多普勒天气雷达在航空天气预报中的应用.docx

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1、多普勒天气雷达在航空天气预报中的应用摘要：近年来，随着我国经济技术进展，民用飞行器的科技技术也进展快速， 进而现代相关民用航空技术进展越来越成熟，民用航空在时代交通行业的作用 渐渐凸显。目前飞行器的进展趋势主要受到安全性的制约，而天气是影响着安全 性的关键因素，因此，准时、准确的推测出天气状况，对民航领域的进展极其重 要。为此，本文从雷达原理以及多普勒雷达在监测天气的优势作为切入角度进展 分析，不难觉察多普勒雷达识别恶劣天气的前提是被检测区域内包含能够反射电 磁波的物质；多普勒雷达与一般天气雷达相比较，具有分析区分微弱信号的优点， 为此多普勒雷达在民用航空气象效劳中的应用前景宽阔。关键词：多普

2、勒；天气雷达；航空气象效劳引言始终以来，气象条件对于航空安全与航空行业的进展影响都是重大的。即使 在民用航空业较兴旺的西方国家，也有接近 33%的航空事故是由于恶劣天气造成的。机场是特地为航空器供给升降的场所，因此，机场相关气象部门时刻推测、 把握天气状况，为正在执行任务的航空器供给气象情报，对确保人员安全格外重 要。由于大自然的瞬息万变，空中的风力、温度等气象指数也都是时刻在变化， 中国相关气象部门为保证飞机的安全，始终努力建立更完善的航空气象效劳平台。气象部门依据当前天气状况或者推测天气状况，与机场管制部门会商，依据 和将来的气象条件来推断是否连续开放机场；同时管制部门依据目的地的气象条

3、件进展流量掌握来打算是否允许相关飞机的起飞；在执行飞行任务前，会向机组 人员供给具体的气象情报，机组人员可以将其与多普勒雷达回波相结合，依据提 前的气象情报，做出相关推断，打算飞机的最正确飞行高度、飞行速度等相关 飞行参数，同时，基于此种状况，也可以避开雷电、猛烈的空气对流等一些危急 状况1-。2由于多普勒雷达不仅可以在一般天气下对飞机的飞行轨迹进展准确测量，而 且还可以对大气中空气湿度、风速等气象参数进展有效的测量，因此在航空领域 的应用极其广泛。多普勒雷达具有优秀的探测力量，可以探测出探测雨滴的降落 方向以及运行速度，而这些准确的探测探测功能，为气象预报可以供给更为准确、有效的推断因素，进

4、而可以为民航系统供给更加安全的保障系统，也让飞行员以 及乘客有了更安全的保障，为航空事业的进展供给更有利的帮助，因此，争论多 普勒天气雷达在航空气象效劳的应用是迫在眉睫并且极具意义的事情3。本文针对航空气象条件难以实时检测的问题，从雷达原理，多普勒雷达探测原理及其应用领域等多个方面进展介绍，主要分析多普勒雷达天气雷达在航空气象中的应用实例，为今后争论多普勒雷达探测天气条件制造更好的条件4。1. 航空气象效劳概述1.1 国际航空气象效劳概况国际航空气象效劳主要是对航空的正常、高效的运行以及安全性供给参考依据。为实现此目的，世界区域预报系统以及全球各国自身的气象监测机构均为航空公司供给相关的气象条

5、件效劳5。世界区域预报系统的两个预报中心，这两个中心时刻以数据、图表等相关的形式，进展全世界范围的温度、最大气流以及相关对流层高度的信息等大量的相关气象参数的预报，并且以电视、播送等各种各样的途径传播于全球用户，这也就为世界各国出台适宜的航空气象飞行材料供给了强有力的证据6。1.2 我国航空气象效劳概况我国航空气象效劳机构主要负责自身分管内的气象效劳的组织与实施。目前， 我国的气象效劳主要分为四个等级，分别是民航气象中心、地区气象中心、空管 分局站气象台及地方机场气象台。其中民航气象中心主要是负责高度在 7500米以上的天气信息的监测与公布；地区气象中心主要负责 3000-7500 米之间的气

