機場風廓線雷達參數選擇和安裝位置分析

明 虎，阮 征，王敏仲，盧禹茜

(1.中國民用航空西北地區空中交通管理局氣象中心， 西安710082)

(2.中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室， 北京100081)

(3.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所， 烏魯木齊830002)

0 引言

風切變是影響航空器飛行的非常危險的天氣現象。當跑道附近存在風切變時［1］，飛機從小的順風進入大的順風區域，或從大的逆風進入小的逆風或順風區域時，速度就會減小，升力就會下降，飛機下沉導致其無法正常起飛或提前降落，危及飛行安全;當飛機進入另外一種風切變，即風速垂直切變的強烈下沉氣流時，由于強度很大，甚至可能把飛機直接“砸”到地面，引發嚴重的飛行事故。對風切變和空間風場的有效探測既可以保證飛行安全，又可以達到節省經營成本，提高飛行效率。

風廓線雷達是利用大氣湍流對電磁波的散射作用探測大氣風場的一種遙感設備，它可以在時間上不間斷的獲取垂直空間的風場分布，利用這些數據可以有效地探測到風切變。我國在20世紀中期就開始進行了風廓線雷達在民航機場的試驗研究。到目前為止，中國已經有20部左右風廓線雷達應用于實際業務。風廓線雷達正逐漸成為探測機場風切變和大風的有效探測工具。

本文根據民航機場的需求對選擇的風廓線雷達參數指標及其在機場安裝位置進行系統地分析。

1 風廓線雷達的有效探測高度

1.1 風廓線雷達最小探測高度

影響風廓線雷達最小探測高度的主要因素是雷達脈沖寬度和相控陣雷達［3］的天線口徑。

(1)脈沖寬度決定了雷達天線接收電磁波往返的最低高度。假定脈沖寬度為τ，由于雷達天線接收回波信號的最短時間間隔為τ，則電磁波回波的最低高度Hmin1為

式中:c為電磁波傳播速度。當低于Hmin1時為雷達的探測盲區。

(2)對于相控陣風廓線雷達，平面天線陣列的電磁波輻射合成平面波需要一定的空間距離。最低探測高度不能低于此距離。假定天線的口徑為D，雷達波長為λ，則電磁波合成平面波的最低高度Hmin2［4］近似地可表示為

風廓線雷達最終的最低探測高度要以兩個因素最大值為準。

1.2 風廓線雷達最大探測高度

風廓線雷達最大探測高度主要由脈沖重復周期、雷達自身的設計參數和大氣湍流對電磁波的散射能力決定。

(1)風廓線雷達探測高度與脈沖重復周期(PRT)的關系

梁偉江等[14]采用半楓荷的提取物，用SD大鼠開展持續力竭游泳血瘀試驗，發現不同極性半楓荷提取物均能改善大鼠的血瘀狀態、液流變學及凝血相關指標，其中以水部位的作用最強，且水部位的作用表現出明顯的量效關系，因此認為半楓荷的提取物(水部位)具有顯著的活血化瘀的功能。但半楓荷活血化瘀的具體作用機制及其有效成分尚不清楚，有待進一步的研究。

在不考慮雷達自身參數和大氣湍流對探測高度的影響的情況下，風廓線雷達的最大探測高度Hmax決定于脈沖重復周期，利用公式表示為

式中c為電磁波傳播速度;TP為脈沖重復周期。

(2)風廓線雷達參數和大氣湍流對探測高度的影響

在風廓線雷達實際設計和探測時，雷達自身參數和大氣湍流對電磁波的散射能力是影響風廓線雷達最大有效探測高度的主要因素。通常用大氣折射率結構常數［5］(C2n)表示大氣湍流運動對電磁波后向散射能力。當雷達波處于湍流慣性子區時，文獻［6］給出了散射截面(η)與大氣折射率結構常數的關系

在式(6)中得到風廓線雷達實際的最大有效探測高度與發射功率Pt、天線增益G、脈沖寬度τ、饋線損耗L、雷達波長λ和大氣折射率結構常數成正比，與風廓線雷達的信號處理系統能夠提取的最小有效回波功率Pr成反比;Pr由雷達接收機能提取有用信號的最小信噪比決定。

