低層氣流不厚，考慮到西寧機(jī)場地形復(fù)雜，可能是由冷空氣倒灌引起的。

Fig.7 RHI (290 °) of laser lidar

Fig.8 RHI (290°) of lidar

圖9為該時(shí)段的雷達(dá)下滑道掃描圖。從圖中可以看出：17:53迎頭風(fēng)為一致的偏西風(fēng)，正側(cè)風(fēng)風(fēng)速為2m·s-1～8m·s-1；18:04由遠(yuǎn)至近迎頭風(fēng)逐漸減小，但仍然為一致的偏西風(fēng)，側(cè)風(fēng)風(fēng)向略有波動(dòng)；18:12本機(jī)場以西200m出現(xiàn)風(fēng)向?qū)Υ?；風(fēng)速由近至遠(yuǎn)，先減小后增大；側(cè)風(fēng)以正側(cè)風(fēng)為主;18:21整體轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)，風(fēng)速逐漸穩(wěn)定，側(cè)風(fēng)在跑道兩側(cè)左右波動(dòng)。

Fig.9 Glide slope mode pattern of lidar

圖10為該時(shí)段雷達(dá)的垂直廓線風(fēng)矢圖。17:20之前，從地面至高層以大西風(fēng)為主；17:20～18:07，風(fēng)向仍然為西風(fēng)，中低層明顯風(fēng)速減??；18:15從地面至800m高度，風(fēng)向轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)，風(fēng)速維持在5m·s-1～8m·s-1，800m高度出現(xiàn)了明顯的切變層，以上為西風(fēng)，以下為東風(fēng)；18:15～18:50，低層?xùn)|風(fēng)明顯增大，切變層逐漸抬升；此后切變層穩(wěn)定在1200m左右，低層風(fēng)速逐漸穩(wěn)定。由風(fēng)廓線模式數(shù)據(jù)可知，本機(jī)場發(fā)生風(fēng)切變的時(shí)間約發(fā)生在18:07之后。

Fig.10 Wind profile pattern of lidar

此次風(fēng)切變過程由西風(fēng)迅速轉(zhuǎn)為東風(fēng)，自東向西快速經(jīng)過測站。綜合以上分析可知，激光雷達(dá)可以清楚地反映本次天氣過程，并能對風(fēng)切變的位置、結(jié)構(gòu)、高度和移動(dòng)速度進(jìn)行監(jiān)測。切變過程中地面向低空形成向東傾斜切變層，其高度延伸至1200m，對高層沒有影響。迎頭風(fēng)發(fā)生對吹的位置為風(fēng)切變位置，風(fēng)速向兩側(cè)逐漸增大。對比圖5b、圖6b、圖7b、圖8b、圖9c和圖10可知，雷達(dá)采用PPI和RHI模式發(fā)現(xiàn)風(fēng)切變的時(shí)間明顯早于采用風(fēng)廓線模式，此次過程發(fā)現(xiàn)時(shí)間相差約15min，其原因在于風(fēng)廓線只對經(jīng)過測站上空的風(fēng)進(jìn)行測量。對比激光雷達(dá)數(shù)據(jù)與航空器空中報(bào)告數(shù)據(jù)，激光雷達(dá)發(fā)現(xiàn)風(fēng)切變的時(shí)段均在機(jī)組報(bào)告風(fēng)切變的時(shí)段內(nèi)，也很好地驗(yàn)證了激光雷達(dá)探測到風(fēng)切變數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖11為2019-04-10T16:00～20:00期間激光測風(fēng)雷達(dá)獲得的的垂直氣流變化圖。從圖11中可以看出，17:00之前，機(jī)場上空有明顯的下沉運(yùn)動(dòng)；17:00～18:00，上升和下沉運(yùn)動(dòng)相間分布，有明顯的動(dòng)量交換；18:00～18:30，低層垂直運(yùn)動(dòng)不明顯，中高層有強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)中心高度位于600m～1500m；18:30之后，低層垂直運(yùn)動(dòng)不明顯，高層上升和下沉運(yùn)動(dòng)共存，上升運(yùn)動(dòng)底部與切變層高度相一致。

Fig.11 Vertical velocity of lidar

4 結(jié) 論

通過對2019-04-10風(fēng)切變天氣過程及激光雷達(dá)的測量結(jié)果進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：此次天氣過程主要是槽后西北氣流引起的下傳偏西大風(fēng)和地面冷空氣倒灌造成的風(fēng)切變過程。從跑道兩頭風(fēng)的變化可以看出：風(fēng)切變發(fā)生前，風(fēng)向均維持穩(wěn)定，風(fēng)速略有波動(dòng)；風(fēng)切變發(fā)生時(shí)，風(fēng)向迅速轉(zhuǎn)變，風(fēng)速先減小后增大。在風(fēng)切變前，上下層有明顯的動(dòng)量交換；風(fēng)切變時(shí)，中高層有強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)；風(fēng)切變后，上升和下沉運(yùn)動(dòng)共存。

FC-Ⅲ型激光測風(fēng)雷達(dá)在此次風(fēng)切變探測過程中，能清楚地探測到風(fēng)切變的結(jié)構(gòu)、位置、高度和和移動(dòng)方向：地面最先轉(zhuǎn)為東風(fēng)，自東向西移動(dòng)快速移動(dòng)，由地面向低空形成向東傾斜切變層，其高度延伸至1200m，對高層沒有影響。當(dāng)雷達(dá)在下滑道掃描時(shí)，迎頭風(fēng)發(fā)生對吹的位置為風(fēng)切變位置。當(dāng)出現(xiàn)西風(fēng)時(shí)，側(cè)風(fēng)較穩(wěn)定；當(dāng)出現(xiàn)東風(fēng)時(shí)，側(cè)風(fēng)在跑道兩側(cè)左右波動(dòng)。此期間，激光雷達(dá)的PPI和RHI模式比風(fēng)廓線模式更早觀察到風(fēng)切變位置，兩者發(fā)現(xiàn)的時(shí)間差15min，比自觀設(shè)備約早10min。航空器報(bào)告風(fēng)切變的時(shí)段很好的驗(yàn)證了激光雷達(dá)風(fēng)切變數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

以上結(jié)論對于激光測風(fēng)雷達(dá)資料在風(fēng)切變天氣預(yù)報(bào)中的應(yīng)用和保障民航飛行安全有一定的借鑒意義。該激光雷達(dá)在西寧機(jī)場應(yīng)用時(shí)間較長，期間收集了大量的樣本，未來通過對這些資料的進(jìn)一步深入分析，可進(jìn)一步總結(jié)激光雷達(dá)在民航機(jī)場的應(yīng)用及危害天氣等的預(yù)報(bào)方法，為民航機(jī)場航空預(yù)報(bào)提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。