6、象资料；空管分局站气象台主要监测 3000 米以下的低空飞行气象数据；地方机场气象台主要负责当地机场的天气预报及相关突发天气状况的警报。目前我国有 84 个机场安装了气象雷达，其中包含了 25 个多普勒气象雷达，占比接近1/3；并且在 80 多个观测站安装了气象卫星云图的接收系统；在我国的北京、上海、广州三地建立了世界区域预报系统接收站，这三个接收站可以直接通过卫星接收来自世界区域预报中心(华盛顿、伦敦)公布的全球航空气象天气资料，主要是一些温度、高层气流大小、机场天气报告等相关的气象数据7。此外，我国在21 世纪前夕就建成了民航气象数据库以及卫星 播送系统，并且快速的开放了应用，在全国 60

7、 多个机场进展试用，为我国航空气象的一体化打下了坚实的根底，同时也为我国的气象推测与保障工作有了更牢靠的条件8，也证明白多普勒雷达之于航空气象效劳的重要性。2. 雷达探测气象问题原理雷达是通过天线放射肯定频率的电磁波，当电磁波遇到物体时将进展反射， 雷达接收天线通过接收到的反射波来进展目标位置以及性质的推断；而物体由于本身具有肯定的特性例如导电性能，这样当电磁波遇到物体时，就会使物体内部产生肯定的磁场变化，在该磁场的作用下，金属中的自由电子会形成肯定的微电流进而对电磁波产生反射。据此可以推断出，只要物体具有肯定的导电性能，即可以对雷达波产生反射，这一性能与大自然中光的反射原理类似9-10。2.

8、1 雷达探测气象目标的根本原理物体对电磁波的反射力量，不仅仅取决于其自身的物理特性、外形、密度等物理参数，也与电磁波的放射时的频率、幅值等关系亲热。在肯定条件下，物体内的自由电子数量与物体的导电性能是成正比的，对电磁波的反射强度与导电性能成正比，因此当物体的导电性能越好时，包含的自由电子数量越多，其反射电磁波的力量也越强；并且随着物体的外形尺寸渐渐增大，当尺寸接近放射电磁波的波长时，所产生的反射电磁波越多，物体的反射力量也就越强；在放射天线反射电磁波时的入射角越小的状况下，雷达接收天线，收到的电磁反射波的强度越大 。天气状况不能够像具体的物质一样，具有看得见摸得着的物理外观特性，但是在其区域内

9、照旧存在自由电子等肯定的电磁特性，仍可对雷达波产生肯定的反射。当金属内部自由电子数量多时，再加上金属物体外形尺寸很大的状况下，此时会造成金属外表产生很大的反射面积，这时，金属就可以对入射的雷达电磁波 产生很大的电磁波反射，在金属足够厚的状况下，会产生全反射，即阻断了电磁 波向前传播；但是对于空中的一些恶劣天气状况来看，不是实实在在的物体，甚 至导电性能等电学特性均不如金属物体，但是对于气象雷达，其放射的电磁波的 波长一般很短，当电磁波从恶劣天气传输到晴朗天气的时候，会在二者的交界面 处产生肯定的折射和反射，并且电磁波在整个区域均产生不同的折射与反射，当 遇到距离很远的目标物体时，仍旧会造成肯定

