多普勒天气雷达在航空天气预报中的应用

多普勒天气雷达在航空天气预报中的应用

宋晓桐

吉林省民航机场集团有限公司 133000

摘要：近年来，随着我国经济技术发展，民用飞行器的科技技术也发展迅速，进而现代相关民用航空技术发展越来越成熟，民用航空在新时代交通行业的作用逐渐凸显。目前飞行器的发展趋势主要受到安全性的制约，而天气是影响着安全性的关键因素，因此，及时、准确的预测出天气状况，对民航领域的发展极其重要。为此，本文从雷达原理以及多普勒雷达在监测天气的优势作为切入角度进行分析，不难发现多普勒雷达识别恶劣天气的前提是被检测区域内包含能够反射电磁波的物质；多普勒雷达与普通天气雷达相比较，具有分析辨别微弱信号的优点，为此多普勒雷达在民用航空气象服务中的应用前景广阔。

关键词：多普勒；天气雷达；航空气象服务

引言

一直以来，气象条件对于航空安全与航空行业的发展影响都是重大的。即使在民用航空业较发达的西方国家，也有接近33%的航空事故是由于恶劣天气造成的。机场是专门为航空器提供升降的场所，因此，机场相关气象部门时刻预测、掌握天气状况，为正在执行任务的航空器提供气象情报，对确保人员安全十分重要。由于大自然的瞬息万变，空中的风力、温度等气象指数也都是时刻在变化，中国相关气象部门为保证飞机的安全，一直努力建立更完善的航空气象服务平台。气象部门根据当前天气状况或者预测天气状况，与机场管制部门会商，根据已知和未来的气象条件来判断是否继续开放机场；同时管制部门根据目的地的气象条件进行流量控制来决定是否允许相关飞机的起飞；在执行飞行任务前，会向机组人员提供详细的气象情报，机组人员可以将其与多普勒雷达回波相结合，按照提前已知的气象情报，做出相关判断，决定飞机的最佳飞行高度、飞行速度等相关飞行参数，同时，基于此种情况，也可以避开雷电、强烈的空气对流等一些危险状况^[1-2]。

由于多普勒雷达不仅可以在普通天气下对飞机的飞行轨迹进行准确测量，而且还可以对大气中空气湿度、风速等气象参数进行有效的测量，因此在航空领域的应用极其广泛。多普勒雷达具有优秀的探测能力，可以探测出探测雨滴的降落方向以及运行速度，而这些精确的探测探测功能，为气象预报可以提供更为准确、有效的判断因素，进而可以为民航系统提供更加安全的保障系统，也让飞行员以及乘客有了更安全的保障，为航空事业的发展提供更有利的帮助，因此，研究多普勒天气雷达在航空气象服务的应用是迫在眉睫并且极具意义的事情^[3]。

本文针对航空气象条件难以实时检测的问题，从雷达原理，多普勒雷达探测原理及其应用领域等多个方面进行介绍，主要分析多普勒雷达天气雷达在航空气象中的应用实例，为今后研究多普勒雷达探测天气条件创造更好的条件^[4]。

1.航空气象服务概述

1.1国际航空气象服务概况

国际航空气象服务主要是对航空的正常、高效的运行以及安全性提供参考依据。为实现此目的，世界区域预报系统以及全球各国自身的气象监测机构均为航空公司提供相关的气象条件服务^[5]。世界区域预报系统的两个预报中心，这两个中心时刻以数据、图表等相关的形式，进行全世界范围的温度、最大气流以及相关对流层高度的信息等大量的相关气象参数的预报，并且以电视、广播等各种各样的途径传播于全球用户，这也就为世界各国出台适宜的航空气象飞行材料提供了强有力的证据^[6]。

1.2我国航空气象服务概况

我国航空气象服务机构主要负责自身分管内的气象服务的组织与实施。目前，我国的气象服务主要分为四个等级，分别是民航气象中心、地区气象中心、空管分局（站）气象台及地方机场气象台。其中民航气象中心主要是负责高度在7500米以上的天气信息的监测与发布；地区气象中心主要负责3000-7500 米之间的气象资料；空管分局（站）气象台主要监测3000 米以下的低空飞行气象数据；地方机场气象台主要负责当地机场的天气预报及相关突发天气情况的警报。目前我国有84个机场安装了气象雷达，其中包含了25个多普勒气象雷达，占比接近1/3；并且在80多个观测站安装了气象卫星云图的接收系统；在我国的北京、上海、广州三地建立了世界区域预报系统接收站，这三个接收站可以直接通过卫星接收来自世界区域预报中心(华盛顿、伦敦)发布的全球航空气象天气资料，主要是一些温度、高层气流大小、机场天气报告等相关的气象数据^[7]。此外，我国在21世纪前夕就建成了民航气象数据库以及卫星传真广播系统，并且迅速的展开了应用，在全国60多个机场进行试用，为我国航空气象的一体化打下了坚实的基础，同时也为我国的气象预测与保障工作有了更可靠的条件^[8]，也证明了多普勒雷达之于航空气象服务的重要性。

