理论研究低空风切变预警系统在支线机场的应用

理论研究低空风切变预警系统在支线机
场的应用
一、项目背景
支线机场建设中往往未涉及低空风切变预警系统，但由于山区机场存在常年大风，且目前对低空风切变相关数据存在空白，因此研究低空风切变在山区支线机场的应用显的尤为重要，对今后机场建设低空风切变系统提供理论依据。

本报告通过对低空风切变的理论研究和国际国内相应低空风切变探测产品研究，形成低空风切变系统在支线机场应用的研究报告。

二、风切变的形成及其对飞行的影响
低空风切变受到人们的重视并开始对其研究，是在1970年代中期美国航班飞机在起飞降落过程中发生的多起严重飞行事故之后才开始的。

近几十年来，许多国家成立了专门的研究机构，对低空风切变作了广泛的研究，取得了不少的成果。

自1976年国际民航组织正式发出通报要求把低空风切变作为重要研究课题以来，美国、苏联、日本等国和我国的香港天文台即开始了对低空风切变的探测和研究工作，目前已经取得了较好的进展。

我国大陆对低空风切变的研究起步较
晚，1980年代中期开始利用气象铁塔资料，对低空风切变进行了分析研究。

但综合目前的技术水平来看，尚有一些问题没有很好解决，还需要进行不懈努力，才能解决低空风切变对航空的危害。

三、低空风切变的形成
风切变是指空间两点之间的风的矢量差，风速矢量或其分量沿某一垂直或水平方向的变化，是风空间变化率的一个特性。

航空气象中，风切变一般被分为低空风切变和中高空风切变，距地面高度600米以下的风切变被称为低空风切变，当飞机在起飞或者着陆阶段，高度较低、空速较小的情况下遇到风切变，可能会由于短时间高度、姿态变化大，没有足够的空间修正动作而造成危险。

很多情况下，由于风切变无法直接用肉眼识别出，因此被冠上“隐形杀手”之名。

低空风切变是在一定天气背景和环境条件下形成的，一般有几种天气情况易产生低空风切变。

一种是雷暴、积雨云、龙卷等强对流天气。

强对流天气中有很强的上升和下降气流，能形成很强烈的垂直气流切变。

强的下击暴流到达地面后向四周扩散，可传到离雷暴体20km 处，阵风风速可达20m/s,形成强烈的水平风切变。

另一种是锋面，锋面两侧气象要素差异大，容易产生较强的风切变。

一般情况下，在锋面两侧温度差≥5℃及移速较快时，都会产生对飞行有影响的风切变。

特别是在强冷锋及强冷锋后的大风区内往往存在严重的低空风切变。

此外，低空急流、山地地形波、逆温附近也容易产生风切变，在夏季午后山区的背风面特别容易产生风切变。

不同情况下产生的低空风切变强度不同。

其空间水平尺度最大可达几百千米，最小的只有几百米。

其时间尺度最短的只有几分钟，最长的达几小时。

三、风切变探测原理和方案
（一）、网格风站风切变探测原理
系统主要功能和作用：
风站网络布置在跑道周围，提供风场的直接测量。

风场数据经过分析，确定网络的风场中是否存在辐散（造成飞机速度损失的风切变）或风场的辐合（造成飞机速度增
加的风场）。

计算风切变的强度、位置和类型，将结果输出给机场运行部门。

LLWAS系统风场计算分析示意图
图中，通过计算三个传感器构成的三角区域以及两个测风传感器之间三角形边的辐散。

警报给出估计的逆风增量/减量。

（二）激光测风雷达探测原理
多普勒测风激光仪是以激光为发射信号，利用大气中气溶胶或大气分子的后向散射作用以及光的多普勒效应，通过提
取回波信号中的多普勒频移来进行风场测量，测得的风速为
沿光束方向上的径向分量。

在一定的假设条件下，可以反演
出本地的大气风场，相比较传统的天气雷达，激光雷达可以
很好地测量晴空天气下的气象要素，根据探测方式分为相干
探测和直接探测。

相干探测利用光学外差技术，测量发射与
接收信号间的差频信号；直接
探测测量为接收与发射信号的相对能量变化。

激光雷达探测原理示意图
激光雷达的扫描方式，主要为水平方位扫描和垂直扫描。

激光雷达水平扫描的示意图
激光雷达以其相比较传统气象雷达的卓越优势，在机场终端区域的风场测量和危险天气预警中具有广阔的应用前景，
我国香港国际机场自“2002”年引进激光雷达后，在风切变
探测预警领域取得了一系列瞩目的成就。

