風廓線雷達在民用航空機場中的聯合應用

摘要：本文由風廓線雷達的概念、工作原理和特點出發，論述其在民用航空領域應用中的優勢，和機場單一布局風廓線雷達的局限性，進而結合以往的使用經驗，探討風廓線雷達與其他氣象探測設備相互融合，和風廓線雷達多點布局在民用航空機場中的聯合應用場景。

關鍵詞：風廓線雷達;機場;融合;多點布局

一、風廓線雷達探測的基本原理

風廓線雷達發射的電磁波，在大氣傳播過程中，因大氣折射率的不均勻分布而產生散射，其中，后向散射能量能夠被風廓線雷達所接收，根據多普勒效應，當目標物相對雷達波束方向存在相對運動時，接收信號和發射信號的頻率會產生偏差（即多普勒頻移），根據多普勒頻移，再經過一定的信號與數據處理，即可得到大氣的風場信息。

另外，雷達發射的是脈沖波，根據回波信號返回的時間可以確定回波的位置。

因此，結合多普勒測速和無線電測距原理，風廓線雷達即可得到不同高度上的風場信息，從而獲取大氣的風廓線資料。

二、風廓線雷達的基本功能及其在民用航空領域中的應用優勢

根據探測高度的不同，風廓線雷達可分為邊界層風廓線雷達、對流層風廓線雷達及中間層-平流層-對流層雷達（MST）。邊界層風廓線雷達的探測高度通常在3km左右，對流層風廓線雷達的探測高度通常在12-16km，MST雷達的探測高度甚至可達中間層（自平流層頂至85千米之間的大氣層）。其中，邊界層風廓線雷達主要用于邊界層探測，相對來說，其探測資料較適合中小尺度大氣科學研究、中小尺度短時預報、航空安全保障和空氣質量預報等社會服務領域，因此國內民用機場配置的風廓線雷達，大都是L波段的邊界層風廓線雷達。

風廓線雷達能夠提供多種氣象信息，不僅包括風廓線及其隨時間的演變，且在獲取風場資料的同時，可衍生分析出切變線、大氣重力波動和大氣穩定度等多種信息，通過多波束的測量還可估算水平散度和變形量等更多的氣象信息。風廓線雷達利用多普勒譜寬可獲取湍流信息，從雷達反射率可得到反映湍流強度的湍流結構常數等，配有無線電聲探測系統（RASS）的風廓線雷達，還能探測距地面特定高度范圍內的大氣虛溫。總之，風廓線雷達能夠提供許多依靠其他常規探測手段較難獲取的可用于大氣科學研究、天氣預報的有用信息。

風廓線雷達產品的連續性、實時性強，其測量數據的輸出時間間隔可短至幾分鐘，空間分辨率可控制在幾十米量級，因而能夠輸出較密的廓線資料，從而滿足產品精細化程度高、實時性強的航空氣象工作的苛刻要求。

此外，由于風廓線雷達屬于遙感風速計，特別適合類似機場這種需要無球探測的場合。

由此可見，風廓線雷達具有獲取資料種類多，時間、空間分辨率高，適合機場使用，且故障率低、可維護性好等優點。

三、民用機場單一風廓線雷達應用的局限性及其解決方案

風廓線雷達主要探測其上方垂直層面的三維風場信息，水平區域的擴展能力有限，而現代化民用機場的飛行區范圍越來越大，我國大部分開放機場的飛行區等級均在4D以上，擁有兩條甚至多條跑道的情況比比皆是，因此單一風廓線雷達的探測能力很難滿足實際需要。

在實際應用場景中，往往將風廓線雷達與其他氣象探測設備聯合應用，通過多種探測數據相互融合的方式，或是增加風廓線雷達的布局，采取雷達組網方式，增強性能，豐富產品，改善用戶體驗。

四、風廓線雷達在民用航空機場中的聯合應用場景

（一）場景一：風廓線雷達與航空自動氣象觀測系統（AWOS）等的聯合應用

將邊界層風廓線雷達與航空自動氣象觀測系統（AWOS）、低空連續波測風雷達、激光測風雷達等聯合應用，利用邊界層風廓線雷達和AWOS系統的風場探測結果，輸出湍流能量、通量、散度、波動性等監測產品，可應用于風場的監測和預警，開發風切變預警探測系統。

（二）場景二：風廓線雷達與微波輻射計等的聯合應用

用邊界層風廓線雷達、微波輻射計、毫米波測云雷達等構成聯合探測系統。

風廓線雷達能夠實時獲取機場上空不同高度層的水平風和垂直風;微波輻射計能夠獲取機場上空不同高度層的溫度、相對濕度、水汽密度和液態水含量;毫米波雷達是云的三維精細結構探測的重要工具，它具有更接近小粒子尺度的短波長，因此適合用來探測弱云。以上系統的聯合應用，可將機場上空的垂直風廓線與溫度垂直廓線、相對濕度垂直廓線、液態水含量垂直廓線、水汽密度垂直廓線進行融合顯示，能夠更直觀地向預報員展示機場上空的熱力場、動力場及水汽監測結果。

（三）場景三：風廓線雷達多點布局

同一機場安裝多部（通常是三部）風廓線雷達，不僅可以獲取每部雷達上空的風速風向數據，還可以通過數據融合，得到三部雷達圍成的三角形區域的水平切變指數以及大氣旋度、散度信息，有利于氣象服務人員及時掌握區域內的空間風場信息。

三套風廓線雷達組網，原則上應以機場跑道為中心，選擇合理的安裝地點，圍繞跑道進行三角形布局，這樣的布局具有如下優點：

（1）近似等邊三角形，有利于風場數據融合，降低誤差;

（2）合理的站點間距，能夠有效監測中小尺度天氣系統;

（3）與跑道保持適當距離，能夠避免飛機對雷達帶來的干擾。

三部風廓線雷達系統可使用不同的工作頻率，以避免工作期間頻率干擾，再參照前文所述的不同融合模式，例如以風廓線雷達為主體，同時引入AWOS系統、激光測風雷達、微波輻射計等作為輔助，最終形成一套跨系統跨平臺、產品內容豐富、實時性強、具有預警功能的適用于民用航空氣象工作的綜合業務系統，這也是大數據時代背景下，未來航空氣象業務系統發展的必然趨勢。

參考文獻：

[1]楊迪.民航西北地區空管局氣象探測專業培訓教材風廓線雷達分冊[M]. 西北空管局培訓中心， 2015， 1-10