低空风切变的探测与一些预报思路

航空发表于 2010-9-28 23:52:59

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航空发表于 2010-9-28 23:53:56

1 低空风切变的探测与一些预报思路 唐民P 1,2 P工程师庄卫方P 2 P高级工程师王新平P 2 P工程师 （1.北京大学物理学院北京市 100871; 2.民航华东空管局上海市 200335） 提要 本文先通过对目前国内和国际上主要的低空风切变探测设施的原理和特点进行分析， 比较它们的优势和劣势，为我们今后引进或采用相应的设备提出技术上的参考，而后结合 上海地区两机场近年遭遇的低空风切变过程的分析提出上海机场低空风切变的一些预报思 路。 关键词：低空风切变多普勒雷达系统风廓线仪低空风切变告警系统多普勒 激光雷达气象自动观测系统 引言 根据国际民航组织的有关文件和文献约定，低空风切变主要是指航空器起飞和着落阶 段，飞行高度在500米以下发生的，在同一高度或不同高度短距离内风向和（或）风速的快 速变化，而这种变化须达到某一数值的天气现象。低空风切变包括水平切变（有顺风切变、 逆风切变、侧风切变）、垂直风切变等几种形式。一般认定只要在30米厚度的气层的上下风 速变化达到 2米/秒，即构成了中度以上的低空风切变。 国际航空和气象界公认，低空风切变是对航空器在起飞和着落阶段飞行安全威胁最大的 天气现象，严重危害航空活动安全。据波音公司Taylor(1993)P P对 1964年至1985年间美国 失事飞机统计，因低空风切变造成 26件失事，3件意外事件，造成约600 人死亡，200 人 受伤，1979—1989 年间美国地区因低空风切变因素发生飞行事故有13起，死亡人数达455 人。低空风切变现象的时间短、尺度小、强度大的特点，带来探测难、预报难、管制难、飞 行难等一系列的困难。 自改革开放以来，国内新建机场速度加快，但是囿于机场选址和机场设计等相关因素， 一些新建机场由于地形、气候等特点存在风切变多发而又缺少风切变探测设施来进行探测的 问题。另外，近二十年国内民航运输总量也呈爆炸性增长，使得飞行密度增长很快，在一些 繁忙的机场，尤其是一些沿海的繁忙机场多次收到飞机风切变报告，严重影响飞行安全。这 使得我们要把建设低空风切变的探测设施和加强风切变预报的工作提上议事日程。 1 低空风切变的探测 我们首先要把关注点放在低空风切变的探测上。目前，国外对于风切变的探测一般都 基于利用相关的设施来进行探测空间风场的变动情况，为即将遇到低空风切变的飞机提供警 报或预报服务。这些探测手段包括多普勒雷达探测、风廓线仪探测、低空风切变告警系统、 多普勒激光雷达探测、以及集成的业务化风切变警报系统等。 1.1 机场多普勒天气雷达探测 多普勒天气雷达是利用物理学上的多普勒效应来测定降水粒子的径向运动速度。当降 水粒子相对雷达发射波束相对运动时，可以测定接收信号与发射信号的高频频率之间存在的 差异，通过计算可以测定出降水粒子相对于雷达的速度，并通过一定的数值模型下反演出大 2 气风速分布、大气风场、气流垂直速度的分布以及湍流情况等。利用对反演出的风速分布和 风场的变化情况设定一定的阈值，就能测定是否会发生低空风切变。 由于多普勒雷达是测速雷达，对于对流系统临近机场或水汽条件适合的情况下，机场 天气多普勒雷达在探测微下击暴流和积雨云所伴随的低空风切变有着相当大的优势，国内外 在这方面的应用也比较成熟。例如，印度Kolkata热带气旋中心P P和香港机场的多普勒天气 雷达P P都有一些这方面的例子。 但是，由于机场多普勒雷达所测风速是相对于雷达的径向速度，实际风场速度需要算 法反演，目前世界上还没有一种完美多普勒天气雷达反演风场的算法，这给实际探测出来的 风场就带来了误差。此外，由于多普勒雷达发射电磁波的属性限制，使得多普勒雷达探测风 场的实际范围较小，探测风场的精度也随着远离雷达天线地点逐渐变差，小尺度的风切变常 常将被忽略，因此，用于探测实时的低空风切变要求雷达对着机场范围进行扫描，由于国内 多普勒雷达的选址受到种种限制，使得多普勒天气雷达不能直接应用于跑道范围，这给应用 带来了难度。另外，由于多普勒天气雷达原理是测量降水粒子，对于探测晴空低空风切变是 设备的盲点。最后，分析低空风切变需要专业人员的操作，因为雷达发射信号的高度、角度 都直接影响到探测的效果。 1.2 风廓线仪风廓线仪可测量风的垂直廓线，它能一天 24小时不间断地工作。它是一种基于相控阵 原理的脉冲多普勒雷达，用于跟踪大气折射指数变化。而大气折射指数变化是由大气湍流产 生的。随着风场变化，风廓线雷达发射脉冲的后向散射功率也变化。在对流层的下部，折射 指数不均匀性主要由湿度变化导致。雷达的平均发射功率与天线面积的乘积决定了雷达的最 大探测范围。风廓线雷达测量到的多普勒速度与对流性湍流本身有关。它测量雷达波束方向 上的径向风速分量。至少要在三个独立方向上测量风的三个径向分量。风廓线雷达发射高能 脉冲（一束朝站点的垂直向上方向，另外两束与垂直向上有一定的偏角），接收由不均匀大 气后向散射的回波。该回波经过放大后，采用适当的技术对信号进行处理，便得到风的垂直 廓线。 相比多普勒天气雷达系统，风廓线仪可以在晴空的情况下监测某处的垂直风场分布，但 由于单部风廓线仪只能监测其上空的风的情况，只有将多部风廓线仪进行联网才能得到整个 机场区域的垂直风场分布，这有相当的局限性，目前我们只能在选址上考虑单部风廓线仪的 合适位置。另外，其风切变告警功能依赖于当地实际情况需要，需要对一定时间的低空风切 变事件发生情况进行统计后才能进行设置。 1.3 低空风切变预警系统低空风切变预警系统（low level wind shear alert system简称LLWAS）是美国等国 家普遍采用装于机场，用于直接提供低空风切变预警信息的设施。第一代低空风切变警告系 统是美国联邦航空局（FAA）在1970年代开发出来用于探测大尺度的天气系统，包括海陆风 锋面(sea breeze fronts)、阵风锋面(gust fronts)、冷锋（cold fronts)以及暖锋（warm fronts)造成低空风切变的子系统。研发是在1975年美国东方航空66号航班在纽约市肯尼 迪国际机场降落时失事后开始的，当时飞机遇到海风和雷雨外流(thunderstorm outflow) 交互作用产生的风变(wind shift)。