CN105607063B - 一种机场低空风切变探测方法及*** - Google Patents

一种机场低空风切变探测方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种机场低空风切变探测方法及***，所述探测方法包括：步骤S01，实时采集边界层风廓线雷达数据和机场跑道风传感器数据，得到风场信息；步骤S02，提取并输出风切变信息，当风切变信息超过***阈值时，触发***内部预警信号；步骤S03，对***内部预警信号进行判断。探测***包括：数据采集模块，用于采集数据，得到风场信息；风切变数据处理模块，用于提取风切变特征信息；风切变预警数据输出模块，用于判断并输出预警信号。本发明通过边界层风廓线雷达对机场上空风场进行实时探测，利用得到的实际气象观测数据对水平方向和垂直方向的风切变进行预警，有助于提高机场对风切变天气的识别和预警能力，具有广泛的应用前景。

Description

一种机场低空风切变探测方法及***
技术领域
本发明涉及大气风场探测领域，尤其涉及一种机场低空风切变探测方法及***。
背景技术
低空风切变属于微尺度天气现象，存在时间一般仅几分钟至几小时，范围也仅是几米到几公里，是低空垂直或水平方向上风向或风速发生突然变化的现象，具有强度大、时间短、突发性强、影响范围小，非常难预测、预报等特点，严重威胁着飞机起飞和着陆活动的安全。
目前，美国等大多数国家主要采用基于地面风传感器的低空风切变预警***(LowLevel Wind Shear Alert System，LLWAS)进行风场探测，LLWAS***目前已经发展到第三代，该***分别将3个或2个风速、风向传感器分为一组，分成若干组，根据其所探测的风速、风向，结合各传感器的相对位置计算风场及其变化情况。如果风场是辐散的，根据对称假设所建立的微下击暴流模型，计算风速的变化，并判断下击暴流的出流中心。当风场的矢量差达到一定阈值时，即产生风切变预警，可提供跑道向外延伸3海里，进场走廊300米以下空域的风切变预警信息。由于LLWAS***所采用的风传感器均为地面传感器，只能探测地面的水平风切变，对高于风传感器空间的风切变和垂直风切变无能为力，由于高空风场数据是基于地面风场观测数据，并利用数值模型进行算法反演得到的，因此反演结果与实际情况存在一定的差异。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种机场低空风切变探测方法及***，解决目前通过数值模型反演高空风场的方法中存在的模拟结果不能完全反应真实天气情况、不能对垂直方向的风切变进行实际探测的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种机场低空风切变探测方法,包括：
步骤S01，实时采集边界层风廓线雷达数据和机场跑道风传感器数据，得到风场信息；
步骤S02，根据所述风场信息，提取并输出风切变信息，当风切变信息超过***阈值时，触发***内部预警信号；
步骤S03，根据***内部预警信号类型和机场地面天气状况参数，判断是否符合输出预警信号条件，若是，则输出预警信号，否则判定所述***内部预警信号不构成预警，并返回步骤S01继续进行数据采集。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述边界层风廓线雷达数据的时间分辨率为6分钟。
进一步，所述机场跑道风传感器数据的时间分辨率为1分钟。
进一步，步骤S02的具体实现为：
步骤S021，跑道风正交向量分解，是将水平风数据按照平行跑道方向和垂直跑道方向进行分解，转换关系式如下，
其中，θ为跑道与正北方向沿顺时针方向的夹角，V为瞬时风速探测值，Vy为平行跑道方向的风速，Vx为垂直跑道方向的风速；
步骤S022，将计算结果采用三维数据结构存储，得到三个三维数据结构，分别为平行跑道风速Vy、垂直跑道风速Vx和边界层风廓线雷达获取的不同高度上的垂直风速Vvertical；
步骤S023，对风切变信息是否超过***阈值进行综合检测，包括水平一致性检测、低空一致性检测和垂直方向一致性检测；
所述水平一致性检测，是将至少两台机场跑道风传感器的平行跑道风速Vy和垂直跑道风速Vx进行对比，当检测到某一台设备的观测值与其它至少一台的观测值的速度差值超过***阈值时，则触发水平风切变预警；
所述低空一致性检测，是将边界层风廓线雷达180m、240m、300m、360m、420m、600m的平行跑道风速Vy和垂直跑道风速Vx，分别与至少两台机场跑道风传感器的探测结果进行对比，如果某一次检测发现速度差值超过***阈值时，则触发低空水平风切变预警；
