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天氣現象，嚴重危害航空活動安全。據波音公司Taylor(1993)P
[1]
P對1964 年至1985 年間美國
失事飛機統計，因低空風切變造成26 件失事，3 件意外事件，造成約600 人死亡，200 人
受傷，1979—1989 年間美國地區因低空風切變因素發生飛行事故有13 起，死亡人數達455
人。低空風切變現象的時間短、尺度小、強度大的特點，帶來探測難、預報難、管制難、飛
行難等一系列的困難。
自改革開放以來，國內新建機場速度加快，但是囿于機場選址和機場設計等相關因素，
一些新建機場由于地形、氣候等特點存在風切變多發而又缺少風切變探測設施來進行探測的
問題。另外，近二十年國內民航運輸總量也呈爆炸性增長，使得飛行密度增長很快，在一些
繁忙的機場，尤其是一些沿海的繁忙機場多次收到飛機風切變報告，嚴重影響飛行安全。這
使得我們要把建設低空風切變的探測設施和加強風切變預報的工作提上議事日程。
1 低空風切變的探測
我們首先要把關注點放在低空風切變的探測上。目前，國外對于風切變的探測一般都
基于利用相關的設施來進行探測空間風場的變動情況，為即將遇到低空風切變的飛機提供警
報或預報服務。這些探測手段包括多普勒雷達探測、風廓線儀探測、低空風切變告警系統、
多普勒激光雷達探測、以及集成的業務化風切變警報系統等。
1.1 機場多普勒天氣雷達探測
多普勒天氣雷達是利用物理學上的多普勒效應來測定降水粒子的徑向運動速度。當降
水粒子相對雷達發射波束相對運動時，可以測定接收信號與發射信號的高頻頻率之間存在的
差異，通過計算可以測定出降水粒子相對于雷達的速度，并通過一定的數值模型下反演出大
2
氣風速分布、大氣風場、氣流垂直速度的分布以及湍流情況等。利用對反演出的風速分布和
風場的變化情況設定一定的閾值，就能測定是否會發生低空風切變。
由于多普勒雷達是測速雷達，對于對流系統臨近機場或水汽條件適合的情況下，機場
天氣多普勒雷達在探測微下擊暴流和積雨云所伴隨的低空風切變有著相當大的優勢，國內外
在這方面的應用也比較成熟。例如，印度Kolkata熱帶氣旋中心P
[2]
P和香港機場的多普勒天氣
雷達P
[3]
P都有一些這方面的例子。
但是，由于機場多普勒雷達所測風速是相對于雷達的徑向速度，實際風場速度需要算
法反演，目前世界上還沒有一種完美多普勒天氣雷達反演風場的算法，這給實際探測出來的
風場就帶來了誤差。此外，由于多普勒雷達發射電磁波的屬性限制，使得多普勒雷達探測風
場的實際范圍較小，探測風場的精度也隨著遠離雷達天線地點逐漸變差，小尺度的風切變常
常將被忽略，因此，用于探測實時的低空風切變要求雷達對著機場范圍進行掃描，由于國內
多普勒雷達的選址受到種種限制，使得多普勒天氣雷達不能直接應用于跑道范圍，這給應用
帶來了難度。另外，由于多普勒天氣雷達原理是測量降水粒子，對于探測晴空低空風切變是
設備的盲點。最后，分析低空風切變需要專業人員的操作，因為雷達發射信號的高度、角度
都直接影響到探測的效果。
1.2 風廓線儀
風廓線儀可測量風的垂直廓線，它能一天24 小時不間斷地工作。它是一種基于相控陣
原理的脈沖多普勒雷達，用于跟蹤大氣折射指數變化。而大氣折射指數變化是由大氣湍流產
生的。隨著風場變化，風廓線雷達發射脈沖的后向散射功率也變化。在對流層的下部，折射
指數不均勻性主要由濕度變化導致。雷達的平均發射功率與天線面積的乘積決定了雷達的最
大探測范圍。風廓線雷達測量到的多普勒速度與對流性湍流本身有關。它測量雷達波束方向
上的徑向風速分量。至少要在三個獨立方向上測量風的三個徑向分量。風廓線雷達發射高能
脈沖（一束朝站點的垂直向上方向，另外兩束與垂直向上有一定的偏角），接收由不均勻大
氣后向散射的回波。該回波經過放大后，采用適當的技術對信號進行處理，便得到風的垂直
廓線。
相比多普勒天氣雷達系統，風廓線儀可以在晴空的情況下監測某處的垂直風場分布，但
由于單部風廓線儀只能監測其上空的風的情況，只有將多部風廓線儀進行聯網才能得到整個
機場區域的垂直風場分布，這有相當的局限性，目前我們只能在選址上考慮單部風廓線儀的
合適位置。另外，其風切變告警功能依賴于當地實際情況需要，需要對一定時間的低空風切
變事件發生情況進行統計后才能進行設置。
1.3 低空風切變預警系統
低空風切變預警系統（low level wind shear alert system簡稱LLWAS）是美國等國
家普遍采用裝于機場，用于直接提供低空風切變預警信息的設施。第一代低空風切變警告系
統是美國聯邦航空局（FAA）在1970 年代開發出來用于探測大尺度的天氣系統，包括海陸風
鋒面(sea breeze fronts)、陣風鋒面(gust fronts)、冷鋒（cold fronts)以及暖鋒（warm
fronts)造成低空風切變的子系統。研發是在1975 年美國東方航空66 號航班在紐約市肯尼
迪國際機場降落時失事后開始的，當時飛機遇到海風和雷雨外流(thunderstorm outflow)
交互作用產生的風變(wind shift)。phase-1 LLWAS系統探測低空風切變的原理是把位于跑
道中段一個測風傳感器得到的風場資料與在機場四周安裝的五個測風傳感器得到的風場資
料加以比較，當風的向量差達15 海里/小時以上時，塔臺管制員就將每一測風傳感器的測風
資料，直接告訴起降的飛機，飛行員收到各測風傳感器的測風資料后，自行計算頂風或順風
分量。這套系統由于各測風傳感器距離太大,無法探測到較小尺度的風切變，因此，1983 年
FAA要求美國國家大氣研究中心（NCAR）另外開發一套更新系統，期望系統可以探測小尺度
的微下擊暴流（microbursts)，于是NCAR在1983—1988 年開發出一套加強型系統（phase-II
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LLWAS），系統通過計算頂風或順風強度，來探測位于跑道或跑道兩端距離機場1—3 海里的
低空風切變或小尺度微下擊暴流，可以探測到90%以上的低空風切變，但還有10%以下的低
　
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