phase-1 LLWAS系统探测低空风切变的原理是把位于跑 道中段一个测风传感器得到的风场资料与在机场四周安装的五个测风传感器得到的风场资 料加以比较，当风的向量差达15海里/小时以上时，塔台管制员就将每一测风传感器的测风 资料，直接告诉起降的飞机，飞行员收到各测风传感器的测风资料后，自行计算顶风或顺风 分量。这套系统由于各测风传感器距离太大,无法探测到较小尺度的风切变，因此，1983年 FAA要求美国国家大气研究中心（NCAR）另外开发一套更新系统，期望系统可以探测小尺度 的微下击暴流（microbursts)，于是NCAR在1983—1988年开发出一套加强型系统（phase-II 3 LLWAS），系统通过计算顶风或顺风强度，来探测位于跑道或跑道两端距离机场1—3海里的 低空风切变或小尺度微下击暴流，可以探测到 90%以上的低空风切变，但还有10%以下的低 空风切变警告失败率。系统再不断经改良，现在美国机场所用的系统称之为第三代低空风切 变警告系统（phase-III LLWAS)，该系统在跑道两端向外延伸三海里范围内有足够的测风传 感器，通常有 12—16个之多。系统能提供跑道向外延伸3海里，离进场走廊300米下区域 的风切变探测能力P ， P。 LLWAS系统是由测风仪及处理器（离地面20—30米）所组成，它用以探测并确认危害 性低空风切变，并将此实时信息提供给管制塔台管制员和机场气象台观测员，以便提供危害 性低空风切变，包括微下击暴流警报给机场正在降落或起飞的飞机。测风仪计量风向的精确 度为±3.0 度，可自动进行磁北校准，对介于0到99 kts 的风速的测量精度为±2 kts 或 实际风速的±5 % (取较大值)，系统观测周期为10秒。系统将风场资料转换成一个风的向 量(u，v)，指向风的去向，供危害性风切变探测分析算法P P使用。测量的单位为米/秒，正v 值表示磁北方向，而正u值表示磁东方向。系统利用任意三点（需符合三角形夹角不得小于 25 度和任二点距离需介于1—5公里之间的测风仪资料，算出此三角形里的辐合辐散场，再 与其他三角形递归运算，得出起降区低空风切警报信息。当测风网内探测到跑道方向顺风或 顶风值超过预定参数值(单位为kts)的低空风切变情况时，系统发布风切变警告。这由飞机 因环境风场造成的增减速程度来定，飞机顺风从 15 kts至29 kts或顶风大于 15kts的时候 称作风切变，减速大于 29kts时称作微下击暴流P 、 P。若有两个风切变/微下击暴流同时出 现，系统以最严重者的强度和最接近飞机的起降位置编发警告。 虽然 LLWAS系统具有时效性强，虚报率低和可以业务化的优点，但是由于测风仪和处理 器安装有一部分需要在机场围界以外，给安装选址、维护和保养带来较大难度。 1.4 激光雷达激光雷达（LIght Detection And Ranging (LIDAR) System），采用类似于激光测距机 的原理与构造研制，是一种工作在从红外到紫外光谱段的探测系统。通常，把利用激光脉冲 进行探测的称作脉冲激光雷达，把利用连续波激光束进行探测的称作连续波激光雷达。 用于探测风切变的激光雷达是一种基于多普勒效应的眼安全的红外线多普勒雷达，安装 在一个环境掩体内，能在少于5分钟内产生达到10公里高度的本地垂直风廓线，在10分钟 内半径扫描到 16公里，风速精确度0.5米/秒。在晴朗天气下能测出至少8公里远的风场情 况，也可以对飞机尾涡进行探测、跟踪和测量，还能监测烟雾效应，主要可以对风切变、阵 风锋和紊流做出危险警报P P。 激光雷达能在晴天和干燥的环境下进行风场的探测，相比多普勒雷达和风廓线仪设备优 势比较明显，但是它在降水的环境下信号衰减比较强，而且用于机场低空风切变业务运行刚 刚开始，由于投入业务的使用还比较少，还缺少一些具体应用经验的积累。 1.5 集成的业务化风切变警报系统 集成的业务化风切变警报系统一般由LLWAS和机场多普勒雷达构成，已在美国几十个机 场实施，效果明显P 、 P。 还有就是将风廓线仪、激光雷达、机场多普勒雷达和基于LLWAS算法的自动观测系统测 风仪构成的业务风切变警报系统，这在我国香港有着很好的应用P 、 P。 除此之外，我们还展望利用最新中小尺度数值预报模型，加强各类近时资料的同化，结 合观测实际，建立本地预报风切变模型，从而将探测和超短时预报相互结合，提高风切变告 警服务的质量。如美国军方已在从事这方面的实际运行。 1.6 各类低空风切变探测设施设备比较 下面，我们通过各类低空风切变探测设施设备比较表对各类低空风切变探测设施设备比 较和分析： 4 表 1 各类低空风切变探测设施设备比较表 低空风切变探测设施设备优点缺点 机场多普勒天气雷达探测较大范围风场 应用成熟，有可借鉴的方法和 模型 晴天不能使用 风场反演算法不确定 分辨率随着距离变差，安装位置要 求高 需要专业人员 风廓线仪晴天可用 探测垂直风切变有优势 雨天效果差 单部不能反演整个风场 需要前期经验积累 低空风切变预警系统成熟，业务化程度高 操作简单 安装位置选择和保护困难 激光雷达晴天可用 安装要求相对简单 雨天效果差 应用少，缺少可借鉴的方法和模型 集成的业务化风切变警报系统全天候、全方位测量 产品可信度高 造价昂贵 技术含量高造成维护成本大 通过对上述一些用于业务的探测风切变设施设备和手段的分析，我们认为，目前情况下， 对于风切变多发和飞行密度很大的地区引入低空风切变告警系统、建设激光雷达、机场多普 勒雷达和建立本地探测及预报风切变模型是有效探测风切变不可或缺的手段。 2 低空风切变的预报 研究本地风切变发生的天气学背景，可以为建立预报风切变模型和加强低空风切变警报 的服务质量提供很好的基础。 