对我国内地机场的
飞行安全研究具有很好的借鉴意义。

除了激光雷达设备以外，香港机场还建设了自动气象站网、海上浮标、风廓线雷达和
终端区多普勒天气雷达等设备，共同构建了风切变探测预警
体系。

国内目前已有一些机场开展了激光雷达风切变探测的业务运行案例，主要包括兰州中川机场、大兴国际机场。

国产激光测风雷达
激光测风雷达技术包括系统总体技术、激光发射技术、高效灵敏接收技术、大气风场实时信息处理及风场反演技术等。

上述关键技术已经得到一定的突破，系统中的主要核心部件
均已实现国产化。

国内有多个厂家生产扫描式激光测风雷达，可以实现对大气风场的全覆盖监测，获得大气风廓线及大气风场的PPI、RHI及CAPPI等扫描产品，以及飞机起降通道的大气风切变、迎头风、跑道横风等产品。

四、机场风切变探测方案
（一）激光测风雷达部署
在机场跑道中间新建1部激光测风雷达。

可用于获取机场跑道向外10Km范围内的风场数据（低空需求可增加独立风站数据配合）。

激光测风雷达具有高分辨率、不受地物杂波干扰、不干扰正常的导航通信、可以探测晴空条件下危险天气等特点。

它
利用大气中气溶胶被激光后向外散射原理和激光发射系统的
本振光做外差检测，获得两束光的外差信号，进而得到大气
运动引起的多普勒频移数据；通过测量径向风速，利用微型
光束扫描系统反演边界层风速风向廓线；同时参考大气消光
系数、边界层高度数据，通过多种数据相结合推算出风切变
运行轨迹，进行风切变的预警和警告。

激光测风雷达采用近红外人眼安全波长的激光器和全固态电容结构设计，使系统的体积和功耗大幅度减小。

多普勒激光测风雷达示意图
激光多普勒测风雷达系统包括以下部分：激光发射分系统、接收分系统、扫描分系统、实时信号处理分系统。

采用单频
光纤激光的主震荡放大技术，产生窄线宽、空间相干性好的
近红外波长的激光。

全封闭式双转镜或光楔光束扫描机构，
通过方位角扫描实现风廓线反演。

高透射率的光学窗口具有
三防能力。

高速FPGA信号实时处理，可以每秒更新数据结果。

伺服控制和数据处理均采用嵌入式设计，一键启动，无须人
工设置校准。

激光测风雷达输出数据通过网络通讯端口传输（IP协议通信）给风切变预警处理系统服务器，进行统一发
送给各显示工作站。

激光多普勒测风雷达主设备安装在机房新建机柜内。

（二）独立风站部署
增加8部独立风站（风站采用风塔结构）分别位于机场跑道
两边（东西各4部），并结合机场气象自动观测系统的3部
风站（分别位于跑道东侧、中间、西侧附近），形成低空独
立风站组网（LLWAS）。

邻近风站测到的风速、风向差异可以用来断定在进离场走廊内的水平风切变位置和大小。

此外，任意三点（满足三角
形夹角不小于25度和任意两点距离在1km～5km之间的条件）的风速风向资料可以算出三角形里的辐合辐散场，进而判断
下击暴流、阵风锋等航空危险天气。

独立风站的优势在于可以直接、准确的探测地表风速、风向的变化，数据的时间分辨率很高，在形成风站组网后可以
获取机场及其周边大范围的风场分布。

而它的缺点在于仅能
探测地面附近风场数据，无法准确探测高空风场变化，但通
过联合激光雷达设备，可以有效的弥补独立风站在此方面的
不足。

（三）低空风切变监测告警系统
风切变预警系统由机场自动气象观测系统（建成后加入）、新增激光测风雷达、新增独立风站组成。

系统通过软件采集和分析上述多源风场数据，形成空中交通管制员和气象人员所需的水平和垂直风场信息图，以对机
场周边（尤其跑道降落和起飞空域）的危险气流现象进行实
时探测监测和告警。

风切变预警系统功能包含如下主要步骤，第一步是数据接收采集与存储，第二步是风切变预警数据处理，第三步为风
切变产品生成发布，将各类风切变相关的产品与气象观测数
据传递给机场不同用户开展与运行决策使用。

机场后期运营后根据出现风切变的频率和幅度综合分析考虑是否建立风切变预警系统，科学合理的选择以上三种方案。