徐树权

[摘    要]安全是航空飞行的首要要素，只有在确保安全的前提下才能进行正常的航空运营。在影响航空安全的诸多要素中，气象条件是最为关键的要素之一，通过良好的技术措施做好气象条件的预测及信息收集十分关键。在现阶段的航空气象服务中，多普勒雷达的应用被广泛重视，其对各类影响航空飞行的天气类型的预报与指导精度高、反应快。本文主要分析讨论多普勒雷达在航空气象服务中的应用，希望能够起到一定的启发与借鉴作用。

[关键词]多普勒雷达;通用航空;航空气象;服务应用

[中图分类号]V321.252 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2020）05–00–03

Application of Doppler Radar in Aviation Meteorological Service

Xu Shu-quan

[Abstract]Safety is the primary factor of aviation flight， and normal aviation operation can only be carried out under the premise of ensuring safety.Among the many factors that affect aviation safety， meteorological conditions are one of the most critical elements.It is very important to forecast and collect information of meteorological conditions through good technical measures.In the current aviation meteorological service， the application of Doppler radar is widely valued.It has high precision and fast response to all kinds of weather types that affect aviation flight.This paper mainly analyzes and discusses the application of Doppler radar in aviation meteorological service， hoping to play a certain role of inspiration and reference.

[Keywords]doppler radar; general aviation; aviation meteorology; service application

多普勒雷達在航空气象服务中被广泛应用，这是由于多普勒雷达在现阶段同类产品技术中具有更加突出的先进性，其不仅对天气状况具有预报指导功能，更能进行天气系统分析，实现精准地危险天气预警，这是多普勒雷达在航空气象服务中最具优势的功能。

1  多普勒雷达概述

波源与观测者之间存在一定的相对运动关系，波源发射的与观测者接收到的波的频率并不相同，二者互相接近时频率升高，远离时频率降低，这就是著名的多普勒效应，也是多普勒雷达的工作原理，是在19世纪中期由奥利地物理学家J·C·多普勒发现并总结提出的。基于多普勒效应，多普勒雷达能够根据回波确定探测对象的位置及相对速度，且具有强抗干扰能力、载频稳定度高、频谱纯度高、天线旁瓣低，能够对目标信号进行清晰分辨。而且，越是先进的多普勒雷达其能够采用的频率重复种类越多，以及更加丰富的信号发射形式，滤波理论能够对坐标数据做进一步的处理与预测，且效果更佳。

现阶段，多普勒雷达被应用于航空气象服务中，其不同于传统的雷达只能对气象目标的强度进行测量，多普勒雷达还可以对大气风场的信号进行捕捉，以对不同高度大气层的空气湍流运动的分布进行分辨，这些都是对强对流天气或者灾害天气预报预警十分重要的气象信息。总体来说，多普勒雷达是现阶段国际上最先进的雷达系统，在国际范围内应用广泛，备受好评，其产品信息丰富，天气预报的精度大幅提升，对于提高航空气象服务质量有重大推动作用。其特点主要包括，首先，多普勒雷达的信号处理采用可编程序，利用代数方法，有效增大雷达信号处理的量与速度，使得雷达能够同时进行多种工作，保持强抗干扰与超视距识别的能力，连续工作能力与满负荷工作能力强;其次，多普勒雷达能够自适应波形，能根据不同的实际需要选用不同的脉冲重复频率的波形，以保证工作处于最佳状态，达成最佳的分析结果;最后，多普勒雷达能够提供高分辨率的天气图像，并能在保持高分辨率的基础上进行局部的放大与测绘，且清晰度不会受到影响。

随着技术的发展，多普勒雷达的结构组成更加趋向于精密与完善，其主要由天线、发射机、接收机、伺服系统、数字信号处理机、雷达数据处理机和数据总线等组成，并且在智能化、信息化、数据化发展趋势之下，多普勒雷达的构成也在向这一方面转变。

2  航空气象服务概述

气象条件直接影响到航空飞行的安全，是最为重要的影响因素，在国际范围内由于气象条件导致的飞行事故能够占到事故总数的三分之一，为此时刻掌握天气状况对于安全飞行十分重要。在我国，航空气象服务相对完善，航空气象服务所提供的各类信息能够影响到机场正常运行秩序，飞机起飞准备，飞行路线优化等多个方面。

2.1  我国航空气象服务概述

我国的航空气象服务采用分级管理运行模式，主要是分为民航、地区、空管与地方机场四个分管范围。民航负责7500米以上航空气象服务，涉及高空的重要天气预告、温度、风向等内容，地区负责3000m与7500m之间的中空航空气象服务，涉及中空的重要天气预告、温度、风向等内容，空管负责3000m以下的低空航空气象服务，涉及低空的重要天气预告、温度、风向等内容，地方机场主要是针对上述三者提供的天气信息制作发布关于天气的报告、预告及警告。

现阶段，我国的多普勒雷达应用于全国近1/3的机场，特别是在北上广地区已经基于多普勒雷达系统建立完成世界区域预报系统接收站，极大程度丰富了我国的民航气象数据库，对于航空安全的提升具有重要意义。

