客　慧

(民航甘肅空管分局氣象臺　蘭州　730000)

蘭州中川機(jī)場低空風(fēng)切變告警系統(tǒng)構(gòu)建的探討

客慧

(民航甘肅空管分局氣象臺蘭州730000)

摘要隨著西北地區(qū)航班量的快速增加，飛機(jī)遭遇低空風(fēng)切變事件也越來越多，對飛行造成的影響也日益嚴(yán)重。文中通過對蘭州中川機(jī)場低空風(fēng)切變預(yù)警能力現(xiàn)狀的分析，提出低空風(fēng)切變告警系統(tǒng)的建設(shè)方案，通過增加風(fēng)場探測手段，增強(qiáng)氣象設(shè)施設(shè)備的探測和預(yù)警能力，建設(shè)民航氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)的立體探測網(wǎng)，全方位地應(yīng)對低空風(fēng)切變。

關(guān)鍵詞中川機(jī)場低空風(fēng)切變告警系統(tǒng)

低空風(fēng)切變是發(fā)生在600 m以下風(fēng)向風(fēng)速突然改變的一種大氣現(xiàn)象。低空風(fēng)切變會使進(jìn)場著陸或起飛爬升階段的航空器的飛行姿態(tài)和空速等參數(shù)突然發(fā)生劇烈變化，從而失去穩(wěn)定性和操縱性，一旦駕駛員判斷失誤或處置不當(dāng)就會產(chǎn)生嚴(yán)重后果。世界上曾發(fā)生多起機(jī)毀人亡的事故。1985年8月2日18時，美國Delta航空公司一架L-1011飛機(jī)在達(dá)拉斯沃思堡機(jī)場遭遇風(fēng)切變墜毀，135人死亡，23人受傷。1999年在香港赤臘角機(jī)場，華航CI642航班失事，就是因為風(fēng)切變導(dǎo)致飛機(jī)落地時產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)而失事。所以低空風(fēng)切變是飛機(jī)的“隱形殺手”。

蘭州中川機(jī)場地處隴中黃土高原地區(qū)，秦王川盆地之中，其周圍特殊的地形和氣候造成了機(jī)場周圍的風(fēng)具有明顯的地域性。隨著蘭州中川機(jī)場航空業(yè)務(wù)量逐年快速增長，飛行器受氣象因素的影響也逐顯突出。2004年機(jī)場自動觀測系統(tǒng)啟用后，多次觀測到跑道兩端的風(fēng)向風(fēng)速不同，而且大風(fēng)日數(shù)明顯增多。特別是自2010年開始，進(jìn)出機(jī)場的航班遭遇低空風(fēng)場變化的次數(shù)逐年增多，低空風(fēng)場變化成為威脅飛行器起降安全的不容忽視的重要因素。由于低空風(fēng)切變嚴(yán)重威脅著航空運行安全，且低空風(fēng)切變探測困難，天氣雷達(dá)很難掃描到，機(jī)場現(xiàn)有氣象設(shè)備為常規(guī)氣象探測設(shè)備，不能對低空風(fēng)場變化進(jìn)行探測與預(yù)警，因此給預(yù)報風(fēng)切變帶來了很大的困難，需要更先進(jìn)的探測手段提高氣象預(yù)報預(yù)警能力。

低空風(fēng)切變告警系統(tǒng)(LLWAS)能夠探測到機(jī)場飛行區(qū)的水平風(fēng)和垂直風(fēng)的風(fēng)速風(fēng)向，為預(yù)報員對風(fēng)切變預(yù)報、預(yù)警提供更多的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。考慮分局氣象部門的實際需求，在蘭州中川機(jī)場建立1套有效的針對低空風(fēng)切變的告警系統(tǒng)迫在眉睫。

1蘭州中川機(jī)場低空風(fēng)切變預(yù)警能力現(xiàn)狀分析

中川機(jī)場從2004年開始記錄低空風(fēng)切變以來，截止到2015年6月，累計報告低空風(fēng)切變110次。僅2015年1～6月，累計報告低空風(fēng)切變24次。以下從低空風(fēng)切變成因、預(yù)報預(yù)警能力和機(jī)場探測設(shè)備現(xiàn)狀3個方面對中川機(jī)場低空風(fēng)切變預(yù)警能力的現(xiàn)狀進(jìn)行分析。

