激光測風雷達研究微下?lián)舯┝饕l(fā)的低空風切變

張 濤，黎 倩，鄭佳鋒*，張文玲，范 琪，張 杰

(1.成都市氣象局，成都 611130；2.成都信息工程大學 大氣科學學院 高原大氣與環(huán)境四川省重點實驗室，成都 610225；3.中國民航 青海空管分局 氣象臺，西寧 810000；4.西南技術(shù)物理研究所，成都 610041)

引 言

航空氣象學中，低空風切變是離地面600m以下，風矢量或其分量沿垂直方向或某一水平方向的變化[1]。國際民航組織(International Civil Aviation Organization，ICAO)規(guī)定風切變因子是空間中相隔30m兩點之間的風矢量差，單位為s-1。根據(jù)風切變因子可將風切變強度分為輕微、中度、重度、嚴重4個等級[1]。低空風切變具有空間尺度小、破壞性強、生命史短等特點，常常由雷暴的強下沉氣流、下?lián)舯┝鳌㈥囷L鋒等中小尺度天氣系統(tǒng)產(chǎn)生[2]，一直以來都是監(jiān)測及預(yù)報預(yù)警的難點。統(tǒng)計分析表明，大部分飛機在機場起降時發(fā)生的事故都是由低空風切變造成的[3-4]。因此，應(yīng)對低空風切變的正確對策是在航線上提前發(fā)現(xiàn)并實施有效規(guī)避[5]。

自1976年ICAO將低空風切變作為重點研究以來，越來越多的學者關(guān)注風切變的監(jiān)測、成因、識別及預(yù)警。目前認識到的風切變成因有雷暴及出流、鋒面、海陸風、低空急流、低層逆溫、飛機尾渦流、地形環(huán)境等[6]。為更好地對低空風切變進行預(yù)警，國內(nèi)外開展了一系列的風切變識別算法研究，目前已有基于徑向和切向的組合梯度法[7-8]、基于人工智能法[9]、最小二乘法與其改進法[10-12]和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等識別方法[13]。這些算法所運用的風探測資料不同，精度不同，因而識別效果也有所不同。

傳統(tǒng)的風切變探測手段有多普勒天氣雷達、L波段探空系統(tǒng)、多普勒聲雷達、風廓線雷達和鐵塔等。多普勒天氣雷達接收云滴和雨滴等氣象目標物的后向散射，從一系列回波振幅和相位中提取平均徑向速度，從而計算風切變，在降雨時對風切變信息有較好的測量，但空間分辨隨距離增加而降低，并常受地雜波的影響。L波段探空系統(tǒng)，通過追蹤氣球上升過程中的仰角、方位角、斜距或高度來獲取不同高度上的風向風速，測風精度高，垂直觀測高度從地面直達30km高空，但探空每日只有兩次觀測。多普勒聲雷達利用湍流中大氣折射率不均勻分布的特性，測量回波信號在頻域的多普勒頻移[14]，垂直觀測范圍為幾十米直至1km，具有測風精度高的優(yōu)點，但只能獲取雷達上方區(qū)域風場，且在近地面幾十米高度內(nèi)風場測量能力不足[15]。風廓線雷達主要利用大氣湍流對電磁波的散射作用，對大氣風場等物理量進行探測[16]，不僅能獲得高時空分辨率的水平風場，還能獲得垂直速度，其缺點與聲雷達相似，且易受降水的干擾[15]。氣象觀測鐵塔可以直接搭載風杯來觀測風，但其垂直觀測高度僅幾百米，且對機場飛行安全有影響，故它和L波段探空數(shù)據(jù)常作為標準值來校對其它遙感設(shè)備的風場資料。

近年來，多普勒激光測風雷達作為風切變探測的新型設(shè)備，具有空間掃描方式靈活、高時空分辨率、不受地物雜波干擾、不干擾正常的導(dǎo)航通信等優(yōu)點，在晴空風場測量中發(fā)揮著越來越重要的作用[14,17-19]。例如，香港機場自引進多普勒激光測風雷達后，低空風切變的探測概率由50%上升至95%左右。本文中聯(lián)合激光測風雷達、風廓線雷達、多普勒天氣雷達3種雷達產(chǎn)品數(shù)據(jù)，對西寧曹家堡機場一次微下?lián)舯┝饕l(fā)的低空風切變進行分析，首先介紹此次多普勒天氣雷觀測與不足，其次分析風廓線雷達觀測到的強下沉氣流與切變特征，最后利用激光測風雷達研究微下?lián)舯┝鞯木毥Y(jié)構(gòu)以及低空風切變的形成機理，以求為風切變預(yù)警和飛行安全提供科學依據(jù)。

