短程激光雷达在早期报警中的应用为低层风剪和湍流在香港国际机场

文摘

香港天文台目前使用一系列气象仪器,包括远程激光雷达(光探测和测距)系统,提供提醒服务低层风剪和湍流的香港国际机场。对于一些事件中较小的空间维度和快速的变化,如低空风剪和动荡与建筑物或人造结构有关,它将需要包括气象仪器,提供更大的空间分辨率。因此,天文台已经成立了一个短程激光雷达在亚洲国际博览馆的屋顶萨默斯在过去的几年中,进行实地研究的可行性加强早期报警风剪和湍流跑道北东部到达跑道(跑道25 ra)和开发一个自动化的早期报警算法。本文以飞行员报告跑道25 ra在2013年实地调查验证样本,使用不同的阈值对径向风速时空变化短程激光雷达检测到的计算相对操作特征(ROC)曲线,并分析其早期报警性能。

1。前言

香港国际机场三面被海包围和大屿山的复杂地形。大屿山由行northeast-southwest山脉,山峰从700到950米,峡谷从350到450米意味着海平面(见图1(一))。大多数风剪和湍流在香港国际机场带来的强风在大屿山的南机场,包括热带气旋生成的强风和强季风,导致70%的风剪报道的飞行员。此外,20%的飞行员风剪海风带来的报告,所带来的,只有10%是飑线,微爆发,低空飞机。

风剪和动荡的一部分”预警系统(WTWS),“香港天文台介绍了远程激光雷达(光探测和测距)系统在2002年为香港国际机场提供风剪早期报警服务。基于多普勒效应原理,激光雷达使用红外线探测空中尘埃和微粒的运动,以便计算径向风速数据。研究表明,远程激光雷达是非常有效的1在捕捉风剪terrain-related带来的气流扰动nonrainy天气条件下。

与香港国际机场的发展,岛上的建筑的数量,如写字楼、酒店、和衣架,也增加了。当气流通过这些建筑或人造建筑,它也可能带来低空风剪或湍流航班起飞或降落在跑道上。气象仪器,需要更大的空间分辨率,以处理这些低空风剪和湍流较小的空间维度。因此,天文台已建立一个短程激光雷达在亚洲国际博览馆的屋顶萨默斯在过去的几年中,进行实地研究的可行性加强早期报警的风剪跑道北东部到达跑道(跑道25 ra)。25 ra跑道走廊是最常用在西南流到达跑道走廊(夏季西南季风在香港)。文档(2)记录短程激光雷达实验的初步结果进行的天文台在2010年的夏天,包括使用三种不同的算法,速度波动,艾迪耗散率,或功能,自相关,研究短程激光雷达捕捉风剪的有效性。结果表明,速度波动是最有效的算法。如果一个短程激光雷达与WTWS用于报警和飞行员报告被认为是早期,早期报警的总体性能对低空风剪可以增强。

天文台继续现场实验在2013年的夏天,使用一组径向分辨率较高的短程激光雷达系统。本文将数据从时期热带气旋Utor打击香港为例来分析building-induced空气扰动短程激光雷达探测到的特征。除此之外,在现场试验期间,天文台早期短程激光雷达报警的改进算法用于风剪,考虑飞行员报告跑道25 ra,分析早期报警性能。

2。仪器和数据

从2013年7月至8月,天文台进行田间试验,建立一个短程激光雷达在亚洲国际博览馆的屋顶,因为它已经完成了在过去的几年中,扫描跑道25 ra(图1 (b))和监控低空风剪和动荡。亚洲国际博览馆位于赤鱲角的东北角,接近跑道,北部的走廊东部约500米远25 ra在最亲密的时刻,所以建立一个短程相对有效地检测激光雷达在亚洲国际博览馆风场在这个跑道,尤其是在着陆和1之间海里离开跑道,当飞机降落低层风剪可能有害。激光雷达的仰角设置为5度从地平线,用扫描方位从60到300度对北方。平面位置指示(PPI)扫描可以大约每20秒,以确保最大的有效性在ra风场25日收集最新的数据。这个雷达的径向距离分辨率大约是30米,比实地研究[2)在2010年进行,当径向短程激光雷达的距离分辨率是75米。径向距离分辨率增加了1.5倍。远程激光雷达相比,目前使用的香港国际机场(105)径向分辨率,径向距离分辨率高2.5倍,更有效的检测更小的尺寸相关建筑风场变化。一般来说,一个短程激光雷达有一个有效的测量距离范围从2到3公里在晴空条件下,更多的背景噪音随着距离的增加。因此,在处理数据时,我们基于信噪比的监控数据质量,或信噪比,而数据不一致(即。径向速度,明显不同于那些在附近的速度范围盖茨)将被删除。

这个领域实验收集了超过100000个扫描记录,与实验期覆盖以下重大气象事件:(I)严重台风Utor临近香港从12至15 2013年8月,与香港天文台发出8号东南大风或暴风信号,(II)由于Jebi严重的热带风暴的影响,天文台发出三号强风信号2013年8月1日,和(3)由于强烈的影响西南,天文台发出了强烈的季风信号在8月2日和2013年8月23日。