2.1 上海地区低空风切变情况分析 表 2是1998年----2001年发生在上海浦东和虹桥机场的低空风切变的情况 表 2 上海浦东和虹桥机场的低空风切变情况（1998 年----2001年） 日期时间（UTC）地点发生高度或阶段飞机状态 98/07/26 09P 20 P 虹桥 250英尺降落 00/01/25 13P 07 P 浦东 200英尺降落 00/02/18 09P 34 P 浦东 100米降落 00/02/18 10P 15 P 虹桥 200英尺降落 00/06/10 07P 45 P 浦东 450米降落 00/08/16 06P 20 P 浦东着陆降落 01/02/26 05P 03 P 浦东 280米降落 01/03/14 12P 18 P 虹桥 150米降落 01/05/04 11P 40 P 浦东着陆降落 01/06/13 12P 59 P 浦东着陆降落 01/07/11 05P 53 P 浦东着陆降落 01/08/25 06P 33 P 浦东进近降落 01/08/25 10P 43 P 浦东进近降落 01/11/13 12P 59 P 浦东着陆降落 由表我们发现低空风切变过程发生具有如下特点： （1）时间短：几次过程都只有一架飞机的机组报告遭遇低空风切变天气（上海的飞行 密度在 2分钟一架次起降），说明风切变维持的时间较短； （2）大部分风切变现象发生在降落阶段，从1998年至今还没有在起飞阶段遭遇低空 5 风切变的报告； （3）低空风切变的强度为弱，机组报告飞机遭遇风切变时，飞机高度突然上升和下降 的幅度不大；而且如果很强烈，在 200米的降落高度很可能会造成重着地或飞行事故； （4）低空风切变过程主要发生在傍晚以后，在四季均有发生。原因可能是：冬季和春 季傍晚的边界层对流不旺盛，地面风向风速平稳，一旦在200-600米有较强的冷空气（伴随 大风----水平气流），容易形成上下的风速差，其突然性强；夏季对流活跃，对流云下部大 范围会发生风速突变；浦东机场处于海边，海陆风的作用也不能忽视。 2.2 低空风切变过程形势分析 低空风切变过程发生时的主要天气形势有锋面天气、强风天气、对流天气，由于这些天 气系统作用时，会造成不同地点、不同层面（高度）上的风向和风速差异： 2.2.1 锋面系统（2000 年1月25日的过程和2001年3月14日的过程） 锋面系统的结构表明，在锋面（寒潮和强锋面）过境时，往往会引起上下层的风速差异， 即表明风有很大的阵性，这个事实已经被观测记录所证实。空军气象部门 1987年在北京西 郊机场进行的机场周围低空风切变的探测试验中，得到了锋面过境时的风廓线资料；资料表 明在 200-300米高度上有一个风速极大值，与地面（10米左右）的风速差可达到12米/秒。 计算风切变的强度已经达到 0.14-0.16 秒P -1 P，属于强烈风切变。同时观测事实还告诉我们， 在同一时间和同一高度上，不同地点的风速差值也达到了 10-16米/秒。2000年1月25日 的风切变过程属于寒潮天气引起的风切变，而 2001年3月14日的过程属于春季强锋面过境 造成的风切变。 2.2.1.1 冬季寒潮 2000 年1月24日，有江淮静止锋生成，由于高空环流的变化，静止锋演变成冷锋并快 速南下，24日晚过境。25日由于高空动量下传，浦东机场（观测场和跑道均离东海大约500 米）全天地面风速稳定在 12-13米/秒，观测记录中当时出现了冰针和中雪的天气；而同一 天虹桥机场的地面风在 6-7米/秒。表3为浦东机场2000年1月25日13点（时间单位为国 际协调时：UTC，下同）前后机场气象自动观测系统(AWOS)记录的测风。 表 3 浦东机场 2000年1月25日13点（UTC）前后机场气象自动观测系统(AWOS)测风记录 时间（UTC） 12P 56 P 12P 58 P 13P 00 P 13P 02 P 13P 04 P 13P 07 P 13P 09 P 13P 11 P 13P 13 P 风向（°） 310 310 320 320 320 320 320 320 310 风速（m/s） 12 12 12 12 12 13 13 13 12 在表 3中，由于是2分钟的AWOS平均值，无法看出其脉动值。1000米和850HPA上上海的 风速记录分别为 340/16米/秒和320/20米/秒（由于地方气象部门取消了300、600、900 米的测风资料，得不到该高度的风资料），计算风切变的数值为ΔU/ΔZ 为0.002秒-1，远远 没有达到风切变强度标准。分析原因一：浦东与虹桥存在风速的差值（数值在 6-7米/秒左 右），说明水平空间上存在风速的较大变化；原因二在AWOS的自记记录中，在1256--1313 之间有风速最大值 330/14.8米/秒，最小值为10.6米/秒，说明时间尺度上有风速的变化； 原因之三由于没有风廓仪设备无法断定垂直空间上一定有风速的变化，但既然在 1000--1500（850hPa）米这一层中（厚度为500米）存在4米/秒的风速差异，据此推断在 200-300 米也很可能存在上下的风速差异。由于在寒潮锋面过境的24小时内，由于高层能 量的下传（下传原因为能量的扩散，上下层的风向角度一致时，下传量越大），在时间尺度、 空间尺度、水平尺度上均存在风速（主要为风速）的切变，故在这种天气条件下容易产生低 空风切变。 2.2.1.2 春季冷锋 发生在 2001年3月14日的风切变过程则很能说明强冷锋过境时，风速的脉动是引起风 切变的主要原因。当时的观测记录为在飞机降落前的12点地面的风向风速为220/3 米/秒。 6 飞机于 1220在下降过程中遭遇风切变，复飞两次后无法降落，转向浦东机场降落。在1230 本场的观测记录是：风向风速为320/12米/秒，从虹桥机场AWOS的记录（当时AWOS已经报 废，但未拆除，仍然有观测数据）看，1225 本场的记录为320/11米/秒。根据锋面的结构 分析，飞机在 200米高空下降时，锋面几乎同时达到本场，而且上空（200米或其他高度） 的风向风速先于地面的风向风速变化；地面与200米（或可能高度还要低）的风速差达到 12 米/秒，风向也完全变化。13点比12点的气压升高了3百帕。由于春季冷空气回暖以后 受高压控制，层结稳定、风速小、天空状况好等特点，容易在强锋面过境时，出现大风、沙 尘暴等天气现象；同时由于冷空气快速南下，风速的变化特别快，在上下空间、水平空间（当 时在浦东起降的飞机没有遇到低空风切变）上存在较强的风切变。 2.2.2 强风天气（2000 年2月18日浦东和虹桥的两次过程） 强风天气广泛存在，如热带气旋外围天气（沿海机场）和春季东南大风天气。这两类天 气也很容易引起风切变。 2.2.2.1 热带气旋外围 热带气旋或热带气旋倒槽影响时，一般出现风速加大，并带有阵性，而且角度脉动幅度 可以达到 50度左右，因此在风场上也存在风速和风向切变。由于没有遇到具体的例子，在 这儿不加说明和讨论。 2.2.2.2 春季东南大风 2000 年2月18日在浦东和虹桥机场，在一个小时左右的时间内，相继出现了低空风切 变。当时的天气系统为春季东南大风。由于高压在海上稳定加强，受西部低压槽的挤压，沿 海出现东南大风。18 日上海出现大风、中雨天气。