□ 民航大連空中交通管理站 郭志剛/文

Ka波段毫米波測云雷達是一種新型的氣象遙感探測設備，具有頻率高、粒子分辨能力強等特性，能夠對細微的云粒子特性進行觀測。該類型雷達在航空氣象領域中的應用引起了民航界和學術界的廣泛關注。毫米波測云雷達不僅能夠獲取云的宏觀和微觀結構（例如探測云高、云厚和云狀的外形特征），而且還能分析云內微物理過程的結構和演變特征等。此外，利用毫米波測云雷達可以連續(xù)觀測云的水平垂直結構變化，獲得準確的云內宏觀參數(shù)。對于影響民航安全的低云、平流霧等航空危險天氣，毫米波測云雷達能夠彌補激光測云儀僅能夠探測單點的不足，獲取大范圍的云狀態(tài)，還能夠對沿海機場的平流霧實況進行監(jiān)測。

大連空管站在2015年聯(lián)合23所在大連周水子機場開展了利用毫米波測云雷達、邊界層風廓線雷達、微波輻射計的機場云霧探測驗證試驗，在不同天氣條件下獲得了寶貴的數(shù)據(jù)，對毫米波測云雷達在不同天氣條件下的探測效果進行了評價分析。本文對試驗階段毫米波測云雷達在不同天氣條件下的應用效果進行了總結，對于研究毫米波測云雷達在機場航空安全的保障能力具有重要意義。

Ka波段毫米波測云雷達介紹

本次驗證試驗采用的毫米波雷達由北京無線電測量研究所研制，其主要特點是采用脈沖多普勒全相參體制、固態(tài)發(fā)射機，具有多種觀測模式和雙極化功能。天線垂直定向探測，空間分辨率為30 m，最大探測高度為15.3 k m。雷達直接探測資料包括反射率因子、平均多普勒速度、速度譜寬、退極化比和功率譜數(shù)據(jù)。利用反演算法能夠反演包括空氣垂直運動速度、粒子下落速度、粒子半徑、液態(tài)水含量、冰水含量等。雷達主要技術指標如表1所示。

大連機場平流霧的主要成因是受副熱帶高壓北移影響，機場東部海上的低云和霧就會隨著盛行的東風移動至機場，對機場運行造成影響。為了利用毫米波測云雷達實現(xiàn)對平流霧的觀測，設計了三種不同的觀測模式，包括：指定方位多仰角平面位置掃描（s PPI）、指定多方位角距離高度掃描（s RHI）以及垂直指向掃描（THI）。s PPI模式下，雷達向東側以3°仰角對73°～183°方位角進行掃描，掃描步進0.15°。s RHI模式下，雷達向東側83°、103°、203°三個方向，以仰角0°～90°進行連續(xù)掃描。THI模式下，雷達采用仰角90°進行50 s連續(xù)垂直觀測。

觀測效果介紹

表1：毫米波雷達主要技術指標

毫米波測云雷達自運行以來，經歷的天氣現(xiàn)象有：平流霧、霧霾、鋒面霧霾、雨夾雪、強對流（雷暴、冰雹）等。本文選取了一次平流霧天氣過程（2016年7月28日～29日）、一次霧霾天氣過程（2016年12月18日～19日）、一次雷暴冰雹天氣過程（2016年11月10日）對本系統(tǒng)在各種天氣條件下的探測效果進行分析。

（一）平流霧天氣過程（2016年7月28日～29日）

2016年7月28日21時（UTC）左右，大連機場發(fā)生了一次平流霧天氣過程。在機場東部海上高壓的影響下，海上形成的霧在東風的推動下移動至機場，使得能見度迅速降低。7月29日02時（UTC）左右，平流霧逐漸減弱。Ka波段毫米波測云雷達在7月29日01時開機探測，對平流霧減弱過程進行了監(jiān)測。

圖1是當日的能見度曲線，可見從28日18時（UTC）左右能見度開始下降，從7月29日02時左右能見度開始抬升。圖 2對29日01∶18～03∶02（UTC）時間段內毫米波測云雷達10°仰角PPI探測的反射率進行了連續(xù)繪圖，從圖中可見，強回波的面積隨時間的變化而不斷減小。圖 3是01∶05～02∶21時間段內103°方位角上的RHI探測的反射率圖像。從圖中依舊可見回波反射率隨時間不斷減弱。

