基于1.55 μm激光雷達的晴空風切變結構研究

白寒冰,陳 誠,林 彤

(1.中國民用航空西北地區空中交通管理局寧夏分局,寧夏 銀川 750004;2.中國民用航空華東地區空中交通管理局福建分局,福建 福州 350000;3.寧夏防災減災重點實驗室,寧夏 銀川 750002)

1 引 言

民用航空規范中的低空風切變是指跑道及周邊區域600 m高度以下風向或風速突然變化的現象。低空風切變尺度小、變化快、難于探測,被航空界稱為“隱形殺手”[1-2]。20世紀70年代,Fujita[3]指出雷暴強烈下沉氣流造成的低空風切變是導致飛機失事的直接原因。傳統測風設備在低空風切變探測方面存在局限性[2,4],例如地表風速計只能單點探測水平風切變;多普勒天氣雷達無法探測晴空條件下的風切變;風廓線雷達無法進行全方位掃描,因此無法提前預警低空風切變。以往研究利用傳統探測設備對典型風切變個例進行詳細剖析[5-6];也有部分研究關注長時間段內風切變的統計特征及規律[7-8],但受限于設備探測能力,涉及風切變結構的研究尚且較少,亟需進行研究。

激光頻段的雷達近年來逐漸被用于低空風場與風切變探測[2,9-11]。激光測風雷達具有探測分辨率高、測速精準、數據實時性好等優點。胡楊[12]等對1.55 μm全光纖相干多普勒激光測風雷達的測速性能進行測試,仿真與實際實驗均表明激光雷達測量結果具有穩定性與準確性。范琪等[13-14]以及馮力天等[15]的研究指出,在地理氣候條件復雜的高原機場進行測試,不同天氣條件下,全光纖相干激光測風雷達對低空風場與風切變的探測能力較優。以往有學者利用激光測風雷達對機場的典型風切變過程進行分析[16-17],但激光測風雷達在國內民航機場的應用仍處在起步階段,利用1.55 μm激光雷達研究低空風切變結構還需要更多工作。

寧夏北部春季受高空急流影響,配合冷空氣南下,常出現大風沙塵及低空風切變天氣[18-19]。銀川機場屬于西部高原機場,獨特的地形地貌使機場具有晴空風切變多發的特征。目前使用激光雷達探測晴空風切變是較為理想的辦法,可彌補傳統風場探測設備的不足[13,20]。本研究的特點在于利用激光測風雷達可多角度探測風場信息的優點,研究典型高原機場晴空條件下的風切變結構以及風切變過程中的三維風場變化,這對晴空風切變研究有意義,同時也可為其他尚未配備激光測風雷達的高原機場或其他有需要的單位提供參考。因此本文對銀川機場2022年2月13日一次典型晴空低空風切變過程進行研究,利用1.55 μm激光測風雷達數據分析此次低空風切變的結構和演變特征。

2 實驗原理

2.1 天氣形勢

利用美國國家大氣研究中心NCAR/NCEP再分析資料(1°×1°分辨率)分析風切變發生當日天氣背景。如圖1為2022年2月13日14時(北京時間,下同)各層氣象要素場(圖中星號表示銀川機場位置)。300 hPa上高空急流位于30°N附近(圖1(a)),河套地區位于急流左側輻合區,500 hPa上河套北部處于急流最大風速中心(圖1(b)),850hPa上河套地區有明顯冷平流活動(圖1(c)),海平面氣壓場上(圖1(d))我國華北至西北地區受帶狀冷高壓控制。綜合各層要素場結果可知,當日午后天氣形勢有利于下沉運動及動量下傳風發展,河西至河套地區白天地面風速有增大的趨勢。

圖1 2022年2月13日14時各層氣象要素場

2.2 自動觀測系統風場變化

如圖2為風切變發生前后03#與21#跑道地面觀測系統所測得的風向風速數據結果。柱狀圖表示風向,圖中兩條虛線參考線與中線將Y軸分為四個區域,風向度數范圍分別代表西北(NW)、西南(SW)、東南(SE)、東北(NE)。折線圖則代表風速,圓圈與圓圈之間連接實線表示風速突然增大的時刻及增大幅度。機場21#跑道的自動觀測系統設備位于跑道北端,15∶48此處風向由西南風快速轉為東北風,風速增幅約8 m/s(圖2(a))。而03#跑道風向轉變的時間在16∶00,比21#跑道晚12 min,且風速增幅較小(圖2(b))。

