兰州中川机场低空风切变告警系统构建的探讨

客　慧

(民航甘肃空管分局气象台　兰州　730000)

兰州中川机场低空风切变告警系统构建的探讨

客慧

(民航甘肃空管分局气象台兰州730000)

摘要随着西北地区航班量的快速增加，飞机遭遇低空风切变事件也越来越多，对飞行造成的影响也日益严重。文中通过对兰州中川机场低空风切变预警能力现状的分析，提出低空风切变告警系统的建设方案，通过增加风场探测手段，增强气象设施设备的探测和预警能力，建设民航气象业务系统的立体探测网，全方位地应对低空风切变。

关键词中川机场低空风切变告警系统

低空风切变是发生在600 m以下风向风速突然改变的一种大气现象。低空风切变会使进场着陆或起飞爬升阶段的航空器的飞行姿态和空速等参数突然发生剧烈变化，从而失去稳定性和操纵性，一旦驾驶员判断失误或处置不当就会产生严重后果。世界上曾发生多起机毁人亡的事故。1985年8月2日18时，美国Delta航空公司一架L-1011飞机在达拉斯沃思堡机场遭遇风切变坠毁，135人死亡，23人受伤。1999年在香港赤腊角机场，华航CI642航班失事，就是因为风切变导致飞机落地时产生翻转而失事。所以低空风切变是飞机的“隐形杀手”。

兰州中川机场地处陇中黄土高原地区，秦王川盆地之中，其周围特殊的地形和气候造成了机场周围的风具有明显的地域性。随着兰州中川机场航空业务量逐年快速增长，飞行器受气象因素的影响也逐显突出。2004年机场自动观测系统启用后，多次观测到跑道两端的风向风速不同，而且大风日数明显增多。特别是自2010年开始，进出机场的航班遭遇低空风场变化的次数逐年增多，低空风场变化成为威胁飞行器起降安全的不容忽视的重要因素。由于低空风切变严重威胁着航空运行安全，且低空风切变探测困难，天气雷达很难扫描到，机场现有气象设备为常规气象探测设备，不能对低空风场变化进行探测与预警，因此给预报风切变带来了很大的困难，需要更先进的探测手段提高气象预报预警能力。

低空风切变告警系统(LLWAS)能够探测到机场飞行区的水平风和垂直风的风速风向，为预报员对风切变预报、预警提供更多的基础数据。考虑分局气象部门的实际需求，在兰州中川机场建立1套有效的针对低空风切变的告警系统迫在眉睫。

1兰州中川机场低空风切变预警能力现状分析

中川机场从2004年开始记录低空风切变以来，截止到2015年6月，累计报告低空风切变110次。仅2015年1～6月，累计报告低空风切变24次。以下从低空风切变成因、预报预警能力和机场探测设备现状3个方面对中川机场低空风切变预警能力的现状进行分析。

1.1　中川机场低空风切变天气成因

中川机场低空风切变的成因从气象学的角度来说，可分为对流性天气、锋面、乱流和原因不详4类，其中对流性天气对中川机场低空风切变的发生占有绝对的主导地位，因此预报好对流性天气是做好低空风切变预警的根本。锋面是大尺度天气系统，产生低空风切变的次数较少。乱流导致的低空风切变与中川机场所处的地理环境有关，虽然它的破坏力不如前2项大，但对飞行安全的影响也不容小觑。还有一些不明原因的低空风切变，这是因为低空风切变从气象角度来说属于小尺度天气系统，本身存在较大的不确定性，再加上机场探测手段的缺乏，就会出现一些不易辨明原因的低空风切变[1]。

1.2　中川机场低空风切变预报预警能力

2015年，中川机场低空风切变频发，截止到5月，本场共出现了23次低空风切变，给运行安全带来了很大的威胁。预报室准确预警11次，验证率为47.8%。

低空风切变严重威胁着航空运行安全，且低空风切变探测难，天气雷达很难扫描到，又因本场缺乏有效的探测手段，因此给预报风切变带来了很大的困难。气象台预报室虽然成立了风切变研究小组，除了在日常工作中针对出现的低空风切变进行诊断分析、制作风切变简报外，还多次召开风切变研讨会，针对值班期间遇到的风切变做个例分析及统计分析，试图找出一些共性及显著特点，但只能提供理论的依据。

1.3　兰州中川机场探测设备现状

兰州中川机场现有在用的探测设备有2套，即气象自动观测系统和C波段气象多普勒雷达系统。设备配备布局见图1。

图1　探测设备布局示意图(尺寸单位：m)

由图1可见，由于探测设备布局的局限性，基本集中在跑道附近，加之风传感器数量有限，对跑道外围及延长线内的三维矩形区域体内的风要素无法做到有效监控，低空风切变对在这一区域内将要起飞和降落的低空飞行器有极大的安全威胁。由于上述原因，空管分局气象台预报人员仅根据非常有限的探测资料，大多依靠多年积累的经验进行低空风切变预报预警，为塔台管制进行服务。可以看出这种对风切变的预警缺乏有效的科学依据，主观因素占主导地位。

2兰州中川机场低空风切变告警系统(LLWAS)建设及实施方案

2.1　LLWAS风站选址勘察

低空风切变预警系统的算法是对风站组成的多边形内的风场数据进行计算，因此风站选址对于探测精度和实用性非常重要。在机场的LLWAS建设的前期考察中，测风站的选址从开始就得到气象台的重视，开展了详细的机场测风站点的勘察工作。为了选取合适的地点建设风场探测网，气象台预报室和探测室设计加密风场探测点的布局，并进行了实地的考察和标记。

