華志強,黎 倩,黃 軒,馬曉玲,田維東,趙啟娜

(1.中國民航 青?？展芊志?氣象臺,西寧 810000;2.成都信息工程大學 大氣科學學院 高原大氣與環(huán)境四川省重點實驗室,成都 610225)

引 言

激光測風雷達是通過測量大氣中空氣微粒對激光束后向散射的多普勒頻移，并多波束反演獲得大氣風場的一種現(xiàn)代光電技術(shù)。激光測風雷達具有時間和空間分辨率高、測量精度高、覆蓋范圍相對較大、激光波束窄、定向性好等特點，探測結(jié)果較為可靠[1]，與超聲風速儀、探空氣球和風廓線雷達等遙測手段相比，水平風向風速有較好的一致性[2-4]，因此得到迅速的發(fā)展和應(yīng)用。3維激光測風雷達研究在國外起步較早，在機場航空氣象安全保障[5-8]等方面應(yīng)用較多，而在我國起步相對較晚。從目前國內(nèi)研究現(xiàn)狀來看，對雷達的功能性能[9-13]等研究較多，但在機場航空氣象保障中的實際應(yīng)用研究仍相對較少。

航空氣象保障應(yīng)用中的3維激光測風雷達主要用于探測機場上空及飛機起降通道的低空風場信息[14-15]，是目前國際上公認的機場探測低空風切變的一種最有效手段，在香港等[16-18]多個機場已有成功的應(yīng)用先例。西寧機場是高原機場，特殊的地理環(huán)境導致風切變天氣頻發(fā)，嚴重威脅航空飛行安全，常造成飛機復飛和備降[19-20]。激光雷達自2017年在西寧機場應(yīng)用后，已多次有效捕捉與監(jiān)測了對航空安全影響較大的風切變及典型的危險性天氣過程，在機場航空氣象保障中具有較顯著的應(yīng)用效果，已成為西寧高原機場日常氣象安全保障中的一種必不可少的重要手段。

本文中利用西南技術(shù)物理研究所研制的一臺FC-Ⅲ相干激光測風雷達在西寧機場的測風實驗數(shù)據(jù)，對西寧機場2019-04-10出現(xiàn)的風切變過程進行初步探討和分析，旨在為航空氣象保障業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)提供一定的參考與依據(jù)。

1 激光測風雷達的基本情況

本研究中采用的激光雷達為FC-Ⅲ型3維激光測風雷達，該雷達是一部全光纖、相干、多普勒脈沖體制雷達，具有體積小、重量輕、安裝移動方便等特點。雷達通過發(fā)射激光脈沖，以大氣中氣溶膠粒子作為探測目標，根據(jù)對氣溶膠顆粒隨風運動產(chǎn)生的多普勒頻率偏移的相干檢測及多模式的掃描，來實現(xiàn)對大氣風場信息的獲取。雷達工作波長1550nm為人眼安全波段，其風廓線探測模式工作時垂直最大探測高度不小于3000m，掃描探測模式工作時最大徑向探測距離不小于10000m，最小徑向探測距離不大于200m；方位角掃描范圍0°～360°；俯仰角掃描范圍-10°～190°；探測風速均方根(root mean square,RMS)誤差不大于0.8m/s；風向均方根(RMS)誤差不大于5°。

該雷達的掃描工作模式主要包括：平面位置指示(plane position indicator,PPI)掃描、量程高度指示(range height indicator,RHI)掃描、多普勒光束擺動(Doppler beam swinging，DBS)掃描和下滑道掃描，能夠提供徑向風速、水平風場、迎頭風和側(cè)風等多種數(shù)據(jù)。在雷達顯示界面中可對種模式測量數(shù)據(jù)進行實時顯示，其中定義冷色調(diào)為負徑向風速，表明風向朝向雷達，暖色調(diào)為正徑向風速，表明風向遠離雷達；同樣定義迎頭風朝向雷達為負，遠離雷達為正；右側(cè)風為正，左側(cè)風為負(觀察員視角)；垂直氣流正為上升運動，負為下沉運動。

Fig.1 Position on satellite map of lidar

西寧機場位于青藏高原東北部的湟水河流域，跑道呈東西走向，處于狹長的特殊地形中，四周環(huán)山，地形復雜。2017年10月，激光測風雷達開始在西寧機場運行，最初安裝在跑道北側(cè)靠近跑道西端頭，由于跑道北邊山體存在遮擋，因此在2019年1月在跑道中部重新安裝了一臺3維激光測風雷達，并24h連續(xù)運轉(zhuǎn)。雷達的安裝位置如圖1所示。