圖2 2022年2月13日15:20～16:30跑道自動觀測系統風數據時間序列

機場預報業務中常利用自動觀測系統實時風場數據發布風切變預警,預報員發現跑道兩端風向風速差異過大或出現對頭風時,判斷可能存在低空風切變進而發布預警。本次風切變過程的預警發布時間為15∶50,此時跑道北端風向已經轉變(圖2(a)),跑道兩端存在對頭風現象。自動觀測系統實時風數據對風切變進行預警的提前量很少,往往是在風切變已經發生之后才發布預警,不利于航空飛行安全。因此業務中需要配合激光測風雷達對低空風切變過程進行監測,提前預警發布時間。

3 實驗過程

銀川機場位于銀川平原東南(圖3),毗鄰黃河與戈壁,周邊地形特殊。機場跑道全長3.2 km,為東北(21#)-西南(03#)走向,測風設備包括三套自動觀測系統和一部三維激光測風雷達。該雷達是一部多普勒脈沖相干體制及全光纖結構的激光雷達,雷達工作波長為1550 nm,距離、高度分辨率為100 m(可調整),探測數據包括徑向速度、水平風向風速、垂直風向風速、信噪比、風切變強度和頻譜強度等,具體參數可見表1。激光測風雷達具有風廓線探測模式、掃描探測模式(含RHI、PPI探測模式)、綜合掃描模式和飛機起降通道等不同的掃描模式。風廓線掃描模式、PPI模式和飛機起降通道模式具備風切變監測、預警功能,可對嚴重危害飛機起降的風切變進行預警。為了實現風場的三維探測,銀川機場激光測風雷達采用多種掃描模式混合運行,混合運行包括1次多普勒波束擺動(DBS)掃描、1次4°的平面位置顯示(PPI)掃描、1次6°的PPI掃描、1次-10°～190°的距離高度顯示(RHI)掃描(沿跑道兩端方向)、1次03#起降通道(GP)掃描和1次21#起降通道(GP)掃描。激光測風雷達在銀川機場連續運行并探測到此次晴空風切變發生時段的風場信息,本文將利用激光測風雷達風場數據對此次晴空風切變的結構進行分析。

表1 激光測風雷達主要性能參數

圖3 銀川機場地理環境及激光雷達位置

4 基于激光測風雷達的風切變結構分析

4.1 風切變的垂直結構特征

激光測風雷達采用四波來實現波束擺動掃描,并反演計算大氣風廓線。多普勒波束擺動(DBS)掃描模式獲取的風廓線數據可用于分析風場的垂直結構。圖4為2022年2月13日15∶29∶52～16∶03∶19 DBS模式風廓線結果。15∶29雷達上空1500 m以上為較強偏北風,以下逐漸轉為偏西風至西南風。15∶30～15∶49期間偏北風高度隨時間下降,由1500 m逐漸下降至700 m,垂直速度結果中代表下沉運動的負速度同樣有下沉的特征,該現象表明大氣出現動量下傳現象。偏北風在15∶49～15∶56下降至地面,1000 m以下轉為北風控制,而1000～1500 m高度層(黑色虛線橢圓)出現西南風,結合同一時刻垂直速度,該高度層附近有較強上升運動,可知該現象對應偏北風引導冷空氣接地后,導致暖空氣被迫抬升,從而形成局地上升運動。之后地面風速增大,16∶03出現了超過12 m/s的陣風。

圖4 2022年2月13日15:29:52～16:03:19激光測風雷達DBS模式水平風及垂直風(單位:m/s)