所述垂直方向一致性检测，是实时检测边界层风廓线雷达的垂直风速Vvertical随高度的变化特性和不同高度的垂直风速Vvertical随时间变化特性，当某一种变化特性超过***阈值时，则触发垂直方向风切变预警。
进一步，所述三维数据结构的三个维度分别是探测设备维度、时间维度、高度维度。
进一步，所述探测设备维度包括四个元素：边界层风廓线雷达、机场跑道北端风传感器、机场跑道中端风传感器和机场跑道南端风传感器。
进一步，所述时间维度采用美国标准时间。
进一步，所述高度维度由机场跑道风传感器探测高度和边界层风廓线雷达的探测高度信息组合而成。
进一步，所述输出风切变信息包括风切变发生的时间、位置、强度和类型信息。
进一步，所述***内部预警信号类型为：
***内部第一预警信号，由水平一致性检测结果触发，输出至少两台机场跑道风传感器平行跑道风速Vy和垂直跑道风速Vx在特定时间内随时间变化的曲线；
***内部第二预警信号，由低空一致性检测结果触发，输出边界层风廓线雷达预警高度层上的平行跑道风速Vy和垂直跑道风速Vx和至少两台机场跑道风传感器平行跑道风速Vy和垂直跑道风速Vx在特定时间内随时间变化的曲线；
***内部第三预警信号，由垂直方向一致性检测结果触发，输出边界层风廓线雷达垂直风速Vvertical在特定时间内随高度变化的曲线。
进一步，所述机场地面天气状况参数包括低空急流参数、冷锋过境参数和对流云团过境参数。
本发明解决上述技术问题的另一技术方案如下：一种机场低空风切变探测***，包括：
数据采集模块，其用于实时采集边界层风廓线雷达数据和机场跑道风传感器数据，得到风场信息；
风切变数据处理模块，其用于根据所述风场信息，提取并输出风切变特征信息，当风切变信息超过***阈值时，触发***内部预警信号；
风切变预警数据输出模块，其用于根据***内部预警信号类型和机场地面天气状况参数，判断是否输出预警信号。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述数据采集模块还包括边界层风廓线雷达，所述边界层风廓线雷达用于获取雷达上空150m至3000m范围内的水平风速、水平风向和垂直风速数据。
进一步，所述边界层风廓线雷达采用高工作模式和低工作模式；
所述高工作模式探测范围600m至3000m，距离分辨率120m；
所述低工作模式探测范围120m至600m，距离分辨率60m。
进一步，所述数据采集模块还包括至少两台机场跑道风传感器，所述机场跑道风传感器用于获取跑道两端及中间位置的地面瞬时风速和瞬时风向数据。
进一步，所述风切变数据处理模块包括风切变信息综合检测模块。
进一步，所述风切变信息综合检测模块包括水平一致性检测模块、低空一致性检测模块和垂直方向一致性检测模块。
本发明的有益效果是：通过边界层风廓线雷达对机场上空风场进行实时探测，利用得到的实际气象观测数据对水平方向和垂直方向的风切变进行预警，由于风切变预警的计算过程采用的都是实际气象观测数据,所得出的结果具有较高的可信度。这种方法利用边界层风廓线雷达的垂直探测功能，对垂直方向的风切变天气进行探测和预警，提高了对下击暴流天气的预警能力，有助于提高机场对风切变天气的探测识别和预警能力，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明所述一种机场低空风切变探测方法流程图；
图2为本发明所述提取风切变信息流程图；
图3为本发明所述一种机场低空风切变探测***框图；
图4为本发明所述2013年3月6日咸阳机场风廓线雷达凤羽图；
图5为本发明所述不同高度风速随时间变化曲线；
图6为本发明所述2013年4月29日咸阳机场风廓线雷达凤羽图；
图7为本发明所述2013年4月29日咸阳机场风廓线雷达垂直速度图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、数据采集模块，2、风切变数据处理模块，3、风切变预警数据输出模块，11、边界层风廓线雷达，12、机场跑道风传感器。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，一种机场低空风切变探测方法，包括：
步骤S01，实时采集边界层风廓线雷达数据和机场跑道风传感器数据，得到风场信息；
步骤S02，根据所述风场信息，提取并输出风切变信息，当风切变信息超过***阈值时，触发***内部预警信号；
步骤S03，根据***内部预警信号类型和机场地面天气状况参数，判断是否符合输出预警信号条件，若是，则输出预警信号，否则判定所述***内部预警信号不构成预警，并返回步骤S01继续进行数据采集。