表4表5分别为浦东和虹桥在发生风切 变前后的风的记录。 表 4 浦东机场 2000年2月18日09点（UTC）前后机场气象自动观测系统(AWOS)测风记录 时间（UTC） 09P 26 P 09P 28 P 09P 30 P 09P 32 P 09P 34 P 09P 36 P 09P 39 P 09P 41 P 09P 43 P 风向（°） 90 90 90 90 90 90 90 90 90 风速（m/s） 8 8 8 8 8 8 8 8 8 表 5 虹桥机场 2000年2月18日10点（UTC）前后机场气象自动观测系统(AWOS)测风记录 时间（UTC） 10P 03 P 10P 06 P 10P 09 P 10P 12 P 10P 15 P 10P 18 P 10P 21 P 10P 24 P 10P 43 P 风向（°） 120 120 120 120 120 120 120 120 120 风速（m/s） 11.8 11.9 11.6 11.5 11.0 11.1 11.5 11.3 11.2 在表 4、表5中，由于是2分钟的平均值，故风向风速较稳定。但当时的观测记录中出 现了阵风天气，发生的时间为10P 37 P-10P 42 P，数值为130/18米/秒，在AWOS记录中，在10P 08 P–10P 20 P 之间也有一个风速的次高值 320/15米/秒。 2.2.3 对流天气 2.2.3.1 雷暴天气 在雷暴发生时，在雷暴云中和雷暴云的下方，存在强烈的入流、出流和下沉气流（统称 为下击暴流），无数次由于受到下击暴流和雷暴气流冲击造成的飞行事故，充分说明了在强 对流天气中存在强的风切变。因此一般飞机遇到雷雨和雷暴，尽量避开。但在弱对流中，同 样也存在风切变，相对其强度也较弱，如在 CB云的附近的小尺度范围内，也有风（水平或 垂直气流）的扰动和相对运动。 2.2.3.2 TCU 云系统 1998 年7月26日傍晚0920左右，一架飞机在降落时遭遇风切变。当时的风向风速为 30/3 米/秒，根据地面风向的情况，塔台指挥飞机由南向北落地；但在飞机下降过程中在南 近台遭遇 6米/秒的顺风；飞机在征求塔台调度员的同意后，转向由北向南落地；但奇怪的 是在下降时，又遇到 5米/秒的顺风。飞机只能在上空盘旋。通过气象雷达（当时为711雷 7 达），探测到机场跑道的南北延长线的上空，分别有两团TCU，尺度较小，高度在800米左 右，强度为35dbz。由于TCU的移动，造成了在跑道两头风的相对运动，使飞机无法顺利降 落。当时（09点）的观测记录为2CU750 1TCU900，与雷达的探测基本一致。这就是风向切 变。 2.3 预报判据 通过分析，我们得到关于上海地区预报低空风切变一些简单的预报判据： （1）春季快速冷锋南下，锋面后部有大风和扬沙天气。如果锋面到达前风速很小，并 且天空状况很好；锋面到达时间在下午以后至上半夜，此时须注意有可能存在低空风切变； 3 小时变压（14点图）在+2hPa，锋后风速达到8米/秒。 （2）寒潮过境后10小时内引起的大风可能造成低空风切变；如果天空状况好，由于动 量下传，第二天如果有大风，并有较大的脉动时，必须注意也有可能存在低空风切变。平均 风速达到 8米/秒，脉动值为5米/秒以上。 （3）强对流天气时，可能存在低空风切变。 （4）在热带气旋外围或热带气旋倒槽的天气系统控制时，如果风速达到10米/秒以上 时，必须注意风切变的存在。 （5）本场上空有弱对流如TCU，注意观测TCU的范围和高度、位置，如果在跑道或跑道 延长线上空存在高度较低（1000 米以下）的对流云时，考虑低空风切变的存在。 （6）东南大风达到12米以上时，必须提请飞行人员注意低空风切变的存在。 我们可以将上海地区的预报低空风切变的简单判据和香港机场的低空风切变的思路进 行比较，香港机场的低空风切变由地形、海陆风、热带气旋、对流天气和低空急流引起，而 且分别分类做出了总结，我们对于这些简单判据的总结还属于起步阶段需进一步深入，不过 这也需要探测设施和记录的进一步完善。 3 小结 经过对机场终端多普勒雷达系统、风廓线仪、低空风切变告警系统、激光雷达、集成的 业务化风切变警报系统进行分析,我们认为这些设备各有所长，逐渐完善和丰富机场低空风 切变探测手段必须要注意扬长避短，并和当地气象特点相结合来设立。本文还通过对上海地 区一些常见的低空风切变过程进行了简单分析，制定出一些定性预报的简单判据，这些判据 的制定距离建立短时低空风切变预报模型还有较大差距，但也可为提高此类天气现象的预报 能力打下一定的基础。 参考文献 1. Talor.R.W.,1993:Technology of the Airplane and its contribution to Safety.The Boeing Company.48pp. 2. P. Rajesh Rao, S. Kalyanasundaram, S. B. Thampi, R. Suresh and J. P. Gupta,2003:Doppler radar —— A detecting tool and measuring instrument in meteorology. General Articles Current Science, VOL. 85, NO. 3. 3. CM Shun , DB Johnson, 1995:Implementation of a Terminal Doppler Weather Radar for the New Hong Kong International Airport at Chek Lap Kok, presented at 6th Conference on Aviation Weather Systems, Dallas, TX, 15-20 4. Wilson, F.W., and Gramzow, 1991: The Redesigned Low Level Wind Shear Alert System, American Meteorological Society, Fourth International Conf. On Aviation Weather Systems, Paris, France. 