風廓線雷達湍流探測應用研究

張志標，姜明波，杜智濤，劉可邦，初奕琦，楊 川

(1.北京應用氣象研究所，北京 100029；2.北京無線電測量研究所，北京 100854)

0 引言

大氣湍流是一種不規則的大氣運動方式，它由許多大小不同的大氣渦旋所組成。大氣湍流的存在使大氣中的動量、熱量、水汽和污染物的垂直和水平交換作用明顯增強，是大氣中的一種重要運動形式[1]。

由于大氣湍流伴隨的能量、動量、物質的傳遞和交換遠遠大于層流，因此其造成的擴散力、剪切應力也更加強烈。在航空氣象中，大氣湍流對于飛行器的影響很大，輕則造成飛行器顛簸，影響乘客的飛行體驗，增加飛機的疲勞損傷；重則導致飛機飛行姿態發生變化，使之難以控制，引發嚴重的飛行事故。因此研究大氣湍流及其變化規律對于飛行安全保障是很有必要的。

文章利用滿洲里西郊機場新建的邊界層風廓線雷達，選取了幾個典型晴天個例，分析湍流耗散率ε的時空分布特征，這對于機場上空的湍流監測、風切變識別以及航危天氣預警等業務的應用具有一定的參考意義。

1 設備數據與算法原理

1.1 設備與資料

文章使用的邊界層風廓線雷達是由中國航天科工二院23所生產的CFL-03型風廓線雷達，雷達的相關參數如表1所示。

表1 CFL-03型邊界層風廓線雷達主要技術參數

計算所用數據資料為2020年8月的雷達徑向基數據文件，文章在分析時選用了8月20日晴天個例進行分析，以此來降低降水粒子對雷達譜寬的影響，提高湍流耗散率計算精度。

1.2 算法原理

(1)

(2)

其中，Nastrom[3]給出了風切變和波束寬度對應譜寬的公式：

(3)

(4)

式中，VE為東波束徑向速度；φ1為東波束天頂角；VN為北波束徑向速度；φ1為北波束天頂角；VL為中波束徑向速度；(u，v)是水平風速分量；w是垂直風速分量。

此外，Campistron[4]等提出經驗公式：

(5)

White[5]等提出由湍流譜寬計算湍流強度的公式：

(6)

(7)

(8)

式中，A為Kolmogorov常數，定為：

A=1.6

L由抽樣時間間隔內平均水平風速vt和平均周期(停留時間)Δt計算得到：

L=vt×Δt

(9)

Δt=NSA(TNFFTNPA+t0)

(10)

式中，NSA是譜平均的個數；T是脈沖重復周期；NFFT是傅里葉變換的點數；NPA是脈沖平均個數(相干積分個數，相干積累)；t0是傅里葉變化處理時間。

a為波束橫截面的半徑，有：

a=R0×sinθ0.5≈R0×θ0.5

(11)

b為脈沖長度的一半，可由脈沖寬度τ計算得到：

b=τc/2

(12)

2 湍流耗散率可靠性分析

利用1.2章節相關公式計算得到滿洲里西郊機場8月的湍流耗散率ε分布結果，經過統計分析后發現當地2000 m以下湍流耗散率ε的變化范圍在10-7～100m2/s3，這一點與前人的研究結果相一致，可以認為得到的結果是有效的。

為驗證湍流耗散率ε計算結果的可靠性，將風廓線雷達的計算結果與其他設備獲取的湍流結果進行對比，比對數據包括機載QAR數據中的EDR記錄，激光雷達PPI掃描數據演算結果。由于不同設備數據時間分辨率不同，可用作比對的數據量有限，圖1為一次典型的比對結果案例。可以看到在300～900 m風廓線雷達數據計算結果與機載QAR數據結果一致性很高，而在500 m高度以下，風廓線雷達數據與激光雷達數據結果的變化趨勢也相符。考慮到不同設備之間的掃描方式、掃描區域差異的影響，可以認為風廓線雷達數據計算得到的湍流耗散率ε結果是可靠的。

圖1 風廓線雷達、激光雷達、機載QAR數據計算結果比對

3 湍流耗散率時空變化特征研究

通過分析滿洲里西郊機場8月數據發現，除去部分受天氣過程影響外，該地區典型晴天的湍流耗散率的日變化特征相似，文章選取2020-08-20作為典型案例進行分析討論。根據當天地表自動氣象站(距離風廓線雷達100 m以內)數據顯示，日最高氣溫為21 ℃，最低氣溫為11.5 ℃，全天地表風以西南風為主，風速變化具有明顯的日變化規律，白天風速波動劇烈，地表湍流較強，夜晚風速有所減弱，風速變化不再劇烈，湍流較弱。

風廓線計算得到的湍流耗散率ε隨著高度的增加整體呈減小的趨勢；此外，湍流耗散率ε具有較為明顯的日變化特征，白天ε較大，最大值可達10-1m2/s3量級(達到民航觸發低空湍流預警的閾值標準)，并且隨著溫度(太陽輻射)的增強，高值所能達到的高度不斷提高，到UTC時間04：00-06：00(北京時間12：00-14：00)達到最高，約1000 m左右，夜晚ε整體偏小，但局地也會出現零星的高值區域。

白天滿洲里機場低空(800 m左右向下)風速較強、對流運動較為強烈，受影響高度隨著溫度(太陽輻射)變化而變化，由于湍流運動與大氣運動、熱量傳遞有著密切關系，所以白天低空區域大氣湍流較為劇烈；此外，在900 m左右的高空，風速突然降低，使得這一區域由風切變引起的譜寬貢獻增加，相應的由湍流引起的譜寬貢獻減少，因此從900 m高度開始，湍流耗散率ε減小。夜晚，溫度(太陽輻射)降低，對流運動減弱，低空的水平風速整體較低，因此夜晚低空大氣湍流較弱；但UTC時間14：00-20：00期間，900 m以上以及300 m以下部分時段出現大風，相應的導致夜間部分高度出現湍流耗散率ε的高值點。

4 結束語

文章通過提取風廓線雷達觀測數據中湍流引起的譜寬數據，計算出湍流耗散率ε，用以表征不同高度大氣湍流運動的強弱，并利用此方法對滿洲里機場低空的大氣湍流時空變化特征進行了研究，主要得到以下結論：

1)滿洲里機場上空大氣湍流耗散率ε的變化范圍在10-7～100m2/s3，其結果與激光雷達數據、機載QAR數據相符，證明了基于風廓線雷達的湍流耗散率計算方法的可靠性；

2)湍流耗散率ε具有較為明顯的時空分布特征，在空間上隨著高度的增加整體呈現降低的趨勢，在時間上低空區域ε白天較大，夜晚減小，如出現局部的大風區域，會導致區域湍流耗散率ε增加；

3)風廓線計算得到的湍流耗散率ε與機載QAR記錄的數據結果一致性較好，可以用作機場湍流預警的參考標準。