FC-Ⅲ型激光测风雷达在三亚凤凰机场一次应用及影响因素分析

FC-Ⅲ型激光测风雷达在三亚凤凰机场一次应用及影响因素分析

周益淳 董爵敏

（民航三亚空管站，三亚 572000）

摘要：本文讨论FC-Ⅲ型激光测风雷达在监测和预警风切变的能力，特别是在复杂天气下的应用。激光测风雷达基于相干探测原理，能够精准获取大气中的径向风矢量，在降水等复杂天气条件下大气中气溶胶浓度变化会影响雷达的探测效果，导致测量范围和数据有效率的降低。通过分析2024年6月26日三亚凤凰机场发生的一次风切变天气过程，根据激光测风雷达的PPI、RHI及下滑道等扫描数据，成功监测到风切变的位置、结构、高度和移动方向，并比机组报告提前约15分钟预警；此外，还讨论了激光测风雷达在三亚凤凰机场地理环境下的应用，以及降水对雷达性能的影响。希望本文能够为激光测风雷达在航空气象保障业务中的应用提供参考和依据。

关键词：激光测风雷达；风切变；预警能力；影响因素

引言

激光测风雷达基于相干探测原理，通过接收大气中气溶胶后向散射回波信号，利用数字鉴频技术获取径向风矢量。与超声风传感器等传统探测手段相比，激光测风雷达在测量水平风向风速方面具有高度一致性，但在降水等复杂天气条件下，气溶胶浓度变化会影响雷达探测效果。尽管国内关于激光测风雷达性能的研究已颇为丰富，但其在三亚凤凰机场的具体应用分析仍不足。

为了填补这一空白，本文以三亚凤凰机场为例，基于四川西物激光技术有限公司研制的FC-Ⅲ型三维激光测风雷达在该机场的实测数据，对2024年6月26日发生的风切变过程进行分析，结合三亚机场当日航空器空中报告、6月总簿资料、机场当日天气情况、6月26日自动气象观测系统数据及三亚市气象局雷达资料，讨论激光测风雷达在监测和提前预警风切变方面的能力，及降水对雷达性能的影响，旨在为航空气象保障业务应用服务提供参考与依据。

1 激光测风雷达的技术指标与机场环境

FC-Ⅲ型三维激光测风雷达具有精度高、体积小、重量轻等特点。其激光波长1.55μm，处于人眼安全范围；在扫描探测模式时探测范围约10km；在风廓线探测模式时，垂直最大探测高度3～4.5km，最低探测高度小于30m；风速测量范围0～75m/s；方位角扫描范围0°～360°；俯仰角范围-10°～190°[1]。该雷达具备多种扫描模式，包括PPI、RHI、起降通道扫描（GP）、风廓线扫描（DBS）和组合模式，能够实时显示径向风速、水平风场、迎头风和侧风等多种数据。

三亚凤凰机场位于海南岛南部海岸边，北侧及偏北侧分布着连绵不断的山丘，海拔较高的山峰阻隔了南北气流的交换，独特的地理环境使得机场区域的风切变现象更加复杂。因此，对激光测风雷达的精确度和稳定性提出了更高要求。

2 机场当日天气

2024年6月26日，三亚机场整体云况从疏云到多云，伴有短时阵雨。北京时06:00至07:00机场为多云，06:51机组报告在跑道西头高度0m处遭遇风切变。此时，激光雷达采用组合模式CPS轮流扫描工作，其中PPI（4°）有效探测距离为6km至7km，但由于北部山体遮挡，探测距离缩短至2km。结合风切变期间机场周边风场变化情况，06:00至06:42时，跑道整体风向为东至东北风，此后逐渐转为东南风。06:42三亚市气象局雷达显示机场受对流影响，06:48对流迅速移动至本场西面，强度为中等偏弱，并从东南向西北方向移动。因此，我们对激光雷达探测数据进行了详细分析。

3 激光测风雷达分析风切变特征

通过分析激光测风雷达PPI（4°）和PPI（6°）扫描水平风和水平风速发现：06:00至07:00时跑道整体风向为东至东北风，西侧主体为偏东风，东侧主体为东至东北风，在这一小时内，风场在2公里范围内在东至东南和东北之间摆动。在06:14雷达偏南方向约6公里处探测到明显的偏东风和偏南风的切变。随着对流的发展，测量距离由6公里锐减至2公里，东南侧的东南风推进至2公里范围内，且切变出现在2公里偏南方向内，与对流的移动方向一致。PPI测量结果直观地展示了风向转变和风场的推进，对实际对流的移动和风场变化的预测具有一定的指示意义。

