多普勒雷達在航空氣象服務中的應用

徐樹權

[摘 ? ?要]安全是航空飛行的首要要素，只有在確保安全的前提下才能進行正常的航空運營。在影響航空安全的諸多要素中，氣象條件是最為關鍵的要素之一，通過良好的技術措施做好氣象條件的預測及信息收集十分關鍵。在現階段的航空氣象服務中，多普勒雷達的應用被廣泛重視，其對各類影響航空飛行的天氣類型的預報與指導精度高、反應快。本文主要分析討論多普勒雷達在航空氣象服務中的應用，希望能夠起到一定的啟發與借鑒作用。

[關鍵詞]多普勒雷達;通用航空;航空氣象;服務應用

[中圖分類號]V321.252 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）05–00–03

Application of Doppler Radar in Aviation Meteorological Service

Xu Shu-quan

[Abstract]Safety is the primary factor of aviation flight， and normal aviation operation can only be carried out under the premise of ensuring safety.Among the many factors that affect aviation safety， meteorological conditions are one of the most critical elements.It is very important to forecast and collect information of meteorological conditions through good technical measures.In the current aviation meteorological service， the application of Doppler radar is widely valued.It has high precision and fast response to all kinds of weather types that affect aviation flight.This paper mainly analyzes and discusses the application of Doppler radar in aviation meteorological service， hoping to play a certain role of inspiration and reference.

[Keywords]doppler radar; general aviation; aviation meteorology; service application

多普勒雷達在航空氣象服務中被廣泛應用，這是由于多普勒雷達在現階段同類產品技術中具有更加突出的先進性，其不僅對天氣狀況具有預報指導功能，更能進行天氣系統分析，實現精準地危險天氣預警，這是多普勒雷達在航空氣象服務中最具優勢的功能。

1 ?多普勒雷達概述

波源與觀測者之間存在一定的相對運動關系，波源發射的與觀測者接收到的波的頻率并不相同，二者互相接近時頻率升高，遠離時頻率降低，這就是著名的多普勒效應，也是多普勒雷達的工作原理，是在19世紀中期由奧利地物理學家J·C·多普勒發現并總結提出的。基于多普勒效應，多普勒雷達能夠根據回波確定探測對象的位置及相對速度，且具有強抗干擾能力、載頻穩定度高、頻譜純度高、天線旁瓣低，能夠對目標信號進行清晰分辨。而且，越是先進的多普勒雷達其能夠采用的頻率重復種類越多，以及更加豐富的信號發射形式，濾波理論能夠對坐標數據做進一步的處理與預測，且效果更佳。

現階段，多普勒雷達被應用于航空氣象服務中，其不同于傳統的雷達只能對氣象目標的強度進行測量，多普勒雷達還可以對大氣風場的信號進行捕捉，以對不同高度大氣層的空氣湍流運動的分布進行分辨，這些都是對強對流天氣或者災害天氣預報預警十分重要的氣象信息。總體來說，多普勒雷達是現階段國際上最先進的雷達系統，在國際范圍內應用廣泛，備受好評，其產品信息豐富，天氣預報的精度大幅提升，對于提高航空氣象服務質量有重大推動作用。其特點主要包括，首先，多普勒雷達的信號處理采用可編程序，利用代數方法，有效增大雷達信號處理的量與速度，使得雷達能夠同時進行多種工作，保持強抗干擾與超視距識別的能力，連續工作能力與滿負荷工作能力強;其次，多普勒雷達能夠自適應波形，能根據不同的實際需要選用不同的脈沖重復頻率的波形，以保證工作處于最佳狀態，達成最佳的分析結果;最后，多普勒雷達能夠提供高分辨率的天氣圖像，并能在保持高分辨率的基礎上進行局部的放大與測繪，且清晰度不會受到影響。

隨著技術的發展，多普勒雷達的結構組成更加趨向于精密與完善，其主要由天線、發射機、接收機、伺服系統、數字信號處理機、雷達數據處理機和數據總線等組成，并且在智能化、信息化、數據化發展趨勢之下，多普勒雷達的構成也在向這一方面轉變。

2 ?航空氣象服務概述

氣象條件直接影響到航空飛行的安全，是最為重要的影響因素，在國際范圍內由于氣象條件導致的飛行事故能夠占到事故總數的三分之一，為此時刻掌握天氣狀況對于安全飛行十分重要。在我國，航空氣象服務相對完善，航空氣象服務所提供的各類信息能夠影響到機場正常運行秩序，飛機起飛準備，飛行路線優化等多個方面。

2.1 ?我國航空氣象服務概述

我國的航空氣象服務采用分級管理運行模式，主要是分為民航、地區、空管與地方機場四個分管范圍。民航負責7500米以上航空氣象服務，涉及高空的重要天氣預告、溫度、風向等內容，地區負責3000m與7500m之間的中空航空氣象服務，涉及中空的重要天氣預告、溫度、風向等內容，空管負責3000m以下的低空航空氣象服務，涉及低空的重要天氣預告、溫度、風向等內容，地方機場主要是針對上述三者提供的天氣信息制作發布關于天氣的報告、預告及警告。

現階段，我國的多普勒雷達應用于全國近1/3的機場，特別是在北上廣地區已經基于多普勒雷達系統建立完成世界區域預報系統接收站，極大程度豐富了我國的民航氣象數據庫，對于航空安全的提升具有重要意義。