5. Wilson, F.W, and R.E. Cole, 1993: LLWAS II and LLWAS III Performance Evaluation, American Meteorological Society, Preprints: Fifth International Conference on Aviation Weather Systems, Vienna, VA 6.Cole R.E., 1992: Terminal Doppler Weather Radar/Low Level Wind Shear Alert System Integration Algorithm Specification, version 1.1, Project Report ATC-187, Massachusetts Institute of 8 Technology, Lincoln Laboratory. 7.Clark, D.A., and F.W. Wilson, 1994: An Automated Method for Low Level Wind Shear Alert System (LLWAS) Data Quality Analysis, Project Report ATC-207, Massachusetts Institute of Technology, Lincoln Laboratory. 8. Hannon, S. M., and T. L. Clark, 1996: Lidar measurement of windshear and turbulence and comparison with a predictive fine-mesh mesoscale model. Society of Photo-optical Instrumentation Engineers, Air Traffic Control Technologies II, Vol 2737, no pp. 9. Cole R.E., and R.F. Todd, 1994: Terminal Doppler Weather Radar (TDWR) Low Level Wind Shear Alert System 3 (LLWAS 3) Integration Studies at Orlando International Airport in 1991 and 1992, Project Report ATC-216, Massachusetts Institute of Technology, Lincoln Laboratory. 10.Soffer, E.P., 1990: Establishment Criteria For Integrated Wind Shear Detection Systems: Low-Level Wind Shear Alert System (LLWAS), Terminal Doppler Weather Radar (TDWR), and Modified Airport Surveillance Radar, U.S. Department of Transportation, Federal Aviation Administration, Office of Aviation Policy and Plans, Report No. FAA-APO-90-13. 11．C.M. Shun and D.B. Johnson, “Implementation of a Terminal Doppler Weather Radar for the new Hong Kong International Airport at Chek Lap Kok”, Preprints, Sixth Conf. on Aviation Weather Systems (Dallas, Texas), American Meteorological Society, Boston, pp. 530-534, 1995. 12．D.B. Johnson, R.J. Keeler, C. Kessinger, C.M. Shun, P. Wilson and J.G. Wieler, “Optimization and Testing of a Terminal Doppler Weather Radar for the new Hong Kong International Airport at Chek Lap Kok”, Preprints, 28th Conf. on Radar Meteorology (Austin, Texas), American Meteorological Society, Boston, pp. 174-175, 1997. Detector and Prediction of Low Level Wind Shear Tang MinP 1,2 P Zhuang WeifangP 2 P Wang XinpingP 2 (1. College of Physics Science, Peking University, Beijing, 100871; 2. Air Traffic Management Bureau of East China, Shanghai, 200335) Abstract Based on the analysis of the characteristics and principles of the major detectors of low level wind shear in the world , the result can be applied to use the detectors in the future. On the base of the analysis of low level wind shear occurred in Shanghai airports, some predictive points are established. Key Words：Low Level Wind Shear Doppler Weather Radar Wind profiler Low Level Wind Shear Alert System Doppler LIDAR Automatic Weather Observing System（AWOS）

