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机场云雾综合探测解决方案
发布时间:2014年 02月 18日

方案简要说明

      针对低云低能见度对航空飞行的影响,本系统采用毫米波雷达、风廓线雷达、微波辐射计和地面气象站组成的综合探测系统对影响飞行安全的云底高、云厚、云量、云中气流、雾生和雾消等进行观测和预警,提高航空飞行安全。

应用背景

      在各种天气现象中,云、能见度和风是影响飞机起飞、着陆和飞行安全的三个最主要气象条件。据统计,几乎50%的飞行事故是发生在低云低能见度的天气情况下。

      云对飞行的影响具体包括:云底很低的云影响飞机起飞和降落;云中能见度很差,影响目视飞行;云中明暗不均匀使飞行员产生错觉;云中的过冷水滴使飞机积冰;云中湍流造成飞机颠簸;云中的雷电会损坏飞机等。目前用于云观测的主要设备有激光云高仪、云幂灯、探空气球、天气雷达等。这些探测设备存在时空分辨率低、不能探测云的内部结构等不足。

     大雾造成的低能见度严重影响飞机的起降安全,持续的大雾会造成大面积的航班延误和取消,造成严重的经济损失,并制约飞行计划的制定和航班的调配。在雾的观测方面,由于雾的滴谱尺度小、含水量小,对应的雷达反射率较小,对激光的衰减较大,很难利用天气雷达和激光雷达进行雾的监测。目前雾探测设备的缺乏使雾生、雾消的测报非常困难。

工作原理

     利用毫米波雷达波长短,具有较强的探测小粒子的能力和较高的系统灵敏度,对云雾等气象目标进行观测,获取站点上空及半径15km范围内云雾的各种宏观和微观物理量,包括:云高、云量、云雾强度、云雾中气流分布、零度层亮带、雾的生消等。

雾的形成、演变和消亡受多种气象条件的综合影响,主要包括水汽条件、层结条件、大气中的凝结核、风向风速等。毫米波雷达可以实时监测雾的生消及其演变,同时还可提供云层、降水、云雾中气流分布等辅助信息;利用微波辐射计提供的温度廓线,可以对逆温层的存在做出准确判断,并能实时跟踪其发展演变;利用微波辐射计获取的湿度廓线,实时监测不同高度湿度的发展演变;利用风廓线雷达实时监测3km高度范围内风随时间和高度的分布及演变。通过引入数据融合专家系统,实现对雾生消的综合分析和预报。

方案构成

机场云雾综合探测系统主要由毫米波雷达、风廓线雷达、微波辐射计、地面气象站、数据融合和预报系统等子系统组成。

各子系统中,毫米波雷达子系统采用航天二十三所的HMB-KS型毫米波雷达,主要技术指标如表1所示,实物和产品如图1所示。

表1 HMB-KS毫米波雷达主要技术指标

项目

主要技术指标

工作频率

Ka波段,~35GHz

雷达体制

脉冲多普勒,全相参,全固态,单发双收线极化

探测目标

云、雾、弱降水

探测能力

≤-30dBZ@10km

探测距离

150m~15km

方位扫描范围

0°~360°

俯仰扫描范围

-2°~182°

空间分辨率

30m,60m

扫描方式

固定指向,PPI,RHI,VOL,sRHI,sPPI

基础数据产品

回波强度,径向速度,速度谱宽,线性退极化比

二次数据产品

云底高、云厚、云量、云中含水量、零度层亮带、云中气流

 

 
图1 HMB-KS 毫米波雷达及其产品

风廓线雷达子系统采用航天二十三所的CFL-03型边界层风廓线雷达,主要技术指标如表2所示,实物和产品如图2所示.

表2 CFL-03风廓线雷达主要技术指标

项目

主要技术指标

工作频率

L波段,~1300MHz

雷达体制

脉冲多普勒,全相参,全固态

探测距离

100m3000m

探测精度

风速:≤1.5m/s    风向:≤1

空间分辨率

60m

时间分辨率

6min

扫描方式

五波束,DBS

数据产品

水平风速,水平风向,垂直气流,大气折射率常数

 

图2 CFL-03风廓线雷达及其产品

微波辐射计子系统采用美国Radiometrics企业的MP-3000A型微波辐射计,它可以提供高分辨率的温度、相对湿度、LWP以及较低分辨率的液态水廓线产品。主要技术指标如表3所示,实物和产品如图3所示。

表3 MP-3000A微波辐射计主要技术指标

项目

主要技术指标

大气剖面

剖测高至10 km

标准58(50 m/层,0–500 m100 m/层,500–2 km250 m/层,2 km–10 km)

通道

35个标准频道(以液氮和/TIPPING方法标定);

21K带频道(22-30 GHz) ,或15个频道(170 – 183 GHz 水汽和液态水;

14V带频道(51-59 GHz) – 温度和液态水;

天线波束分辨率

6?(湿度)         2.5?(温度)

采样时间

0.01s~2.5s

温度测量精度

0.5K RMS

绝对定标时间

30~60minutes

长时间热漂移

0.5K/year

辐射噪声

(10s积分时间)

0.2K RMS

接收机热稳定性

0.5K

 

图3 MP-3000A微波辐射计及其产品

地面观测站子系统用以获取地面的温度、湿度、风向风速和能见度等观测信息,可以利用已有的地面观测设备。

数据融合和预报子系统采用一定的算法及实际预报经验,结合毫米波雷达的实时监测信息,微波辐射计、风廓线雷达、地面气象站提供的地面至高空的温度廓线、湿度廓线、风廓线,对严重影响飞行的低云、雾生、雾消等进行观测和预警。

优势特点

1.本解决方案引入了毫米波雷达,该雷达在云雾的观测方面探测能力强、灵敏度高、可全天候观测,且能够探测到云雾的三维分布及内部结构特征;

2.针对雾的生消机理复杂、受多种因素影响这一特点,本解决方案综合利用了毫米波雷达、风廓线雷达、微波辐射计等观测仪器,从不同的角度反映决定雾生消因素的相关信息,将这些信息进行综合分析后,得出云雾预警信息。

应用领域

机场气象保障;

应急气象观测和保障。 

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