1.1　中川機(jī)場低空風(fēng)切變天氣成因

中川機(jī)場低空風(fēng)切變的成因從氣象學(xué)的角度來說，可分為對流性天氣、鋒面、亂流和原因不詳4類，其中對流性天氣對中川機(jī)場低空風(fēng)切變的發(fā)生占有絕對的主導(dǎo)地位，因此預(yù)報好對流性天氣是做好低空風(fēng)切變預(yù)警的根本。鋒面是大尺度天氣系統(tǒng)，產(chǎn)生低空風(fēng)切變的次數(shù)較少。亂流導(dǎo)致的低空風(fēng)切變與中川機(jī)場所處的地理環(huán)境有關(guān)，雖然它的破壞力不如前2項大，但對飛行安全的影響也不容小覷。還有一些不明原因的低空風(fēng)切變，這是因為低空風(fēng)切變從氣象角度來說屬于小尺度天氣系統(tǒng)，本身存在較大的不確定性，再加上機(jī)場探測手段的缺乏，就會出現(xiàn)一些不易辨明原因的低空風(fēng)切變[1]。

1.2　中川機(jī)場低空風(fēng)切變預(yù)報預(yù)警能力

2015年，中川機(jī)場低空風(fēng)切變頻發(fā)，截止到5月，本場共出現(xiàn)了23次低空風(fēng)切變，給運行安全帶來了很大的威脅。預(yù)報室準(zhǔn)確預(yù)警11次，驗證率為47.8%。

低空風(fēng)切變嚴(yán)重威脅著航空運行安全，且低空風(fēng)切變探測難，天氣雷達(dá)很難掃描到，又因本場缺乏有效的探測手段，因此給預(yù)報風(fēng)切變帶來了很大的困難。氣象臺預(yù)報室雖然成立了風(fēng)切變研究小組，除了在日常工作中針對出現(xiàn)的低空風(fēng)切變進(jìn)行診斷分析、制作風(fēng)切變簡報外，還多次召開風(fēng)切變研討會，針對值班期間遇到的風(fēng)切變做個例分析及統(tǒng)計分析，試圖找出一些共性及顯著特點，但只能提供理論的依據(jù)。

1.3　蘭州中川機(jī)場探測設(shè)備現(xiàn)狀

蘭州中川機(jī)場現(xiàn)有在用的探測設(shè)備有2套，即氣象自動觀測系統(tǒng)和C波段氣象多普勒雷達(dá)系統(tǒng)。設(shè)備配備布局見圖1。

圖1　探測設(shè)備布局示意圖(尺寸單位：m)

由圖1可見，由于探測設(shè)備布局的局限性，基本集中在跑道附近，加之風(fēng)傳感器數(shù)量有限，對跑道外圍及延長線內(nèi)的三維矩形區(qū)域體內(nèi)的風(fēng)要素?zé)o法做到有效監(jiān)控，低空風(fēng)切變對在這一區(qū)域內(nèi)將要起飛和降落的低空飛行器有極大的安全威脅。由于上述原因，空管分局氣象臺預(yù)報人員僅根據(jù)非常有限的探測資料，大多依靠多年積累的經(jīng)驗進(jìn)行低空風(fēng)切變預(yù)報預(yù)警，為塔臺管制進(jìn)行服務(wù)?？梢钥闯鲞@種對風(fēng)切變的預(yù)警缺乏有效的科學(xué)依據(jù)，主觀因素占主導(dǎo)地位。

2蘭州中川機(jī)場低空風(fēng)切變告警系統(tǒng)(LLWAS)建設(shè)及實施方案

2.1　LLWAS風(fēng)站選址勘察

低空風(fēng)切變預(yù)警系統(tǒng)的算法是對風(fēng)站組成的多邊形內(nèi)的風(fēng)場數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，因此風(fēng)站選址對于探測精度和實用性非常重要。在機(jī)場的LLWAS建設(shè)的前期考察中，測風(fēng)站的選址從開始就得到氣象臺的重視，開展了詳細(xì)的機(jī)場測風(fēng)站點的勘察工作。為了選取合適的地點建設(shè)風(fēng)場探測網(wǎng)，氣象臺預(yù)報室和探測室設(shè)計加密風(fēng)場探測點的布局，并進(jìn)行了實地的考察和標(biāo)記。