10、的折射，产生的雷达回波经过接收， 后期经过专业人士的数据处理，即可推断出相关信息。依据此功能特性，使得气 象雷达能够更远距离的探测目标。为此气象雷达能够准确快速的将大范围的气象 条件反响给气象人员，为飞行安全保驾护航。和大自然光的折射原理类似，电磁波在折射和反射的过程中，照旧会受到物体的减弱，造成信号的渐渐衰弱，进而雷达电磁波的反射能量会渐渐减小，同样的道理，在空中更远的目标反射电磁波时，也会对其造成肯定程度的衰减，也就是说电磁波会受到正向和反向的两重衰减，加上电磁波本身由于距离渐渐变长而造成的减弱，一系列的因素，会造成一样的物体，距离放射天线较远时所产生的反射波强度远远低于距离放射天线近的反

11、射强度。目前，相关设计人员在相关雷达波的传播机理上，对气象雷达设备的相关构造、电路进展逐步优化，进而优化放射波形，承受更先进的方法对后期的数据进展处理，使得雷达在进展目标推断时有了更高的准确率，有力的保证了该方法的牢靠性。2.2 对冰雹区域的探测冰雹天气是极其恶劣的天气，严峻影响飞行任务的安全，冰雹的形成、相关的密度等一系列物理特性，与形成时的大气参数亲热相关，并且变化多端，本文不再表达，主要介绍其对气象雷达的影响。在航空气象方面，当正在下降的冰雹遇到上升的暖空气时，会使冰雹的外表产生一层薄薄的水膜，形成湿冰雹，前文说到，在放射雷达确定之后，雷达接收到的电磁波强度取决于目标本身对电磁波的反射强

12、度。冰雹外表的水膜，会对电磁波产生肯定的反射与折射，随着冰雹的渐渐变大，反射的强度也就越来越大， 因此对于冰雹天气，当冰雹的外形越大时，雷达越简洁觉察该天气区域。固然，自然会存在另外一种外表没有水包围的干冰雹，此类冰雹对雷达波的反射力量相对较弱，依据相关争论，同样的尺寸，湿冰雹所产生的电磁波反射强度是干冰雹的五倍左右，并且颗粒小的冰雹很难被气象雷达觉察，当冰雹的外形尺寸渐渐增大，直径接近雷达电磁波波长的格外之八时，才可以更有效的被雷达觉察，然而对于目前工作频率段的气象雷达，要想检测到此类天气，需要冰雹的直径到达 2.5cm，因此对干冰雹的雷达探测工作照旧任重道远。2.3 湍流及其检测多项争论说

13、明，湍流天气一般会在暴雨区域产生，一般在暴雨区域的中等高度会产生极其猛烈的湍流，但是在保育区域的上下风向以及顶部等区域，也存在产生湍流的可能性，因此遇到暴雨天气，对于航天飞行任务的相关人员来说，肯定不能掉以轻心。目前对飞行安全威逼最大的恶劣环境之一就是湍流。目前对湍流探测主要是依靠多普勒效应，由于湍流区域一般会夹杂肯定的水滴等物质，并且移动的速度很快，由于风的影响，移动方向变化无常，这就会在湍流区域形成一个与雷达放射电磁波频率相差较大并且频谱宽度较宽的多普勒频谱，该频谱与一般降雨天气产生的反射回波差异很大，气象雷达正是依据这一固有的特性来实现对目标区域的探测。接收到反射回波后，通过肯定的电路信

14、号分析方法，可以实现相关频谱的检测与展现，进而推断湍流恶劣天气的存在。雷达对目标物体的探测均是基于物体自身能够反射雷达波的特点：湿冰雹是 通过外表的水对雷达波进展反射，进而使雷达检测到目标；湍流能被探测到，是 由于其区域内包含大量的水滴与杂质，这些物质照旧能对电磁波造成反射，进而 接收回波，推断出湍流天气。因此，当湍流区域内假设不存在肯定数量的雨滴时， 则该区域将不具备电磁波的反射力量，即很难被雷达检测到。依据美国国家气象局的分类标准，速度变化在 6-12m/s 的湍流称之为中度湍流，飞机上载有的雷达门限是 5m/s，即低于中度湍流的变化速度，而中度湍流及其以上程度的湍流都能够在飞机自身的雷达