1 資料和設(shè)備

機場跑道旁的自動氣象觀測0.5min或1.0min時間間隔氣象要素、3-D激光測風雷達資料、邊界層風廓線雷達資料以及西寧C波段多普勒天氣雷達資料。機場位于西寧天氣雷達東偏南方向，距離24km左右，其它儀器分布如圖1所示。

Fig.1 The distribution diagram of observation instruments at Xining Airport

本文中3-D激光測風雷達由成都西南技術(shù)物理研究所研制，采用脈沖激光相干探測體制及全光纖相干光路結(jié)構(gòu)[19]，以穩(wěn)頻脈沖激光作為照射光源，以大氣中直徑為0.1μm～100μm大小的氣溶膠粒子作為探測目標，通過接收大氣中隨風飄移氣溶膠顆粒的散射回波信號并與雷達本振光進行相干混頻獲取多普勒頻移，并通過對中頻信號的數(shù)字鑒頻技術(shù)來獲得激光束視線方向的徑向風矢量[20]。該雷達具有靈敏度高、工作模式多樣、可靠性高、功耗低、體積小、移動方便等特點，其發(fā)射激光波長為1.55μm，整機平均電功率約200W，最大探測距離可達10km，風速可測范圍為-60m·s-1～60m·s-1，空間和時間分辨率分別為30m和2s。工作模式具有多普勒光束擺動(Doppler beam swinging,DBS)、平面位置指示(plane position indicator,PPI)、量程高度指示(range height indicator,RHI)及下滑道(glide path,GP)等多種復(fù)合掃描方式。原始數(shù)據(jù)包括徑向風速、頻譜數(shù)據(jù)、回波信噪比、回波譜強度等；產(chǎn)品數(shù)據(jù)包含風廓線(風速風向、垂直氣流)；PPI/RHI/CAPPI徑向風場分布圖、跑道縱風和側(cè)風及切變等。其中CA(constant altitude)表示等高。雷達主要性能參量如表1所示。

Table 1 Main technical parameters of 3-D wind lidar

2 實況分析

2.1 飛機復(fù)飛情況

根據(jù)西寧曹家堡國際機場航空器空中報告，2018-04-26T13:28左右(北京時間，下同)，川航8821客機在11號跑道入口約15.24m高度觸發(fā)風切變警告，導(dǎo)致飛機復(fù)飛。

2.2 機場地面自動站實況

復(fù)飛前后， 11號跑道人工觀測表明，天空為3個量積雨云，云底高900m左右。圖2為13:24～13:36西寧機場11號、29號跑道間隔30s的風速風向時序圖。其中點虛線為復(fù)飛時刻。如圖2a所示，11號跑道，復(fù)飛前以西南風為主，風速4m/s～6m/s；觸發(fā)風切變時，30s內(nèi)風向突變52°，風速增大3m/s；復(fù)飛時以偏西風為主，最大風速10.5m/s，最大最小風速差為8.3m/s，表明近地面存在顯著風切變。11號跑道(見圖2c)在復(fù)飛時氣壓略有波動；5min氣溫下降0.6℃，并在13:36后氣溫開始回升。如圖2b所示，29號跑道，復(fù)飛前后風向以西南風為主，間斷出現(xiàn)偏南風，風速差最大為2.8m/s，無顯著風切變存在。對比11號和29號跑道風向風速特征，氣溫變化特征，并結(jié)合機場跑道長度可知，小尺度風切變造成了此次復(fù)飛。