2.2　LLWAS站點的選址原則[2]

(1) 首先直接保護(hù)跑道區(qū)域。

(2) 對主降方向提供擴(kuò)展保護(hù)區(qū)。

(3) 如果跑道的次降方向也用來降落，則也為該端增加擴(kuò)展保護(hù)區(qū)。

(4) 風(fēng)場的通道效應(yīng)最小(峽谷和山)。

(5) 風(fēng)不受附近障礙物的影響(<20%)。

(6) 所測量的風(fēng)場區(qū)域包括需要監(jiān)測的飛機(jī)運行區(qū)域。

2.3　蘭州中川機(jī)場選址方案[2]

為了給飛機(jī)最后進(jìn)場時提供保護(hù)，傳感器可以安裝到距離著陸點4.827 km(3 mile)的位置，在該階段飛機(jī)高度小于304.8 m(1 000 ft)。對于離場的飛機(jī)，因為在1 000 ft高度以下的飛行距離和時間都要少于降落過程，因此需要較少的保護(hù)區(qū)范圍。按照風(fēng)站選址的原則及蘭州機(jī)場的實際地形情況，確定在蘭州機(jī)場跑道周邊建設(shè)12個風(fēng)站，其間距均在1.8～3 km?，F(xiàn)階段已完成勘察8個風(fēng)站。未來根據(jù)系統(tǒng)的運行情況和需要可以進(jìn)行探測范圍的擴(kuò)大，只需進(jìn)行相應(yīng)的南、北方向的站點實地考察，以確認(rèn)新的風(fēng)站位置。通過軟件中算法配置文件的修改，即可將新增的風(fēng)站納入風(fēng)切變預(yù)警系統(tǒng)。12個測風(fēng)站組成一個測風(fēng)網(wǎng)，站網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸至中央數(shù)據(jù)處理單元，經(jīng)運算與判斷，可將低空風(fēng)切變警告區(qū)域在塔臺終端、預(yù)報終端和觀測終端上顯示。

2.4　LLWAS建設(shè)及實施方案

LLWAS風(fēng)切變告警系統(tǒng)是自動化程度較高的氣象探測裝備，所需建設(shè)的風(fēng)探測站將工作在惡劣的室外環(huán)境中，在綜合考慮目前該系統(tǒng)的平均技術(shù)水平及機(jī)場氣象觀測特點的情況下，在實地站點勘查基礎(chǔ)上，結(jié)合中川機(jī)場實際使用的探測設(shè)備、供電方式、通信方式等，擬出本實施方案：

在外場站點配備12套風(fēng)站(含風(fēng)傳感器、風(fēng)桿、太陽能供電系統(tǒng)、UHF無線通信系統(tǒng)等)。由于中川機(jī)場將新建自動氣象觀測系統(tǒng)，包含有中央數(shù)據(jù)處理單元服務(wù)器(CDU)；LLWAS軟件可與新建自動氣象觀測系統(tǒng)融合，共用自觀系統(tǒng)的CDU和顯示終端工作站。LLWAS系統(tǒng)配置示意圖見圖2。

圖2　LLWAS系統(tǒng)配置示意圖

數(shù)字采集器負(fù)責(zé)采集風(fēng)傳感器的數(shù)據(jù)，并將信息按需要發(fā)送到中央數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)上。采集器包括所有必要的數(shù)據(jù)采集、確認(rèn)、通信功能。低功耗的風(fēng)變送器在太陽能板和備用電池供電下工作時可以保證最大工作時間。風(fēng)傳感器、采集器和障礙燈安裝在測風(fēng)塔或風(fēng)桿上。

