風(fēng)廓線雷達(dá)湍流探測(cè)應(yīng)用研究

張志標(biāo)，姜明波，杜智濤，劉可邦，初奕琦，楊 川

(1.北京應(yīng)用氣象研究所，北京 100029；2.北京無(wú)線電測(cè)量研究所，北京 100854)

0 引言

大氣湍流是一種不規(guī)則的大氣運(yùn)動(dòng)方式，它由許多大小不同的大氣渦旋所組成。大氣湍流的存在使大氣中的動(dòng)量、熱量、水汽和污染物的垂直和水平交換作用明顯增強(qiáng)，是大氣中的一種重要運(yùn)動(dòng)形式[1]。

由于大氣湍流伴隨的能量、動(dòng)量、物質(zhì)的傳遞和交換遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于層流，因此其造成的擴(kuò)散力、剪切應(yīng)力也更加強(qiáng)烈。在航空氣象中，大氣湍流對(duì)于飛行器的影響很大，輕則造成飛行器顛簸，影響乘客的飛行體驗(yàn)，增加飛機(jī)的疲勞損傷；重則導(dǎo)致飛機(jī)飛行姿態(tài)發(fā)生變化，使之難以控制，引發(fā)嚴(yán)重的飛行事故。因此研究大氣湍流及其變化規(guī)律對(duì)于飛行安全保障是很有必要的。

文章利用滿洲里西郊機(jī)場(chǎng)新建的邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)，選取了幾個(gè)典型晴天個(gè)例，分析湍流耗散率ε的時(shí)空分布特征，這對(duì)于機(jī)場(chǎng)上空的湍流監(jiān)測(cè)、風(fēng)切變識(shí)別以及航危天氣預(yù)警等業(yè)務(wù)的應(yīng)用具有一定的參考意義。

1 設(shè)備數(shù)據(jù)與算法原理

1.1 設(shè)備與資料

文章使用的邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)是由中國(guó)航天科工二院23所生產(chǎn)的CFL-03型風(fēng)廓線雷達(dá)，雷達(dá)的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 CFL-03型邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)主要技術(shù)參數(shù)

計(jì)算所用數(shù)據(jù)資料為2020年8月的雷達(dá)徑向基數(shù)據(jù)文件，文章在分析時(shí)選用了8月20日晴天個(gè)例進(jìn)行分析，以此來(lái)降低降水粒子對(duì)雷達(dá)譜寬的影響，提高湍流耗散率計(jì)算精度。

1.2 算法原理

(1)

(2)

其中，Nastrom[3]給出了風(fēng)切變和波束寬度對(duì)應(yīng)譜寬的公式：

(3)

(4)

式中，VE為東波束徑向速度；φ1為東波束天頂角；VN為北波束徑向速度；φ1為北波束天頂角；VL為中波束徑向速度；(u，v)是水平風(fēng)速分量；w是垂直風(fēng)速分量。

此外，Campistron[4]等提出經(jīng)驗(yàn)公式：

(5)

White[5]等提出由湍流譜寬計(jì)算湍流強(qiáng)度的公式：

(6)

(7)

(8)

式中，A為Kolmogorov常數(shù)，定為：

A=1.6

L由抽樣時(shí)間間隔內(nèi)平均水平風(fēng)速vt和平均周期(停留時(shí)間)Δt計(jì)算得到：

L=vt×Δt

(9)

Δt=NSA(TNFFTNPA+t0)

(10)

式中，NSA是譜平均的個(gè)數(shù)；T是脈沖重復(fù)周期；NFFT是傅里葉變換的點(diǎn)數(shù)；NPA是脈沖平均個(gè)數(shù)(相干積分個(gè)數(shù)，相干積累)；t0是傅里葉變化處理時(shí)間。

a為波束橫截面的半徑，有：

a=R0×sinθ0.5≈R0×θ0.5

(11)

b為脈沖長(zhǎng)度的一半，可由脈沖寬度τ計(jì)算得到：

b=τc/2

(12)

2 湍流耗散率可靠性分析

利用1.2章節(jié)相關(guān)公式計(jì)算得到滿洲里西郊機(jī)場(chǎng)8月的湍流耗散率ε分布結(jié)果，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析后發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)?000 m以下湍流耗散率ε的變化范圍在10-7～100m2/s3，這一點(diǎn)與前人的研究結(jié)果相一致，可以認(rèn)為得到的結(jié)果是有效的。

