基于1.55 μm激光雷達(dá)的晴空風(fēng)切變結(jié)構(gòu)研究

白寒冰,陳 誠,林 彤

(1.中國民用航空西北地區(qū)空中交通管理局寧夏分局,寧夏 銀川 750004;2.中國民用航空華東地區(qū)空中交通管理局福建分局,福建 福州 350000;3.寧夏防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室,寧夏 銀川 750002)

1 引 言

民用航空規(guī)范中的低空風(fēng)切變是指跑道及周邊區(qū)域600 m高度以下風(fēng)向或風(fēng)速突然變化的現(xiàn)象。低空風(fēng)切變尺度小、變化快、難于探測,被航空界稱為“隱形殺手”[1-2]。20世紀(jì)70年代,Fujita[3]指出雷暴強(qiáng)烈下沉氣流造成的低空風(fēng)切變是導(dǎo)致飛機(jī)失事的直接原因。傳統(tǒng)測風(fēng)設(shè)備在低空風(fēng)切變探測方面存在局限性[2,4],例如地表風(fēng)速計只能單點探測水平風(fēng)切變;多普勒天氣雷達(dá)無法探測晴空條件下的風(fēng)切變;風(fēng)廓線雷達(dá)無法進(jìn)行全方位掃描,因此無法提前預(yù)警低空風(fēng)切變。以往研究利用傳統(tǒng)探測設(shè)備對典型風(fēng)切變個例進(jìn)行詳細(xì)剖析[5-6];也有部分研究關(guān)注長時間段內(nèi)風(fēng)切變的統(tǒng)計特征及規(guī)律[7-8],但受限于設(shè)備探測能力,涉及風(fēng)切變結(jié)構(gòu)的研究尚且較少,亟需進(jìn)行研究。

激光頻段的雷達(dá)近年來逐漸被用于低空風(fēng)場與風(fēng)切變探測[2,9-11]。激光測風(fēng)雷達(dá)具有探測分辨率高、測速精準(zhǔn)、數(shù)據(jù)實時性好等優(yōu)點。胡楊[12]等對1.55 μm全光纖相干多普勒激光測風(fēng)雷達(dá)的測速性能進(jìn)行測試,仿真與實際實驗均表明激光雷達(dá)測量結(jié)果具有穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。范琪等[13-14]以及馮力天等[15]的研究指出,在地理氣候條件復(fù)雜的高原機(jī)場進(jìn)行測試,不同天氣條件下,全光纖相干激光測風(fēng)雷達(dá)對低空風(fēng)場與風(fēng)切變的探測能力較優(yōu)。以往有學(xué)者利用激光測風(fēng)雷達(dá)對機(jī)場的典型風(fēng)切變過程進(jìn)行分析[16-17],但激光測風(fēng)雷達(dá)在國內(nèi)民航機(jī)場的應(yīng)用仍處在起步階段,利用1.55 μm激光雷達(dá)研究低空風(fēng)切變結(jié)構(gòu)還需要更多工作。

寧夏北部春季受高空急流影響,配合冷空氣南下,常出現(xiàn)大風(fēng)沙塵及低空風(fēng)切變天氣[18-19]。銀川機(jī)場屬于西部高原機(jī)場,獨特的地形地貌使機(jī)場具有晴空風(fēng)切變多發(fā)的特征。目前使用激光雷達(dá)探測晴空風(fēng)切變是較為理想的辦法,可彌補(bǔ)傳統(tǒng)風(fēng)場探測設(shè)備的不足[13,20]。本研究的特點在于利用激光測風(fēng)雷達(dá)可多角度探測風(fēng)場信息的優(yōu)點,研究典型高原機(jī)場晴空條件下的風(fēng)切變結(jié)構(gòu)以及風(fēng)切變過程中的三維風(fēng)場變化,這對晴空風(fēng)切變研究有意義,同時也可為其他尚未配備激光測風(fēng)雷達(dá)的高原機(jī)場或其他有需要的單位提供參考。因此本文對銀川機(jī)場2022年2月13日一次典型晴空低空風(fēng)切變過程進(jìn)行研究,利用1.55 μm激光測風(fēng)雷達(dá)數(shù)據(jù)分析此次低空風(fēng)切變的結(jié)構(gòu)和演變特征。

2 實驗原理

2.1 天氣形勢

利用美國國家大氣研究中心NCAR/NCEP再分析資料(1°×1°分辨率)分析風(fēng)切變發(fā)生當(dāng)日天氣背景。如圖1為2022年2月13日14時(北京時間,下同)各層氣象要素場(圖中星號表示銀川機(jī)場位置)。300 hPa上高空急流位于30°N附近(圖1(a)),河套地區(qū)位于急流左側(cè)輻合區(qū),500 hPa上河套北部處于急流最大風(fēng)速中心(圖1(b)),850hPa上河套地區(qū)有明顯冷平流活動(圖1(c)),海平面氣壓場上(圖1(d))我國華北至西北地區(qū)受帶狀冷高壓控制。綜合各層要素場結(jié)果可知,當(dāng)日午后天氣形勢有利于下沉運動及動量下傳風(fēng)發(fā)展,河西至河套地區(qū)白天地面風(fēng)速有增大的趨勢。