2.5　LLWAS系統(tǒng)設(shè)備配置

(1) 風(fēng)速、風(fēng)向傳感器及采集器處理單元。LLWAS系統(tǒng)的基礎(chǔ)是放置在機(jī)場起飛和降落通道周圍的風(fēng)傳感器。外場測風(fēng)站設(shè)備主要由風(fēng)傳感器和數(shù)據(jù)采集器組成，其中風(fēng)傳感器包括風(fēng)向和風(fēng)速傳感器。風(fēng)傳感器擬采用超聲風(fēng)傳感器，其優(yōu)點是傳感器免維護(hù)，風(fēng)速測量范圍為0～65 m/s，精度±0.2 m /s，啟動閾值0.01 m /s；風(fēng)向測量范圍0°～360°，分辨率1°，精度達(dá)到±2°。

(2) 通信方式。系統(tǒng)通過UHF選線通信方式傳輸至中央數(shù)據(jù)處理器，經(jīng)運算與判斷，將警告區(qū)域顯示在終端上。

(3) 風(fēng)塔和風(fēng)桿。為達(dá)到最佳系統(tǒng)性能和計算可靠性，根據(jù)地形條件、機(jī)場建筑物情況等使用一定高度的風(fēng)桿和風(fēng)塔。通過現(xiàn)場勘查，可獲知最佳傳感器排列和探測高度。對于1 520 m的探測高度采用風(fēng)塔，10 m及以下高度的采用風(fēng)桿。

(4) 太陽能供電。對于數(shù)據(jù)采集器和風(fēng)傳感器的供電，可以使用太陽能板供電，利用充放電控制器對電池進(jìn)行充放電，為整套設(shè)備供電。

2.6　與自動氣象觀測系統(tǒng)的融合

氣象自動觀測系統(tǒng)主要用于提供飛機(jī)接地帶附近及跑道中部地帶風(fēng)、溫、濕、壓、能見度、雨量、云高等氣象要素信息。目前蘭州機(jī)場配備有Vaisala的氣象自動觀測系統(tǒng)，其中風(fēng)傳感器與LLWAS系統(tǒng)的風(fēng)傳感器配置基本相同，可以將其中的數(shù)據(jù)有效地融合入LLWAS系統(tǒng)中進(jìn)行綜合風(fēng)切變分析。

3LLWAS系統(tǒng)的特點

(1) 風(fēng)站網(wǎng)絡(luò)布置在跑道周圍，只針對布點范圍內(nèi)發(fā)生的風(fēng)切變有監(jiān)測效果。

(2) 對中高層以上的風(fēng)切變監(jiān)測效果不明顯。

(3) 對由對流性天氣和鋒面導(dǎo)致的風(fēng)切變監(jiān)測效果明顯，符合中川機(jī)場的特點。從這一點來看該系統(tǒng)具有可操作性。

4結(jié)語

近年來，蘭州中川機(jī)場報告的因低空風(fēng)場變化從而影響正常起降的航班次數(shù)逐年增多。這也引起了機(jī)場和甘肅空管分局氣象臺的高度重視，氣象臺通過對機(jī)場附近低空風(fēng)場變化的長期統(tǒng)計和研究，對其成因有了初步的結(jié)論。通過低空風(fēng)切變告警系統(tǒng)的建設(shè)，增強(qiáng)了氣象設(shè)施設(shè)備的探測和預(yù)警能力，通過構(gòu)建低空風(fēng)切變告警系統(tǒng)組網(wǎng)的風(fēng)場探測設(shè)備，測量與風(fēng)切變相關(guān)的氣象要素，判斷其發(fā)生的可能性，并發(fā)布預(yù)警信息，對機(jī)場周圍發(fā)生的低空風(fēng)切變分區(qū)域予以警告，為各駐場單位應(yīng)對風(fēng)切變天氣決策提供必要的預(yù)警信息，減少了因氣象信息匱乏造成的損失，提升了分局航空氣象服務(wù)的品質(zhì)。

參考文獻(xiàn)

[1]孫偉中.蘭州中川機(jī)場低空風(fēng)切變的初步分析[J].民航科技，2007(6)：11-14.

[2]蘭州中川機(jī)場氣象臺.蘭州中川機(jī)場LLWAS站點勘察報告[D].蘭州: 蘭州中川機(jī)場氣象臺,2014.