范 琪，朱曉林,周鼎富*，周 杰，羅 雄，陳春利，童文皓，楊澤后

(1.西南技術物理研究所，成都 610041；2.航天系統(tǒng)部裝備部軍事代表局，北京 100000)

引 言

3維激光測風雷達是新型的風場探測手段，其抗干擾能力強、資料分辨率高，能夠提供十分精細的低空3維風場信息[1-3]，可彌補傳統(tǒng)測風手段在低空風場探測能力上的不足，是目前晴空條件下低空風場監(jiān)測的不二選擇，具有重要的發(fā)展?jié)摿脱芯績r值[4-5]。已知水汽含量和氣溶膠濃度是影響激光測風雷達風場探測能力的主要因素，高原地區(qū)太陽輻射能量強，氣溶膠濃度低，大氣透明度遠高于平原地帶，自然環(huán)境惡劣多變，這對激光測風雷達風場探測能力提出了嚴峻的考驗。與此同時，受高原動力和熱力因素影響，高原地區(qū)本底風場風力強勁，海拔高度高、多高山峽谷地形復雜，又導致其局地環(huán)流擾動多變，這嚴重威脅著需備降高原機場的飛機的飛行安全，使得其對可實時精準監(jiān)測預警風場波動，有效保障航空安全的風場探測設備需求迫切。以上均使激光測風雷達在高原機場的風場監(jiān)測能力深受關注[6-9]。

國外在激光測風雷達的理論研究和應用上一直處于領先地位,于20世紀60年代便開展了關于激光測風雷達的相關研究[10-11]。至今硬件技術、理論算法均已相當成熟，不僅用于軍事保障、風電領域、天氣預報、機場安全維護，而且實現(xiàn)了商業(yè)化，如美國Lockheed Martin公司、法國Leosphere公司、日本三菱公司的激光測風雷達在國外樞紐機場多有安裝，且保障能力良好[12-16]。目前，國內(nèi)對于激光測風雷達在民航機場的應用研究尚處起步階段，將激光測風雷達用于航空氣象預報和航空安全保障的單位則更少[17-18]，對于激光測風雷達在民用高原機場的運行環(huán)境適應性研究及綜合保障能力評估尚處空白[19-20]。基于此，本文中根據(jù)激光測風雷達工程化研究發(fā)展和民航機場應用需求，在典型高原惡劣自然和地形條件的機場，進行激光測風雷達探測性能試驗研究，多方位分析激光測風雷達在復雜地形環(huán)境下的運行適應性，綜合評估激光測風雷達實時監(jiān)測機場周邊風場信息并及時告警危害性天氣的能力。

1 試驗背景及設備介紹

1.1 試驗背景

攀枝花市屬南亞熱帶-北溫帶的多種氣候類型，年溫差小、日溫差大，四季不顯著，干、濕季分明。受海拔高度和地形變化的影響，垂直差異明顯，小氣候復雜多變。攀枝花保安營機場地處青藏高原東南緣，是典型的高原、高溫、山區(qū)機場。金沙江從西，北，東三面環(huán)繞機場，機場位于一削平的山頂上，海拔高度1980.2m，由于形似航母，又被稱為“內(nèi)陸航母”機場，其四面環(huán)山，局地風場復雜多變，飛機在本場起降時多受風場波動影響，威脅飛行安全。

西南技術物理研究所(下稱西物所)研制的FC-Ⅲ型激光測風雷達于2018年3月安裝于保安營機場北側(cè)跑道盡頭，如圖1所示。其水平探測距離10000m，垂直探測高度5000m，可做平面位置指示(plan position indicator，PPI)掃描監(jiān)測機場范圍風場波動和實時演變；可分別沿水平/垂直于跑道的方位做量程高度指示(range height indicator，RHI)掃描，幫助機場氣象工作人員全方位立體了解跑道上的天氣系統(tǒng)的結構特征；可做頂空的多普勒光束擺動(Doppler beam swinging，DBS)掃描監(jiān)測機場范圍天氣系統(tǒng)的移動路徑；還可無障礙遮擋的對飛機起降航道進行針對性下滑道(glide path，GP)掃描，實時監(jiān)測航道上的側(cè)風和迎頭風波動情況，對可能影響飛機飛行姿態(tài)的風場做到提前監(jiān)測預警，輔助航班安全保障工作順利進行。

