基于激光测风雷达对比分析高原机场连续两日风切变天气

基于激光测风雷达对比分析高原机场连续两日风切变天气

华志强1 ,李敏1 ,黄轩1

1．中国民航青海空管分局 气象台，西宁 810000

摘要:为了研究西宁高原机场低空风切变的演变规律，利用激光测风雷达资料对2022-2-13至14日三次风切变天气进行对比分析。结果表明，激光测风雷达可以清楚地探测到低空风切变的位置、结构和演变，西风转东风时，切变层由地面延伸至低空；东风转西风时，切变层从低空向下延伸至地面，风切变持续时间与切变两侧低空风速的大小有关；13日与14日第二次过程，切变线呈弓形向前凸起，由东向西经过机场，14日第一次过程由于风速小和东西风对峙，导致风切变长时间维持在机场附近，随着西风下传，风切变移动至机场附近消失；激光雷达的PPI模式比自观设备和风廓线模式更早观察到风切变。以上研究对于高原机场保障飞行安全具有一定的指导意义。

关键词: 激光技术; 激光测风雷达; 对比分析; 低空风切变

引言

低空风切变指500米以下风向或风速在水平或垂直方向的突然变化，是飞机在爬升和着陆阶段中的重要危险天气并具有持续时间短、尺度小、高度低、强度大、发生突然、预测难度大等特点、因此被称为“空中隐形杀手”。西宁机场属于高原机场，位于青藏高原东部，跑道呈东西走向，周围地形复杂，特殊的地形与一定的天气形势相结合时，常造成西宁机场风切变频发，严重影响航班安全和正常率。

目前广泛应用于机场低空风切变探测的仪器主要有:超声风速仪、多普勒雷达和气象微波雷达，但其优缺点都较为明显。多普勒激光测风雷达作为一种新兴光学遥感设备在晴空风场测量中发挥越来越重要的作用。它通过向大气中发射一束激光光束，通过检测大气中气溶胶粒子的光回波信号所产生的多普勒频移量获得水平风场信息。相干激光雷达具有体积小、时空分辨率高、数据获取率高以及波长处于人眼安全的红外波段等优点，在晴空模式下获得理想的测量效果[1]，在香港［2-3］等国际机场已有成功的应用先例。近年来，越来越多的激光测风雷达被安放在国内大型机场区域，在三维风场、低空风切变、大气湍流强度计算、飞机尾涡动态追踪和航空安全保障服务中发挥重要作用[4]。验证表明，激光雷达在机场低空风场探测[5]方面测风精度高、可靠性好，在低空风切变、侧风、飑线、边界层[6-9]等天气应用方面都有显著应用成果。

西宁机场的激光雷达自2019年在西宁机场正式应用后，已多次有效捕捉与监测了对航空安全影响较大的风切变、微下击暴流[10-13]等危险性天气过程，在机场航空气象保障中具有较显著的应用效果。本文利用高分辨率激光测风雷达资料对西宁机场2022年2月13日至14日连续两日出现的三次风切变天气进行对比分析，旨在为高原机场大风的预警预报和激光测风雷达应用提供参考。

1.设备和资料

本文中采用的FC–III型激光雷达是由西南技术物理研究所研制的一部全光纤、相干、多普勒脉冲体制雷达。雷达通过发射激光脉冲，以大气中气溶胶粒子作为探测目标，根据气溶胶颗粒随风运动对激光信号产生的多普勒偏移来探测大气风场信息，工作波长为1550nm，俯仰扫描范围为0–180°，方位扫描范围为0–360°，空间和时间分辨率分别为30m和2s。雷达采用混合模式扫描：包括不同仰角全方位扫描的平面位置指示(PPI)模式、固定方位上下俯仰扫描的量程高度指示(RHI)模式、仰角90°的风廓线模式和一定方位范围内扫描的下滑道模式。探测资料包括大气风场的水平风场、垂直速度以信噪比及谱宽等。在雷达模式产品中,定义冷色调为负径向风速,表明风向朝向雷达；暖色调为正径向风速,表明风向远离雷达。

本文同时参考了西宁机场维萨拉自观资料，对西宁机场2022年2月13日至14日地面风场进行分析,以探索利用激光测风雷达对西宁机场连续风切变天气进行预报的方式和手段。

2.天气实况

2022年2月13至14日，西宁机场均为晴到少云，均出现了偏西大风，共出现了三次风切变过程，收到两份风切变航空器空中报告，造成4架飞机复飞和备降。分析维萨拉资料（图1）可知，2月13日19:43之前风向维持西北风，风速2-4m/s；19:43-19:53有风切变，此后维持稳定东风，风速5-6m/s。2月14日12:10之前为西北风，风速2-4m/s；12:10-14:15有风切变，其中12:10-12:40风向转为东南风，风速增大；13:40-14:15风向又转为西风，风速略有减小，14:15之后西风迅速增大。14日18:40之前风向维持较大的西北风；17:40-18:45发生风切变天气，此后维持稳定东风，风速先增大后减小。对比分析可知，13日风切变维持时间最短，由小西风转为较大东风；13日第二次过程由较大西风转为小东风；14日第一次风切变时，风向发生两次转变，风速最小，持时间最长。由此推测，风切变维持时间与切变线后风速大小呈一定的负相关。

