基于三多普勒雷达的机场三维风场反演及湍流和风切变探测研究

In all meteorological factors related to the airport aviation safety, wind closely relates to the aviation, which directly affects the safety of aircraft take-off and landing; therefore, the wind field is the information with which the airport aviation meteorology is most concerned. Many domestic and overseas investigators have been devoted to the research on the high-resolution and high-accuracy airport wind reversal, which has been a research hotspot and difficulty. The project proposes the 3-D wind retrieval method based on the triple Doppler radar. The three radars independently scan the same area with a smaller time difference to obtain radial velocities, and we interpolate these detected velocities acquired by the three radars into the identical grid via a high-precision interpolation method. Then, based on the interpolated three velocities, we can reconstruct the wind field. The tomography visualization processing of the reconstructed wind field the associated kinetic parameters and the identification of the turbulence and wind shear provide a vital reference for the meteorological guarantee of the airport aviation.

在与机场航空安全相关的气象要素中，风与飞行的关系最为密切，直接关系着飞机起降的安全，因此风场信息是机场航空气象中最关心的信息。高分辨率和高准确度机场风场探测一直是国内外致力研究的热点和难点。本项目提出了一种基于三多普勒雷达联合探测的风场反演方法，三部雷达以较小的时间差独立扫描，探测同一区域，获取径向速度，然后把各部雷达探测到的径向速度高精度插值到相同的格点上，基于插值后的三个径向速度进行风场重构。对重构的风场及风场动力学参量进行层析可视化处理，并进行湍流、风切变的识别，为机场航空气象保障提供重要参考。

本项目开展了基于多部多普勒天气雷达资料反演三维风场的相关研究，既可以针对机场区域的航空气象需求进行三维风场构建和湍流风切变探测，也可以把相关研究成果推广用于多部多普勒雷达覆盖的其它区域，实现风场信息的三维构建和可视化显示，以及基于三维风场的湍流、风切变高精确度测量。.研究内容主要包括对多普勒速度数据的质量控制算法研究、雷达数据插值算法研究、多部雷达风场反演算法的研究等。另外，还基于三维风场数据提取了动力学参量场和进行了湍流、风切变探测的初步研究。.通过研究，取得了以下研究成果：.（1）研究出一套基于三址雷达的有效的三维风场反演方法，该方法能够构建机场附近较为精细的三维风场结构；.（2）对三维风场进行了分层可视化显示，构建了精细直观的可视化风廓线族；.（3）研究风场的空间动力学特性，提取了动力学参量场旋度和散度，结合风场及其参量场的层析产品对湍流、风切变作出判断，实现湍流、风切变探测及可视化，可以为机场气象保障提供直观的参考；.（4）针对三部雷达所在位置及需要探测的区域范围，提出了一套各自扫描方式下计算各部雷达扫描范围的方法。.（5）基于数学模型构建了用于风场反演算法验证的解析风场.（6）提出了提高风场反演准确度的系统方法.本项目完成了预期研究目标，取得的研究结果具有重要的科学意义和较好的应用价值：.三维风场反演本身是气象探测方面所极力追求的，它对于风这种气象要素在时空中的全貌展示，以及对于大气运动趋势的把握，以至气象预报，都有着重要的科学意义和应用价值。而机场区域三维风场的反演构建及分层可视化对于航空气象要素的直观展示和对航空气象保障都具有重要的科学意义和应用前景。另外，本项目的研究表明了三维风场的散度、旋度等动力学参数对湍流风切变的敏感性，具有较好的航空气象应用价值，并且求取三维风场的动力学参数的运算量较小，可实现性及实时性好，因此应用前景光明。