航空发表于 2010-9-28 23:54:21

低空风切变的探测 与一些预报思路 唐民庄卫方王新平 民航华东空管局 低空风切变的探测 与一些预报思路 • 提要 • 引言 • 低空风切变的探测 • 上海机场低空风切变的预报 • 小结 低空风切变的探测 与一些预报思路 • 提要 • 引言 • 低空风切变的探测 • 上海机场低空风切变的预报 • 小结 提要 • 对目前低空风切变探测设施的原理和特点 进行分析，为今后引进或采用相应的设备 提出技术上的参考 • 对上海地区两机场近年遭遇的低空风切变 过程的分析，提出上海机场低空风切变的 一些预报思路 低空风切变的探测 与一些预报思路 • 提要 • 引言 • 低空风切变的探测 • 上海机场低空风切变的预报 • 小结 引言 • 低空风切变定义 • 低空风切变危害 • 建设低空风切变的探测设施和加强风切变 预报的意义 引言 • 低空风切变定义 • 低空风切变危害 • 建设低空风切变的探测设施和加强风切变 预报的意义 低空风切变定义 • 根据国际民航组织的有关文件和文献约 定，低空风切变主要是指航空器起飞和着 落阶段，飞行高度在500米以下发生的，在 同一高度或不同高度短距离内风向和 （或）风速的快速变化，而这种变化须达 到某一数值（30米厚度的气层的上下风速 变化达到2米/秒为中度以上）的天气现象 引言 • 低空风切变定义 • 低空风切变危害 • 建设低空风切变的探测设施和加强风切变 预报的意义 低空风切变危害 • Taylor(1993) 统计，1964年至1985年间美 国失事飞机因低空风切变造成26件失事，3 件意外事件，造成约600 人死亡，200 人受 伤。1979—1989 年间美国地区因低空风切 变因素发生飞行事故有13起，死亡人数达 455人 引言 • 低空风切变定义 • 低空风切变危害 • 建设低空风切变的探测设施和 加强风切变预报的意义 建设低空风切变的探测设施 和加强风切变预报的意义 • 机场选址和机场设计等相关因素 • 国内民航运输总量也呈爆炸性增长，飞行 密度加大 低空风切变的探测 与一些预报思路 • 提要 • 引言 • 低空风切变的探测 • 上海机场低空风切变的预报 • 小结 低空风切变的探测 • 机场多普勒雷达 • 风廓线仪 • 低空风切变告警系统 • 多普勒激光雷达 • 集成的业务化风切变警报系统 低空风切变的探测 • 机场多普勒雷达 • 风廓线仪探测 • 低空风切变告警系统 • 多普勒激光雷达 • 集成的业务化风切变警报系统 机场多普勒雷达 • 利用物理学上的多普勒效应来测定降水粒 子的径向运动速度。对反演值设定一定的 阈值，测定低空风切变发生 • 机场天气多普勒雷达在探测微下击暴流和 积雨云所伴随的低空风切变有着相当大的 优势 机场多普勒雷达(续1) • 实际风场速度需要算法反演，探测出来的 风场存在误差 • 探测风场的实际范围较小，精度也随着远 离雷达天线地点逐渐变差 机场多普勒雷达(续2) • 探测实时的低空风切变要求对着机场范围 进行扫描，由于国内选址限制，使得不能 直接应用于跑道范围 • 原理是测量降水粒子，盲点是探测晴空低 空风切变 • 分析低空风切变需专业人员的操作 低空风切变的探测 • 机场多普勒雷达 • 风廓线仪探测 • 低空风切变告警系统 • 多普勒激光雷达 • 集成的业务化风切变警报系统 风廓线仪 • 基于相控阵原理的脉冲多普勒雷达，跟踪 大气折射指数变化 • 相比多普勒天气雷达系统，可以在晴空的 情况下监测某处的垂直风场分布 风廓线仪（续） • 单部风廓线仪只能监测其上空的风的情 况，只能在选址上考虑合适位置 • 风切变告警功能依赖于当地实际情况需 要，需要统计才能进行设置阈值 风廓线仪 风廓线仪 风廓线仪 风廓线仪 低空风切变的探测 • 机场多普勒雷达 • 风廓线仪探测 • 低空风切变告警系统 • 多普勒激光雷达 • 集成的业务化风切变警报系统 低空风切变告警系统 • low level wind shear alert system简称 LLWAS，是美国等国家普遍采用装于机 场，用于直接提供低空风切变预警信息的 设施 • phase-1 LLWAS • phase-II LLWAS • phase-III LLWAS phase-1 LLWAS • FAA在1970年代开发，含以下子系统 – 海陆风锋面(sea breeze fronts) – 阵风锋面(gust fronts) – 冷锋（cold fronts) – 暖锋（warm fronts) • 原理是把位于跑道中段一个测风传感器得到的风 场资料与在机场四周安装的五个测风传感器得到 的风场资料加以比较，当风的向量差达15海里/小 时以上时，塔台管制员就将每一测风传感器的测 风资料，直接告诉起降的飞机 phase-1 LLWAS（续） • 飞行员收到各测风传感器的测风资料后， 自行计算顶风或顺风分量 • 由于各测风传感器距离太大,无法探测到较 小尺度的风切变 phase-II LLWAS • 1983年FAA要求美国国家大气研究中心 （NCAR）另外开发一套更新系统，期望系统可 以探测小尺度的微下击暴流（microbursts) • NCAR在1983—1988年开发出phase-II LLWAS， 系统通过计算顶风或顺风强度，探测位于跑道或 跑道两端距离机场1—3海里的低空风切变或小尺 度微下击暴流 • 可以探测到90%以上的低空风切变，有10%以下 的警告失败率。 phase-III LLWAS • phase-II LLWAS经不断改良，现在美国机 场所用的系统称之为第三代低空风切变警 告系统（phase-III LLWAS)，该系统在跑道 两端向外延伸三海里范围内有足够的测风 传感器，通常有12—16个之多。系统能提 供跑道向外延伸3海里，离进场走廊300米 下区域的风切变探测能力。 phase-III LLWAS（续1） • 由测风仪及处理器（离地面20—30米）所组成， 用以探测并确认危害性低空风切变，并将此实时 信息提供给塔台管制员和机场气象台观测员，以 便提供危害性低空风切变、微下击暴流警报给正 在降落或起飞的飞机 • 测风仪测量风向的精确度为±3.0度，可自动进行 磁北校准，介于0到99 kts 的风速的测量精度为 ±2 kts 或实际风速的±5 % (取较大值)，系统观 测周期为10秒。 phase-III LLWAS（续2） • 系统将风场资料转换成一个风的向量(u， v)，指向风的去向，供UCAR提出的危害性 风切变探测分析算法使用。 • 系统利用任意三点的测风仪资料，算出此 三角形里的辐合辐散场，再与其他三角形 递归运算，得出起降区低空风切变信息 phase-III LLWAS（续2） phase-III LLWAS（续3） • 当测风网内探测到跑道方向顺风或顶风值 超过预定参数值(单位为kts)的低空风切变情 况时，系统发布风切变警告 • 参数值由飞机因环境风场造成的增减速程 度来定，飞机顺风从15 kts至29 kts或顶风 大于15kts的时候为风切变，减速大于 29kts时为微下击暴流 phase-III LLWAS（续4） • 若有两个风切变或微下击暴流同时出现， 系统以最严重者的强度和最接近飞机的起 降位置编发警告。 