adwr-x雷達(dá)對航空危險(xiǎn)天氣的識別與預(yù)報(bào)

adwr-x雷達(dá)對航空危險(xiǎn)天氣的識別與預(yù)報(bào)

0adwr-x型天氣雷達(dá)組成ad-wr-x氣候雷達(dá)是針對機(jī)場設(shè)計(jì)的下一代多普勒氣候雷達(dá)。以中小尺度的強(qiáng)對流單體等危險(xiǎn)天氣作為主要探測目標(biāo),特別對近機(jī)場范圍內(nèi)剛生成的弱對流單體具有較強(qiáng)的捕捉能力,其反射率探測距離達(dá)300km,具有較高的距離分辨率(125m)和角度分辨率(0.55°)及較高的定位精度(≤0.1°)等特點(diǎn)。從2005年5月ADWR-X型天氣雷達(dá)在綿陽機(jī)場架設(shè)以來,為綿陽機(jī)場的飛行訓(xùn)練和航班運(yùn)輸提供了極大的幫助和有利的保障。準(zhǔn)確地探測到了許多重要天氣,特別是對中小尺度天氣目標(biāo)的捕捉能力尤為突出,黃裕文、鄧雪梅1最大不模糊距離的確定ADWR-X天氣雷達(dá)能連續(xù)不斷地提供大氣的反射率、平均徑向速度和譜寬數(shù)據(jù)。雷達(dá)提供1~300km的不模糊距離上的大氣反射率估值,在不模糊距離為60km范圍內(nèi),可提供符合精度要求的平均徑向速度和譜寬數(shù)據(jù)處理。雷達(dá)采用多種工作模式:窄脈沖脈寬0.83μs,最大脈沖重復(fù)頻率2000Hz,最小距離取樣間隔125m;寬脈沖脈寬3.4μs,最大脈沖重復(fù)頻率560Hz。寬脈沖距離分辨力為510m。較高的發(fā)射脈沖重復(fù)頻率不僅提高了雷達(dá)的測速能力,還能提高氣象目標(biāo)信號處理精度,更利于對弱回波的提取。氣象二次產(chǎn)品生成與顯示時(shí)間小于30s,遠(yuǎn)低于一般天氣雷達(dá)的5min的要求,更適合機(jī)場用戶需求。對于實(shí)際工作的雷達(dá),波長是固定的,當(dāng)選定了最大不模糊距離R多普勒雷達(dá)兩難問題就是解決距離速度模糊。最大不模糊距離是指一個(gè)發(fā)射脈沖在另一個(gè)發(fā)射脈沖發(fā)生前能向前傳播并返回雷達(dá)的最長距離,即由于沒有唯一的PRF能使V2ad-wr-x雷達(dá)對現(xiàn)場有害氣候的檢測2.1雷達(dá)回波分析2013-05-08,天氣形勢不穩(wěn)定,08:00500hPa盆地西南側(cè)有槽線,呈西北-東南走向;700hPa有冷式切邊位于盆地中部;850hPa氣旋幅合明顯;地面冷鋒位于榆林—寶雞—瑪沁縣一線。此次天氣過程為鋒后冷空氣沖擊盆地?zé)岬蛪核斐晌粍莶环€(wěn)定從而產(chǎn)生了雷雨天氣。從14:00本場北至東北方向20km空域附近有CB產(chǎn)生,緩慢向西南傳播。15:30回波主體仍處于東北20km處穩(wěn)定少動,到15:57本場東面5~7km突然生成最高反射率達(dá)50dBz的對流云回波。16:10迅速加強(qiáng)為CB,隨后與東北方向魏城鎮(zhèn)附近強(qiáng)雷暴主體合并,隨后長時(shí)間影響本場,見圖1(c)。對此次過程的雷達(dá)反射率回波進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)在此次過程中,6.13°及以上的仰角比低仰角更靈敏反應(yīng)了對流云回波的變化:在中低層探測到明顯對流云回波產(chǎn)生之前(15:57)已于15:34探測到東5km處較弱的<10dBz的反射率回波,見圖1(a),再加上東北不遠(yuǎn)處強(qiáng)雷暴主體強(qiáng)大,已有不穩(wěn)定能量積蓄,預(yù)示此處將有較強(qiáng)單體迅速發(fā)展,見圖1(b)。再對雷達(dá)反射率因子做進(jìn)一步分析,發(fā)現(xiàn)中高仰角:11.93°、9.93°與8.61°三個(gè)仰角對強(qiáng)回波發(fā)展前反射率因子的捕捉能力較強(qiáng),在此次過程中比其它各仰角提前一個(gè)體掃探測到對流云回波的生成,如圖2所示。特別是11.93°的仰角對近機(jī)場的10km以內(nèi)的回波具有比其他仰角具有更清晰的指示性,如圖2(a)所示。