激光測風雷達的距離高度顯示(RHI)掃描,指雷達以某一固定方位角做俯仰切片式掃描的探測方式,可提供剖面徑向速度信息,方便了解風場內部結構。如圖5為風切變影響機場前后六個時刻的RHI掃描結果。以雷達為中心,左側為03#跑道,右側為21#跑道。15∶28時(圖5(a))1000 m以下雷達左側為負速度,右側為正速度,而1000 m以上徑向速度方向相反,表明此高度上下存在水平風垂直切變現象(黑色虛線)。15∶35(圖5(b))雷達右側4～8 km處有負速度從高空連接至地面,破壞了分層結構,表明此處出現偏北氣流下沉,與之相持的是環境場偏南氣流,二者形成的水平風切變位于雷達右側3 km處,其垂直高度約1000 m。15∶48(圖5(c))偏北風引導冷空氣呈楔形從近地層嵌入(左向空心箭頭),導致前方暖空氣抬升(右向空心箭頭)。至15∶55(圖5(d))雷達左右均為負速度,水平風切變已經移動到雷達附近,此時跑道兩端出現南北對頭風,其中偏北風風速較大。值得注意的是此時雷達上空有正速度中心,對應冷空氣前端被迫抬升的暖空氣,這一現象與DBS掃描模式結果中15∶56的強上升運動吻合。16∶02(圖5(e))水平風切變移過雷達至左側2 km處,隨后的16∶15(圖5(f))RHI掃描范圍內約700 m以下為較強偏北風,以上為偏南風,與15∶28時的風場結構幾乎相反,水平風垂直切變也更強,風場完成了一次南風到北風的轉換。此外,15∶35時發現負速度接地時預報員可以判斷機場即將出現低空風切變。

圖5 激光測風雷達RHI模式不同時刻徑向速度(單位:m/s)

4.2 風切變的水平結構特征

激光雷達平面位置顯示(PPI)掃描,指雷達以某一固定仰角做全方位掃描的探測方式,其掃描獲取的數據實際上是在該仰角所對應錐面上的風場及徑向速度信息,可通過PPI產品來分析機場上空及周邊風切變的水平結構。如圖6為風切變影響機場前后六個時刻的6°仰角PPI徑向速度和水平風場。15∶34(圖6(a))機場跑道上為西南風,在雷達東北方向4～6 km處可觀察到負徑向速度區域(黑色虛線橢圓),表明此處出現逆風區,與RHI模式15∶35的結果對應。15∶47時(圖6(b))上述逆風區加強并向西南方向移動,逆風區內水平風場出現東北風。至15∶54(圖6(c))逆風區前沿移動至跑道北端,呈現出大風區特有的弓形,其后部出現超過20 m/s的強風,此時雷達兩側均為負徑向速度,東北風與西南風對峙導致跑道上出現強烈水平風切變(黑色虛線),這一現象在RHI(圖5(d))以及自動觀測系統風數據(圖3)結果中可得到印證。16∶00(圖6(d))風切變經過雷達移動至跑道南端,探測范圍內由東北向西南呈現出徑向速度“負-正-負”分布,水平風場也可清晰觀察到風的輻合(黑色虛線)。之后兩個時刻輻合線向西南方向移出跑道區域,機場跑道整體轉為東北風,此次風切變過程結束。

5 結 論

本文利用1.55 μm激光測風雷達混合掃描模式數據對2022年2月13日影響銀川機場的晴空風切變過程進行研究,主要得到以下結論。

(1)風切變發生當日河套地區天氣形勢有利于動量下傳大風發展。機場自動觀測系統風數據表明15∶48時跑道北端風向由西南轉為東北,風速增大,而跑道南端風向轉換時間為16∶00。

(2)激光雷達混合掃描模式可探測出風切變的結構與演變特征。DBS模式反映出風切變發生前雷達上空存在動量下傳現象,高空偏北大風隨時間向下傳播,偏北風與低層偏南風之間所形成的水平風垂直切變同樣下傳。RHI模式可反映出晴空風切變的位置、高度和垂直結構。15∶35時雷達東北方向的大風區呈楔形嵌入近地層,與環境場西南風之間形成水平風切變,切變垂直高度自地面向上可延伸至1000 m左右。PPI模式可反映出風切變的水平結構和演變特征。負徑向速度代表的逆風區首先出現于雷達東北方向4～6 km處,之后逐漸南移加強。水平風場中可清楚觀測到15∶54時東北風與西南風形成切變線,向西南方向推進并影響機場。

(3)利用激光測風雷達混合掃描模式,預報員可在15∶36判斷機場即將出現低空風切變并發布預警,比實際預警時間提前15 min,這對于風切變天氣中的航空安全保障有實際意義。