明 虎，阮 征，王敏仲，盧禹茜

(1.中國民用航空西北地區(qū)空中交通管理局氣象中心， 西安710082)

(2.中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點實驗室， 北京100081)

(3.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所， 烏魯木齊830002)

0 引言

風(fēng)切變是影響航空器飛行的非常危險的天氣現(xiàn)象。當(dāng)跑道附近存在風(fēng)切變時［1］，飛機(jī)從小的順風(fēng)進(jìn)入大的順風(fēng)區(qū)域，或從大的逆風(fēng)進(jìn)入小的逆風(fēng)或順風(fēng)區(qū)域時，速度就會減小，升力就會下降，飛機(jī)下沉導(dǎo)致其無法正常起飛或提前降落，危及飛行安全;當(dāng)飛機(jī)進(jìn)入另外一種風(fēng)切變，即風(fēng)速垂直切變的強(qiáng)烈下沉氣流時，由于強(qiáng)度很大，甚至可能把飛機(jī)直接“砸”到地面，引發(fā)嚴(yán)重的飛行事故。對風(fēng)切變和空間風(fēng)場的有效探測既可以保證飛行安全，又可以達(dá)到節(jié)省經(jīng)營成本，提高飛行效率。

風(fēng)廓線雷達(dá)是利用大氣湍流對電磁波的散射作用探測大氣風(fēng)場的一種遙感設(shè)備，它可以在時間上不間斷的獲取垂直空間的風(fēng)場分布，利用這些數(shù)據(jù)可以有效地探測到風(fēng)切變。我國在20世紀(jì)中期就開始進(jìn)行了風(fēng)廓線雷達(dá)在民航機(jī)場的試驗研究。到目前為止，中國已經(jīng)有20部左右風(fēng)廓線雷達(dá)應(yīng)用于實際業(yè)務(wù)。風(fēng)廓線雷達(dá)正逐漸成為探測機(jī)場風(fēng)切變和大風(fēng)的有效探測工具。

本文根據(jù)民航機(jī)場的需求對選擇的風(fēng)廓線雷達(dá)參數(shù)指標(biāo)及其在機(jī)場安裝位置進(jìn)行系統(tǒng)地分析。

1 風(fēng)廓線雷達(dá)的有效探測高度

1.1 風(fēng)廓線雷達(dá)最小探測高度

影響風(fēng)廓線雷達(dá)最小探測高度的主要因素是雷達(dá)脈沖寬度和相控陣?yán)走_(dá)［3］的天線口徑。

(1)脈沖寬度決定了雷達(dá)天線接收電磁波往返的最低高度。假定脈沖寬度為τ，由于雷達(dá)天線接收回波信號的最短時間間隔為τ，則電磁波回波的最低高度Hmin1為

式中:c為電磁波傳播速度。當(dāng)?shù)陀贖min1時為雷達(dá)的探測盲區(qū)。

(2)對于相控陣風(fēng)廓線雷達(dá)，平面天線陣列的電磁波輻射合成平面波需要一定的空間距離。最低探測高度不能低于此距離。假定天線的口徑為D，雷達(dá)波長為λ，則電磁波合成平面波的最低高度Hmin2［4］近似地可表示為

風(fēng)廓線雷達(dá)最終的最低探測高度要以兩個因素最大值為準(zhǔn)。

1.2 風(fēng)廓線雷達(dá)最大探測高度

風(fēng)廓線雷達(dá)最大探測高度主要由脈沖重復(fù)周期、雷達(dá)自身的設(shè)計參數(shù)和大氣湍流對電磁波的散射能力決定。

(1)風(fēng)廓線雷達(dá)探測高度與脈沖重復(fù)周期(PRT)的關(guān)系

梁偉江等[14]采用半楓荷的提取物，用SD大鼠開展持續(xù)力竭游泳血瘀試驗，發(fā)現(xiàn)不同極性半楓荷提取物均能改善大鼠的血瘀狀態(tài)、液流變學(xué)及凝血相關(guān)指標(biāo)，其中以水部位的作用最強(qiáng)，且水部位的作用表現(xiàn)出明顯的量效關(guān)系，因此認(rèn)為半楓荷的提取物(水部位)具有顯著的活血化瘀的功能。但半楓荷活血化瘀的具體作用機(jī)制及其有效成分尚不清楚，有待進(jìn)一步的研究。