2 機場風廓線雷達參數選擇分析

風切變是機場風廓線雷達的主要探測對象，本文統計西北地區西安咸陽國際機場、蘭州中川機場、西寧曹家堡機場和銀川河東機場在2011年和2013年發生的64次影響航空器飛行的風切變高度和時間分布，如圖1所示。

圖1 西北地區四大機場發生風切變分布圖

在圖1a)中可以看出，發生風切變的最大高度小于3 000 m，在高度小于100 m時發生風切變的比例為32.8%，在高度小于500 m發生的比例為81.3%，在高度大于500 m發生的比例才為18.7%。因此，在機場及其周邊影響航空器飛行的風切變主要集中在低空500 m以下，并且在低于100 m發生風切變的次數更加密集，而風切變發生的最大高度要小于3 000 m。在圖1b)中可以看出，在4、5、6、7和8月份(春夏季節)發生風切變頻率比較多，而在11、12和1月份(冬季)發生的頻率比較低。因此，民航機場對風廓線雷達有效探測低空風場的要求更高，在風廓線雷達參數選擇時更多考慮對低層風探測的有效性，而在最大探測高度只要大于或等于3 000 m即可，選擇邊界層風廓線雷達最好。

2.1 天線口徑的選擇分析

由于風廓線雷達的最低有效探測高度由脈沖寬度和相控陣天線口徑決定，風廓線雷達一般都采用全固態發射機，可以工作在比較窄的脈沖寬度，最小探測盲區可以降低到30 m，所以天線口徑的選擇是機場選擇風廓線雷達對低層風探測效果的主要考慮因素。現在風廓線雷達天線口徑主要設計在1.8 m～6.0 m，假定風廓線雷達波長λ=0.234 m，則相控陣雷達天線波束形成的最低高度如圖2所示。

圖2 不同天線口徑的最小波束形成高度曲線

機坪內或者機場周邊可以利用不同高度的測風傳感器實現對50 m以下風的測量，則機場風廓線雷達的最低探測高度應該低于50 m。結合圖2，當天線口徑在1.8 m～2.4 m之間可以滿足要求。

由式(6)可知，風廓線雷達探測的最大有效高度與天線增益G成正比，相控陣的天線增益可以表示為

在式(8)中得到天線口徑D的大小與風廓線雷達的最大探測高度成正比，由于滿足最低探測高度小于50 m的相控陣天線口徑在1.8 m～2.4 m，根據民航對低層風的應用需求天線口徑的最佳選擇為2.4 m。

2.2 機場溫濕度對風廓線雷達探測高度影響

根據機場利用風廓線雷達對風切變探測的需求，測風的高度應該大于3 000 m，在式(6)中可以看出大氣折射率常數是影響最大探測高度的一個重要因素。當忽略自由電荷的中性大氣［8］，根據柯爾莫哥洛夫在局地均勻各向同性湍流場的假設，在湍流慣性副區尺度范圍內，大氣折射率結構常數可以表示為

以西安咸陽國際機場為例分析溫度和濕度的變化對風廓線雷達最大探測高度的影響。西安咸陽國際機場的風廓線雷達是CFL-03邊界層風廓線雷達，發射功率為2 kW，脈沖頻率為1 290 MHz，天線口徑為3.6 m，脈沖寬度為0.4 μs。統計2012年風廓線雷達的每個月的實際探測高度平均值、高度300 m的大氣折射率常數和機場自動觀測站測得的每月的溫度和相對濕度的變化曲線如圖3所示。