3所示。监测低空风剪和动荡

下面的讨论了使用短程激光雷达监测快速进化的气流扰动,基于试验报告和分析风剪事件发生在香港国际机场的影响下严重的台风Utor。

热带气旋Utor打击香港12到16 2013年8月(见图2)。Utor穿过菲律宾和进入中国南海北部在8月12日上午,天文台发布的1号那天下午备用信号。在接下来的两天,Utor转向西北方向,穿过南海北部,接近广东省的西部海岸。逐渐加强的风在香港,天文台发出三号强风信号,8号东南大风或风暴信号。Utor登陆在阳江8月14日下午,广东地区和内陆。但由于缓慢的移动和相关的雨水带继续影响珠江河口地区,8月15日上午,仍有南风大风在香港的南部和西部海域地区(见图3)。此时,低层风剪事件发生在25 ra下滑道。

图3 (b)表明,在8月15日上午,和大屿山香港国际机场地区的影响下新鲜强劲的南风(绿色和蓝色锦旗)和高地上风速能达到强烈的大风水平(红色锦旗)。同时,受上游大屿山地形的影响,风速分布在机场跑道没有所以,特别是东部(蓝旗出现)的北跑道。可以预期,航班着陆跑道(ra) 25日会觉得这个快速变化的风。细低空风场的时空变化附近着陆下滑道25 ra可以监控短程激光雷达PPI的扫描。

图4显示了一个短程激光雷达径向速度扫描序列大约在8月15日上午8点(香港时间),40秒时间图像的区别。图中的白点表示短程激光雷达的位置。跑道25 ra白线所代表的位置,而白色的圆表示距离的增量为500米。扫描图像显示,北部的径向速度的短程激光雷达总体上是积极的价值,表明25 ra区域主要是南风,匹配表面风速测量。但是,在短的80秒内由图像序列,一个小的生命周期维气流扰动可以看到。图4(一)表明径向风速分布相对均匀,在风速较低剪切跑道25 ra。40秒后(图4 (b)),一个相对较高的风速地区出现约1海里的着陆点和十字架的滑行路径飞行。另一个40秒后(图4 (c)),这干扰了25 ra的区域,与径向风速在跑道再次回到相对水平。

在那天早上,天文台收到飞行员的报告表明,在降落在跑道的25类风湿性关节炎,20节的飞行遇到提升风剪强度(或大约10 m / s)的高度从地面200英尺(约66.6米)。在报告中提到的时间和地点都匹配的气流扰动所示短程激光雷达的扫描。此外,短程激光雷达数据显示,这个风剪事件相关的气流扰动的发展如此迅速,只有几十秒的时间尺度,构成挑战当前使用远程激光雷达扫描的机场起飞和降落滑行路径,即平均访问时间间隔约2分钟只有一个特定的下滑道。

4所示。修改后的报警算法的性能

利用时间和提高空间分辨率高的短程激光雷达工作在2013场的研究中,一种改进的报警算法设计,同时考虑空间和时间变化的径向速度测量沿下滑道。在前面的野外研究[2)、自动警报生成基于风力的大小波动仅25 (ra)。在2013年竞选期间,观察到,除了大型风力渐变流的运动干扰整个滑移路径也与某些试点风剪报告。等修改后的算法效果都因此认为警报将生成只有当空间变化和时间变化大小超过各自的阈值同时在一个特定的位置。

表示SRL的径向速度场测量,在那里和从SRL径向距离和方位角度,分别提取径向速度剖面是可能的吗,在那里是沿着着陆飞机下滑道的位置,使用各种数值方法,例如,基于来自邻近的网格点的值的线性插值。径向风速的空间变化率是经验丰富的飞行员由空间导数的近似速度剖面,也就是说,。注意,由于扫描几何SRL的“径向风的方向沿着下滑道每一点事实上邻国略有不同,因此并不是真正的“侧风”(垂直于运动方向的飞机风组件)在最严格的意义上。同样,径向风速的时间变化率是使用速度剖面的时间导数的估计。假设的时差两个连续PPI扫描(因此速度概要文件),时间导数在每个位置可以近似,在那里在当前的研究中是20秒。

然后基于阈值的报警算法同时应用于空间和时间变化的概要,警报将每当变化超过阈值在两个组成部分。这可以用数学表达 在哪里和报警阈值(没有必要相关)在空间和时间的变化,分别。因为每个径向速度资料涵盖了一定长度的空间,它是可能的和在不同的位置超过(即相同的概要文件。在同一时间,但不是在同一位置)。当前研究的目的,将会触发警报,只要两者和是超过了,至少有一个相同的概要文件。

在部分使用气流扰动2(图4)作为一个例子,径向风资料以及25 ra在风剪事件图所示5。可以看到,在干扰的通道,风速突然激增发生在0.5海里(NM)和1海里的跑道,导致大幅梯度在时间和空间组件在那一刻。这些特性将有效地捕捉到新的报警算法。