15、上显示。2.4 气象雷达对各种气象目标的探测力量湿冰雹以及夹带大量雨水的湍流区域，严峻影响了飞行器的安全，可以依据电磁波对上述目标区域的高强度的反射特性，气象雷达可以准确对这些区域进展判别，帮助气象人员识别该危急区域，保障飞行任务的顺当完成和机组乘客的人身安全。目前雷达特别天气的探测力量有限，主要由于雷达探测到目标的前提是具有能够能够对电磁波产生肯定的反射的物质，外形尺寸较小的冰雹以及区域内不含水滴的湍流区域，由于其反射力量较弱，因此很难被气象雷达觉察。同样的道理，当遇到干的雪花的时候，由于其不能产生反射波，只有当雪花中含有大量水分时，能够产生反射波，才能够被气象雷达检测到。而一般的云、雾中含

16、有大量微细水珠，但是其中的外形尺寸过小，照旧不能产生有效的放射回波，所以不能有效的被气象人员觉察。3. 多普勒雷达探测原理3.1 降水回波中的多普勒频率信息在航空气象效劳中最普遍的降水测量活动中，常规的天气雷达对降雨区域的分布、强度和垂直构造只能借助雷达波的回波强度来进展推断。而多普勒雷达则能够依据降水回波频率和放射频率之间的变化信息对降水的强度、气流速度等航空关键信息进展测量。依据多普勒定律当波源与观测者作相对运行的时候，观测者所观测到的频率与波源的实际频率是不同的，这种频率的差异与波源与观测者之间的相对运动速度成正比。依据此原理，多普勒雷达就可以依据放射频率和回波频率的差异性，准确区分出降

17、水粒子的运动速度、方向，通过不连续的监测形成降水粒子的运动轨迹模型。然后在此根底上形成一系列有关对降水强度、分布和变化趋势的客观生疏， 同时也形成一系列对该区域气流强度、方向和变化趋势的生疏。多普勒雷达依据上述原理，可以准确探测出降水粒子的运动速度和方向，通过不连续探测，把握降水特性，有助于气象人员了解降水强度、降水分布及其变化趋势。3.2 多普勒雷达的体制多普勒雷达与传统的气象雷达相比，具有对反射回波信号的微弱变化进展分析区分的力量，因此能够形成多普勒雷达天气的实时检测功能的关键点就在于雷达天线放射电磁波的微弱变化。多普勒雷达通过使内部的工作频率保持不变或者工作频率和波形的初相位不变的手段来

18、到达上述的目的，目前主要有自相干多普勒雷达和全相干雷达这两种雷达在航天气象效劳中应用。其中自相干雷达即是保持工作频率不变，即是锁相位技术，虽然放射出的雷达波具有很大的突变性，但是该项技术的应用让放射波和接收到的反射回波能够进展比较区分，进一步提取出天气中的相关气象信息， 为气象人员供给肯定的参考依据；然而全相干雷达应用了更先进的技术，承受了晶体振荡器发出的单频脉冲波，这使得放射波的稳定性格外高，与反射回波相比较能够得出相关差异。4. 多普勒雷达在民航气象效劳中的应用分析在天空中，当潮湿的空气遇到及其不稳定的气层时，被其抬升，会形成具有对流运动的天气系统。大自然中很多自然灾难如雷电、暴雨、龙卷风

19、、冰雹等恶劣天气均与此种气流有很大的关系。这种恶劣天气具有很强的破坏力，飞行器一旦进入雷电、湍流等气象区域，格外简洁被区域内的强风切变造成严峻的损害。多普勒天气雷达放射的电磁波以进于直线的路径和接近光速的速度间歇性的在大气中传播，当电磁波遇到大气粒子时，电磁波被目标物体反射、折射，其中反射回的电磁波被雷达所接收，经过信号处理器的分析判别出不同时刻不同强度的回波信号，气象人员通过时间、速度等参数可以反算出目标物体的具体位置、运动方向以及运动强度等很多气象信息，有助于相关人员推断此天气条件下是否开放机场以及相关航班的起降，为飞行安全保驾护航。4.1 零径向速度的意义在具体的实际应用中，常常消灭其中