圖1 2022年2月13日14時各層氣象要素場

2.2 自動觀測系統(tǒng)風(fēng)場變化

如圖2為風(fēng)切變發(fā)生前后03#與21#跑道地面觀測系統(tǒng)所測得的風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)結(jié)果。柱狀圖表示風(fēng)向,圖中兩條虛線參考線與中線將Y軸分為四個區(qū)域,風(fēng)向度數(shù)范圍分別代表西北(NW)、西南(SW)、東南(SE)、東北(NE)。折線圖則代表風(fēng)速,圓圈與圓圈之間連接實線表示風(fēng)速突然增大的時刻及增大幅度。機(jī)場21#跑道的自動觀測系統(tǒng)設(shè)備位于跑道北端,15∶48此處風(fēng)向由西南風(fēng)快速轉(zhuǎn)為東北風(fēng),風(fēng)速增幅約8 m/s(圖2(a))。而03#跑道風(fēng)向轉(zhuǎn)變的時間在16∶00,比21#跑道晚12 min,且風(fēng)速增幅較小(圖2(b))。

圖2 2022年2月13日15:20～16:30跑道自動觀測系統(tǒng)風(fēng)數(shù)據(jù)時間序列

機(jī)場預(yù)報業(yè)務(wù)中常利用自動觀測系統(tǒng)實時風(fēng)場數(shù)據(jù)發(fā)布風(fēng)切變預(yù)警,預(yù)報員發(fā)現(xiàn)跑道兩端風(fēng)向風(fēng)速差異過大或出現(xiàn)對頭風(fēng)時,判斷可能存在低空風(fēng)切變進(jìn)而發(fā)布預(yù)警。本次風(fēng)切變過程的預(yù)警發(fā)布時間為15∶50,此時跑道北端風(fēng)向已經(jīng)轉(zhuǎn)變(圖2(a)),跑道兩端存在對頭風(fēng)現(xiàn)象。自動觀測系統(tǒng)實時風(fēng)數(shù)據(jù)對風(fēng)切變進(jìn)行預(yù)警的提前量很少,往往是在風(fēng)切變已經(jīng)發(fā)生之后才發(fā)布預(yù)警,不利于航空飛行安全。因此業(yè)務(wù)中需要配合激光測風(fēng)雷達(dá)對低空風(fēng)切變過程進(jìn)行監(jiān)測,提前預(yù)警發(fā)布時間。

3 實驗過程

銀川機(jī)場位于銀川平原東南(圖3),毗鄰黃河與戈壁,周邊地形特殊。機(jī)場跑道全長3.2 km,為東北(21#)-西南(03#)走向,測風(fēng)設(shè)備包括三套自動觀測系統(tǒng)和一部三維激光測風(fēng)雷達(dá)。該雷達(dá)是一部多普勒脈沖相干體制及全光纖結(jié)構(gòu)的激光雷達(dá),雷達(dá)工作波長為1550 nm,距離、高度分辨率為100 m(可調(diào)整),探測數(shù)據(jù)包括徑向速度、水平風(fēng)向風(fēng)速、垂直風(fēng)向風(fēng)速、信噪比、風(fēng)切變強(qiáng)度和頻譜強(qiáng)度等,具體參數(shù)可見表1。激光測風(fēng)雷達(dá)具有風(fēng)廓線探測模式、掃描探測模式(含RHI、PPI探測模式)、綜合掃描模式和飛機(jī)起降通道等不同的掃描模式。風(fēng)廓線掃描模式、PPI模式和飛機(jī)起降通道模式具備風(fēng)切變監(jiān)測、預(yù)警功能,可對嚴(yán)重危害飛機(jī)起降的風(fēng)切變進(jìn)行預(yù)警。為了實現(xiàn)風(fēng)場的三維探測,銀川機(jī)場激光測風(fēng)雷達(dá)采用多種掃描模式混合運行,混合運行包括1次多普勒波束擺動(DBS)掃描、1次4°的平面位置顯示(PPI)掃描、1次6°的PPI掃描、1次-10°～190°的距離高度顯示(RHI)掃描(沿跑道兩端方向)、1次03#起降通道(GP)掃描和1次21#起降通道(GP)掃描。激光測風(fēng)雷達(dá)在銀川機(jī)場連續(xù)運行并探測到此次晴空風(fēng)切變發(fā)生時段的風(fēng)場信息,本文將利用激光測風(fēng)雷達(dá)風(fēng)場數(shù)據(jù)對此次晴空風(fēng)切變的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