低空风切变告警系统 • 时效性强、虚报率低、可以业务化 • 由于有一部分测风仪和处理器需要在机场 围界以外安装，给安装选址、维护和保养 带来较大难度 低空风切变的探测 • 机场多普勒雷达 • 风廓线仪探测 • 低空风切变告警系统 • 多普勒激光雷达 • 集成的业务化风切变警报系统 多普勒激光雷达 • LIght Detection And Ranging (LIDAR) System • 用于探测风切变的激光雷达是基于多普勒 效应的眼安全的红外线多普勒雷达，安装 在一个环境掩体内 • 能在少于5分钟内产生达到10公里高度的本 地垂直风廓线，在10分钟内半径扫描到16 公里，风速精确度0.5米/秒 多普勒激光雷达（续1） • 在晴朗天气下能测出至少8公里远的风场情 况 • 可以对飞机尾涡进行探测、跟踪和测量 • 监测烟雾效应 • 主要对风切变、阵风锋和紊流做出危险警 报 多普勒激光雷达（续2） • 能在晴天和干燥的环境下进行风场的探 测，相比多普勒雷达和风廓线仪设备优势 比较明显 • 在降水的环境下信号衰减比较强 • 用于机场低空风切变业务运行刚刚开始， 投入业务的使用还比较少，缺少一些具体 应用经验的积累。 低空风切变的探测 • 机场多普勒雷达 • 风廓线仪探测 • 低空风切变告警系统 • 多普勒激光雷达 • 集成的业务化风切变警报系统 集成的业务化风切变警报系统 • 一般由LLWAS和机场多普勒雷达构成，已 在美国几十个机场实施，效果明显 集成的业务化风切变警报系统 （续1） • 将风廓线仪、激光雷达、机场多普勒雷达和基于 LLWAS算法的自动观测系统测风仪构成的业务风 切变警报系统，这在我国香港有着很好的应用 • 展望利用最新中小尺度数值预报模型，加强各类 近时资料的同化，结合观测实际，建立本地预报 风切变模型，从而将探测和超短时预报相互结 合，提高风切变告警服务的质量，如美国军方已 在从事这方面的实际运行。 各类低空风切变探测设施设备比较 低空风切变的探测 与一些预报思路 • 提要 • 引言 • 低空风切变的探测 • 上海机场低空风切变的预报 • 小结 上海机场低空风切变的预报 • 上海地区低空风切变情况 • 上海地区低空风切变过程形势分析 • 上海地区低空风切变预报判据 上海机场低空风切变的预报 • 上海地区低空风切变情况 • 上海地区低空风切变过程形势分析 • 上海地区低空风切变预报判据 上海地区低空风切变情况 1998年----2001年发生在上海浦东和虹桥机场的低空风切变的情况 上海地区低空风切变情况分析 • 时间短 • 大部分风切变现象发生在降落阶段 • 低空风切变的强度为弱 • 主要发生在傍晚以后，在四季均有发生 • 浦东机场处于海边，海陆风的作用也不能 忽视 上海机场低空风切变的预报 • 上海地区低空风切变情况 • 上海地区低空风切变过程形势 分析 • 上海地区低空风切变预报判据 上海地区低空风切变过程形势分析 • 锋面系统 • 强风天气 • 对流天气 上海地区低空风切变过程形势分析 • 锋面系统 • 强风天气 • 对流天气 锋面系统 • 冬季寒潮 • 春季冷锋 锋面系统 • 冬季寒潮 • 春季冷锋 冬季寒潮 • 2000年1月24日-1月25日 • 24日晚冷锋过境，25日浦东机场全天地面 风速12-13米/秒，观测记录冰针和中雪；虹 桥机场全天地面风速6-7米/秒 冬季寒潮（续1） 1998年----2001年发生在上海浦东和虹桥机场的低空风切变的情况 冬季寒潮（续2） 2000年1月25日13点（UTC）浦东机场AWOS风速记录 记录的是2风钟脉动值平均值 冬季寒潮（续3） • 原因： – 虹桥浦东风速之差 – AWOS自记记录上1256-1313间有风速最大 14.8米/秒最小10.6米/秒 – 根据850hPa和925hPa风速差推断 锋面系统 • 冬季寒潮 • 春季冷锋 春季冷锋（续1） 1998年----2001年发生在上海浦东和虹桥机场的低空风切变的情况 春季冷锋（续2） • 虹桥1200地面风速220/3米/秒，1230观测记 录320/12米/秒，飞机1220遇低空风切变 • 锋面过境 – 结构可知，地面和200米高度风速差12米/秒 – 13点气压比12点气压升高3hPa 上海地区低空风切变过程形势分析 • 锋面系统 • 强风天气 • 对流天气 强风天气 • 热带气旋外围 • 春季东南大风 强风天气 • 热带气旋外围 • 春季东南大风 热带气旋外围 • 无具体个例 强风天气 • 热带气旋外围 • 春季东南大风 春季东南大风 1998年----2001年发生在上海浦东和虹桥机场的低空风切变的情况 春季东南大风（续1） • 浦东、虹桥相继出现 • 上海大风、中雨天气 春季东南大风（续2） 春季东南大风（续3） • 1037-1042观测记录中出现130/18米/秒阵风 • 浦东AWOS自记记录1008-1020出现风速次 高值320/15米/秒 上海地区低空风切变过程形势分析 • 锋面系统 • 强风天气 • 对流天气 对流天气 • 雷暴天气 • TCU云系统 对流天气 • 雷暴天气 • TCU云系统 雷暴天气 • 雷暴云中和下方的气流 • 相对弱对流（CB云附近小尺度范围） 对流天气 • 雷暴天气 • TCU云系统 TCU云系统 1998年----2001年发生在上海浦东和虹桥机场的低空风切变的情况 TCU云系统（续1） • 地面风30/3米/秒 • 飞机先由南向北落地，南近台遇6米/秒顺风 • 飞机先由北向南落地，遇5米/秒顺风 • 雷达测得TCU云2团，尺度小，高度800米 • 虹桥观测记录（0900）：2CU025 1TCU030 上海机场低空风切变的预报 • 上海地区低空风切变情况 • 上海地区低空风切变过程形势分析 • 上海地区低空风切变预报判据 上海地区低空风切变预报判据 • 春季快速冷锋南下，锋面后部有大风和扬沙天 气。如果锋面到达前风速很小，并且天空状况很 好；锋面到达时间在下午以后至上半夜，此时须 注意有可能存在低空风切变；3小时变压（14点 图）在+2hPa，锋后风速达到8米/秒 • 寒潮过境后10小时内引起的大风可能造成低空风 切变，如果天空状况好，第二天如果有大风，并 有较大的脉动时，必须注意也有可能存在低空风 切变。平均风速达到8米/秒，脉动值为5米/秒以 上 上海地区低空风切变预报判据 （续1） • 强对流天气时，可能存在低空风切变。 • 在热带气旋外围或热带气旋倒槽的天气系 统控制时，如果风速达到10米/秒以上时， 必须注意风切变的存在。 上海地区低空风切变预报判据 （续2） • 本场上空有弱对流如TCU，注意观测TCU 的范围和高度、位置，如果在跑道或跑道 延长线上空存在高度较低（1000米以下） 的对流云时，考虑低空风切变的存在 • 东南大风达到12米以上时，必须提请飞行 人员注意低空风切变的存在 上海地区低空风切变预报判据 （续3） • 将上海地区的预报低空风切变的简单判据 和香港机场的低空风切变的思路进行比 较，这些简单判据的总结还属于起步阶 段，需进一步深入，不过这也需要探测设 施和记录的进一步完善 低空风切变的探测 与一些预报思路 • 提要 • 引言 • 低空风切变的探测 • 上海机场低空风切变的预报 • 小结 小结 • 经过对机场终端多普勒雷达系统、风廓线仪、低 空风切变告警系统、激光雷达、集成的业务化风 切变警报系统进行分析,我们认为这些设备各有所 长，逐渐完善和丰富机场低空风切变探测手段必 须要注意扬长避短，并和当地气象特点相结合来 设立 • 还通过对上海地区一些常见的低空风切变过程进 行了简单分析，制定出一些定性预报的简单判 据，这些判据的制定距离建立短时低空风切变预 报模型还有较大差距，但也可为提高此类天气现 象的预报能力打下一定的基础 参考文献 • Talor.R.W.,1993:Technology of the Airplane and its contribution to Safety.The Boeing Company.48pp • CM Shun , DB Johnson, 1995:Implementation of a Terminal Doppler Weather