中国民航机场建设集团公司华北分公司
摘要：目前，世界范围内技术最先进、应用最成熟的风切变预警系统坐落在中国香港国际机场，美国国内45个以上的机场也已经部署了风切变预警系统。大陆范围内，预警准确率较高的风切变预警系统应用于天津滨海国际机场，其包含的不同类型气象雷达探测设备、预警软件已全部实现国产化，技术成熟。风切变预警系统能够根据机场的设备情况，兼容各类标准化的航空气象探测设备数据格式，基于多元气象数据开展风场探测和风切变预警应用及研究，从而保障飞机起降安全。
关键词：气象；风切变；风切变预警
一、满洲里机场概述
1、满洲里机场地形情况
满洲里机场位于城市的西南部，机场周边以山地和丘陵为主，机场周围存在高低不平的山脉，极易导致山地风的发生，使飞机在五边和一边阶段受地形引起的风切变影响。满洲里机场周围地形图如下：
图1满洲里机场周围地形图
2、满洲里机场气象情况
满洲里机场累年平均风向频率的统计结果显示：机场年平均风速为4.2m/s，整体风速偏大，全年盛行偏西风。机场向南50km左右为呼伦湖，周围15km以内存在一定高度的障碍物。这些因素为风切变的发生提供了条件。
此外，满洲里机场日平均气温差可达12.6度，会导致风速明显变化。特别是地表风为偏西风时，随着气温的升高，空气垂直混合及湍流作用加强，迟于气温最高值出现时次2-3h出现风速最大值，随后随着日落气温逐渐降低，空气垂直混合作用减弱，夜间整体维持风速较低值。
满洲里机场夏季会出现雷暴等强对流天气，这会在一定空间范围内产生较强的风切变。尤其是雷暴导致的强下沉气流，会对飞行产生严重的危害。
3、风切变对于满洲里机场的影响
满洲里机场由于风切变导致航班复飞、备降、返航的情况时有发生，对航空飞行安全、综合效益造成重大影响。机场运行的航空公司迫切希望空管部门能够对低空风切变进行预警预报，使机组为提前修正飞行状态保证飞行安全提供必要的准备。
二、风切变概述
风切变是一种大气现象，风矢量（风向、风速）在空中水平和（或）垂直距离上的变化。
风切变按风向可分为水平风的水平切变、水平风的垂直切变、垂直风的切变。
产生风切变的原因主要有两大类，一类是大气运动本身的变化所造成的；另一类则是地理、环境因素所造成的。
对飞机起飞和着陆安全威胁最大的是低空风切变，即发生在着陆进场或起飞爬升阶段的风切变。这种风切变气流常从高空急速下冲，像向下倾泻的巨型水龙头，当飞机进入该区域时，先遇强逆风，后遇猛烈的下沉气流，随后又是强顺风，飞机就像狂风中的树叶被抛上抛下而失去控制，因此，极易发生严重的坠落事件。
三、风切变预警系统
风切变预警系统是一个联合多种气象探测设备进行大气运动状况探测的系统。不同的气象设备应对不同天气的探测能力及范围均有所不同，采用多元探测、联合探测的手段，来弥补各设备的不足，可实现全天时、全天候、全方位大气运动状况监测，从而有效的增强机场气象部门对大气风场的探测能力。系统主要由：自动气象观测系统、风廓线雷达、激光测风雷达、独立风站、天气雷达及信号交换、数据存储、终端显示设备组成。
1、风廓线雷达
风廓线雷达是一部垂直指向、晴空探测的脉冲多普勒雷达，实时探测大气中的三维风场。它的主要探测目标是晴空大气湍流，利用布拉格散射原理探测随风飘动的湍流中大气折射率结构参数的变化，进而导出大气中风向风速的真实情况。
风廓线雷达具有探测高度较高、观测频次多、自动化程度高、对飞行无影响、业务运行成本低等优势。但由于风廓线雷达为脉冲体质，存在距离分辨率低、探测盲区大（仅能探测垂直上方的大气状态）的不足，此外，它在雨天的工作能力较差。
2、激光测风雷达
激光测风雷达是一种小型、全自动、无环境电磁干扰的多普勒激光雷达，工作在人眼不可见的红外波段，能实现地面至低空4000米大气风场的探测，具有很高的时间分辨率（秒级）、空间分辨率（15米）和精确度（≤0.1m/s），可填补风廓线雷达低空探测能力的不足，能连续获大气边界层范围内的三维风场等参数。
激光雷达具有高分辨率、不受地物杂波干扰、不干扰正常的导航通信、可以探测晴空条件下的天气状况等优点。但激光测风雷达探测距离受天气条件限制较大，云、雨天气能力较差，强对流天气时基本不可用。
3、独立风站
独立风站由风向风速传感器、风杆组成，风向风速传感器用于测量瞬时风向风速，全程跟踪记录风向风速变化，自动记录风向风速数据。
独立风站的优势在于可以直接、准确的探测地表风速、风向的变化，具备较高的数据时间分辨率，通过布置独立风站网能够进一步获取机场及其周边大范围的风场分布。但它仅能探测地面附近风场数据，而无法准确探测高空风场变化。
4、天气雷达
多普勒天气雷达通过多普勒效应来测定降水粒子的径向运动速度，并通过一定的数值模反演处大气风速分布、大气风场、气流垂直速度的分布以及湍流情况等。
