□ 民航大連空中交通管理站 郭志剛/文

Ka波段毫米波測云雷達(dá)是一種新型的氣象遙感探測設(shè)備，具有頻率高、粒子分辨能力強(qiáng)等特性，能夠?qū)?xì)微的云粒子特性進(jìn)行觀測。該類型雷達(dá)在航空氣象領(lǐng)域中的應(yīng)用引起了民航界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。毫米波測云雷達(dá)不僅能夠獲取云的宏觀和微觀結(jié)構(gòu)（例如探測云高、云厚和云狀的外形特征），而且還能分析云內(nèi)微物理過程的結(jié)構(gòu)和演變特征等。此外，利用毫米波測云雷達(dá)可以連續(xù)觀測云的水平垂直結(jié)構(gòu)變化，獲得準(zhǔn)確的云內(nèi)宏觀參數(shù)。對于影響民航安全的低云、平流霧等航空危險天氣，毫米波測云雷達(dá)能夠彌補(bǔ)激光測云儀僅能夠探測單點(diǎn)的不足，獲取大范圍的云狀態(tài)，還能夠?qū)ρ睾C(jī)場的平流霧實(shí)況進(jìn)行監(jiān)測。

大連空管站在2015年聯(lián)合23所在大連周水子機(jī)場開展了利用毫米波測云雷達(dá)、邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)、微波輻射計的機(jī)場云霧探測驗(yàn)證試驗(yàn)，在不同天氣條件下獲得了寶貴的數(shù)據(jù)，對毫米波測云雷達(dá)在不同天氣條件下的探測效果進(jìn)行了評價分析。本文對試驗(yàn)階段毫米波測云雷達(dá)在不同天氣條件下的應(yīng)用效果進(jìn)行了總結(jié)，對于研究毫米波測云雷達(dá)在機(jī)場航空安全的保障能力具有重要意義。

Ka波段毫米波測云雷達(dá)介紹

本次驗(yàn)證試驗(yàn)采用的毫米波雷達(dá)由北京無線電測量研究所研制，其主要特點(diǎn)是采用脈沖多普勒全相參體制、固態(tài)發(fā)射機(jī)，具有多種觀測模式和雙極化功能。天線垂直定向探測，空間分辨率為30 m，最大探測高度為15.3 k m。雷達(dá)直接探測資料包括反射率因子、平均多普勒速度、速度譜寬、退極化比和功率譜數(shù)據(jù)。利用反演算法能夠反演包括空氣垂直運(yùn)動速度、粒子下落速度、粒子半徑、液態(tài)水含量、冰水含量等。雷達(dá)主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

大連機(jī)場平流霧的主要成因是受副熱帶高壓北移影響，機(jī)場東部海上的低云和霧就會隨著盛行的東風(fēng)移動至機(jī)場，對機(jī)場運(yùn)行造成影響。為了利用毫米波測云雷達(dá)實(shí)現(xiàn)對平流霧的觀測，設(shè)計了三種不同的觀測模式，包括：指定方位多仰角平面位置掃描（s PPI）、指定多方位角距離高度掃描（s RHI）以及垂直指向掃描（THI）。s PPI模式下，雷達(dá)向東側(cè)以3°仰角對73°～183°方位角進(jìn)行掃描，掃描步進(jìn)0.15°。s RHI模式下，雷達(dá)向東側(cè)83°、103°、203°三個方向，以仰角0°～90°進(jìn)行連續(xù)掃描。THI模式下，雷達(dá)采用仰角90°進(jìn)行50 s連續(xù)垂直觀測。

觀測效果介紹

表1：毫米波雷達(dá)主要技術(shù)指標(biāo)

毫米波測云雷達(dá)自運(yùn)行以來，經(jīng)歷的天氣現(xiàn)象有：平流霧、霧霾、鋒面霧霾、雨夾雪、強(qiáng)對流（雷暴、冰雹）等。本文選取了一次平流霧天氣過程（2016年7月28日～29日）、一次霧霾天氣過程（2016年12月18日～19日）、一次雷暴冰雹天氣過程（2016年11月10日）對本系統(tǒng)在各種天氣條件下的探測效果進(jìn)行分析。

（一）平流霧天氣過程（2016年7月28日～29日）

2016年7月28日21時（UTC）左右，大連機(jī)場發(fā)生了一次平流霧天氣過程。在機(jī)場東部海上高壓的影響下，海上形成的霧在東風(fēng)的推動下移動至機(jī)場，使得能見度迅速降低。7月29日02時（UTC）左右，平流霧逐漸減弱。Ka波段毫米波測云雷達(dá)在7月29日01時開機(jī)探測，對平流霧減弱過程進(jìn)行了監(jiān)測。

圖1是當(dāng)日的能見度曲線，可見從28日18時（UTC）左右能見度開始下降，從7月29日02時左右能見度開始抬升。圖 2對29日01∶18～03∶02（UTC）時間段內(nèi)毫米波測云雷達(dá)10°仰角PPI探測的反射率進(jìn)行了連續(xù)繪圖，從圖中可見，強(qiáng)回波的面積隨時間的變化而不斷減小。圖 3是01∶05～02∶21時間段內(nèi)103°方位角上的RHI探測的反射率圖像。從圖中依舊可見回波反射率隨時間不斷減弱。

由圖可見，在平流霧消散過程中，雷達(dá)探測到的平流霧逐漸減弱。具體表現(xiàn)是雷達(dá)回波反射率因子數(shù)值降低，綠色回波減少，回波強(qiáng)度減弱。