如图2所示，步骤S02的具体实现为：
步骤S021，跑道风正交向量分解，是将水平风数据按照平行跑道方向和垂直跑道方向进行分解，转换关系式如下，
其中，θ为跑道与正北方向沿顺时针方向的夹角，V为瞬时风速探测值，Vy为平行跑道方向风速，Vx为垂直跑道方向风速；
步骤S022，将计算结果采用三维数据结构存储，得到三个三维数据结构，分别为平行跑道风速Vy、垂直跑道风速Vx和垂直风速Vvertical；
三维数据结构的三个维度分别是探测设备维度、时间维度、高度维度。探测设备维度包括四个元素：边界层风廓线雷达11(如图3所示)、机场跑道北端风传感器、机场跑道中端风传感器和机场跑道南端风传感器；时间维度采用美国标准时间；高度维度由机场跑道风传感器探测高度和边界层风廓线雷达的探测高度信息组合而成。
步骤S023，对风切变信息是否超过***阈值进行综合检测，包括水平一致性检测、低空一致性检测和垂直方向一致性检测；
所述水平一致性检测，是将至少两台机场跑道风传感器的平行跑道风速Vy和垂直跑道风速Vx进行对比，当检测到某一台设备的观测值与其它至少一台的观测值的速度差值超过***阈值时，则触发水平风切变预警；
所述低空一致性检测，是将边界层风廓线雷达180m、240m、300m、360m、420m、600m的平行跑道风速Vy和垂直跑道风速Vx，分别与至少两台机场跑道风传感器的探测结果进行对比，如果某一次检测发现速度差值超过***阈值时，则触发低空水平风切变预警；
所述垂直方向一致性检测，是实时检测边界层风廓线雷达的垂直风速Vvertical随高度的变化特性和不同高度的垂直风速Vvertical随时间变化特性，当某一种变化特性超过***阈值时，则触发垂直方向风切变预警。
***内部预警信号由***内部第一预警信号、***内部第二预警信号和***内部第三预警信号组成，当触发***内部预警信号时，本方法不仅会输出风切变发生的位置与强度信息，而且还会输出此预警的判别依据曲线，即：
***内部第一预警信号，由水平一致性检测结果触发，输出至少两台机场跑道风传感器平行跑道风速Vy和垂直跑道风速Vx在特定时间内随时间变化的曲线。具体的，该曲线时间范围为1-10分钟，可以优选为2分钟。其好处在于，机场跑道风传感器可提供2分钟平均风速和风向值、2分钟最大风速和风向值及2分钟最小风速和风向值。这样，该曲线也可以和机场跑道风传感器提供的数据进行直接对比，方便预报员使用。
***内部第二预警信号，由低空一致性检测结果触发，输出边界层风廓线雷达预警高度层上的平行跑道风速Vy和垂直跑道风速Vx在特定时间内随时间变化的曲线和至少两台机场跑道风传感器平行跑道风速Vy和垂直跑道风速Vx在特定时间内随时间变化的曲线。具体的，两种曲线时间范围为1-10分钟，可以优选为6分钟，其好处在于边界层风廓线雷达每6分钟更新一组探测数据，将两种曲线对比，保证了预警的实时性。
***内部第三预警信号，由垂直方向一致性检测结果触发，输出边界层风廓线雷达垂直风速Vvertical在特定时间内随高度变化的曲线。具体的，该曲线时间范围为1-10分钟，可以优选为6分钟，其好处在于边界层风廓线雷达每6分钟更新一组探测数据，保证了预警的实时性。
预报员根据风切变数据处理模块产生的预警信息，结合机场地面天气状况参数，对机场天气实时天气形势进行综合分析。若分析发现此时正在发生低空急流、冷锋过境、对流云团过境等容易引发风切变的天气过程，则表示风切变数据处理模块2(如图3)产生的***内风切变预警信息为正确预警，预报员随即输出风切变信息和预警信号给机场飞行管制人员，指导飞行员飞行。
如图3所示，一种机场低空风切变探测***，包括：数据采集模块1，其用于实时采集边界层风廓线雷达数据和机场跑道风传感器数据，得到风场信息；风切变数据处理模块2，其用于对边界层风廓线雷达11和机场跑道风传感器12的观测数据进行处理运算，检测大气风场在水平风向、垂直方向上的连续性，对所述风场信息进行处理，提取并输出风切变信息，当风切变信息超过***阈值时，触发***内部预警信号；风切变预警数据输出模块3，其用于根据***内部预警信号类型和机场地面天气状况参数，对风切变数据处理模块2提取的风切变信息进行确认，判断是否输出预警信号。
所述数据采集模块还包括边界层风廓线雷达11，所述边界层风廓线雷达11用于获取雷达上空150m至3000m范围内的水平风速、水平风向和垂直风速数据。所述数据采集模块1还包括至少两台机场跑道风传感器12，所述机场跑道风传感器12用于获取跑道两端及中间位置的地面瞬时风速和瞬时风向数据。风切变数据处理模块2包括风切变信息综合检测模块，该模块包括水平一致性检测模块、低空一致性检测模块和垂直方向一致性检测模块。风切变数据处理模块2通过跑道风正交向量分解、水平一致性检测、低空一致性检测、垂直方向一致性检测进行处理，输出风切变信息和***内部预警信号。所述输出风切变信息包括风切变发生的时间、位置、强度和类型信息。
