氣象雷達(dá)在飛行安全中的應(yīng)用

曾世杰

（中國國際航空股份有限公司 西南分公司飛行部，四川 成都 610202）

1 前言

飛機在空中飛行時會遇到雷雨等災(zāi)害天氣，還會遇到風(fēng)切變、湍流和鳥類等危險事件，嚴(yán)重影響了飛機的正常安全飛行。近年來隨著我國民航的快速發(fā)展，空中流量變得越來越大，當(dāng)前民用航空運輸業(yè)用“安全第一，經(jīng)濟(jì)至上”來總結(jié)運營宗旨[1]。對于空中出現(xiàn)的任何一點問題將會是致命的，因此做好空中安全飛行十分重要，雷達(dá)的應(yīng)用變得越來越重要。雷達(dá)領(lǐng)域中的一個重要分支就是氣象雷達(dá)，作為重要的大氣探測工具，在醫(yī)療、能源、建筑、旅游、國防、航天、航空、海洋、林業(yè)、交通、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域被廣泛采用。接下來將探討氣象雷達(dá)在飛行安全中的應(yīng)用。

2 氣象雷達(dá)的工作原理

雷達(dá)是在電磁波條件下對目標(biāo)物的距離和特征實施探測的一種無線電設(shè)備，可以實現(xiàn)對目標(biāo)物自身的屬性測定（如圖1 所示氣象雷達(dá)的工作原理）。雷達(dá)工作時雷達(dá)設(shè)備發(fā)射電磁波信號，當(dāng)指數(shù)不均勻的物質(zhì)被電磁波信號照射到，雷達(dá)信號形成反射回波，并傳輸?shù)嚼走_(dá)接收器里，雷達(dá)天線接收反射波后送到接收設(shè)備里面，并迅速分析處理，獲取該物體的某些信息，包含目標(biāo)物體的距離大小、方位情況、速度等信息[2]。雷達(dá)領(lǐng)域中的一個重要分支就是氣象雷達(dá)，作為重要的大氣探測工具，在醫(yī)療、能源、建筑、旅游、國防、航天、航空、海洋、林業(yè)、交通、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域被廣泛采用[3]。

圖1 氣象雷達(dá)的工作原理

3 氣象雷達(dá)在飛行安全中的應(yīng)用

3.1 氣象雷達(dá)在空中鳥情的探測應(yīng)用

飛機在從起發(fā)階段到空中飛行的整個過程中速度達(dá)到幾百公里每小時，如此快的速度遇到任何障礙物都可以撞擊的粉碎，如果不能有效規(guī)避這些飛行障礙物，將會使得飛機的飛行安全受到極大威脅（如圖3 所示飛機撞鳥示意圖）。控制的障礙物往往以鳥類、蝙蝠等飛行物為主，民航中常說的鳥擊就是指航空器起降或者飛行過程中與鳥類、蝙蝠等飛行物相撞的事件，是飛機飛行的最大威脅之一，鳥擊危害被定義成A 類航空危害[4]。利用雷達(dá)識別鳥類目標(biāo)提升對鳥類活動情況的探測，構(gòu)建起一種探鳥雷達(dá)。為了有針對性地驅(qū)散和避開鳥群建立鳥擊預(yù)測模型，有效地降低鳥擊危害的頻率。同時鳥的大小直徑通常是幾厘米到幾十厘米，為得到鳥類目標(biāo)穩(wěn)定的 RCS 量值，探鳥雷達(dá)的工作波段應(yīng)是鳥類尺寸一樣的 S-Ka 波段[5]，這類特殊的雷達(dá)按照鳥類的各類體型反饋到飛行人員各種的波段模型，幫助飛機避開鳥群達(dá)到安全飛行。所以應(yīng)用雷達(dá)實現(xiàn)鳥類活動探測有一定的理論可行性。

圖3 飛機撞鳥示意圖

3.2 氣象雷達(dá)實現(xiàn)大氣湍流的探測運用

大氣湍流在氣象學(xué)中被解釋成大氣做快速且不規(guī)則運動。不規(guī)則運動主要表現(xiàn)在氣流向四面大方運動而且速度非常快且變化莫測，湍流并不是伴隨大氣湍流與降雨量、無規(guī)律的回波形狀與快速升降的雨梯度出現(xiàn)（圖2 所示氣象雷達(dá)探測大氣湍流）。飛機進(jìn)入大氣湍流會造成飛機的飛行困難[6]。普通的氣象雷達(dá)只能借助大氣湍流與降雨量、無規(guī)律的回波形狀與快速升降的雨梯度等來識別大氣湍流，導(dǎo)致測量的結(jié)果并不能快速有效。隨著多普勒技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，在氣象雷達(dá)的探測過程中采用多普勒技術(shù)把湍流運動使用回波模型表現(xiàn)出來，雷達(dá)將湍流解釋為微粒運動速度不規(guī)則、速度偏差大的氣象活動，雷達(dá)在實現(xiàn)探測過程中把這種速度偏差具體成某一頻譜，那么探測湍流的變化就成為頻譜變化，監(jiān)控人員就能實現(xiàn)對頻譜寬度的實時監(jiān)控，以此確保飛機飛行安全。

圖2 氣象雷達(dá)探測大氣湍流

3.3 氣象雷達(dá)實現(xiàn)風(fēng)切變的探測運用

飛機在空中飛行時，速度較快，風(fēng)向和風(fēng)速對飛機有著很大的影響，而飛速改變迅速，無法有效捉摸，通常國際航空與氣象界是按照實例，把在600 米以下的風(fēng)切變定性為飛機起飛著陸過程的“ 無形殺手”。風(fēng)切變是小尺度風(fēng)向或者風(fēng)速瞬間改變的航空現(xiàn)象，飛機在空中飛行時稍有差池就會造成機體損壞，嚴(yán)重的還會導(dǎo)致飛機失事，嚴(yán)重降低了飛機的安全率。通過有效采用氣象雷達(dá)，建立低空風(fēng)切變的預(yù)警系統(tǒng)或者風(fēng)廓線儀、機場終端多普勒雷達(dá)系統(tǒng)、測風(fēng)激光雷達(dá)和集成業(yè)務(wù)化風(fēng)切變警報系統(tǒng)，對不同天氣狀況的風(fēng)切變進(jìn)行觀測，提前避開風(fēng)切變，提高飛行安全性。

3.4 氣象雷達(dá)實現(xiàn)飛機尾流的探測運用

飛機尾流是飛機在飛行過程中出現(xiàn)的一類不規(guī)則的飛行運動，是跟隨在飛機之后的兩個反向旋轉(zhuǎn)的圓錐式渦旋氣團(tuán)，也可以說飛機尾流就是大氣湍流的一種形式。飛機尾流會造成飛機發(fā)生下沉、抖動等情況，嚴(yán)重的還會造成發(fā)動機停止或飛行狀態(tài)的發(fā)生改變。利用氣象雷達(dá)對飛機尾流進(jìn)行有效檢測，獲得風(fēng)場的具體探測數(shù)據(jù)，把探測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，包括收集的大氣環(huán)境溫度、風(fēng)場信息、濕度等氣象數(shù)據(jù)，再借助有關(guān)的計算機系統(tǒng)生成對應(yīng)的飛機尾流變化模型，從模型的變化表現(xiàn)認(rèn)識具體尾流現(xiàn)象，以此達(dá)到在飛機實際飛行過程中尾流變化的監(jiān)測。