雖然僅提前1個(gè)體掃,回波較弱,但可以通過預(yù)報(bào)員在工作中對ADWR-X雷達(dá)的實(shí)時(shí)監(jiān)測與分析,有效避免航班或訓(xùn)練飛行在起飛或進(jìn)近過程中遭遇突發(fā)性近機(jī)場的強(qiáng)對流天氣。夏季強(qiáng)對流發(fā)展速度是很快的,往往可在十幾至幾十分鐘內(nèi)發(fā)展成CB產(chǎn)生強(qiáng)降水或雷雨天氣。在周邊有較強(qiáng)范圍較大的CB云團(tuán)不能單一依照外推法判定本場未來天氣,在其移動前緣隨時(shí)可傳播出新的對流云。此次過程中,中偏高的仰角對回波的識別相對要提前一個(gè)體掃。但出現(xiàn)的回波非常細(xì)小,不容易觀測到,這更增加了我們在預(yù)報(bào)過程的難度。而低仰角又可監(jiān)測航路天氣以及下?lián)舯┝?近地面風(fēng)切變的情況,同樣不可忽視,在天氣條件不穩(wěn)定的情況下,不能放過每個(gè)仰角的出現(xiàn)的細(xì)小的變化。2.2高空風(fēng)迅速下傳的探測結(jié)果2013-05-07,由高空動量下傳引發(fā)本場突發(fā)性東南大風(fēng),當(dāng)日天氣形勢:500hPa處于槽前西南氣流控制,700hPa盆地為輻合風(fēng)場,850hPa偏東氣流控制盆地。地面川西高原處于弱低壓控制,東南高壓環(huán)流,梯度不大。下午本場到周邊航路不穩(wěn)定,局地多對流生消,本場多淡積云。此次過程ADWR-X徑向速度圖可清楚的分析出:17:35~17:50,修正海壓900m高度上高空風(fēng)迅速增大至10m/s(圖略),隨后在700~1000m高度出現(xiàn)10~13m/s風(fēng)速大值中心。高空風(fēng)迅速下傳僅2~3個(gè)體掃就下傳至地面。18:00本場風(fēng)由3m/s驟增為平均7~8m/sG11m/s,風(fēng)向140°,持續(xù)4min。對應(yīng)高空風(fēng)迅速增大并下傳期間對應(yīng)的本場云也發(fā)展相當(dāng)旺盛。由于對流云朝西南方向移動,與徑向速度方向垂直,排除雷暴大風(fēng)的可能,考慮為小范圍擾動造成的高空動量下傳。本次過程時(shí)間短、強(qiáng)度大,單憑天氣圖、云圖,很難預(yù)報(bào)出大風(fēng)產(chǎn)生的時(shí)間和強(qiáng)度。而本場訓(xùn)練飛行抗風(fēng)能力差、較大的順風(fēng)切變也會嚴(yán)重影響航班起降,甚至引發(fā)嚴(yán)重后果。通過ADWR-X雷達(dá)監(jiān)測,預(yù)報(bào)員及時(shí)提醒塔臺指揮以及機(jī)場管制注意本場將會遭遇的東南大風(fēng)及順風(fēng)切變,避免突發(fā)性大風(fēng)天氣引發(fā)的嚴(yán)重后果。2.3弓形回波—陣風(fēng)鋒的識別2007-06-25受高空槽的影響,加之有冷鋒位于秦嶺一帶,受其影響21:00左右,在距離綿陽機(jī)場50km以外的東北方向產(chǎn)生大片對流云團(tuán),其前沿25km處雷達(dá)探測到明顯的弧線回波,如圖3(a)所示。21:34從雷達(dá)上看對流云體距離本場仍然有40km,如圖3(b)所示。本場肉眼沒發(fā)現(xiàn)有任何對流云,但弧線所到之處,風(fēng)向驟變、陣風(fēng)涌升,本場出現(xiàn)18m/s的大風(fēng)。在此次過程中,前沿回波呈現(xiàn)典型的弓狀,在較低仰角出現(xiàn),回波強(qiáng)度5~10dBz,此弧形弱回波帶即陣風(fēng)鋒,即雷暴群中強(qiáng)烈下沉氣流的出流匯合的冷空氣前沿,移動速度約為16.7m/s,大風(fēng)發(fā)生在弓形回波到達(dá)時(shí)。一般情況下,陣風(fēng)鋒回波是晴空水回波。在一些個(gè)例中,陣風(fēng)鋒可在遠(yuǎn)離雷暴50km的地方出現(xiàn),輻合區(qū)域可以產(chǎn)生對流云,甚至降水。陣風(fēng)鋒產(chǎn)生的陣風(fēng)大小,通過多普勒雷達(dá)的徑向速度圖可以判斷。一般弧狀回波的頂端是徑向速度的大值區(qū),而陣風(fēng)鋒的強(qiáng)度并不是以反射率因子的大小來確定,而是根據(jù)徑向速度的大小來確定。回波強(qiáng)度大的陣風(fēng)鋒不一定代表陣風(fēng)鋒強(qiáng),回波強(qiáng)度小的陣風(fēng)鋒不一定代表陣風(fēng)弱,與降水預(yù)報(bào)有不同之處。