Fig.1 Installation location of lidar

1.2 設備介紹

如圖2所示，西物所研制的國產(chǎn)化激光測風雷達采用相干探測原理，利用穩(wěn)頻脈沖激光作為照射光源，通過接收大氣中隨風飄移氣溶膠的散射回波信號并與雷達本振光進行相干混頻，通過對中頻信號的數(shù)字鑒頻技術來獲得激光束視線方向的徑向風矢量，通過雷達系統(tǒng)的二軸光機掃描，光束在空中形成掃描場，系統(tǒng)通過多波束風場反演，實現(xiàn)對大氣風場的測量。該系列雷達主要參量如表1所示。其體積小、重量輕、便于移動和攜帶；可提供徑向風、垂直速度、信噪比以及風切變、尾渦等多種產(chǎn)品；還可進行多種掃描，能通過調(diào)整掃描方式來較完整的捕捉過境系統(tǒng)，方便民航業(yè)務使用。

Fig.2 System structure diagram of lidar

Table 1 The main parameters of lidar

2 探測性能分析

2.1 分析方法

西物所研制的激光測風雷達自2018年3月安裝至6月末截至，一直24h連續(xù)不斷工作，本文中對試驗階段獲取的全部數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。受激光性能的局限，不同天氣類型下激光測風雷達的探測性能力有明顯差異，為綜合評估激光測風雷達在不同天氣類型下的測風能力優(yōu)劣，依據(jù)2018年3月～6月機場氣象觀測月總簿記錄的每日逐時天氣實況對天氣進行分類(缺測的時刻以MICAPS地面天氣圖實況作為輔)。以h為單位，把激光測風雷達試驗數(shù)據(jù)劃分歸類到晴(總云量≤20%)、多云(30%≤中低云量≤60%)、陰(中低云量≥70%)、雨、霧天(大氣中因懸浮的水汽凝結，使得相對濕度≥95%，能見度≤10km的天氣現(xiàn)象)，分別統(tǒng)計不同天氣類型下激光測風雷達的數(shù)據(jù)獲取率、有效探測距離，評估分析激光測風雷達的運行環(huán)境適應性，探究激光雷達的機場業(yè)務使用模式，為以后雷達的機場業(yè)務使用做鋪墊。

2.2 數(shù)據(jù)獲取率

氣象要素在垂直方向的變化梯度遠大水平方向，這使得激光在水平方向傳輸所受的大氣衰減小于垂直方向，以上導致不同天氣類型下激光測風雷達在垂直方向的數(shù)據(jù)獲取率廓線變化比水平方向強烈，但整體都表現(xiàn)為隨探測距離的增加而呈現(xiàn)明顯的遞減趨勢。

在雨、霧天，激光測風雷達水平和垂直方向的數(shù)據(jù)獲取率均明顯低于其它3種天氣類型，在水平距離4.0km、垂直高度1.2km激光測風雷達的數(shù)據(jù)覆蓋率便已不足50%，這是由于高飽和度的水汽對激光的傳輸衰減所致。而試驗期間攀枝花市雖有降水，但降水量不大且多為間歇性小雨，維持時間較短，而霧天卻是持續(xù)性大霧，因此反而水汽飽和度高的雨天數(shù)據(jù)獲取

Fig.3 Data acquisition rate of lidar under different weather typesa—horizontal b—vertical

率高于水汽飽和度相對低的霧天。在晴天、多云和陰天，大氣中氣溶膠含量多且水汽含量相對較少，激光不僅在傳輸過程中所受的大氣衰減少，由于高的氣溶膠含量還能產(chǎn)生更強的后向散射回波，因此以上天氣類型下，激光測風雷達水平和垂直向數(shù)據(jù)獲取率明顯高于雨、霧天，其在水平距離6.5km、垂直高度3.3km，激光測風雷達的數(shù)據(jù)覆蓋率才衰減至不足50%，可見激光測風雷達更適用于干性天氣下的風場監(jiān)測，這恰好彌補了機場晴空大氣保障能力的不足(見圖3)。

2.3 有效探測距離

為滿足機場氣象保障的不同需求，也為了全方位多角度剖析天氣系統(tǒng)，F(xiàn)C-Ⅲ型激光測風雷達配置有PPI,RHI,DBS和下滑道4種掃描模式，用戶可根據(jù)需求自行配置由此4種基礎模式任意組合的混合掃描組合，因此量化4種掃描模式的有效探測距離可有效評估激光測風雷達的機場保障能力。

如圖4所示，激光測風雷達在晴、多云、陰天下的有效探測距離整體偏高，PPI最大可達6623m，DBS為2895m，RHI為3316m，下滑道為5264m，而這不僅能完全覆蓋航空氣象的重點保障領域——飛機起飛和降落期間的下滑航道區(qū)域，還能提供重點區(qū)域周邊的風場波動特征，滿足機場氣象保障需求。在雨、霧天激光測風雷達各掃描模式的有效探測距離最小，且霧天小于雨天，其中PPI最小為2370m，DBS為885m，RHI為953m，下滑道為1206m，其探測能力遜色于晴空大氣下，此時機場氣象保障可更多依靠于多普勒天氣雷達的監(jiān)測結果，激光測風雷達的探測數(shù)據(jù)可用于補充和參考。