3 天氣雷達分析結(jié)果

西寧多普勒天氣雷達資料監(jiān)測表明，13:00～14:00機場以北有降水云系自東偏北方向向西偏南方向移動。機場上空，13:24雷達回波為10dBZ～20dBZ(Z為反射率因子)，13:30最大反射率因子增至33dBZ(見圖3a)，對流單體的水平尺度為600m，回波頂高為5km，13:37機場上空最大反射率因子降低至28dBZ。13:30 PPI圖上，0.5°～1.5°仰角反射率因子圖上機場上空并無大于-5dBZ的回波存在(圖略)，同樣在0.5°徑向速度圖上也無回波信號(見圖3b)，結(jié)合當時人工觀測云底位于900m左右，此次風切變事件可能是云體前部下沉氣流引起，但天氣雷達無法獲取下沉氣流的相關(guān)信息。綜合切變產(chǎn)品(見圖3c)表明機場附近風切變值高達到1.0×10-2s-1～1.50×10-2s-1，但離機場跑道仍有一定的距離，僅能作為風切變的一種警示。低仰角無云雨回波信號表明低空為晴空大氣，為激光雷達測風提供了客觀條件。圖中,CR(composite reflectivity)表示組合反射率因子，v表示平均徑向速度，CS(combined shear)表示組合切變。

Fig.2 Meteorological element charts of Xining Airport on 2018-04- 26

Fig.3 Product charts of Xining Doppler weather radar at 2018-04-26T13:30

4 水平風廓線和垂直氣流特征

由于低空風切變位于11號跑道入口處，故選用11號跑道附近的風廓線雷達資料進行分析。圖4a為12:40～14:00水平風垂直廓線時序圖。此間風向風速的突變和不連續(xù)主要位于近地面1km以下，為典型的低空風切變。對流系統(tǒng)影響前12:40～13:12，2.5km高度以下以偏東風為主，僅在近地面出現(xiàn)短暫的西風或西南風，2.0km～3.5km風向隨高逆轉(zhuǎn)表明該區(qū)域有冷平流侵入。13:16～13:24受對流系統(tǒng)影響，亂流現(xiàn)象十分明顯，導(dǎo)致2.0km～3.5km和0.75km以下水平風數(shù)據(jù)缺失。13:28復(fù)飛時，0.5km高度處瞬時風速增至23.2m/s，表明有風切變存在；隨后13:32，0.5km附近西南風突變?yōu)槲鞅憋L，0.225km處存在垂直風切變。復(fù)飛后，近地面1.0km以下仍存在顯著風切變和亂流現(xiàn)象，特別是13:40時，近地面0.125km高度處觀測到水平風為41.9m/s，對飛行安全仍存在很大威脅。經(jīng)過兩個時次的數(shù)據(jù)缺失后13:52近地面的風速明顯減小，風向垂直切變減弱，表明對流系統(tǒng)在11號跑道影響趨于結(jié)束。

Fig.4 The profile charts of horizontal wind and vertical wind obtained by the wind profiler radar during 2018-04-26T12:40～14:00

垂直風速時序圖如圖4b所示，12:40～13:12對流系統(tǒng)影響以前，2.0km以下由弱下沉氣流轉(zhuǎn)為上升氣流為主；2.0km以上為下沉氣流，并隨時間推移不斷向下傳播1.5km處，結(jié)合水平風風向變化，可知這支下沉氣流為干冷空氣。較暖的上升氣流和干冷空氣在1.5km高度附近交匯，為對流系統(tǒng)維持或發(fā)展提供了動力條件。13:24時，1.5km高度附近轉(zhuǎn)為下沉氣流，0.5km～1.0km的下沉氣流速度也有所增大，表明下沉氣流在持續(xù)下傳并加速。復(fù)飛時，3.0km以下均為下沉氣流，且最大下沉速度為3.7m/s。13:32～13:40下沉氣流維持，最大下沉速度在近地面增至7.6m/s，根據(jù)氣體連續(xù)方程，強烈的下沉氣流將在近地面形成冷空氣堆積，并向外流出，從而形成風切變，這也與飛機復(fù)飛時刻相吻合。

綜上所述，干冷空氣侵入后，空氣在2.0km處附近加速下沉，強下沉氣流到達近地面并向外流形成低空風切變。通過水平風廓線上的風向突變能分析出對流系統(tǒng)影響機場的時間，但遺憾的是對造成此次復(fù)飛的超低空風切變體現(xiàn)不足，所觀測到的風速也偏小。此次風切變中，0.5km～2.0km高度處上升氣流迅速轉(zhuǎn)為強度相當?shù)南鲁翚饬鬏^近地面低空風切變的發(fā)生時間早4min左右。從下沉氣流強度和高度來判斷，對飛機飛行安全影響較大時段為13:28～13:40。