2.雷达探测气象问题原理

雷达是通过天线发射一定频率的电磁波，当电磁波碰到物体时将进行反射，雷达接收天线通过接收到的反射波来进行目标位置以及性质的判断；而物体因为本身具有一定的特性例如导电性能，这样当电磁波遇到物体时，就会使物体内部产生一定的磁场变化，在该磁场的作用下，金属中的自由电子会形成一定的微电流进而对电磁波产生反射。据此可以判断出，只要物体具有一定的导电性能，即可以对雷达波产生反射，这一性能与大自然中光的反射原理类似

^[9-10]。

2.1雷达探测气象目标的基本原理

物体对电磁波的反射能力，不仅仅取决于其自身的物理特性、形状、密度等物理参数，也与电磁波的发射时的频率、幅值等关系密切。在一定条件下，物体内的自由电子数量与物体的导电性能是成正比的，对电磁波的反射强度与导电性能成正比，因此当物体的导电性能越好时，包含的自由电子数量越多，其反射电磁波的能力也越强；并且随着物体的外形尺寸逐渐增大，当尺寸接近发射电磁波的波长时，所产生的反射电磁波越多，物体的反射能力也就越强；在发射天线反射电磁波时的入射角越小的情况下，雷达接收天线，收到的电磁反射波的强度越大 。

天气情况不能够像具体的物质一样，具有看得见摸得着的物理外观特性，但是在其区域内依然存在自由电子等一定的电磁特性，仍可对雷达波产生一定的反射。当金属内部自由电子数量多时，再加上金属物体外形尺寸很大的情况下，此时会造成金属表面产生很大的反射面积，这时，金属就可以对入射的雷达电磁波产生很大的电磁波反射，在金属足够厚的情况下，会产生全反射，即阻断了电磁波向前传播；但是对于空中的一些恶劣天气情况来看，不是实实在在的物体，甚至导电性能等电学特性均不如金属物体，但是对于气象雷达，其发射的电磁波的波长一般很短，当电磁波从恶劣天气传输到晴朗天气的时候，会在二者的交界面处产生一定的折射和反射，并且电磁波在整个区域均产生不同的折射与反射，当遇到距离很远的目标物体时，仍然会造成一定的折射，产生的雷达回波经过接收，后期经过专业人士的数据处理，即可判断出相关信息。依据此功能特性，使得气象雷达能够更远距离的探测目标。为此气象雷达能够准确快速的将大范围的气象条件反馈给气象人员，为飞行安全保驾护航。

和大自然光的折射原理类似，电磁波在折射和反射的过程中，依然会受到物体的削弱，造成信号的逐渐衰弱，进而雷达电磁波的反射能量会逐渐减小，同样的道理，在空中更远的目标反射电磁波时，也会对其造成一定程度的衰减，也就是说电磁波会受到正向和反向的两重衰减，加上电磁波本身由于距离逐渐变长而造成的减弱，一系列的因素，会造成相同的物体，距离发射天线较远时所产生的反射波强度远远低于距离发射天线近的反射强度。目前，相关设计人员在相关雷达波的传播机理上，对气象雷达设备的相关结构、电路进行逐步优化，进而优化发射波形，采用更先进的方法对后期的数据进行处理，使得雷达在进行目标判断时有了更高的准确率，有力的保证了该方法的可靠性。

2.2对冰雹区域的探测

冰雹天气是极其恶劣的天气，严重影响飞行任务的安全，冰雹的形成、相关的密度等一系列物理特性，与形成时的大气参数密切相关，并且变化多端，本文不再讲述，主要介绍其对气象雷达的影响。

在航空气象方面，当正在下降的冰雹遇到上升的暖空气时，会使冰雹的表面产生一层薄薄的水膜，形成湿冰雹，前文说到，在发射雷达确定之后，雷达接收到的电磁波强度取决于目标本身对电磁波的反射强度。冰雹表面的水膜，会对电磁波产生一定的反射与折射，随着冰雹的逐渐变大，反射的强度也就越来越大，因此对于冰雹天气，当冰雹的形状越大时，雷达越容易发现该天气区域。