在不考慮雷達(dá)自身參數(shù)和大氣湍流對探測高度的影響的情況下，風(fēng)廓線雷達(dá)的最大探測高度Hmax決定于脈沖重復(fù)周期，利用公式表示為

式中c為電磁波傳播速度;TP為脈沖重復(fù)周期。

(2)風(fēng)廓線雷達(dá)參數(shù)和大氣湍流對探測高度的影響

在風(fēng)廓線雷達(dá)實際設(shè)計和探測時，雷達(dá)自身參數(shù)和大氣湍流對電磁波的散射能力是影響風(fēng)廓線雷達(dá)最大有效探測高度的主要因素。通常用大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)［5］(C2n)表示大氣湍流運(yùn)動對電磁波后向散射能力。當(dāng)雷達(dá)波處于湍流慣性子區(qū)時，文獻(xiàn)［6］給出了散射截面(η)與大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)的關(guān)系

在式(6)中得到風(fēng)廓線雷達(dá)實際的最大有效探測高度與發(fā)射功率Pt、天線增益G、脈沖寬度τ、饋線損耗L、雷達(dá)波長λ和大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)成正比，與風(fēng)廓線雷達(dá)的信號處理系統(tǒng)能夠提取的最小有效回波功率Pr成反比;Pr由雷達(dá)接收機(jī)能提取有用信號的最小信噪比決定。

2 機(jī)場風(fēng)廓線雷達(dá)參數(shù)選擇分析

風(fēng)切變是機(jī)場風(fēng)廓線雷達(dá)的主要探測對象，本文統(tǒng)計西北地區(qū)西安咸陽國際機(jī)場、蘭州中川機(jī)場、西寧曹家堡機(jī)場和銀川河?xùn)|機(jī)場在2011年和2013年發(fā)生的64次影響航空器飛行的風(fēng)切變高度和時間分布，如圖1所示。

圖1 西北地區(qū)四大機(jī)場發(fā)生風(fēng)切變分布圖

在圖1a)中可以看出，發(fā)生風(fēng)切變的最大高度小于3 000 m，在高度小于100 m時發(fā)生風(fēng)切變的比例為32.8%，在高度小于500 m發(fā)生的比例為81.3%，在高度大于500 m發(fā)生的比例才為18.7%。因此，在機(jī)場及其周邊影響航空器飛行的風(fēng)切變主要集中在低空500 m以下，并且在低于100 m發(fā)生風(fēng)切變的次數(shù)更加密集，而風(fēng)切變發(fā)生的最大高度要小于3 000 m。在圖1b)中可以看出，在4、5、6、7和8月份(春夏季節(jié))發(fā)生風(fēng)切變頻率比較多，而在11、12和1月份(冬季)發(fā)生的頻率比較低。因此，民航機(jī)場對風(fēng)廓線雷達(dá)有效探測低空風(fēng)場的要求更高，在風(fēng)廓線雷達(dá)參數(shù)選擇時更多考慮對低層風(fēng)探測的有效性，而在最大探測高度只要大于或等于3 000 m即可，選擇邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)最好。

2.1 天線口徑的選擇分析

由于風(fēng)廓線雷達(dá)的最低有效探測高度由脈沖寬度和相控陣天線口徑?jīng)Q定，風(fēng)廓線雷達(dá)一般都采用全固態(tài)發(fā)射機(jī)，可以工作在比較窄的脈沖寬度，最小探測盲區(qū)可以降低到30 m，所以天線口徑的選擇是機(jī)場選擇風(fēng)廓線雷達(dá)對低層風(fēng)探測效果的主要考慮因素。現(xiàn)在風(fēng)廓線雷達(dá)天線口徑主要設(shè)計在1.8 m～6.0 m，假定風(fēng)廓線雷達(dá)波長λ=0.234 m，則相控陣?yán)走_(dá)天線波束形成的最低高度如圖2所示。