由下滑道（83）和下滑道（263）的数据发现，迎头风为偏东风，低层存在弱的正负侧风切变。在06:39正侧风风速由2～8m/s上升至8～16m/s，主要体现在高度大约500米左右。低层风切变告警在82米以下高度，与机组报告的高度相符，比机组报告的时间提前15分钟。

在RHI（83）和RHI（173）水平风和径向风速的扫描数据中，未发现明显的切变存在。由于激光测风雷达的北部方向有山遮挡，导致其有效视程在2公里，东西方向有效视程在8公里。受天气影响，06:43时开始出现降水，导致扫描数据呈现快速衰减。

此外，风廓线垂直气流和风廓线水平风变化显示：在06:00至06:40期间，整体风向为东南风，06:20前后上空出现风向摆动。06:35至06:40期间500～1000米之间的风速明显增大，达到12～16米/秒。06:19前后风廓线垂直气流数据显示600～800米之间的上升气流加强，在06:47迅速减弱并出现下沉运动，结合该时段三亚气象雷达回波显示机场此时出现少量降水，这些数据能帮助用户理解风切变的发展过程。

4 降水对激光测风雷达性能的影响

4.1 降水对激光光束的影响及气溶胶变化

降水是影响激光测风雷达性能的关键因素之一。在降水过程中，大气中的水滴会散射和吸收激光雷达发射的光束。散射使光束传播的路径发生偏移，吸收则减少光束的能量，从而减弱了激光到达测量目标和返回接收器的光信号强度。这种衰减效果取决于降水的强度和类型（如雨、雪或冰雹），以及雷达工作波长。一般而言，波长越短，散射和吸收效应越显著。

此外，降水会通过湿沉降作用清除大气中的气溶胶粒子[3]，当雨滴与气溶胶粒子碰撞时，气溶胶粒子会附着在水滴上并随雨水降落至地面，导致空气中气溶胶浓度降低。由于激光雷达依赖气溶胶粒子的后向散射信号来探测大气，气溶胶浓度的减少会直接减弱雷达接收到的回波信号，进而影响其探测能力。

4.2 数据分析

结合三亚机场机场当日天气情况、6月月总簿资料及2024年6月26日自动气象观测系统数据分析表明，降水显著降低FC-Ⅲ型三维激光测风雷达的探测范围和数据有效率。通过对2024年6月26日三亚凤凰机场降水期间雷达数据的详细分析，我们进一步发现：雷达的有效探测距离在无降水条件下可达10公里，而在持续小雨条件下降至约4公里；同时，雷达获取的风场数据中部分图形显示缺失，尤其是在降水强度较大的情况下。

5 结论

经过对2024年6月26日风切变天气过程及激光雷达测量结果的深入研究与分析，得出以下结论：

激光雷达在风切变天气过程中能够有效监测风切变的位置、结构、高度和移动速度，为航空安全保障提供了重要支持。然而，对流导致空气中气溶胶减少进而导致雷达测量样本缺少和部分图形缺失。因此，在实际工作中需要结合实际天气情况进行综合分析和判断。

降水显著影响激光雷达的性能，尤其是持续性小雨或中雨等复杂天气，会降低雷达的测量范围、数据有效率和精度。在降水期间机场可更多使用多普勒天气雷达的探测数据，激光测风雷达的探测结果可用于补充和参考。

综上所述，FC-Ⅲ型激光测风雷达在三亚凤凰机场的实际应用中展现出良好性能，但其性能受降水等因素影响，建议在日常工作使用激光测风雷达时，应注重设备的定期维护及故障排查。希望本文能够为同行在实际工作中提供一定的参考和借鉴。

参考文献：

[1]华志强,黎倩,黄轩,等.激光测风雷达在航空保障中的典型应用分析[J].激光技术,2020,44(05):600-604.

[2]范琪,朱晓林,周鼎富,等.激光测风雷达分析典型高原机场风场特征[J].激光技术,2020,44(05):525-531.

[3]汤天然.南京江北新区工业区四季湿沉降的化学特征变化分析[D].南京信息工程大学,2017.