圖3 西安咸陽國際機場風廓線雷達所測參數變化圖

在圖3中可以得到風廓線雷達實際的探測高度、大氣折射率常數和溫度、濕度的變化趨勢基本一致，在冬季1月、2月和12月溫度和濕度的值都比較小，大氣折射率常數在10-17的量級，風廓線雷達的實際探測高度小于2 500 m;到了春季3月、4月和5月溫度和濕度都逐漸增大，大氣折射率常數在10-16量級，風廓線雷達的實際探測高度大于2 500 m而小于3 000 m;到了夏季和初秋季節(6月、7月、8月、9月)溫度和濕度都達到非常大的值，大氣折射率常數也變得很大，特別在9月份濕度達到最大值，大氣折射率常數達到最大值在10-15的量級，風廓線雷達實際探測高度超過了4 000 m;到了10月和11月溫度和濕度又開始下降，大氣折射率常數又逐漸降到10-17的量級，風廓線雷達的實際探測高度又降到了3000 m以下。

圖4a)是在濕度為55% ～58%時，風廓線雷達實際探測的有效高度隨溫度的變化曲線，圖4b)是在溫度為20℃ ～23℃時，風廓線雷達實際探測的有效高度隨濕度的變化曲線。在圖4中可以得到，風廓線雷達的有效探測高度隨溫度和濕度的增大而增大，在圖4a)中當溫度小于5℃時，風廓線雷達有效探測高度變化比較小，并且都在2 000 m左右，當溫度大于25℃時有效的探測高度達到了3 000 m左右;在圖4b)中當濕度小于45%時，風廓線雷達的探測高度在2 000 m左右，而當濕度達到80%以上時，風廓線雷達的探測高度大于4 000 m。在圖4b)中風廓線雷達的有效探測高度隨濕度的變化范圍2 000 m～5 000 m要大于圖4a)中隨溫度的變化范圍2 000 m～3 000 m，并且變化梯度更大。

圖4 風廓線雷達隨溫度和濕度變化的有效探測高度曲線

2.3 發射功率的選擇

發射功率是影響風廓線雷達有效探測高度的重要參數之一，在式(6)可以得到發射功率和有效探測高度成正比。根據不同的機場氣候特點選擇不同的發射功率可以有效的改善由于大氣折射率常數不穩定對探測高度造成的起伏。當機場的溫度和濕度全年都比較穩定并且值比較大時，可以選擇偏小的發射功率，這樣不但可以保證風廓線雷達有效探測高度，而且可以減小了對設備的硬件的要求;當機場的溫度和濕度隨季節變化起伏比較大(特別是在某個季節濕度太小)或者機場的溫度和濕度全年溫濕度都比較小時，要選擇偏大的發射功率以確保風廓線雷達滿足機場的探高要求。

3 風廓線雷達在民航機場安裝位置的分析

風廓線雷達在機場安裝位置的選擇是民航氣象預報員利用雷達探測數據向外提供良好天氣服務的基礎。安裝位置的選擇主要考慮凈空、地理位置和風廓線雷達的有效探測高度。安裝位置對凈空的要求必須滿足在探空區間沒有遮擋物、周圍有沒有強電磁波和高大建筑物的影響。根據《民用航空氣象探測環境管理辦法》規定:風廓線雷達四周的障礙物對探測系統天線形成的遮蔽仰角應小于30°。安裝位置對地形位置的要求盡量遠離高大建筑物、大樹、山坡等遮蔽物，盡可能遠離強電場、磁場物體。風廓線雷達的安裝位置一定要考慮風廓線雷達的有效探測高度:當航空器(起飛或者降落時)路經風廓線雷達的探測區域時，航空器到天線平面的垂直高度應該大于風廓線雷達的最小有效探測高度。

4 結束語

本文系統地分析了根據機場的需求選擇的風廓線雷達參數和風廓線雷達在機場安裝時主要考慮的因素。(1)根據民航氣象對低空風切變的探測需求，風廓線雷達天線的直徑選擇2.4 m最好，既保證了探測低空風數據的有效性又使天線增益也比較大。(2)由于大氣折射率常數與溫度和濕度具有正相關性，在選擇風廓線雷達發射功率一定要考慮當地機場的溫度和濕度的變化特點，以保證風廓線雷達實際的探測高度滿足機場對風切變的最高探空需求。(3)在機場選擇風廓線雷達安裝位置時也要考慮風廓線雷達的有效探測高度。

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