当然，自然会存在另外一种表面没有水包围的干冰雹，此类冰雹对雷达波的反射能力相对较弱，根据相关研究，同样的尺寸，湿冰雹所产生的电磁波反射强度是干冰雹的五倍左右，并且颗粒小的冰雹很难被气象雷达发现，当冰雹的外形尺寸逐渐增大，直径接近雷达电磁波波长的十分之八时，才可以更有效的被雷达发现，然而对于目前工作频率段的气象雷达，要想检测到此类天气，需要冰雹的直径达到2.5cm，因此对干冰雹的雷达探测工作依然任重道远。

2.3湍流及其检测

多项研究表明，湍流天气一般会在暴雨区域产生，一般在暴雨区域的中等高度会产生极其强烈的湍流，但是在保育区域的上下风向以及顶部等区域，也存在产生湍流的可能性，因此遇到暴雨天气，对于航天飞行任务的相关人员来说，一定不能掉以轻心。

目前对飞行安全威胁最大的恶劣环境之一就是湍流。目前对湍流探测主要是依靠多普勒效应，由于湍流区域一般会夹杂一定的水滴等物质，并且移动的速度很快，由于风的影响，移动方向变化无常，这就会在湍流区域形成一个与雷达发射电磁波频率相差较大并且频谱宽度较宽的多普勒频谱，该频谱与一般降雨天气产生的反射回波差异很大，气象雷达正是根据这一固有的特性来实现对目标区域的探测。接收到反射回波后，通过一定的电路信号分析方法，可以实现相关频谱的检测与展示，进而判断湍流恶劣天气的存在。

雷达对目标物体的探测均是基于物体自身能够反射雷达波的特点：湿冰雹是通过表面的水对雷达波进行反射，进而使雷达检测到目标；湍流能被探测到，是由于其区域内包含大量的水滴与杂质，这些物质依然能对电磁波造成反射，进而接收回波，判断出湍流天气。因此，当湍流区域内如果不存在一定数量的雨滴时，则该区域将不具备电磁波的反射能力，即很难被雷达检测到。

依据美国国家气象局的分类标准，速度变化在6-12m/s的湍流称之为中度湍流，飞机上载有的雷达门限是5m/s，即低于中度湍流的变化速度，而中度湍流及其以上程度的湍流都能够在飞机自身的雷达上显示。

2.4气象雷达对各种气象目标的探测能力

湿冰雹以及夹带大量雨水的湍流区域，严重影响了飞行器的安全，可以依据电磁波对上述目标区域的高强度的反射特性，气象雷达可以准确对这些区域进行判别，帮助气象人员识别该危险区域，保障飞行任务的顺利完成和机组乘客的人身安全。

目前雷达特殊天气的探测能力有限，主要因为雷达探测到目标的前提是具有能够能够对电磁波产生一定的反射的物质，外形尺寸较小的冰雹以及区域内不含水滴的湍流区域，由于其反射能力较弱，因此很难被气象雷达发现。

同样的道理，当遇到干的雪花的时候，由于其不能产生反射波，只有当雪花中含有大量水分时，能够产生反射波，才能够被气象雷达检测到。而一般的云、雾中含有大量微细水珠，但是其中的外形尺寸过小，依然不能产生有效的发射回波，所以不能有效的被气象人员发现。

3.多普勒雷达探测原理

3.1 降水回波中的多普勒频率信息

在航空气象服务中最普遍的降水测量活动中，常规的天气雷达对降雨区域的分布、强度和垂直结构只能借助雷达波的回波强度来进行判断。而多普勒雷达则能够根据降水回波频率和发射频率之间的变化信息对降水的强度、气流速度等航空关键信息进行测量。根据多普勒定律当波源与观测者作相对运行的时候，观测者所观测到的频率与波源的实际频率是不同的，这种频率的差异与波源与观测者之间的相对运动速度成正比。

依据此原理，多普勒雷达就可以根据发射频率和回波频率的差异性，准确分辨出降水粒子的运动速度、方向，通过不间断的监测形成降水粒子的运动轨迹模型。然后在此基础上形成一系列有关对降水强度、分布和变化趋势的客观认识，同时也形成一系列对该区域气流强度、方向和变化趋势的认识。

多普勒雷达依据上述原理，可以准确探测出降水粒子的运动速度和方向，通过不间断探测，掌握降水特性，有助于气象人员了解降水强度、降水分布及其变化趋势。

3.2多普勒雷达的体制

多普勒雷达与传统的气象雷达相比，具有对反射回波信号的微弱变化进行分析区别的能力，因此能够形成多普勒雷达天气的实时检测功能的关键点就在于雷达天线发射电磁波的微弱变化。