20、某一点径向速度为零的现象，即是零径向速度，这一现象在多普勒雷达的气象效劳中是难以突破的问题，正常状况下，当消灭这种现象时，具有两种状况参考，一种是该点的真实速度确实为 0，另一种是该点的真实风向与电磁波的方向相互垂直，从而造成雷达对该点的信息无法识别。4.2 锋面四周多普勒速度图像多普勒雷达通过锋面两侧的气象参数的监测与区分来辨识锋面。在锋面形成 时，以锋面为分界限的两边的气象参数会有很大的差异，当雷达检测到两侧的信 息差异很大的状况下就可以推断该处有锋面经过，并且能够推断出相关数值差异 最大的地方就是锋面所在地，进一步依据锋面两侧环境因素的具体数值和差异大 小进展推断出暖锋和冷锋。气象人员依

21、据锋面信息，结合大气中的根本气象参数 可以推测判定可能产生的天气现象以及相应位置，对航班工作人员做出相应提示， 使航班避开危急区域。5 结论飞机作为一种快速高效的出行方式，渐渐被宽阔群众所承受，不过其自身安全性是最为重要的影响其进展的因素。而现实的航空活动中，对飞机安全影响最大的就是天气因素，所以对多普勒天气雷达在航空气象效劳中应用的争论具有鲜亮的现实意义。本文主要针对如何保证飞行器安全的问题，从天气因素着手，重点分析了如何监测区分恶劣天气。着重介绍雷达原理以及雷达对不同特别天气的探测流程， 觉察目标区域内具有强反射性的物质是雷达探测恶劣天气的前提。几年来，多普勒雷达有了突破性的进展，这主要是

22、由于随着相关电磁场理论 争论的进展对雷达根底领域做出了奉献，而且随着科技的进展，对反射波信号的 分析有了更深的生疏和更科学的方法，这些先进技术帮助争论人员更好的对天气 中流云团的内部构造进展争论，从而能更有效的检测天气状况。同时，对于暴风、湍流等强对流天气的识别具有了更高的准确率，供给更加有效的气象技术文件， 能够削减天气因素对飞机安全带来的影响，也提高了飞行的效率与经济性。多普 勒雷达与传统雷达相比较，最大的特点就在于前者能后区分出后者不能区分出来 的微弱的反射波信号。因此，在飞速进展的现代社会，应用多普勒雷达对航天气象效劳进展检测不仅仅能够进一步保障飞机的安全性能，而且能够节能减排，提高国

23、民经济的效益。参考文献1 程小慷.多普勒天气雷达在航空天气预报中的应用D.西南交通大学,2023.2 范江琳.多普勒天气雷达在定量测量降水及短时强降水预报中的应用 D. 成都信息工程学院,2023.3 李学华.多普勒天气雷达区分率提高理论与方法争论D.电子科技大学,2023.4 李德俊.多普勒天气雷达在低纬高原地区建立高区分率降水资料场中的应用J.热带气象学报,2023.5 丁鹭飞主编.雷达原理M.西北电讯工程学院出版社,1984.6 陈良栋主编.雷达气象学M.中国人民 空军气象学院出版社,1982.7 民航总局空管局编.航空气象应用简明手册.中国民航出版社,2023.8 空军司令部气象局编.航空气象效劳.内部使用,2023.9 黄仪方等.航空气象M.西南交通大学出版社,2023.10 贺伟,赵志强. 深圳宝安机场天气雷达故障检测与分析J. 空中交通治理.2023(04).作者简介：宋晓桐1990.02，女，汉族，吉林省长春市公主岭市人，本科，助理工程师，从事民航气象观测工作。