2 機場當日天氣分析

2019-04-10，西寧機場晴～少云。早晨～中午維持風向不定，風速較小；15:00之后西風迅速增大；18:00～18:20，機場由偏西風10m·s-1迅速轉(zhuǎn)為偏東風10m·s-1，陣風為15m·s-1。17:35～18:48，共收到兩份風切變航空器空中報告，造成4架飛機復飛備降。期間激光雷達采用了多模式輪流掃描工作，其中3°PPI有效探測量程為6km～7km，北部因有山體阻擋，北部測程約為2km。下面結(jié)合風切變期間機場周邊的風場變化情況，對該時段激光雷達探測過程進行分析。

從08:00的500hPa(見圖2)高空圖可知：中高緯地區(qū)呈兩槽一脊型，甘肅東部至高原東部有高空槽東移；青海中部有明顯的冷溫槽，北部冷平流明顯，河西走廊至機場上空有高空急流區(qū)，西寧機場受槽后西北氣流控制，西寧單站上空高空風速達30m/s。

Fig.2 500hPa map at 2019-04-10T08:00

從08:00的地面圖(圖略)可知，冷高壓中心位于蒙古高原西南部，在河西走廊至青海西北部有冷空氣擴散。至14:00(見圖3)河西走廊和青海湖一帶都有明顯的大風區(qū)。因此從宏觀上看，此次天氣過程主要是由高空冷溫槽、高空急流及槽后西北氣流引起的下傳大風和地面冷空氣倒灌造成的風切變過程。

通過機場VAISALA自觀資料分析對風切變天氣發(fā)生前后11號和29號跑道風向、風速變化作對比分析，給出以下變化特征(見圖4)。

對比分析11號和29號跑道風向風速可以看出：18:04之前，11號和29號風向均為穩(wěn)定的偏西風，風速略有波動；18:04～18:12，11號跑道仍維持穩(wěn)定的西風，29號跑道則2min內(nèi)迅速轉(zhuǎn)為東南風，18:12～18:14，11號跑道風向迅速轉(zhuǎn)為東南風，風速都先減小后增大；此后兩頭風向風速均維持穩(wěn)定；從轉(zhuǎn)風向時間差來看，29號跑道比11號跑道轉(zhuǎn)風向時間早10min，反映了風切變系統(tǒng)的移動速度。

3 利用激光測風雷達分析風切變特征

圖5為2019-04-10T17:49～18:25的雷達PPI(3°)掃描水平風矢分布圖。從圖可以看出，17:49之前，本機場為一致的偏西風，風速較大；17:52在本機場東南7km處出現(xiàn)負徑向速度；在17:58在本機場東側(cè)4km有明顯的風切變；此后風切變位置繼續(xù)向西移動；18:08～18:11，風切變快速經(jīng)過本機場，此后繼續(xù)向西移動，本場東側(cè)東南風明顯增大；18:25風切變位置移出雷達測量范圍，之后一直維持13m·s-1～20m·s-1的偏東風。圖6為雷達同期進行6°PPI掃描的風矢量分布圖。從圖中也可以觀察到同樣的現(xiàn)象，但6°PPI掃描探測到風切變時間略晚于3°PPI掃描的時間。

Fig.5 PPI(3°) of lidar on 2019-04-10

Fig.6 PPI(6°) of lidar on 2019-04-10

從上述兩個角度的PPI掃描風矢量圖中可以看出，風切變經(jīng)過本機場前，向雷達側(cè)凸起，隨著時間和距離的推移形狀趨向于線狀。由于雷達掃描呈圓錐形掃描，且3°PPI掃描探測到風切變時間要早于6°PPI掃描，由此推測是低層比高層先發(fā)生風切變。

從同期雷達的RHI掃描圖也觀察到同樣的現(xiàn)象，圖7和圖8分別為雷達290°和110°方位的RHI掃描圖。從圖中可以清晰看出，17:56在本機場東側(cè)6km處地面至200m高度出現(xiàn)了風切變；17:56～18:10，風切變位置由東向西快速移動，地面至低空形成向東傾斜的切變層，其傾斜角約為20°，切變層以上為偏西風，以下為偏東風；18:10地面風切變經(jīng)過本機場；18:10～18:19，風切變位置繼續(xù)西移，低層偏東風逐漸加大；18:19～18:27切變層傾斜角變大；之后，風切變位置移出雷達范圍，低層風速逐漸加大，切變層穩(wěn)定在1km～1.2km。從RHI圖上可見，此次低層氣流不厚，考慮到西寧機場地形復雜，可能是由冷空氣倒灌引起的。