为获取高分辨率的低空风场数据，安装在机场的边界层风廓线雷达11通常采用高工作模式和低工作模式。所述高工作模式探测范围600m至3000m，距离分辨率120m；所述低工作模式探测范围120m至600m，距离分辨率60m。边界层风廓线雷达11每6分钟获取一组雷达上空不同高度的水平风速、水平风向和垂直风速数据，所得到的边界层风廓线雷达数据的时间分辨率为6分钟。机场跑道风传感器12每1分钟获取一组瞬时风速和瞬时风向数据，所得到的机场跑道风传感器探测数据的时间分辨率为1分钟。
本发明已经成功应用在陕西西安咸阳国际机场，通过多次风切变天气过程对本方法的使用效果进行检验，获得了较高的准确率。
实施例1：2013年3月6日低空急流天气过程
2013年3月6日01:10至01:55，机场上空发生低空急流过程。雷达上空600m位置出现强风，瞬时风速达到32m/s，持续时间约1小时(如图4所示)。对机场跑道上的北端、中端、南端风传感器，以及边界层风廓线雷达120m、180m和300m高度上的风速进行分析，如图5所示，低空急流在1:10分在300m高空开始产生影响，并随着时间推移影响到地面，并在1:30影响机场跑道南端风传感器，1:40影响机场跑道中端风传感器。
本发明的风切变数据处理模块低空一致性检测1:10产生风切变预警，水平一致性检测1:20产生风切变预警，能够准确预警低空急流天气引起的风切变天气。
实施例2：2013年4月29日下击暴流天气过程
2013年4月29日4:40，本发明输出垂直风切变预警。分析风廓线雷达的水平风数据(图5)和垂直风速数据(图6)发现，4:40之前，1000m高度以上聚集着下沉气流，4:40下沉气流向地面运动，直接影响到地面。边界层风廓线雷达600m以下各高度层的垂直速度明显增大，表示高空降水到达地面。对降水开始前可能发生的下击暴流天气过程进行了有效的预警。
本发明的风切变数据处理模块垂直方向一致性检测在4:40产生风切变预警，提示大气垂直速度变化超过***阈值，能够准确预警由下击暴流引起的风切变天气。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种机场低空风切变探测方法,其特征在于，包括：
步骤S01，实时采集边界层风廓线雷达数据和机场跑道风传感器数据，得到风场信息；
步骤S02，根据所述风场信息，提取并输出风切变信息，当风切变信息超过***阈值时，触发***内部预警信号，其中步骤S02的具体实现为：
步骤S021，跑道风正交向量分解，是将水平风数据按照平行跑道方向和垂直跑道方向进行分解，转换关系式如下，
<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>V</mi> <mi>y</mi> </msub> <mo>=</mo> <mi>V</mi> <mo>&amp;times;</mo> <mi>cos</mi> <mi>&amp;theta;</mi> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>V</mi> <mi>x</mi> </msub> <mo>=</mo> <mi>V</mi> <mo>&amp;times;</mo> <mi>sin</mi> <mi>&amp;theta;</mi> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>
其中，θ为跑道与正北方向沿顺时针方向的夹角，V为瞬时风速探测值，Vy为平行跑道方向的风速，Vx为垂直跑道方向的风速；
步骤S022，将计算结果采用三维数据结构存储，得到三个三维数据结构，分别为平行跑道风速Vy、垂直跑道风速Vx和边界层风廓线雷达获取的不同高度上的垂直风速Vvertical；
步骤S023，对风切变信息是否超过***阈值进行综合检测，包括水平一致性检测、低空一致性检测和垂直方向一致性检测；
所述水平一致性检测，是将至少两台机场跑道风传感器的平行跑道风速Vy和垂直跑道风速Vx进行对比，当检测到某一台设备的观测值与其它至少一台的观测值的速度差值超过***阈值时，则触发水平风切变预警；