研究表明陣風(fēng)鋒產(chǎn)生大風(fēng)主要與兩個(gè)因素相關(guān):其一是密度流的加速效應(yīng);其二是大風(fēng)區(qū)的移動慣性。當(dāng)雷暴固定不動時(shí),其下沉氣流向四面擴(kuò)散,形成陣風(fēng)鋒,也可將其看做密度流,其擴(kuò)散速度與陣風(fēng)鋒兩端冷暖空氣密度差值和地面摩擦有關(guān)。另外,下沉氣流是從以一定速度向前運(yùn)動的雷暴內(nèi)產(chǎn)生的,會帶有雷暴向前運(yùn)動的慣性,使得陣風(fēng)鋒只出現(xiàn)在雷暴云團(tuán)運(yùn)動的前沿。姚葉青,俞小鼎等3機(jī)場北沿邊界地物雜波在天氣雷達(dá)系統(tǒng)中,地物雜波定義為從非氣象地物目標(biāo)反射的雷達(dá)回波,其對雷達(dá)產(chǎn)品準(zhǔn)確性影響很大。地物雜波距離雷達(dá)較近,且反射率較高,雷達(dá)電磁波不能穿透較大的建筑物、山脈等,而被直接反射回雷達(dá),造成反射率較高,地物后面即使有天氣情況也看不到。研究發(fā)現(xiàn)在綿陽機(jī)場西北方向50~70km附近存在地物雜波(圖略),在低仰角呈一連續(xù)黃、紅色長條區(qū)域。機(jī)場東南方向50~80km常年也可在低仰角探測到徑向速度為零的地物雜波,見圖4(b),區(qū)域最大反射率均可達(dá)40~50dB左右,見圖4(a)。區(qū)域不連續(xù),較稀疏,呈現(xiàn)地物反射率特點(diǎn)。由于地面目標(biāo)靜止,其徑向速度均接近零。地物雜波污染在平均徑向速度產(chǎn)品上的特征是一個(gè)接近零速度值的大片區(qū)域鑲嵌著孤立的非零速度值。地物雜波存在,將嚴(yán)重影響天氣的判斷及其導(dǎo)出的其它二次產(chǎn)品,影響對危害性天氣現(xiàn)象,如雷暴、風(fēng)切變的預(yù)測等,因此地物雜波的判斷與識別是必不可少的。如圖5所示,機(jī)場東南面50km附近160°方向?yàn)榈匚镫s波區(qū),反射率最大達(dá),42dBz此時(shí)120°方向有一塊正在發(fā)展中的對流單體,反射率最大值達(dá)53dBz,云塊與地物回波交織,需注意識別基本反射率產(chǎn)品上的地物雜波污染,避免遺漏危險(xiǎn)天氣。4徑向速度模糊表現(xiàn)在實(shí)際工作中我們使用一種簡單的退模糊糾正方法來確定速度模糊區(qū)域的速度值大小。如果沒有速度模糊,多普勒雷達(dá)測得的徑向速度在每一距離圈上隨方位角的分布廓線應(yīng)是一條連續(xù)的圍繞零線的曲線,它都有一個(gè)最大的遠(yuǎn)離速度和一個(gè)最大的趨近速度,因此其基本輪廓形狀類似于一階簡諧曲線。當(dāng)出現(xiàn)速度模糊時(shí),雷達(dá)測得的速度將被折疊到相反方向,速度隨方位的變化發(fā)生不連續(xù)的跳躍,與真實(shí)徑向速度相差2nV圖5為某日08:58仰角為1.12°的ADWR-X雷達(dá)徑向速度圖像(趨近雷達(dá)為負(fù)值冷色表示,遠(yuǎn)離雷達(dá)為正值暖色表示)其中存在速度模糊區(qū)。主要模糊區(qū)為:在15°~85°之間由負(fù)速度(綠色)突變?yōu)檎俣?黃色);在190°~245°之間由正速度(黃色)突變?yōu)樨?fù)速度(綠色)區(qū)域。通過恢復(fù)雷達(dá)速度—方位廓線的連續(xù)性的方式,對廓線是否發(fā)生整體偏移做出判斷并將連續(xù)的廓線整體平移到正確的數(shù)值將兩大模糊區(qū)退模糊,使正負(fù)徑向速度區(qū)有規(guī)則地分布在零線左右,使速度圖重新表現(xiàn)得非常清晰完整。如圖6所示模糊糾正后的最大趨近速度從-13.5m/s提高到了-25.5m/s,最大遠(yuǎn)離速度從12.5m/s提高到了26m/s,顯示出較完整的風(fēng)場信息。通過公式進(jìn)一步簡化退模糊的步驟,實(shí)際徑向速度V5災(zāi)害天氣監(jiān)測分析(1)ADWR-X雷達(dá)是探測臨近本場突發(fā)性強(qiáng)對流云團(tuán)、高空風(fēng)動量快速下傳以及對雷暴群前沿的陣風(fēng)鋒等航空危害性天氣的有力工具。利用其較高靈敏度和可靠性能可以災(zāi)害性天氣的生成、發(fā)展和演變進(jìn)行詳