（二）霧霾天氣過程（2016年12月18～19日）

2016年12月18日17時（UTC）左右，大連機(jī)場出現(xiàn)了一次霧霾天氣過程。能見度在12月18日17時（UTC）左右降低，2016年12月19日04時（UTC）左右，能見度逐漸好轉(zhuǎn)，能見度變化曲線如圖4所示。

圖5是能見度降低階段毫米波雷達(dá)回波反射率圖。由圖可見，隨著能見度的降低，雷達(dá)探測范圍內(nèi)逐漸出現(xiàn)綠色強(qiáng)回波，代表雷達(dá)東側(cè)1.5 k m區(qū)域出現(xiàn)低云，可能會對機(jī)場運(yùn)行產(chǎn)生影響。預(yù)報員可以結(jié)合利用雷達(dá)觀測到的強(qiáng)回波現(xiàn)象，開展低云預(yù)警服務(wù)。

圖6是能見度恢復(fù)階段毫米波雷達(dá)回波反射率圖。由圖可見，隨著能見度的抬升，雷達(dá)東側(cè)回波強(qiáng)度逐漸減弱。在03∶55時刻，回波強(qiáng)度明顯減弱，相比于能見度變化的時刻，通過雷達(dá)發(fā)現(xiàn)回波強(qiáng)度減弱的時刻比能見度提升時刻存在約10分鐘的提前量。

圖7是2016年12月18日10～12時風(fēng)廓線截圖，風(fēng)廓線雷達(dá)當(dāng)天近地面層風(fēng)速較小。從10∶12開始，近地面風(fēng)向由西北逐漸轉(zhuǎn)東南，10∶42在300 m高度左右處開始出現(xiàn)低層?xùn)|南風(fēng)和高層西南風(fēng)切變，形成一個阻斷層，阻礙著地面水汽和熱量的垂直交換，大氣層結(jié)穩(wěn)定，有利于霧霾天氣的形成。該阻斷層一直維持。

在本次天氣過程中，利用毫米波雷達(dá)對上游天氣方向進(jìn)行觀測，通過觀察毫米波測云雷達(dá)的反射率變化情況，結(jié)合風(fēng)廓線雷達(dá)阻斷層的出現(xiàn)，以及微波輻射計近地層相對濕度的變化，可以對低云或低能見度天氣的變化過程進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，同時提供預(yù)警服務(wù)。

（三）強(qiáng)對流天氣過程（2016年11月10日）

2016年 11月 10日大連機(jī)場經(jīng)歷了一次較為少見的颮線天氣過程，10日 09∶28出現(xiàn)弱雷雨，09∶35轉(zhuǎn)為弱雷雨伴有雷暴大風(fēng)，瞬時最大風(fēng)速18.3 m/s，09∶59出現(xiàn)冰雹天氣，10∶05冰雹結(jié)束，10∶45雷暴結(jié)束。

根據(jù)大連氣象局多普勒雷達(dá)資料顯示，11月10日09∶33在大連地區(qū)及北部有颮線形成且處于發(fā)展初期，本場處于颮線系統(tǒng)的西側(cè)，但在本場周圍有強(qiáng)度50 dbz以上強(qiáng)對流單體已經(jīng)形成并已經(jīng)影響本場，如圖9所示。

由毫米波雷達(dá)回波強(qiáng)度圖像分析可見，在09∶32時本場東側(cè)由對流單體開始發(fā)展且強(qiáng)度較大，至09∶39時對流單體繼續(xù)發(fā)展東移，對流頂高度在3 km左右，09∶49時對流單體發(fā)展至成熟時期，對流頂高度達(dá)5 km左右，回波強(qiáng)度都在30 dbz以上。10∶09對流單體東移至本場東側(cè)6～9 km左右，本場強(qiáng)對流天氣基本結(jié)束，如圖10所示。

總結(jié)：

本文對Ka波段毫米波測云雷達(dá)在大連機(jī)場三次天氣過程中的觀測效果進(jìn)行了效果介紹，得到的主要結(jié)論如下：

（1）毫米波測云雷達(dá)能夠獲取雷達(dá)周邊30 km范圍內(nèi)的反射率因子（d BZ）、平均多普勒徑向速度（Vr）、速度譜寬（Sw）、退極化比（LDR）等主要數(shù)據(jù)產(chǎn)品。通過對上述數(shù)據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行反演處理，可以得到云底、云高、云厚、云中含水量等二次數(shù)據(jù)產(chǎn)品，對于預(yù)報員研判天氣具有很大的指導(dǎo)作用。

（2）通過將毫米波測云雷達(dá)與邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)、微波輻射計聯(lián)合觀測，能夠?qū)崟r獲取機(jī)場上空的熱力場、動力場以及水汽特征，從而彌補(bǔ)機(jī)場現(xiàn)有自動氣象觀測系統(tǒng)觀測資料時空分辨率的不足。

（3）通過將毫米波測云雷達(dá)回波強(qiáng)度（d BZ）與機(jī)場RVR關(guān)系進(jìn)行對比，可以總結(jié)出一種對應(yīng)關(guān)系，可用于機(jī)場低能見度天氣的發(fā)布和解除。同時，在霧霾、強(qiáng)對流和降水天氣下也有助于開展提升實(shí)時監(jiān)測和預(yù)警能力。