所述低空一致性检测，是将边界层风廓线雷达180m、240m、300m、360m、420m、600m的平行跑道风速Vy和垂直跑道风速Vx，分别与至少两台机场跑道风传感器的探测结果进行对比，如果某一次检测发现速度差值超过***阈值时，则触发低空水平风切变预警；
所述垂直方向一致性检测，是实时检测边界层风廓线雷达的垂直风速Vvertical随高度的变化特性和不同高度的垂直风速Vvertical随时间变化特性，当某一种变化特性超过***阈值时，则触发垂直方向风切变预警；
步骤S03，根据***内部预警信号类型和机场地面天气状况参数，判断是否符合输出预警信号条件，若是，则输出预警信号，否则判定所述***内部预警信号不构成预警，并返回步骤S01继续进行数据采集。
2.根据权利要求1所述的一种机场低空风切变探测方法，其特征在于，所述边界层风廓线雷达数据的时间分辨率为6分钟。
3.根据权利要求1所述的一种机场低空风切变探测方法，其特征在于，所述机场跑道风传感器数据的时间分辨率为1分钟。
4.根据权利要求1所述的一种机场低空风切变探测方法，其特征在于，所述三维数据结构的三个维度分别是探测设备维度、时间维度和高度维度；
所述探测设备维度包括四个元素：边界层风廓线雷达、机场跑道北端风传感器、机场跑道中端风传感器和机场跑道南端风传感器；
所述时间维度采用美国标准时间；
所述高度维度由机场跑道风传感器探测高度和边界层风廓线雷达的探测高度信息组合而成。
5.根据权利要求1所述的一种机场低空风切变探测方法，其特征在于，所述输出风切变信息包括风切变发生的时间、位置、强度和类型信息。
6.根据权利要求1所述的一种机场低空风切变探测方法，其特征在于，所述***内部预警信号类型为：
***内部第一预警信号，由水平一致性检测结果触发，输出至少两台机场跑道风传感器平行跑道风速Vy和垂直跑道风速Vx在特定时间内随时间变化的曲线；
***内部第二预警信号，由低空一致性检测结果触发，输出边界层风廓线雷达预警高度层上的平行跑道风速Vy和垂直跑道风速Vx和至少两台机场跑道风传感器平行跑道风速Vy和垂直跑道风速Vx在特定时间内随时间变化的曲线；
***内部第三预警信号，由垂直方向一致性检测结果触发，输出边界层风廓线雷达垂直风速Vvertical在特定时间内随高度变化的曲线。
7.根据权利要求1所述的一种机场低空风切变探测方法，其特征在于，所述机场地面天气状况参数包括低空急流参数、冷锋过境参数和对流云团过境参数。
8.一种机场低空风切变探测***，其特征在于，包括：
数据采集模块，其用于实时采集边界层风廓线雷达数据和机场跑道风传感器数据，得到风场信息；
风切变数据处理模块，其用于根据所述风场信息，提取并输出风切变特征信息，当风切变信息超过***阈值时，触发***内部预警信号，其中所述风切变数据处理模块包括风切变信息综合检测模块，而所述风切变信息综合检测模块包括水平一致性检测模块、低空一致性检测模块和垂直方向一致性检测模块，其中所述水平一致性检测，是将至少两台机场跑道风传感器的平行跑道风速Vy和垂直跑道风速Vx进行对比，当检测到某一台设备的观测值与其它至少一台的观测值的速度差值超过***阈值时，则触发水平风切变预警；
所述低空一致性检测，是将边界层风廓线雷达180m、240m、300m、360m、420m、600m的平行跑道风速Vy和垂直跑道风速Vx，分别与至少两台机场跑道风传感器的探测结果进行对比，如果某一次检测发现速度差值超过***阈值时，则触发低空水平风切变预警；
所述垂直方向一致性检测，是实时检测边界层风廓线雷达的垂直风速Vvertical随高度的变化特性和不同高度的垂直风速Vvertical随时间变化特性，当某一种变化特性超过***阈值时，则触发垂直方向风切变预警；
风切变预警数据输出模块，其用于根据***内部预警信号类型和机场地面天气状况参数，判断是否输出预警信号。
9.根据权利要求8所述的一种机场低空风切变探测***，其特征在于，所述数据采集模块还包括边界层风廓线雷达，所述边界层风廓线雷达用于获取雷达上空150m至3000m范围内的水平风速、水平风向和垂直风速数据。
10.根据权利要求8或9所述的一种机场低空风切变探测***，其特征在于，所述边界层风廓线雷达采用高工作模式和低工作模式；
所述高工作模式探测范围600m至3000m，距离分辨率120m；
所述低工作模式探测范围120m至600m，距离分辨率60m。
11.根据权利要求8或9所述的一种机场低空风切变探测***，其特征在于，所述数据采集模块还包括至少两台机场跑道风传感器，所述机场跑道风传感器用于获取跑道两端及中间位置的地面瞬时风速和瞬时风向数据。
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