多普勒雷达雷达的优势在于能够获取高时空分辨率的探测数据，能够对降水、暴雨、冰雹等强对流灾害性天气进行监测和预警，特别是容易产生风切变天气的对流云系的监测和预警。但由于多普勒天气雷达的原理是测量降水粒子，在探测晴空条件下的探测能力有限。
四、工程设计方案
为满洲里机场建设一套风切变预警系统。系统组成如下：自动气象观测系统（现有）、新增1套风廓线雷达、新增1套激光测风雷达、新增2套独立风站、天气雷达（引接当地信号）及信号交换、数据存储、终端显示设备组成。
1、建设场址
风廓线雷达：位于机场现有气象常规观测场中心东侧50m处。（跑道东端入口内撤1167m，跑道中心线北侧285m）。
激光测风雷达：位于机场东航向台南侧约24m处（跑道东端入口290m，跑道中心线北侧84m）。
独立风站：2个独立风站分别位于东、西近台院内（风传感器位于NDB铁塔上）。
图2风切变预警系统场外设备位置总图
2、建设方案
（1）风廓线雷达
土建：在雷达天线北侧2m设置方舱机房。方舱墙体所采用的复合夹芯大板为泡沫—梁结构，由内外铝蒙皮和夹芯层采用大板压机粘接而成，芯材为密度65kg/m3的硬质聚氨脂泡沫塑料，梁为铝合金骨架。夹芯层具备隔热、保温、隔声、加强夹芯板的整体刚度等作用。整体设备方舱达到
了通信设备机房的土建使用要求。
工艺：在场址位置布置1套风廓线雷达系统，包括：波控组合、接收机组合、监控组合、信号处理组合和功放组合、RASS、雷达天线等。
通信：风廓线雷达远程监控维护工作站和用户显示工作站设置在机场航管楼气象预报室内。雷达站至机场航管楼之间通过光缆进行信息传输。
电气：由场址北侧100m的车库引接两路低压电力电缆至雷达方舱工艺配电盘。并为雷达设备配备免维护蓄电池及UPS。
配套建设环境监控系统、防雷接地、消防、暖通工程。
（2）激光测风雷达
工艺：在场址位置布置1套激光测风雷达，包括：激光发射分系统、接收分系统、扫描分系统、实时信号处理分系统。
通信：激光测风雷达远程监控维护工作站和用户显示工作站与风廓线雷达系统共用。雷达至机场航管楼之间通过附近的东航向台的光缆进行信息传输。
电气：采用东航向台内气象UPS供电。
（3）独立风站
工艺：在西近台、东近台院内的NDB铁塔上分别新建1套风向风速仪，采用现有NDB铁塔作为风杆。
通信：风站的远程监控维护工作站和用户显示工作站与风廓线雷达系统共用。风站至机场航管楼之间通过近台的光缆进行信息传输。
电气：采用近台内气象UPS供电。
（4）天气雷达
满洲里市气象局雷达位于满洲里机场西北的国家基准气候站院内，距离机场约1公里，引接满洲里气象局C波段天气雷达观测数据至风切变预警系统平台。
（5）软件
人机交互预警系统是风切变预警系统内置的软件系统，是与预报员的交互平台，包括数据显示、查询统计和监测告警功能。软件页面中显示的预警信息，其格式应遵从ICAO9817标准，能够自动发送给管制员和预报员。
数据显示包括多个软件界面，分别是首页、风切变页面、风廓线雷达页面、天气雷达页面、数值模式预报页面、自动观测页面和激光雷达页面。
查询统计包括风切变查询、观测数据查询、数据对比、监测告警。
运行监控系统包括业务监视、监视分析、设备状态实时监测。
综上所述，风切变预警系统由：机场现有的自动气象观测系统、新增风廓线雷达、新增激光测风雷达、新增独立风站及由当地气象局引接的天气雷达信号组成。系统通过软件采集和分析上述信息源的数据，形成空中交通管制员和气象人员所需的水平和垂直风场信息图，以对机场周边（尤其跑道降落和起飞空域）的危险气流现象进行时时探测和报警。
五、总结
该项目的重点及难点在于各个场外气象设施的选址。
风廓线雷达的选址需注意：根据中华人民共和国交通运输部令2016年第7号《民用航空气象探测设施及探测环境管理办法》的要求，（1）场址四周的障碍物对风廓线雷达的阵面遮蔽角应小于15°（2）距离无线电发射塔和其他微波发射源应当大于1公里（3）雷达天线及雷达附属设施不应穿透仪表着陆系统障碍物评价面。
激光雷达的选址需注意：（1）尽量置于地势较高位置，保证可以辐射到飞机五边方向（2）激光雷达具备探测飞机下滑道风切变的功能，故尽量选取在飞机接地带附近（3）考虑到激光雷达为小型设备，容易受到雨雪侵蚀，需采用支撑杆将激光雷达架起。本项目中为了便于激光雷达的通信及电力供应，将其设置在东航向台附近，位于升降带内，需采用易折杆。
独立风站的选址需注意：独立风站由风杆及风向风速仪组成。若所选场址内具备10米左右，与风杆高度相似的杆体，可直接将风向风速仪安装于该杆体上。既保证了测风功能，又节约了用地及资金。