表1 激光測風(fēng)雷達(dá)主要性能參數(shù)

圖3 銀川機(jī)場地理環(huán)境及激光雷達(dá)位置

4 基于激光測風(fēng)雷達(dá)的風(fēng)切變結(jié)構(gòu)分析

4.1 風(fēng)切變的垂直結(jié)構(gòu)特征

激光測風(fēng)雷達(dá)采用四波來實現(xiàn)波束擺動掃描,并反演計算大氣風(fēng)廓線。多普勒波束擺動(DBS)掃描模式獲取的風(fēng)廓線數(shù)據(jù)可用于分析風(fēng)場的垂直結(jié)構(gòu)。圖4為2022年2月13日15∶29∶52～16∶03∶19 DBS模式風(fēng)廓線結(jié)果。15∶29雷達(dá)上空1500 m以上為較強(qiáng)偏北風(fēng),以下逐漸轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)至西南風(fēng)。15∶30～15∶49期間偏北風(fēng)高度隨時間下降,由1500 m逐漸下降至700 m,垂直速度結(jié)果中代表下沉運動的負(fù)速度同樣有下沉的特征,該現(xiàn)象表明大氣出現(xiàn)動量下傳現(xiàn)象。偏北風(fēng)在15∶49～15∶56下降至地面,1000 m以下轉(zhuǎn)為北風(fēng)控制,而1000～1500 m高度層(黑色虛線橢圓)出現(xiàn)西南風(fēng),結(jié)合同一時刻垂直速度,該高度層附近有較強(qiáng)上升運動,可知該現(xiàn)象對應(yīng)偏北風(fēng)引導(dǎo)冷空氣接地后,導(dǎo)致暖空氣被迫抬升,從而形成局地上升運動。之后地面風(fēng)速增大,16∶03出現(xiàn)了超過12 m/s的陣風(fēng)。

圖4 2022年2月13日15:29:52～16:03:19激光測風(fēng)雷達(dá)DBS模式水平風(fēng)及垂直風(fēng)(單位:m/s)

激光測風(fēng)雷達(dá)的距離高度顯示(RHI)掃描,指雷達(dá)以某一固定方位角做俯仰切片式掃描的探測方式,可提供剖面徑向速度信息,方便了解風(fēng)場內(nèi)部結(jié)構(gòu)。如圖5為風(fēng)切變影響機(jī)場前后六個時刻的RHI掃描結(jié)果。以雷達(dá)為中心,左側(cè)為03#跑道,右側(cè)為21#跑道。15∶28時(圖5(a))1000 m以下雷達(dá)左側(cè)為負(fù)速度,右側(cè)為正速度,而1000 m以上徑向速度方向相反,表明此高度上下存在水平風(fēng)垂直切變現(xiàn)象(黑色虛線)。15∶35(圖5(b))雷達(dá)右側(cè)4～8 km處有負(fù)速度從高空連接至地面,破壞了分層結(jié)構(gòu),表明此處出現(xiàn)偏北氣流下沉,與之相持的是環(huán)境場偏南氣流,二者形成的水平風(fēng)切變位于雷達(dá)右側(cè)3 km處,其垂直高度約1000 m。15∶48(圖5(c))偏北風(fēng)引導(dǎo)冷空氣呈楔形從近地層嵌入(左向空心箭頭),導(dǎo)致前方暖空氣抬升(右向空心箭頭)。至15∶55(圖5(d))雷達(dá)左右均為負(fù)速度,水平風(fēng)切變已經(jīng)移動到雷達(dá)附近,此時跑道兩端出現(xiàn)南北對頭風(fēng),其中偏北風(fēng)風(fēng)速較大。值得注意的是此時雷達(dá)上空有正速度中心,對應(yīng)冷空氣前端被迫抬升的暖空氣,這一現(xiàn)象與DBS掃描模式結(jié)果中15∶56的強(qiáng)上升運動吻合。16∶02(圖5(e))水平風(fēng)切變移過雷達(dá)至左側(cè)2 km處,隨后的16∶15(圖5(f))RHI掃描范圍內(nèi)約700 m以下為較強(qiáng)偏北風(fēng),以上為偏南風(fēng),與15∶28時的風(fēng)場結(jié)構(gòu)幾乎相反,水平風(fēng)垂直切變也更強(qiáng),風(fēng)場完成了一次南風(fēng)到北風(fēng)的轉(zhuǎn)換。此外,15∶35時發(fā)現(xiàn)負(fù)速度接地時預(yù)報員可以判斷機(jī)場即將出現(xiàn)低空風(fēng)切變。