圖2 不同天線口徑的最小波束形成高度曲線

機(jī)坪內(nèi)或者機(jī)場周邊可以利用不同高度的測風(fēng)傳感器實現(xiàn)對50 m以下風(fēng)的測量，則機(jī)場風(fēng)廓線雷達(dá)的最低探測高度應(yīng)該低于50 m。結(jié)合圖2，當(dāng)天線口徑在1.8 m～2.4 m之間可以滿足要求。

由式(6)可知，風(fēng)廓線雷達(dá)探測的最大有效高度與天線增益G成正比，相控陣的天線增益可以表示為

在式(8)中得到天線口徑D的大小與風(fēng)廓線雷達(dá)的最大探測高度成正比，由于滿足最低探測高度小于50 m的相控陣天線口徑在1.8 m～2.4 m，根據(jù)民航對低層風(fēng)的應(yīng)用需求天線口徑的最佳選擇為2.4 m。

2.2 機(jī)場溫濕度對風(fēng)廓線雷達(dá)探測高度影響

根據(jù)機(jī)場利用風(fēng)廓線雷達(dá)對風(fēng)切變探測的需求，測風(fēng)的高度應(yīng)該大于3 000 m，在式(6)中可以看出大氣折射率常數(shù)是影響最大探測高度的一個重要因素。當(dāng)忽略自由電荷的中性大氣［8］，根據(jù)柯爾莫哥洛夫在局地均勻各向同性湍流場的假設(shè)，在湍流慣性副區(qū)尺度范圍內(nèi)，大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)可以表示為

以西安咸陽國際機(jī)場為例分析溫度和濕度的變化對風(fēng)廓線雷達(dá)最大探測高度的影響。西安咸陽國際機(jī)場的風(fēng)廓線雷達(dá)是CFL-03邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)，發(fā)射功率為2 kW，脈沖頻率為1 290 MHz，天線口徑為3.6 m，脈沖寬度為0.4 μs。統(tǒng)計2012年風(fēng)廓線雷達(dá)的每個月的實際探測高度平均值、高度300 m的大氣折射率常數(shù)和機(jī)場自動觀測站測得的每月的溫度和相對濕度的變化曲線如圖3所示。

圖3 西安咸陽國際機(jī)場風(fēng)廓線雷達(dá)所測參數(shù)變化圖

在圖3中可以得到風(fēng)廓線雷達(dá)實際的探測高度、大氣折射率常數(shù)和溫度、濕度的變化趨勢基本一致，在冬季1月、2月和12月溫度和濕度的值都比較小，大氣折射率常數(shù)在10-17的量級，風(fēng)廓線雷達(dá)的實際探測高度小于2 500 m;到了春季3月、4月和5月溫度和濕度都逐漸增大，大氣折射率常數(shù)在10-16量級，風(fēng)廓線雷達(dá)的實際探測高度大于2 500 m而小于3 000 m;到了夏季和初秋季節(jié)(6月、7月、8月、9月)溫度和濕度都達(dá)到非常大的值，大氣折射率常數(shù)也變得很大，特別在9月份濕度達(dá)到最大值，大氣折射率常數(shù)達(dá)到最大值在10-15的量級，風(fēng)廓線雷達(dá)實際探測高度超過了4 000 m;到了10月和11月溫度和濕度又開始下降，大氣折射率常數(shù)又逐漸降到10-17的量級，風(fēng)廓線雷達(dá)的實際探測高度又降到了3000 m以下。

圖4a)是在濕度為55% ～58%時，風(fēng)廓線雷達(dá)實際探測的有效高度隨溫度的變化曲線，圖4b)是在溫度為20℃ ～23℃時，風(fēng)廓線雷達(dá)實際探測的有效高度隨濕度的變化曲線。在圖4中可以得到，風(fēng)廓線雷達(dá)的有效探測高度隨溫度和濕度的增大而增大，在圖4a)中當(dāng)溫度小于5℃時，風(fēng)廓線雷達(dá)有效探測高度變化比較小，并且都在2 000 m左右，當(dāng)溫度大于25℃時有效的探測高度達(dá)到了3 000 m左右;在圖4b)中當(dāng)濕度小于45%時，風(fēng)廓線雷達(dá)的探測高度在2 000 m左右，而當(dāng)濕度達(dá)到80%以上時，風(fēng)廓線雷達(dá)的探測高度大于4 000 m。在圖4b)中風(fēng)廓線雷達(dá)的有效探測高度隨濕度的變化范圍2 000 m～5 000 m要大于圖4a)中隨溫度的變化范圍2 000 m～3 000 m，并且變化梯度更大。

