风廓线雷达湍流探测应用研究

张志标，姜明波，杜智涛，刘可邦，初奕琦，杨 川

(1.北京应用气象研究所，北京 100029；2.北京无线电测量研究所，北京 100854)

0 引言

大气湍流是一种不规则的大气运动方式，它由许多大小不同的大气涡旋所组成。大气湍流的存在使大气中的动量、热量、水汽和污染物的垂直和水平交换作用明显增强，是大气中的一种重要运动形式[1]。

由于大气湍流伴随的能量、动量、物质的传递和交换远远大于层流，因此其造成的扩散力、剪切应力也更加强烈。在航空气象中，大气湍流对于飞行器的影响很大，轻则造成飞行器颠簸，影响乘客的飞行体验，增加飞机的疲劳损伤；重则导致飞机飞行姿态发生变化，使之难以控制，引发严重的飞行事故。因此研究大气湍流及其变化规律对于飞行安全保障是很有必要的。

文章利用满洲里西郊机场新建的边界层风廓线雷达，选取了几个典型晴天个例，分析湍流耗散率ε的时空分布特征，这对于机场上空的湍流监测、风切变识别以及航危天气预警等业务的应用具有一定的参考意义。

1 设备数据与算法原理

1.1 设备与资料

文章使用的边界层风廓线雷达是由中国航天科工二院23所生产的CFL-03型风廓线雷达，雷达的相关参数如表1所示。

表1 CFL-03型边界层风廓线雷达主要技术参数

计算所用数据资料为2020年8月的雷达径向基数据文件，文章在分析时选用了8月20日晴天个例进行分析，以此来降低降水粒子对雷达谱宽的影响，提高湍流耗散率计算精度。

1.2 算法原理

(1)

(2)

其中，Nastrom[3]给出了风切变和波束宽度对应谱宽的公式：

(3)

(4)

式中，VE为东波束径向速度；φ1为东波束天顶角；VN为北波束径向速度；φ1为北波束天顶角；VL为中波束径向速度；(u，v)是水平风速分量；w是垂直风速分量。

此外，Campistron[4]等提出经验公式：

(5)

White[5]等提出由湍流谱宽计算湍流强度的公式：

(6)

(7)

(8)

式中，A为Kolmogorov常数，定为：

A=1.6

L由抽样时间间隔内平均水平风速vt和平均周期(停留时间)Δt计算得到：

L=vt×Δt

(9)

Δt=NSA(TNFFTNPA+t0)

(10)

式中，NSA是谱平均的个数；T是脉冲重复周期；NFFT是傅里叶变换的点数；NPA是脉冲平均个数(相干积分个数，相干积累)；t0是傅里叶变化处理时间。

a为波束横截面的半径，有：

a=R0×sinθ0.5≈R0×θ0.5

(11)

b为脉冲长度的一半，可由脉冲宽度τ计算得到：

b=τc/2

(12)

2 湍流耗散率可靠性分析

利用1.2章节相关公式计算得到满洲里西郊机场8月的湍流耗散率ε分布结果，经过统计分析后发现当地2000 m以下湍流耗散率ε的变化范围在10-7～100m2/s3，这一点与前人的研究结果相一致，可以认为得到的结果是有效的。

为验证湍流耗散率ε计算结果的可靠性，将风廓线雷达的计算结果与其他设备获取的湍流结果进行对比，比对数据包括机载QAR数据中的EDR记录，激光雷达PPI扫描数据演算结果。由于不同设备数据时间分辨率不同，可用作比对的数据量有限，图1为一次典型的比对结果案例。可以看到在300～900 m风廓线雷达数据计算结果与机载QAR数据结果一致性很高，而在500 m高度以下，风廓线雷达数据与激光雷达数据结果的变化趋势也相符。考虑到不同设备之间的扫描方式、扫描区域差异的影响，可以认为风廓线雷达数据计算得到的湍流耗散率ε结果是可靠的。

图1 风廓线雷达、激光雷达、机载QAR数据计算结果比对

3 湍流耗散率时空变化特征研究

通过分析满洲里西郊机场8月数据发现，除去部分受天气过程影响外，该地区典型晴天的湍流耗散率的日变化特征相似，文章选取2020-08-20作为典型案例进行分析讨论。根据当天地表自动气象站(距离风廓线雷达100 m以内)数据显示，日最高气温为21 ℃，最低气温为11.5 ℃，全天地表风以西南风为主，风速变化具有明显的日变化规律，白天风速波动剧烈，地表湍流较强，夜晚风速有所减弱，风速变化不再剧烈，湍流较弱。

风廓线计算得到的湍流耗散率ε随着高度的增加整体呈减小的趋势；此外，湍流耗散率ε具有较为明显的日变化特征，白天ε较大，最大值可达10-1m2/s3量级(达到民航触发低空湍流预警的阈值标准)，并且随着温度(太阳辐射)的增强，高值所能达到的高度不断提高，到UTC时间04：00-06：00(北京时间12：00-14：00)达到最高，约1000 m左右，夜晚ε整体偏小，但局地也会出现零星的高值区域。

白天满洲里机场低空(800 m左右向下)风速较强、对流运动较为强烈，受影响高度随着温度(太阳辐射)变化而变化，由于湍流运动与大气运动、热量传递有着密切关系，所以白天低空区域大气湍流较为剧烈；此外，在900 m左右的高空，风速突然降低，使得这一区域由风切变引起的谱宽贡献增加，相应的由湍流引起的谱宽贡献减少，因此从900 m高度开始，湍流耗散率ε减小。夜晚，温度(太阳辐射)降低，对流运动减弱，低空的水平风速整体较低，因此夜晚低空大气湍流较弱；但UTC时间14：00-20：00期间，900 m以上以及300 m以下部分时段出现大风，相应的导致夜间部分高度出现湍流耗散率ε的高值点。

4 结束语

文章通过提取风廓线雷达观测数据中湍流引起的谱宽数据，计算出湍流耗散率ε，用以表征不同高度大气湍流运动的强弱，并利用此方法对满洲里机场低空的大气湍流时空变化特征进行了研究，主要得到以下结论：

1)满洲里机场上空大气湍流耗散率ε的变化范围在10-7～100m2/s3，其结果与激光雷达数据、机载QAR数据相符，证明了基于风廓线雷达的湍流耗散率计算方法的可靠性；

2)湍流耗散率ε具有较为明显的时空分布特征，在空间上随着高度的增加整体呈现降低的趋势，在时间上低空区域ε白天较大，夜晚减小，如出现局部的大风区域，会导致区域湍流耗散率ε增加；

3)风廓线计算得到的湍流耗散率ε与机载QAR记录的数据结果一致性较好，可以用作机场湍流预警的参考标准。