2.2  国际航空气象服务概述

国际航空气象服务的整体性更强，倾向于世界范围内布局，目的是为确保国际航空安全起到一定的作用，在我国北上广地区建立的基于多普勒雷达系统的世界区域预报系统接收站也是国际航空气象服务的重要一环。

现阶段，以伦敦与华盛顿为中心的世界区域预报中心可以以图表或数据的形式在世界范围内发布重要天气预报，为世界各地的航空气象服务机构提供必要的资料支撑，以编制本地所需的航空气象服务资料。

2.3  多普勒雷达在航空气象服务中的应用

多普勒雷达在航空气象服务中进行应用时，会向空中以直线路径发射脉冲式电磁波，脉冲式电磁波会以接近于光波的速度进行传播，如果在传播的路径中遇到气象目标物其会被散射从而产生回波信号，回波信号进入到处理器中根据不同时次的频率变化就可以对气象目标物的空间、位置、速度、方向、强度等进行判断，从而为机组乘务人员提供飞行相关的气象信息。

在多普勒雷达提供的多类型的气象信息中，对于对流天气系统的预报预警十分重要，这是因为对流天气系统与灾害性提天气有直接联系，如雷暴、龙卷风、闪电击、强湍流等大气的强对流运动状况蕴含巨大能量，破坏力较强，如果不能通过多普勒雷达及时进行预判，则有可能使飞机误入强对流中，造成不可挽回的经济损失与人员伤亡。

下文将以多普勒雷达在强对流天气中的应用为例，进行具体分析。

强对流天气多伴随雷雨，特别是在中低层低涡气流旺盛，高空槽层结位势不稳定的情况下，雷雨的强度大、范围广，对于航空飞行安全的影响直接，为此通过多普勒雷达回波分析，对强对流天气的形势状况及发展趋势进行判断十分重要。

2.4  强对流天气形势分析

一般情况下，高空形势200 Pa至500 Pa之间范围内，航空飞行地区槽前在气流控制之下呈现越往低层，槽越深的趋势特点，而低涡一般存在于700 Pa，在700 Pa到850 Pa范围内，低空急流强，水汽充足，地面倒槽加深。中低层低涡发展，产生等压线闭合气旋时，大气层结出行不稳定状态，强烈运动状态下极易出现雷雨天气。

2.5  多普勒雷达回波分析

多普勒雷达回波分析主要涉及三个方面，即回波强度分析、回波速度分析和风廓线分析，这三方面内容是多普勒雷达回波分析的重点与关键，也是多普勒雷达在航空气象服务中发挥作用的关键所在。具体分析如下：

2.5.1  回波强度

雷雨发生前，多普勒雷达会捕获大量降水回波，并伴随有50 dBz以上强回波区。在强回波区移动的过程中，会有强回波不断产生，并出现回波缺口，而且缺口的数量会随着时间的推移而增加，含水量增加的情况下，有可能出现冰雹，从而大幅衰减回波强度。

2.5.2  回波速度

进行回波速度的判断分析需要以雷达为坐标原点建立三维坐标，进行风场模拟。利用PPI图像显示方式，在图上表明雷达探测距离与对应高度。对降水粒子的运动速度进行分量分解，分量来自于垂直与水平两个方向，并结合风向夹角、方位角和天线仰角进行分析。在对多普勒雷达的回波速度进行分析时，要明确理清回波速度与其所在高度水平、垂直速度的关系，以及随着高度的增加其大小、方向会出现的变化，这其中包含的函數关系是进行回波速度分析判断的关键。

一般情况下，风速会随高度的增加而减少，且在多普勒雷达的探测范围内存在一定的不规则变化，使得实际情况与模拟风场存在差异造成误差，甚至在风速较大情况时出现速度的模糊。当模拟风场与雷达显示图类似时，就有可能出现雷雨天气。

在雷雨天气初期，较大风速区与强回波区相对应，与周边相比明显偏大，形成阵风锋的趋势明显且条件充足，这就会产生18 m/s的强风，造成低空风切变，从而对航空飞机造成巨大的安全威胁。

2.5.3  风廓线

风廓线是对风速变化的直观展现，通过风廓线可以发现风速与高度的关系成正比，高度增加风速增大，顺时针旋转。风速会在雷雨发生后降低，风向发生变化，尤其在低层表现明显，这表明地面与低层气旋正在经历移动与发展。

结合回波强度、速度与风廓线的分析模拟结果，总结强对流天气下多普勒雷达航空气象服务的内容，可以发现强对流天气产生的位势高空槽为雷雨天气提供了不稳定能量，低涡急流的延续时间决定了雷雨的持续时间。基于多普勒雷达回波信息进行的风速、风向模拟基本符合实际的回波情况，通过多普勒雷达速度回波可以清楚判定阵风锋的发展趋势与移动方向，为低空风切变的预报提供依据与参考。

3  结语

多普勒雷达在航空气象服务中的应用对于提升航空飞行的安全性至关重要，多普勒雷达的工作原理及技术水平保证了其在进行气象状况的信息获取与分析时，不会轻易受到外界干扰，以保证信息获取的效率及准确性，从而能够为相关部门编制气象服务报告奠定科学合理的基础。综观多普勒雷达在航空气象服务中的应用，其对于对航空飞行影响最大的强对流天气的分析判断极为准确，这也是其应用的最大价值所在。

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