由圖可見，在平流霧消散過程中，雷達探測到的平流霧逐漸減弱。具體表現(xiàn)是雷達回波反射率因子數(shù)值降低，綠色回波減少，回波強度減弱。

（二）霧霾天氣過程（2016年12月18～19日）

2016年12月18日17時（UTC）左右，大連機場出現(xiàn)了一次霧霾天氣過程。能見度在12月18日17時（UTC）左右降低，2016年12月19日04時（UTC）左右，能見度逐漸好轉，能見度變化曲線如圖4所示。

圖5是能見度降低階段毫米波雷達回波反射率圖。由圖可見，隨著能見度的降低，雷達探測范圍內逐漸出現(xiàn)綠色強回波，代表雷達東側1.5 k m區(qū)域出現(xiàn)低云，可能會對機場運行產生影響。預報員可以結合利用雷達觀測到的強回波現(xiàn)象，開展低云預警服務。

圖6是能見度恢復階段毫米波雷達回波反射率圖。由圖可見，隨著能見度的抬升，雷達東側回波強度逐漸減弱。在03∶55時刻，回波強度明顯減弱，相比于能見度變化的時刻，通過雷達發(fā)現(xiàn)回波強度減弱的時刻比能見度提升時刻存在約10分鐘的提前量。

圖7是2016年12月18日10～12時風廓線截圖，風廓線雷達當天近地面層風速較小。從10∶12開始，近地面風向由西北逐漸轉東南，10∶42在300 m高度左右處開始出現(xiàn)低層東南風和高層西南風切變，形成一個阻斷層，阻礙著地面水汽和熱量的垂直交換，大氣層結穩(wěn)定，有利于霧霾天氣的形成。該阻斷層一直維持。

在本次天氣過程中，利用毫米波雷達對上游天氣方向進行觀測，通過觀察毫米波測云雷達的反射率變化情況，結合風廓線雷達阻斷層的出現(xiàn)，以及微波輻射計近地層相對濕度的變化，可以對低云或低能見度天氣的變化過程進行實時監(jiān)測，同時提供預警服務。

（三）強對流天氣過程（2016年11月10日）

2016年 11月 10日大連機場經歷了一次較為少見的颮線天氣過程，10日 09∶28出現(xiàn)弱雷雨，09∶35轉為弱雷雨伴有雷暴大風，瞬時最大風速18.3 m/s，09∶59出現(xiàn)冰雹天氣，10∶05冰雹結束，10∶45雷暴結束。

根據(jù)大連氣象局多普勒雷達資料顯示，11月10日09∶33在大連地區(qū)及北部有颮線形成且處于發(fā)展初期，本場處于颮線系統(tǒng)的西側，但在本場周圍有強度50 dbz以上強對流單體已經形成并已經影響本場，如圖9所示。

由毫米波雷達回波強度圖像分析可見，在09∶32時本場東側由對流單體開始發(fā)展且強度較大，至09∶39時對流單體繼續(xù)發(fā)展東移，對流頂高度在3 km左右，09∶49時對流單體發(fā)展至成熟時期，對流頂高度達5 km左右，回波強度都在30 dbz以上。10∶09對流單體東移至本場東側6～9 km左右，本場強對流天氣基本結束，如圖10所示。

總結：

本文對Ka波段毫米波測云雷達在大連機場三次天氣過程中的觀測效果進行了效果介紹，得到的主要結論如下：

（1）毫米波測云雷達能夠獲取雷達周邊30 km范圍內的反射率因子（d BZ）、平均多普勒徑向速度（Vr）、速度譜寬（Sw）、退極化比（LDR）等主要數(shù)據(jù)產品。通過對上述數(shù)據(jù)產品進行反演處理，可以得到云底、云高、云厚、云中含水量等二次數(shù)據(jù)產品，對于預報員研判天氣具有很大的指導作用。

（2）通過將毫米波測云雷達與邊界層風廓線雷達、微波輻射計聯(lián)合觀測，能夠實時獲取機場上空的熱力場、動力場以及水汽特征，從而彌補機場現(xiàn)有自動氣象觀測系統(tǒng)觀測資料時空分辨率的不足。

（3）通過將毫米波測云雷達回波強度（d BZ）與機場RVR關系進行對比，可以總結出一種對應關系，可用于機場低能見度天氣的發(fā)布和解除。同時，在霧霾、強對流和降水天氣下也有助于開展提升實時監(jiān)測和預警能力。