图1.a为2022-2-13 11号跑道18:30-21:00两分钟风向风速图，b为2022-2-14 11号跑道12:00-14:30两分钟风向风速图，c为2022-2-14 11号跑道17:30-20:00两分钟风向风速图

3. 利用激光测风雷达对比分析风切变演变特征

图2.激光测风雷达风廓线风羽图

激光雷达风廓线模式（图2）可以清楚的探测到三次低空风切变的垂直结构和演变特征。13日19:43-20:16机场上空500米以下有明显的风切变；切变层形成，以上为西风，以下为东风，由地面向高层逐渐抬升，随后稳定在800至1000m，低层东风显著增大。14日12:08-14:08机场上空500米以下长时间维持风切变，此次过程中地面先转变为东风，切变层由地面向低空缓慢抬升；随后切变层持在200-400米维持50分钟，随着西风的下传和增大，切变层向地面延伸，14:08整层变为西风，天气趋于稳定。14日18:29-19:13发生的风切变结构和演变与13日类似，切变层由地面向上抬升。对比分析可知，13日风切变时间小于14日第二次，13日机场上空西风风速小，东风风速大，由此推测，风切变维持时间与前后东西风的大小有关，西风越小，东风越大，风切变维持时间越短。

图3.激光测风雷达PPI（3°）图

激光测风雷达PPI扫描（图3）可以探测到风切变的位置、结构和演变。13日19:39机场东南8km出现偏东风与偏西风的切变，风速较大，局部出现12m/s以上；随后风切变快速向西移动，19:50经过机场跑道，此后继续西移，机场东侧东南风明显增大；20:13移出。14日12:10机场东南4-6km有风切变，随后缓慢向西移动，13:04风切变位于机场西侧4公里，13:04-13:46风切变切变位置维持在机场西侧3-4公里，切变线西侧西风增大；13:46之后，机场两侧都出现偏西风，高空西风逐渐下传至低空，随着西风继续下传，风切变东移至机场附近后消失。14日第二次风切变移动与13日相似，由东向西移动。对比分析三次风切变过程，13日与14日第二次风切变的结构、移动方向和演变类似，切变线呈弓形向西风方向凸起，风切变由东向西移动；但13日与14日第二次过程相比，西风偏小，东风偏大，风切变移动速度快。14日第一次风切变演变过程则不同，东西风都较小，移动速度偏慢，移动至机场西侧时，西风逐渐加大，导致风切变位置长时间维持在机场区域内影响航班正常运行，随着西风下传和增大，风切变在机场附近消失。

图4为三次风切变过程典型时刻激光雷达29号下滑道扫描图。对比分析得知，13日29号跑道迎头风切变由远至近，西风减小，东风增大，东风大于西风，出现正侧风；14日第一次风切变过程，前期迎头风由远至近，西风减小，东风增大，风速整体偏小，后期迎头风变为西风，风速由远至近迅速增大，侧风在跑道两侧左右摆动。14日第二次风切变与13日结构分布类似，但西风大于东风。下滑道图像结构与切变线两侧风速有关，风速越大图像越扁平，风速变量越快，切变线越窄。从迎头风切变和侧风切变值分析，迎头风切变至均维持在轻度（0.04（1/s）以下为轻度），切变最大值位于迎头风和侧风风速变量最快的区域，位于风速变化最快区域，有时侧风切变能达到中度以上，说明侧风切变也是在飞行过程中不可忽视的因素。

图4.激光雷达29号下滑道扫描图

4结论

通过对2022年2月13日和14日中午及傍晚三次风切变天气激光雷达的测量结果进行对比分析，得出以下结论:

（1）自观资料可以明显看出三次风切变过程发生的时间，前后风速小。

（2）激光测风雷达风廓线模式可以清楚地看到低空风切变的发生高度、垂直结构和演变特征。不同类型风切变发生的位置、高度和演变特征不同，西风转东风的风切变，切变层由地面向上延伸至低空，东风转西风时，切变层由低空向下延伸至地面。14日第一次过程，风切变先由地面延伸至低空，此后又由低空向下延伸至地面。风切变的维持时间与切变两侧低空风速的大小有关，当风切变移动时，前侧风速越小，后侧风速越大，风切变维持时间越短。

（3）激光测风雷达PPI扫描可以清楚地看出风切变的位置、结构、移动。13日与14日第二次风切变过程，风切变由东向西经过机场和附近区域，切变线呈弓形向西风方向凸起，14日第一次风切变移动速度偏慢，风切变位置维持在机场区域内长时间维持，随着西风增大和下传，风切变移动至机场附近消失。下滑道图像结构与切变线两侧风速有关，风速越大图像越扁平，风速变量越快，切变线越窄。切变最大值位于风速变量变化最快区域，侧风变化也是在风切变天气中不可忽视。

（4）激光雷达的PPI模式比自观设备和风廓线模式更早观察到风切变位置，提前时间与风切变两侧风速有关。

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作者简介: 华志强( 1989- ) ，男，甘肃临洮人，大学本科，主任工程师，主要从事航空气象预报工作。