低空风切变的激光雷达回波特征及识别方法初探

论文摘要

低空风切变因其突发性强、尺度小、生命期短和破坏性极强等特征对飞行安全造成严重威胁,尤其是在飞机起飞以及降落阶段,激光测风雷达可以提供更加精细的三维风场信息,弥补了常规探空测风的时空密度不足,是低空风切变监测预警的有效探测设备,因此对激光雷达下低空风切变风场特征分析以及识别算法的研究是急迫和重要的工作。利用2018年46月、2017年12月2018年6月和2018年18月在我国攀枝花保安营机场、西宁曹家堡机场和昆明长水机场开展的激光测风雷达测风应用数据,将适用于天气雷达的最小二乘法拟合识别风切变的算法首次用于激光雷达的低空风切变识别,并使用“K-邻域频数法”进行噪声剔除和缺测填补。根据国际民航组织现行的风切变强度标准验证不同强度风切变下的识别效果,并运用实例典型案例对低空风切变识别算法进行效果分析得到了以下结论:（1）激光雷达具有多种探测模式,利用PPI扫描,可以得到设备周边空中风分布演变特征,利用RHI扫描可以得到空中风沿某方位的垂直分布,利用起降通道扫描可以得到飞机起降通道的顺、逆风和侧风变化,为气象学研究动力作用和开展航空气象服务提供了有效手段。分析表明:激光测风雷达在晴空、多云以及阴天等稳定风场下探测范围广,低空风场的变化能被精确捕捉到,有利于低空风切变风场的分析。降水系统影响下,激光测风雷达受雨水衰减比较强,但从衰减造成的探测范围缩小可推断降水强度和移动位置。非降水系统影响下,地表热力作用在正午到午后时段达到最强,低层偶尔会出现大风,贴地湍流层向上拓展,受地形动力及热力作用影响,表现出山地迎风坡辐合,逆风坡辐散的流场形式,风切变出现频繁。（2）在进行激光雷达数据质量控制时,“K-邻域频数法”对噪声剔除以及缺测值填补十分有成效,通过多组对比试验进行调参,得到适用于该雷达的最优参数配置,并且通过试验,该算法下激光雷达径向速度的库间脉动性在进行噪声剔除以及缺测值填补后没有被改变。（3）利用最小二乘拟合法分别进行径向和方位切变值的计算,然后合成两种切变,这种算法在天气雷达中对识别低空风切变非常有效。本文将这种算法初次应用在激光测风雷达风切变识别,经过识别效果分析,证明该算法能有效区别严重风切变、中度风切变以及轻度风切变的等级和强度值大小判定。（4）通过发生于西宁曹家堡机场20例真实低空风切变个例作为验证样本,依据不同天气类型,运用本文的识别算法进行低空风切变等级和强度值计算,并与航空器语音报告、自观设备数据作对比,经实例验证证明,低空风切变识别算法在识别晴空风切变时,识别到的风切变发生时间、水平落区以及切变强度都与自观设备观测资料、航空器空中语音报告以及真实风场数据分析结果吻合,体现了激光测风雷达晴空探测优势和算法的有效性。激光雷达在雷暴天气以及扬沙天气时激光衰减严重,探测能力显著减弱,探测范围缩小,导致算法对低空风切变的识别效果不稳定,这个事实提醒我们,这两类天气下算法的识别结果只能作为参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 激光测风雷达的研究进展
•   1.3 风切变识别技术研究现状
•   1.4 本文主要研究内容
• 第二章 低空风切变与激光测风雷达
•   2.1 低空风切变成因
•   2.2 低空风切变类型
•   2.3 激光测风雷达和探测性能
•     2.3.1 探测设备介绍
•     2.3.2 雷达探测模式及产品介绍
•   2.4 本章小结
• 第三章 激光雷达下低空风切变风场特征分析
•   3.1 降水系统影响下风场特征分析
•   3.2 非降水系统影响下风场特征分析
•     3.2.1 晴空天气回波分析
•     3.2.2 多云天气回波分析
•     3.2.3 阴天天气回波分析
•   3.3 本章小结
• 第四章 激光雷达的低空风切变识别算法设计
•   4.1 识别算法概括
•   4.2 数据质量控制
•     4.2.1 K-邻域频数法
•     4.2.2 参数化方案选取
•   4.3 数据质量控制的作用分析
•   4.4 本章小结
• 第五章 低空风切变识别效果分析
•   5.1 试验背景及资料
•   5.2 典型实例分析
•     5.2.1 局地雷暴天气
•     5.2.2 晴空天气
•     5.2.3 扬沙天气
•     5.2.4 其他天气
•   5.3 本章小结
• 第六章 结论与展望
•   6.1 本文结论
•   6.2 展望
• 参考文献
• 作者在读期间科研成果简介
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王雨歌

导师: 朱克云,张杰

关键词: 低空风切变,激光雷达,风场特征分析,识别算法

来源: 成都信息工程大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 气象学,航空航天科学与工程

单位: 成都信息工程大学

分类号: V321.225

DOI: 10.27716/d.cnki.gcdxx.2019.000019

总页数: 82

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