2.2 ?國際航空氣象服務概述

國際航空氣象服務的整體性更強，傾向于世界范圍內布局，目的是為確保國際航空安全起到一定的作用，在我國北上廣地區建立的基于多普勒雷達系統的世界區域預報系統接收站也是國際航空氣象服務的重要一環。

現階段，以倫敦與華盛頓為中心的世界區域預報中心可以以圖表或數據的形式在世界范圍內發布重要天氣預報，為世界各地的航空氣象服務機構提供必要的資料支撐，以編制本地所需的航空氣象服務資料。

2.3 ?多普勒雷達在航空氣象服務中的應用

多普勒雷達在航空氣象服務中進行應用時，會向空中以直線路徑發射脈沖式電磁波，脈沖式電磁波會以接近于光波的速度進行傳播，如果在傳播的路徑中遇到氣象目標物其會被散射從而產生回波信號，回波信號進入到處理器中根據不同時次的頻率變化就可以對氣象目標物的空間、位置、速度、方向、強度等進行判斷，從而為機組乘務人員提供飛行相關的氣象信息。

在多普勒雷達提供的多類型的氣象信息中，對于對流天氣系統的預報預警十分重要，這是因為對流天氣系統與災害性提天氣有直接聯系，如雷暴、龍卷風、閃電擊、強湍流等大氣的強對流運動狀況蘊含巨大能量，破壞力較強，如果不能通過多普勒雷達及時進行預判，則有可能使飛機誤入強對流中，造成不可挽回的經濟損失與人員傷亡。

下文將以多普勒雷達在強對流天氣中的應用為例，進行具體分析。

強對流天氣多伴隨雷雨，特別是在中低層低渦氣流旺盛，高空槽層結位勢不穩定的情況下，雷雨的強度大、范圍廣，對于航空飛行安全的影響直接，為此通過多普勒雷達回波分析，對強對流天氣的形勢狀況及發展趨勢進行判斷十分重要。

2.4 ?強對流天氣形勢分析

一般情況下，高空形勢200 Pa至500 Pa之間范圍內，航空飛行地區槽前在氣流控制之下呈現越往低層，槽越深的趨勢特點，而低渦一般存在于700 Pa，在700 Pa到850 Pa范圍內，低空急流強，水汽充足，地面倒槽加深。中低層低渦發展，產生等壓線閉合氣旋時，大氣層結出行不穩定狀態，強烈運動狀態下極易出現雷雨天氣。

2.5 ?多普勒雷達回波分析

多普勒雷達回波分析主要涉及三個方面，即回波強度分析、回波速度分析和風廓線分析，這三方面內容是多普勒雷達回波分析的重點與關鍵，也是多普勒雷達在航空氣象服務中發揮作用的關鍵所在。具體分析如下：

2.5.1 ?回波強度

雷雨發生前，多普勒雷達會捕獲大量降水回波，并伴隨有50 dBz以上強回波區。在強回波區移動的過程中，會有強回波不斷產生，并出現回波缺口，而且缺口的數量會隨著時間的推移而增加，含水量增加的情況下，有可能出現冰雹，從而大幅衰減回波強度。

2.5.2 ?回波速度

進行回波速度的判斷分析需要以雷達為坐標原點建立三維坐標，進行風場模擬。利用PPI圖像顯示方式，在圖上表明雷達探測距離與對應高度。對降水粒子的運動速度進行分量分解，分量來自于垂直與水平兩個方向，并結合風向夾角、方位角和天線仰角進行分析。在對多普勒雷達的回波速度進行分析時，要明確理清回波速度與其所在高度水平、垂直速度的關系，以及隨著高度的增加其大小、方向會出現的變化，這其中包含的函數關系是進行回波速度分析判斷的關鍵。

一般情況下，風速會隨高度的增加而減少，且在多普勒雷達的探測范圍內存在一定的不規則變化，使得實際情況與模擬風場存在差異造成誤差，甚至在風速較大情況時出現速度的模糊。當模擬風場與雷達顯示圖類似時，就有可能出現雷雨天氣。

在雷雨天氣初期，較大風速區與強回波區相對應，與周邊相比明顯偏大，形成陣風鋒的趨勢明顯且條件充足，這就會產生18 m/s的強風，造成低空風切變，從而對航空飛機造成巨大的安全威脅。

2.5.3 ?風廓線

風廓線是對風速變化的直觀展現，通過風廓線可以發現風速與高度的關系成正比，高度增加風速增大，順時針旋轉。風速會在雷雨發生后降低，風向發生變化，尤其在低層表現明顯，這表明地面與低層氣旋正在經歷移動與發展。

結合回波強度、速度與風廓線的分析模擬結果，總結強對流天氣下多普勒雷達航空氣象服務的內容，可以發現強對流天氣產生的位勢高空槽為雷雨天氣提供了不穩定能量，低渦急流的延續時間決定了雷雨的持續時間。基于多普勒雷達回波信息進行的風速、風向模擬基本符合實際的回波情況，通過多普勒雷達速度回波可以清楚判定陣風鋒的發展趨勢與移動方向，為低空風切變的預報提供依據與參考。

3 ?結語

多普勒雷達在航空氣象服務中的應用對于提升航空飛行的安全性至關重要，多普勒雷達的工作原理及技術水平保證了其在進行氣象狀況的信息獲取與分析時，不會輕易受到外界干擾，以保證信息獲取的效率及準確性，從而能夠為相關部門編制氣象服務報告奠定科學合理的基礎。綜觀多普勒雷達在航空氣象服務中的應用，其對于對航空飛行影響最大的強對流天氣的分析判斷極為準確，這也是其應用的最大價值所在。

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