Fig.7 RHI (290 °) of laser lidar

Fig.8 RHI (290°) of lidar

圖9為該時段的雷達下滑道掃描圖。從圖中可以看出：17:53迎頭風為一致的偏西風，正側(cè)風風速為2m·s-1～8m·s-1；18:04由遠至近迎頭風逐漸減小，但仍然為一致的偏西風，側(cè)風風向略有波動；18:12本機場以西200m出現(xiàn)風向?qū)Υ?；風速由近至遠，先減小后增大；側(cè)風以正側(cè)風為主;18:21整體轉(zhuǎn)為偏東風，風速逐漸穩(wěn)定，側(cè)風在跑道兩側(cè)左右波動。

Fig.9 Glide slope mode pattern of lidar

圖10為該時段雷達的垂直廓線風矢圖。17:20之前，從地面至高層以大西風為主；17:20～18:07，風向仍然為西風，中低層明顯風速減??；18:15從地面至800m高度，風向轉(zhuǎn)為偏東風，風速維持在5m·s-1～8m·s-1，800m高度出現(xiàn)了明顯的切變層，以上為西風，以下為東風；18:15～18:50，低層東風明顯增大，切變層逐漸抬升；此后切變層穩(wěn)定在1200m左右，低層風速逐漸穩(wěn)定。由風廓線模式數(shù)據(jù)可知，本機場發(fā)生風切變的時間約發(fā)生在18:07之后。

Fig.10 Wind profile pattern of lidar

此次風切變過程由西風迅速轉(zhuǎn)為東風，自東向西快速經(jīng)過測站。綜合以上分析可知，激光雷達可以清楚地反映本次天氣過程，并能對風切變的位置、結(jié)構(gòu)、高度和移動速度進行監(jiān)測。切變過程中地面向低空形成向東傾斜切變層，其高度延伸至1200m，對高層沒有影響。迎頭風發(fā)生對吹的位置為風切變位置，風速向兩側(cè)逐漸增大。對比圖5b、圖6b、圖7b、圖8b、圖9c和圖10可知，雷達采用PPI和RHI模式發(fā)現(xiàn)風切變的時間明顯早于采用風廓線模式，此次過程發(fā)現(xiàn)時間相差約15min，其原因在于風廓線只對經(jīng)過測站上空的風進行測量。對比激光雷達數(shù)據(jù)與航空器空中報告數(shù)據(jù)，激光雷達發(fā)現(xiàn)風切變的時段均在機組報告風切變的時段內(nèi)，也很好地驗證了激光雷達探測到風切變數(shù)據(jù)的準確性。

圖11為2019-04-10T16:00～20:00期間激光測風雷達獲得的的垂直氣流變化圖。從圖11中可以看出，17:00之前，機場上空有明顯的下沉運動；17:00～18:00，上升和下沉運動相間分布，有明顯的動量交換；18:00～18:30，低層垂直運動不明顯，中高層有強上升運動，強上升運動中心高度位于600m～1500m；18:30之后，低層垂直運動不明顯，高層上升和下沉運動共存，上升運動底部與切變層高度相一致。

Fig.11 Vertical velocity of lidar

4 結(jié) 論

通過對2019-04-10風切變天氣過程及激光雷達的測量結(jié)果進行分析，得出以下結(jié)論：此次天氣過程主要是槽后西北氣流引起的下傳偏西大風和地面冷空氣倒灌造成的風切變過程。從跑道兩頭風的變化可以看出：風切變發(fā)生前，風向均維持穩(wěn)定，風速略有波動；風切變發(fā)生時，風向迅速轉(zhuǎn)變，風速先減小后增大。在風切變前，上下層有明顯的動量交換；風切變時，中高層有強上升運動；風切變后，上升和下沉運動共存。

FC-Ⅲ型激光測風雷達在此次風切變探測過程中，能清楚地探測到風切變的結(jié)構(gòu)、位置、高度和和移動方向：地面最先轉(zhuǎn)為東風，自東向西移動快速移動，由地面向低空形成向東傾斜切變層，其高度延伸至1200m，對高層沒有影響。當雷達在下滑道掃描時，迎頭風發(fā)生對吹的位置為風切變位置。當出現(xiàn)西風時，側(cè)風較穩(wěn)定；當出現(xiàn)東風時，側(cè)風在跑道兩側(cè)左右波動。此期間，激光雷達的PPI和RHI模式比風廓線模式更早觀察到風切變位置，兩者發(fā)現(xiàn)的時間差15min，比自觀設(shè)備約早10min。航空器報告風切變的時段很好的驗證了激光雷達風切變數(shù)據(jù)的準確性。

以上結(jié)論對于激光測風雷達資料在風切變天氣預(yù)報中的應(yīng)用和保障民航飛行安全有一定的借鑒意義。該激光雷達在西寧機場應(yīng)用時間較長，期間收集了大量的樣本，未來通過對這些資料的進一步深入分析，可進一步總結(jié)激光雷達在民航機場的應(yīng)用及危害天氣等的預(yù)報方法，為民航機場航空預(yù)報提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。