圖4 風(fēng)廓線雷達(dá)隨溫度和濕度變化的有效探測高度曲線

2.3 發(fā)射功率的選擇

發(fā)射功率是影響風(fēng)廓線雷達(dá)有效探測高度的重要參數(shù)之一，在式(6)可以得到發(fā)射功率和有效探測高度成正比。根據(jù)不同的機(jī)場氣候特點選擇不同的發(fā)射功率可以有效的改善由于大氣折射率常數(shù)不穩(wěn)定對探測高度造成的起伏。當(dāng)機(jī)場的溫度和濕度全年都比較穩(wěn)定并且值比較大時，可以選擇偏小的發(fā)射功率，這樣不但可以保證風(fēng)廓線雷達(dá)有效探測高度，而且可以減小了對設(shè)備的硬件的要求;當(dāng)機(jī)場的溫度和濕度隨季節(jié)變化起伏比較大(特別是在某個季節(jié)濕度太小)或者機(jī)場的溫度和濕度全年溫濕度都比較小時，要選擇偏大的發(fā)射功率以確保風(fēng)廓線雷達(dá)滿足機(jī)場的探高要求。

3 風(fēng)廓線雷達(dá)在民航機(jī)場安裝位置的分析

風(fēng)廓線雷達(dá)在機(jī)場安裝位置的選擇是民航氣象預(yù)報員利用雷達(dá)探測數(shù)據(jù)向外提供良好天氣服務(wù)的基礎(chǔ)。安裝位置的選擇主要考慮凈空、地理位置和風(fēng)廓線雷達(dá)的有效探測高度。安裝位置對凈空的要求必須滿足在探空區(qū)間沒有遮擋物、周圍有沒有強(qiáng)電磁波和高大建筑物的影響。根據(jù)《民用航空氣象探測環(huán)境管理辦法》規(guī)定:風(fēng)廓線雷達(dá)四周的障礙物對探測系統(tǒng)天線形成的遮蔽仰角應(yīng)小于30°。安裝位置對地形位置的要求盡量遠(yuǎn)離高大建筑物、大樹、山坡等遮蔽物，盡可能遠(yuǎn)離強(qiáng)電場、磁場物體。風(fēng)廓線雷達(dá)的安裝位置一定要考慮風(fēng)廓線雷達(dá)的有效探測高度:當(dāng)航空器(起飛或者降落時)路經(jīng)風(fēng)廓線雷達(dá)的探測區(qū)域時，航空器到天線平面的垂直高度應(yīng)該大于風(fēng)廓線雷達(dá)的最小有效探測高度。

4 結(jié)束語

本文系統(tǒng)地分析了根據(jù)機(jī)場的需求選擇的風(fēng)廓線雷達(dá)參數(shù)和風(fēng)廓線雷達(dá)在機(jī)場安裝時主要考慮的因素。(1)根據(jù)民航氣象對低空風(fēng)切變的探測需求，風(fēng)廓線雷達(dá)天線的直徑選擇2.4 m最好，既保證了探測低空風(fēng)數(shù)據(jù)的有效性又使天線增益也比較大。(2)由于大氣折射率常數(shù)與溫度和濕度具有正相關(guān)性，在選擇風(fēng)廓線雷達(dá)發(fā)射功率一定要考慮當(dāng)?shù)貦C(jī)場的溫度和濕度的變化特點，以保證風(fēng)廓線雷達(dá)實際的探測高度滿足機(jī)場對風(fēng)切變的最高探空需求。(3)在機(jī)場選擇風(fēng)廓線雷達(dá)安裝位置時也要考慮風(fēng)廓線雷達(dá)的有效探測高度。

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