Fig.4 The effective detection range of lidar under different weather types

3 風場特征

攀枝花機場現(xiàn)有風場設備僅為沿跑道分布的自動觀測站，且僅能提供地表10m附近的水平風速和風向數(shù)據(jù)，因此，攀枝花機場范圍內(nèi)、垂直高度上的風場波動特征一直都是缺失環(huán)節(jié)，而這一環(huán)節(jié)的填補對于機場環(huán)流預報和航空安全保障具有重要的意義。已知攀枝花具有四季不分明,而干濕季分明的特征，其中5月～10月為濕季，11月～來年4月為干季。本文中選用的激光測風雷達試驗數(shù)據(jù)剛好跨越干濕季，此處劃分3月～4月為干季，5月～6月為濕季，分開統(tǒng)計試驗期間保安營機場的風場特征，其結果見下。

3.1 風速

按照航空氣象的需求，劃分0m/s≤v<5m/s,5m/s≤v<10m/s,10m/s≤v<15m/s,15m/s≤v<20m/s,v≤20m/s等5個風速區(qū)間，詳細統(tǒng)計分析機場的風速分布特征，其結果如下：由于攀枝花機場地處高原，高海拔導致攀枝花機場的風速相比平原機場整體偏大，常出現(xiàn)10m/s以下的大風，其中干季占比88%以上，濕季占比可達91%以上；其中干季最常吹0m/s≤v<5m/s區(qū)間的風，其占比為45.02%，濕季最常吹5m/s≤v<10m/s區(qū)間的風，占比為46.68% (見圖5)?？梢娕手C場干季更加風和日麗，而濕季受引發(fā)降水的系統(tǒng)性天氣過境的影響，平均風速比干季大。

Fig.5 Wind speed distribution characteristics of Panzhihua Airporta—dry season b—wet season

3.2 風向

為詳細分析機場上空風向隨高度h的變化情況，分600m以下、600m≤h<1500m、1500m≤h<3000m和3000m≤h≤5000m共4個高度段統(tǒng)計分析風向信息，探尋不同高度段的機場盛行風向變化特征。

保安營機場位于一削平的山頂上，其四面環(huán)山，受地形夾持影響機場干季低空600m以下盛行風向為南南東風，占比可達20.7%，而機場跑道沿南北走向分布，偏南的盛行風向可以有效保障飛機在起飛和降落過程中，有沿跑道方向的逆風存在。在垂直高度600m≤h<1500m之間，地形對風場走向的干擾明顯減小，機場盛行風向由南南東風變?yōu)榱私y(tǒng)一的西南西風，風向在垂直高度上一直存在一個90°的突變，飛機在600m高度附近容易遭遇由風向突變引發(fā)的風切變。在1500m≤h<3000m,3000m≤h≤5000m高度區(qū)間內(nèi)，機場盛行風向依舊為統(tǒng)一的西南西風，其占比分別為26.21%和24.36%。整體而言，攀枝花干季風向波動范圍較小，風向較為統(tǒng)一，風隨高度增加順時針轉(zhuǎn)動，暖平流明顯(見圖6)。

Fig.6 Wind direction distribution characteristics of Panzhihua Airport in the dry season

受地形影響，保安營機場濕季低空600m以下的盛行風向為南風，占比可達17.5%，依舊能保障飛機逆風起降的要求，同時還存在明顯的風場回流，即有占比達9%左右的北北東風，這樣對立的風向特征一定程度上會增大攀枝花機場濕季低層風切變突生的概率。垂直高度600m≤h<1500m區(qū)間，保安營機場，盛行風向變?yōu)槲魑髂巷L，占比為17.55%，此外還存在占比達10.5%的南南東風。在1500m≤h<3000m和3000m≤h≤5000m高度區(qū)間內(nèi)，機場盛行風向都為西西南風，占比分別為23.60%和18.89%，但風向分化依舊較大。整體而言，攀枝花市濕季風向波動范圍較大，存在多個盛行風方向，突生風切變的概率高于干季，風隨高度增加順時針轉(zhuǎn)動，暖平流依舊明顯(見圖7)。

Fig.7 Wind direction distribution characteristics of Panzhihua Airport in the wet season