多普勒雷达通过使内部的工作频率保持不变或者工作频率和波形的初相位不变的手段来达到上述的目的，目前主要有自相干多普勒雷达和全相干雷达这两种雷达在航天气象服务中应用。其中自相干雷达即是保持工作频率不变，即是锁相位技术，虽然发射出的雷达波具有很大的突变性，但是该项技术的应用让发射波和接收到的反射回波能够进行比较区分，进一步提取出天气中的相关气象信息，为气象人员提供一定的参考依据；然而全相干雷达应用了更先进的技术，采用了晶体振荡器发出的单频脉冲波，这使得发射波的稳定性非常高，与反射回波相比较能够得出相关差异。

4.多普勒雷达在民航气象服务中的应用分析

在天空中，当潮湿的空气遇到及其不稳定的气层时，被其抬升，会形成具有对流运动的天气系统。大自然中很多自然灾害如雷电、暴雨、龙卷风、冰雹等恶劣天气均与此种气流有很大的关系。这种恶劣天气具有很强的破坏力，飞行器一旦进入雷电、湍流等气象区域，非常容易被区域内的强风切变造成严重的损害。

多普勒天气雷达发射的电磁波以进于直线的路径和接近光速的速度间歇性的在大气中传播，当电磁波遇到大气粒子时，电磁波被目标物体反射、折射，其中反射回的电磁波被雷达所接收，经过信号处理器的分析判别出不同时刻不同强度的回波信号，气象人员通过时间、速度等参数可以反算出目标物体的具体位置、运动方向以及运动强度等很多气象信息，有助于相关人员判断此天气条件下是否开放机场以及相关航班的起降，为飞行安全保驾护航。

4.1 零径向速度的意义

在具体的实际应用中，经常出现其中某一点径向速度为零的现象，即是零径向速度，这一现象在多普勒雷达的气象服务中是难以突破的问题，正常情况下，当出现这种现象时，具有两种情况参考，一种是该点的真实速度确实为0，另一种是该点的真实风向与电磁波的方向互相垂直，从而造成雷达对该点的信息无法识别。

4.2 锋面附近多普勒速度图像

多普勒雷达通过锋面两侧的气象参数的监测与辨别来辨识锋面。在锋面形成时，以锋面为分界线的两边的气象参数会有很大的差异，当雷达检测到两侧的信息差别很大的情况下就可以判断该处有锋面经过，并且能够推断出相关数值差异最大的地方就是锋面所在地，进一步根据锋面两侧环境因素的具体数值和差异大小进行判断出暖锋和冷锋。气象人员根据锋面信息，结合大气中的基本气象参数可以预测判定可能产生的天气现象以及相应位置，对航班工作人员做出相应提示，使航班避开危险区域。

5 结论

飞机作为一种快速高效的出行方式，逐渐被广大群众所接受，不过其自身安全性是最为重要的影响其发展的因素。而现实的航空活动中，对飞机安全影响最大的就是天气因素，所以对多普勒天气雷达在航空气象服务中应用的研究具有鲜明的现实意义。

本文主要针对如何保证飞行器安全的问题，从天气因素着手，重点分析了如何监测辨别恶劣天气。着重介绍雷达原理以及雷达对不同特殊天气的探测流程，发现目标区域内具有强反射性的物质是雷达探测恶劣天气的前提。

几年来，多普勒雷达有了突破性的进展，这主要是由于随着相关电磁场理论研究的发展对雷达基础领域做出了贡献，而且随着科技的发展，对反射波信号的分析有了更深的认识和更科学的方法，这些先进技术帮助研究人员更好的对天气中流云团的内部结构进行研究，从而能更有效的检测天气状况。同时，对于暴风、湍流等强对流天气的识别具有了更高的准确率，提供更加有效的气象技术文件，能够减少天气因素对飞机安全带来的影响，也提高了飞行的效率与经济性。多普勒雷达与传统雷达相比较，最大的特点就在于前者能后区别出后者不能区分出来的微弱的反射波信号。因此，在飞速发展的现代社会，应用多普勒雷达对航天气象服务进行检测不仅仅能够进一步保障飞机的安全性能，而且能够节能减排，提高国民经济的效益。

参考文献

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2010(04).

作者简介：宋晓桐（1990.02），女，汉族，吉林省长春市公主岭市人，本科，助理工程师，从事民航气象观测工作。