圖5 激光測風(fēng)雷達(dá)RHI模式不同時刻徑向速度(單位:m/s)

4.2 風(fēng)切變的水平結(jié)構(gòu)特征

激光雷達(dá)平面位置顯示(PPI)掃描,指雷達(dá)以某一固定仰角做全方位掃描的探測方式,其掃描獲取的數(shù)據(jù)實際上是在該仰角所對應(yīng)錐面上的風(fēng)場及徑向速度信息,可通過PPI產(chǎn)品來分析機(jī)場上空及周邊風(fēng)切變的水平結(jié)構(gòu)。如圖6為風(fēng)切變影響機(jī)場前后六個時刻的6°仰角PPI徑向速度和水平風(fēng)場。15∶34(圖6(a))機(jī)場跑道上為西南風(fēng),在雷達(dá)東北方向4～6 km處可觀察到負(fù)徑向速度區(qū)域(黑色虛線橢圓),表明此處出現(xiàn)逆風(fēng)區(qū),與RHI模式15∶35的結(jié)果對應(yīng)。15∶47時(圖6(b))上述逆風(fēng)區(qū)加強(qiáng)并向西南方向移動,逆風(fēng)區(qū)內(nèi)水平風(fēng)場出現(xiàn)東北風(fēng)。至15∶54(圖6(c))逆風(fēng)區(qū)前沿移動至跑道北端,呈現(xiàn)出大風(fēng)區(qū)特有的弓形,其后部出現(xiàn)超過20 m/s的強(qiáng)風(fēng),此時雷達(dá)兩側(cè)均為負(fù)徑向速度,東北風(fēng)與西南風(fēng)對峙導(dǎo)致跑道上出現(xiàn)強(qiáng)烈水平風(fēng)切變(黑色虛線),這一現(xiàn)象在RHI(圖5(d))以及自動觀測系統(tǒng)風(fēng)數(shù)據(jù)(圖3)結(jié)果中可得到印證。16∶00(圖6(d))風(fēng)切變經(jīng)過雷達(dá)移動至跑道南端,探測范圍內(nèi)由東北向西南呈現(xiàn)出徑向速度“負(fù)-正-負(fù)”分布,水平風(fēng)場也可清晰觀察到風(fēng)的輻合(黑色虛線)。之后兩個時刻輻合線向西南方向移出跑道區(qū)域,機(jī)場跑道整體轉(zhuǎn)為東北風(fēng),此次風(fēng)切變過程結(jié)束。

5 結(jié) 論

本文利用1.55 μm激光測風(fēng)雷達(dá)混合掃描模式數(shù)據(jù)對2022年2月13日影響銀川機(jī)場的晴空風(fēng)切變過程進(jìn)行研究,主要得到以下結(jié)論。

(1)風(fēng)切變發(fā)生當(dāng)日河套地區(qū)天氣形勢有利于動量下傳大風(fēng)發(fā)展。機(jī)場自動觀測系統(tǒng)風(fēng)數(shù)據(jù)表明15∶48時跑道北端風(fēng)向由西南轉(zhuǎn)為東北,風(fēng)速增大,而跑道南端風(fēng)向轉(zhuǎn)換時間為16∶00。

(2)激光雷達(dá)混合掃描模式可探測出風(fēng)切變的結(jié)構(gòu)與演變特征。DBS模式反映出風(fēng)切變發(fā)生前雷達(dá)上空存在動量下傳現(xiàn)象,高空偏北大風(fēng)隨時間向下傳播,偏北風(fēng)與低層偏南風(fēng)之間所形成的水平風(fēng)垂直切變同樣下傳。RHI模式可反映出晴空風(fēng)切變的位置、高度和垂直結(jié)構(gòu)。15∶35時雷達(dá)東北方向的大風(fēng)區(qū)呈楔形嵌入近地層,與環(huán)境場西南風(fēng)之間形成水平風(fēng)切變,切變垂直高度自地面向上可延伸至1000 m左右。PPI模式可反映出風(fēng)切變的水平結(jié)構(gòu)和演變特征。負(fù)徑向速度代表的逆風(fēng)區(qū)首先出現(xiàn)于雷達(dá)東北方向4～6 km處,之后逐漸南移加強(qiáng)。水平風(fēng)場中可清楚觀測到15∶54時東北風(fēng)與西南風(fēng)形成切變線,向西南方向推進(jìn)并影響機(jī)場。

(3)利用激光測風(fēng)雷達(dá)混合掃描模式,預(yù)報員可在15∶36判斷機(jī)場即將出現(xiàn)低空風(fēng)切變并發(fā)布預(yù)警,比實際預(yù)警時間提前15 min,這對于風(fēng)切變天氣中的航空安全保障有實際意義。