5 風切變的細致結(jié)構(gòu)和成因分析

5.1 徑向速度和風矢量特征

首先分析風切變在徑向速度場上的特征，如圖5中的填色圖所示。從時間演變上來看，在11號跑道延長線上的方框右下部，即激光雷達正西方向距離1000m附近，徑向速度圖上有突變。在13:29前后(見圖5b)，該處表現(xiàn)為沿徑向方向的顯著輻散速度對，在1km范圍內(nèi)徑向速度從-8m/s快速轉(zhuǎn)變?yōu)?m/s，該輻散速度對在13:31前后(見圖5c)強度維持并略有加強。13:33前后(見圖5d)徑向速度上的大值區(qū)(±8m/s)分別向11號跑道延長線和11號跑道移動，隨時間推移，位于延長線方向的大值區(qū)減弱消失，而跑道上的大值區(qū)維持。

Fig.5 PPI scanning charts of 3-D wind lidar on 2018-04-26 (the radial wind is represented by the color map, the wind vector is represented by the arrow)

激光測風雷達反演的風場信息如圖5中矢量箭頭所示，在13:27前后(見圖5a)風矢量為正南北向為主，對應(yīng)最大風切變值為0.066s-1，為輕度風切變(根據(jù)ICAO規(guī)定)。13:29前后(見圖5b)，在標記為G的附近，風矢量指向四周，即下沉氣流到達近地面向四周形成輻散，最大風切變值增大為0.084s-1，為中等風切變。下沉氣流的繼續(xù)維持，使圖5c中的最大風切變值繼續(xù)增大，為0.091s-1，風矢量的輻散中心較上一個時次向右下方移動了200m左右。同時也可發(fā)現(xiàn)，在11號跑道上(標記為A)的風矢量已從上一個時次(見圖5b)的偏南風矢量轉(zhuǎn)為西南風矢量，根據(jù)雷達掃描距離圈測定，風矢量的轉(zhuǎn)變區(qū)達到1km，即在96s(一個扇形PPI)內(nèi)輻散氣流向四周擴散了1km；而在11號跑道的延長線上B區(qū)域，風矢量較上一個時刻變化甚小，考慮雷達波束隨距離增大而變高的特點，推測可能是下沉在地面形成的輻散氣流十分淺薄，這與FUJITA[21]提出的下?lián)舯┝鞯?維結(jié)構(gòu)相一致。如圖5d所示，13:33前后風矢量的輻散中心回撤到圖5b中相近的位置，四周的輻散風矢量有所減小，該區(qū)域內(nèi)的最大風切變值也降至0.064s-1，故此時下沉氣流強度正在減弱，配合天氣雷達在機場上空沒有觀測到強對流單體，可以預(yù)測風切變將會繼續(xù)減弱，對飛機著陸安全的威脅也將減小。事實亦如此，如圖5e、圖5f所示，最大風切變值降低到0.058s-1，再到0.056s-1，水平風風向風速也與13:32～13:36風廓線雷達所測基本一致(見圖4a)。根據(jù)輻散氣流和環(huán)境風的過渡邊界線，對比圖5b～圖5d可知，此次強下沉氣流在近地面形成的輻散氣流水平尺度在3km左右。

5.2 雷暴高壓

圖6a中11號跑道入口延長線方向上為較一致的南風，此時無對流系統(tǒng)影響，故南風代表此時大氣風場，此時距離11號跑道入口50m高度(圖中標記為A的附近)處南風風速最大為13.0m/s。13:29前后，如圖6b所示，在A、B區(qū)域之間有風場呈反氣旋(順時針)旋轉(zhuǎn)，5min氣溫下降0.6℃(見第2.2節(jié))，結(jié)合風矢量場上的輻散特征，表明此處有雷暴高壓存在(圖中標記為G)。對比圖6a、圖6b可知，B處附近風速明顯減小，且B處南側(cè)環(huán)境風為東南風，而A處附近風速顯著增大，大風速區(qū)在跑道入口形成風切變，切變強度增強至中等強度，促使飛機復(fù)飛。A,B兩區(qū)域的風速變化概念圖如圖6c所示，A處的風是雷暴高壓中輻散風和環(huán)境風的同相疊加，故風速增大，對應(yīng)時刻在地面50m高度處觀測到18.0m/s的災(zāi)害性大風；而B處雷暴高壓輻散風抵消了部分環(huán)境風，則離雷暴高壓越近，實際風風速變得越小。到13:31前后(見圖6d)，雷暴高壓較圖6b略有南移，水平尺度不變，由于持續(xù)的下沉氣流向外輻散在B區(qū)的南側(cè)形成了輻合線甚至是對頭風；A處對應(yīng)的風向基本不變，但最大風速減小到了14.3m/s，因為此時A處的風以雷暴高壓向北側(cè)輻散氣流為主。雖然在11號跑道的延長線上水平風速有所減小，但強烈下沉氣流作用形成的風切變從0.084m/s增加至0.091m/s，仍將對飛行安全形成威脅。13:33前后，雷暴高壓四周輻射環(huán)流維持(見圖5d)，但順時針旋轉(zhuǎn)特征明顯減弱，且高壓中心的風速也有所減小。而到13:35前后，在雷暴高壓南側(cè)，由于偏南風和高壓輻散風的輻合，弱風速帶進一步增大，同時雷暴高壓的順時針旋轉(zhuǎn)的風場特征趨于消失。