3.3 下滑道風

飛機的下滑和起飛的航道可以近似看為一條傾斜的立方體管道，最終在跑道端頭接地。整個立方體航道水平長3海里(約5600m)，垂直高度600m以內(nèi)，是機場的重點監(jiān)測保障領域。西物所研制的激光測風雷達可對飛機起降航道進行針對性掃描，提取飛機航道風，再反演分解為跑道側(cè)風(垂直于跑道中心線，左側(cè)風為正，右側(cè)風為負)和順逆風(平行于跑道中心線，逆風為正、順風為負)。

下面統(tǒng)計分析不同天氣類型下，下滑道掃描水平距離上的跑道正側(cè)風和負側(cè)風分布狀況，結果如圖8所示。保安營機場本底風場強勁，平均側(cè)風在10m/s左右，符合高原地區(qū)典型的風場特征，且機場正側(cè)風普遍大于負側(cè)風。最大正/負側(cè)風均隨下滑道長度的增加而呈明顯的遞減趨勢，在水平距離5000m內(nèi)風速值大且波動劇烈，這是本底強勁風場疊加復雜地形引發(fā)的局地擾動共發(fā)結果，而該范圍恰處于飛機3海里下滑階段，波動劇烈的側(cè)風容易引發(fā)飛機飛行姿態(tài)不穩(wěn)、側(cè)偏、翻滾等，激光測風雷達的下滑道掃描模式能在此距離提供有力的承接。5000m以外距地高度較高，地形干擾變小，主要反映出的是高原高空本底流場的狀況，此時側(cè)風波動變小，對飛機飛行安全的威脅也變小了。

Fig.8 Fluctuation characteristics of maximum positive/negative crosswind in glide path scanning

從數(shù)值變化而言，霧天的正/負側(cè)風波動相較其它天氣明顯偏小，這因為持續(xù)性大霧產(chǎn)生的條件需大氣相對穩(wěn)定；攀枝花陰天風場強勁且波動大，最大正側(cè)風可達15.6m/s，最大負側(cè)風達11.9m/s；雨天會在攀枝花1000m范圍內(nèi)產(chǎn)生非常大的負側(cè)風，這因為高原降水為系統(tǒng)性天氣，大氣本身對流旺盛，且攀枝花機場系統(tǒng)性天氣常從東側(cè)生成，并向西不斷發(fā)展成熟，因此會造成很大的負側(cè)風而非正側(cè)風。

下滑道上跑道順逆風大小和方向的突變會導致飛機在起飛和著陸過程中姿態(tài)不穩(wěn)，上下顛簸，嚴重時會出現(xiàn)嚴重掉高或機頭下栽，引發(fā)重大飛行事故。統(tǒng)計分析不同天氣類型下，下滑道掃描水平距離上跑道順逆風情況，結果如圖9所示。保安營機場本底風場強勁，平均順逆風在15m/s左右，符合高原地區(qū)典型的風場特征。除雨霧天外，其余天氣下最大順/逆風均隨下滑道長度的增加而呈遞減趨勢，在水平距離5000m內(nèi)風速值大且波動劇烈，而該范圍恰處于飛機3海里(約5600m)下滑階段，與飛機在臨近攀枝花機場時飛機顛簸高發(fā)的實時相符，需重點監(jiān)測保障，5000m以外波動變小。從數(shù)值而言晴天、多云和陰天天氣下的最大跑道順逆風趨勢及數(shù)值基本一致，最大逆風可達24m/s，最大順風可達28.9m/s，整體遠大于霧天和雨天天氣下的最大順逆風。

Fig.9 Fluctuation characteristics of maximum downwind/headwind fluctuation in glide path scanning

4 結 論

國產(chǎn)FC-Ⅲ型激光測風雷達在惡劣自然和地形條件下的民航機場中表現(xiàn)出了優(yōu)秀的運行適應性。在晴天、多云、陰等干性天氣下，雷達在水平距離5000m內(nèi)，垂直高度2000m下的數(shù)據(jù)覆蓋率不小于75%，能完全覆蓋飛機起飛和降落期間的下滑航道區(qū)域，滿足機場氣象保障需求；雨、霧等高飽和水汽天氣下，雷達也能保證水平距離2370m、垂直高度883m的有效探測距離，其結果可為濕性天氣下機場現(xiàn)有測風設備測量結果提供補充參考。而激光測風雷達對于攀枝花機場風場特征的分析研究，其結果與機場歷史氣象日志相符，同時受益于雷達數(shù)據(jù)的高時空分辨率，也展現(xiàn)了更加詳實的細節(jié)信息，對雷達的機場業(yè)務使用挖掘了更多的方法。