Radar for the New Hong Kong International Airport at Chek Lap Kok, presented at 6th Conference on Aviation Weather Systems, Dallas, TX, 15-20 • P. Rajesh Rao, S. Kalyanasundaram, S. B. Thampi, R. Suresh and J. P. Gupta,2003:Doppler radar – A detecting tool and measuring instrument in meteorology. General Aaticles Current Science, VOL. 85, NO. 3. • Cole R.E., 1992: Terminal Doppler Weather Radar/Low Level Wind Shear Alert System Integration Algorithm Specification, version 1.1, Project Report ATC-187, Massachusetts Institute of Technology, Lincoln Laboratory. • Clark, D.A., and F.W. Wilson, 1994: An Automated Method for Low Level Wind Shear Alert System (LLWAS) Data Quality Analysis, Project Report ATC-207, Massachusetts Institute of Technology, Lincoln Laboratory. • Cole R.E., and R.F. Todd, 1994: Terminal Doppler Weather Radar (TDWR) Low Level Wind Shear Alert System 3 (LLWAS 3) Integration Studies at Orlando International Airport in 1991 and 1992, Project Report ATC-216, Massachusetts Institute of Technology, Lincoln Laboratory. • Soffer, E.P., 1990: Establishment Criteria For Integrated Wind Shear Detection Systems: Low-Level Wind Shear Alert System (LLWAS), Terminal Doppler Weather Radar (TDWR), and Modified Airport Surveillance Radar, U.S. Department of Transportation, Federal Aviation Administration, Office of Aviation Policy and Plans, Report No. FAA-APO-90-13. • Wilson, F.W., and Gramzow, 1991: The Redesigned Low Level Wind Shear Alert System, American Meteorological Society, Fourth International Conf. On Aviation Weather Systems, Paris, France. • Wilson, F.W, and R.E. Cole, 1993: LLWAS II and LLWAS III Performance Evaluation, American Meteorological Society, Preprints: Fifth International Conference on Aviation Weather Systems, Vienna, VA • Hannon, S. M., and T. L. Clark, 1996: Lidar measurement of windshear and turbulence and comparison with a predictive fine-mesh mesoscale model. Society of Photo-optical Instrumentation Engineers, Air Traffic Control Technologies II, Vol 2737, no pp. • C.M. Shun and D.B. Johnson, “Implementation of a Terminal Doppler Weather Radar for the new Hong Kong International Airport at Chek Lap Kok”, Preprints, Sixth Conf. on Aviation Weather Systems (Dallas, Texas), American Meteorological Society, Boston, pp. 530-534, 1995. • D.B. Johnson, R.J. Keeler, C. Kessinger, C.M. Shun, P. Wilson and J.G. Wieler, “Optimization and Testing of a Terminal Doppler Weather Radar for the new Hong Kong International Airport at Chek Lap Kok”, Preprints, 28th Conf. on Radar Meteorology (Austin, Texas), American Meteorological Society, Boston, pp. 174-175, 1997.

pcdonkey 发表于 2011-2-21 22:07:47

:lol :lol :lol :lol

airchina 发表于 2011-3-1 17:52:31

广汉是个好地方~

guanshyy 发表于 2011-3-29 13:58:52

kkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkk

j330650132 发表于 2011-4-5 21:55:07

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kkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkk

woshishui123 发表于 2012-2-4 22:01:47

1111111111111111111111111111

erick239441 发表于 2012-2-28 21:04:29

cool, great to share...

yygao 发表于 2012-4-18 17:58:45

气象现在是影响流量的一大问题，学习一下

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低空风切变的探测与一些预报思路

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