Fig.6 Schematic diagram of wind vector composition the horizontal wind charts inversion by 3-D wind lidar (the location of thunderstorm high is denoted by the letter G)

綜上所述，微下?lián)舯┝髟诮孛娑逊e形成雷暴高壓，雷暴高壓中氣流向外輻散形成了風切變。而造成此次復(fù)飛的直接原因是，雷暴高壓向外輻散氣流和環(huán)境風相疊加而形成的強低空風切變。下?lián)舯┝髟赑PI徑向速度場上表征為顯著的輻散速度對，1km范圍內(nèi)正負徑向速度差值達16m/s以上。激光測風雷達不僅能觀測到雷暴高壓的中心位置和順時針旋轉(zhuǎn)特征，還能確高壓區(qū)域大小和強度變化，更重要的是能實時動態(tài)跟蹤風切變區(qū)，對飛行安全提供精細預(yù)警。風廓線雷達能很好地捕捉強下沉氣流的時間和強度，但對強出流形成的低空風切變影響區(qū)域及邊界無法獲悉，與飛行保障的高精細要求有一定差距，相比之下，激光測風雷達更具優(yōu)勢。

6 結(jié) 論

通過對2018-04-26影響西寧曹家堡機場的一次較強低空風切變過程的結(jié)構(gòu)細致分析，并探討其形成機理。

(1)西寧天氣雷達和機場人工觀測表明，復(fù)飛前后，積雨云位于機場附近，機場上空云量少，為激光測風雷達探測提供了條件。由于復(fù)飛高度極低，越多的近地面風數(shù)據(jù)對飛行安全越有保障，故激光測風雷達PPI掃描模式獲取的高精度風場信息尤為重要。

(2)2.0km以下的垂直氣流由上升氣流迅速轉(zhuǎn)為強下沉氣流，徑向速度圖上存在明顯的正負速度對，水平風場上有順時針旋轉(zhuǎn)特征和超過18.0m/s的水平風存在，表明下?lián)舯┝魇窃斐纱舜蔚涂诊L切變的主要原因。進一步分析表明，雷暴高壓向外輻散氣流和環(huán)境風相疊加是低空風切變形成的直接原因。

(3)風廓線雷達資料表明，冷空氣在2.0km高度附近加速下沉，在近地面形成強下沉氣流后，向外輻散而觸發(fā)低空風切變。0.4km～2.0km高度處上升氣流迅速轉(zhuǎn)為下沉氣流的時刻，較低空風切變發(fā)生有約4min的提前量。風廓線雷達受對流系統(tǒng)或亂流的影響，反演數(shù)據(jù)缺失率較高，難以獲得更精細的低空風切變結(jié)構(gòu)。

(4)激光測風雷達表明，此次下?lián)舯┝餍纬傻妮椛饬魉匠叨仍?km左右，影響時間為8min左右，為微下?lián)舯┝鳌臅r間上講，此次微下?lián)舯┝鲗︼w行威脅最大是產(chǎn)生初期，因為最大水平風發(fā)生在下?lián)舯┝鞒跗冢畲箫L切變緊隨最大水平風產(chǎn)生。

(5)本次過程中飛機航線位于輻散氣流邊緣區(qū)，輻散氣流以垂直跑道延長線為主，此種情況下增加快速的下滑道掃描方式對飛機飛行安全更為有利。