為驗(yàn)證湍流耗散率ε計(jì)算結(jié)果的可靠性，將風(fēng)廓線雷達(dá)的計(jì)算結(jié)果與其他設(shè)備獲取的湍流結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，比對(duì)數(shù)據(jù)包括機(jī)載QAR數(shù)據(jù)中的EDR記錄，激光雷達(dá)PPI掃描數(shù)據(jù)演算結(jié)果。由于不同設(shè)備數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率不同，可用作比對(duì)的數(shù)據(jù)量有限，圖1為一次典型的比對(duì)結(jié)果案例?？梢钥吹皆?00～900 m風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果與機(jī)載QAR數(shù)據(jù)結(jié)果一致性很高，而在500 m高度以下，風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)與激光雷達(dá)數(shù)據(jù)結(jié)果的變化趨勢(shì)也相符?？紤]到不同設(shè)備之間的掃描方式、掃描區(qū)域差異的影響，可以認(rèn)為風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的湍流耗散率ε結(jié)果是可靠的。

圖1 風(fēng)廓線雷達(dá)、激光雷達(dá)、機(jī)載QAR數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果比對(duì)

3 湍流耗散率時(shí)空變化特征研究

通過(guò)分析滿洲里西郊機(jī)場(chǎng)8月數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，除去部分受天氣過(guò)程影響外，該地區(qū)典型晴天的湍流耗散率的日變化特征相似，文章選取2020-08-20作為典型案例進(jìn)行分析討論。根據(jù)當(dāng)天地表自動(dòng)氣象站(距離風(fēng)廓線雷達(dá)100 m以內(nèi))數(shù)據(jù)顯示，日最高氣溫為21 ℃，最低氣溫為11.5 ℃，全天地表風(fēng)以西南風(fēng)為主，風(fēng)速變化具有明顯的日變化規(guī)律，白天風(fēng)速波動(dòng)劇烈，地表湍流較強(qiáng)，夜晚風(fēng)速有所減弱，風(fēng)速變化不再劇烈，湍流較弱。

風(fēng)廓線計(jì)算得到的湍流耗散率ε隨著高度的增加整體呈減小的趨勢(shì)；此外，湍流耗散率ε具有較為明顯的日變化特征，白天ε較大，最大值可達(dá)10-1m2/s3量級(jí)(達(dá)到民航觸發(fā)低空湍流預(yù)警的閾值標(biāo)準(zhǔn))，并且隨著溫度(太陽(yáng)輻射)的增強(qiáng)，高值所能達(dá)到的高度不斷提高，到UTC時(shí)間04：00-06：00(北京時(shí)間12：00-14：00)達(dá)到最高，約1000 m左右，夜晚ε整體偏小，但局地也會(huì)出現(xiàn)零星的高值區(qū)域。

白天滿洲里機(jī)場(chǎng)低空(800 m左右向下)風(fēng)速較強(qiáng)、對(duì)流運(yùn)動(dòng)較為強(qiáng)烈，受影響高度隨著溫度(太陽(yáng)輻射)變化而變化，由于湍流運(yùn)動(dòng)與大氣運(yùn)動(dòng)、熱量傳遞有著密切關(guān)系，所以白天低空區(qū)域大氣湍流較為劇烈；此外，在900 m左右的高空，風(fēng)速突然降低，使得這一區(qū)域由風(fēng)切變引起的譜寬貢獻(xiàn)增加，相應(yīng)的由湍流引起的譜寬貢獻(xiàn)減少，因此從900 m高度開(kāi)始，湍流耗散率ε減小。夜晚，溫度(太陽(yáng)輻射)降低，對(duì)流運(yùn)動(dòng)減弱，低空的水平風(fēng)速整體較低，因此夜晚低空大氣湍流較弱；但UTC時(shí)間14：00-20：00期間，900 m以上以及300 m以下部分時(shí)段出現(xiàn)大風(fēng)，相應(yīng)的導(dǎo)致夜間部分高度出現(xiàn)湍流耗散率ε的高值點(diǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章通過(guò)提取風(fēng)廓線雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)中湍流引起的譜寬數(shù)據(jù)，計(jì)算出湍流耗散率ε，用以表征不同高度大氣湍流運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)弱，并利用此方法對(duì)滿洲里機(jī)場(chǎng)低空的大氣湍流時(shí)空變化特征進(jìn)行了研究，主要得到以下結(jié)論：

1)滿洲里機(jī)場(chǎng)上空大氣湍流耗散率ε的變化范圍在10-7～100m2/s3，其結(jié)果與激光雷達(dá)數(shù)據(jù)、機(jī)載QAR數(shù)據(jù)相符，證明了基于風(fēng)廓線雷達(dá)的湍流耗散率計(jì)算方法的可靠性；

2)湍流耗散率ε具有較為明顯的時(shí)空分布特征，在空間上隨著高度的增加整體呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，在時(shí)間上低空區(qū)域ε白天較大，夜晚減小，如出現(xiàn)局部的大風(fēng)區(qū)域，會(huì)導(dǎo)致區(qū)域湍流耗散率ε增加；

3)風(fēng)廓線計(jì)算得到的湍流耗散率ε與機(jī)載QAR記錄的數(shù)據(jù)結(jié)果一致性較好，可以用作機(jī)場(chǎng)湍流預(yù)警的參考標(biāo)準(zhǔn)。