2.2　LLWAS站点的选址原则[2]

(1) 首先直接保护跑道区域。

(2) 对主降方向提供扩展保护区。

(3) 如果跑道的次降方向也用来降落，则也为该端增加扩展保护区。

(4) 风场的通道效应最小(峡谷和山)。

(5) 风不受附近障碍物的影响(<20%)。

(6) 所测量的风场区域包括需要监测的飞机运行区域。

2.3　兰州中川机场选址方案[2]

为了给飞机最后进场时提供保护，传感器可以安装到距离着陆点4.827 km(3 mile)的位置，在该阶段飞机高度小于304.8 m(1 000 ft)。对于离场的飞机，因为在1 000 ft高度以下的飞行距离和时间都要少于降落过程，因此需要较少的保护区范围。按照风站选址的原则及兰州机场的实际地形情况，确定在兰州机场跑道周边建设12个风站，其间距均在1.8～3 km。现阶段已完成勘察8个风站。未来根据系统的运行情况和需要可以进行探测范围的扩大，只需进行相应的南、北方向的站点实地考察，以确认新的风站位置。通过软件中算法配置文件的修改，即可将新增的风站纳入风切变预警系统。12个测风站组成一个测风网，站网数据传输至中央数据处理单元，经运算与判断，可将低空风切变警告区域在塔台终端、预报终端和观测终端上显示。

2.4　LLWAS建设及实施方案

LLWAS风切变告警系统是自动化程度较高的气象探测装备，所需建设的风探测站将工作在恶劣的室外环境中，在综合考虑目前该系统的平均技术水平及机场气象观测特点的情况下，在实地站点勘查基础上，结合中川机场实际使用的探测设备、供电方式、通信方式等，拟出本实施方案：

在外场站点配备12套风站(含风传感器、风杆、太阳能供电系统、UHF无线通信系统等)。由于中川机场将新建自动气象观测系统，包含有中央数据处理单元服务器(CDU)；LLWAS软件可与新建自动气象观测系统融合，共用自观系统的CDU和显示终端工作站。LLWAS系统配置示意图见图2。

图2　LLWAS系统配置示意图

数字采集器负责采集风传感器的数据，并将信息按需要发送到中央数据处理系统上。采集器包括所有必要的数据采集、确认、通信功能。低功耗的风变送器在太阳能板和备用电池供电下工作时可以保证最大工作时间。风传感器、采集器和障碍灯安装在测风塔或风杆上。

2.5　LLWAS系统设备配置

(1) 风速、风向传感器及采集器处理单元。LLWAS系统的基础是放置在机场起飞和降落通道周围的风传感器。外场测风站设备主要由风传感器和数据采集器组成，其中风传感器包括风向和风速传感器。风传感器拟采用超声风传感器，其优点是传感器免维护，风速测量范围为0～65 m/s，精度±0.2 m /s，启动阈值0.01 m /s；风向测量范围0°～360°，分辨率1°，精度达到±2°。

(2) 通信方式。系统通过UHF选线通信方式传输至中央数据处理器，经运算与判断，将警告区域显示在终端上。

(3) 风塔和风杆。为达到最佳系统性能和计算可靠性，根据地形条件、机场建筑物情况等使用一定高度的风杆和风塔。通过现场勘查，可获知最佳传感器排列和探测高度。对于1 520 m的探测高度采用风塔，10 m及以下高度的采用风杆。

(4) 太阳能供电。对于数据采集器和风传感器的供电，可以使用太阳能板供电，利用充放电控制器对电池进行充放电，为整套设备供电。

2.6　与自动气象观测系统的融合

气象自动观测系统主要用于提供飞机接地带附近及跑道中部地带风、温、湿、压、能见度、雨量、云高等气象要素信息。目前兰州机场配备有Vaisala的气象自动观测系统，其中风传感器与LLWAS系统的风传感器配置基本相同，可以将其中的数据有效地融合入LLWAS系统中进行综合风切变分析。

3LLWAS系统的特点

(1) 风站网络布置在跑道周围，只针对布点范围内发生的风切变有监测效果。

(2) 对中高层以上的风切变监测效果不明显。

(3) 对由对流性天气和锋面导致的风切变监测效果明显，符合中川机场的特点。从这一点来看该系统具有可操作性。

4结语

近年来，兰州中川机场报告的因低空风场变化从而影响正常起降的航班次数逐年增多。这也引起了机场和甘肃空管分局气象台的高度重视，气象台通过对机场附近低空风场变化的长期统计和研究，对其成因有了初步的结论。通过低空风切变告警系统的建设，增强了气象设施设备的探测和预警能力，通过构建低空风切变告警系统组网的风场探测设备，测量与风切变相关的气象要素，判断其发生的可能性，并发布预警信息，对机场周围发生的低空风切变分区域予以警告，为各驻场单位应对风切变天气决策提供必要的预警信息，减少了因气象信息匮乏造成的损失，提升了分局航空气象服务的品质。

参考文献

[1]孙伟中.兰州中川机场低空风切变的初步分析[J].民航科技，2007(6)：11-14.

[2]兰州中川机场气象台.兰州中川机场LLWAS站点勘察报告[D].兰州: 兰州中川机场气象台,2014.