调查的性能修正算法,相对操作特征(ROC)图将使用(图6)。纵轴的比例是检测(POD),它被定义为(数量,即。、风剪报告由短程激光雷达警报)/(事件的总数)×100%。横轴是时间的百分比(波塔)加强了戒备,这被定义为(与警告生效的时间)/(长度研究期间)的100%。彩色圆点代表算法使用不同的阈值集的性能。点分布在一个区域后两个参数(阈值空间和时间变化)。高技术水平所示位置接近左上角,也就是说,高舱与相对较少的警报。

在2013年的野外调查,共有23个风剪收到报告在走廊的25类风湿性关节炎。沿着曲线分布的彩色圆点(左上角)表明,积极的技能水平通常可以获得的新算法。例如,在一个警报持续时间约为10%,一群根据阈值可以达到70% - -75%。相比之下,同期WTWS性能的代表是公牛的眼睛。注意,两个远程激光雷达系统在机场受到维护大多数研究期间;因此大多数WTWS警报会来自检测算法使用机场附近的风速计和大屿山。使用合适的报警阈值的组合,性能相似或略优于WTWS 65%至8%的波塔(POD)使用短程激光雷达可以复制。根据操作约束(例如,最大化之间的相对重要性或平衡支安打,减少假警报),最优阈值集(,中华民国)可以选择通过选择点图所需的性能水平。它也可以从中华民国图算法的性能(即。,location of each coloured dot) varies smoothly and in a continuous manner with respect to small changes in both thresholds, which suggests that the performance statistics are robust against fluctuations in the alert thresholds.

结果表明,修正后的报警算法基于时空风波动沿滑移路径提供了优势捕捉低级风剪事件在走廊的25 ra和潜在补充操作WTWS在香港国际机场。

5。气流扰动演化

为了更好地解释空气扰动,我们使用拉格朗日拟序结构(LCS)提取算法来突出空气扰动的演化短程激光雷达数据。building-induced流结构,主要的形式连贯的漩涡,似乎通过激光雷达领域在研究期间的持续时间字段。拉格朗日检测方法是首选,因为它措施地区的持续表现出一致的流体运动的领域,与基于瞬时欧拉方法相比,区别气流干扰,健壮的避免小错误在时间和空间3]。以前,基于拉格朗日方法限定时间李雅普诺夫指数提取了结构与高拉伸和剪切区域(4]。在这项研究中,我们采用一种新方法适用于不同的数据集旋转区域超过1 - 2分钟。

该方法的可压缩版本最近的混合诊断,mesoellipticity措施,开发研究2010墨西哥湾漏油事件5]。mesoellipticity方法考察了拉格朗日平均速度梯度张量以及流体包裹轨迹。如果跟踪和速度梯度张量的决定因素和满足,然后张展品复杂特征值,表明持续旋转的时间集成。在[5),作者进一步限制分析不可压缩流,在哪里和可以直接相关,诊断进一步简化。不可压缩性的限制解除这里允许考试二维的PPI扫描三维领域,它本质上是可压缩的。在该算法中,一个二维变分检索方法应用于视距(LOS),或径向、数据获取相应的二维速度场。虚拟流体包裹的轨迹然后集成随着时间的推移得到形变张量在PPI扫描(参看细节(4])。顺利过渡区用于连接内部和外推数据的观测数据以外的激光雷达领域。因此,拉格朗日分析面积小而实际激光雷达覆盖。在这种方法中,旋转地区被确定为梯度张量展示复杂的特征值。操作上,这导致了诊断mesoellipticity不管。轨迹的集成时间为2分钟。这大致对应于时间虚拟流体轨迹通过短程激光雷达领域。

注意,更严格,材料涡方法提取了最近[6]。它是基于轨迹的要求形成封闭的轨道长足够的积分时间,所以材料运输是禁止内部和外部的轨道。我们的方法适合感兴趣的情况下,因为时间的轨迹穿过的小领域,没有机会这样封闭的轨道形成。它仍然取代瞬时措施,比如Okubo-Weiss参数,因为它包含6帧的数据流。

我们在8月15日下午1:50突出案例(香港时间)在图7北部,一系列的反气旋补丁穿过跑道。颜色阴谋在每个面板显示mesoellipticity测量,它本质上是一个测试是否应变沿轨迹检查主宰涡度,反之亦然。当它低于0,梯度张量展品复杂特征值和流前后一致地转动。除了混合诊断,我们也获得旋转的角度来确定旋转的气旋和反气旋。黑色虚线轮廓分离域进气旋和反气旋区域,而不管涡度占主导地位的压力。在这个分区中,我们使用细的白色isocontours表明反气旋和薄黑色isocontours表明飓风(当时没有看到显示由于缺乏气旋)。厚厚的黑色isocontours表明激光雷达覆盖的边缘。网格分辨率为30米在水平方向,匹配最好的激光雷达分辨率。结构是健壮和主题四决议在水平方向。

一个补丁的进化从数据显示为一个序列7(一)- - - - - -7 (c),20秒的间隔之间的阴谋。白色isocontour补丁是封闭的,表明旋转区域是一个反气旋。这个补丁是最初与激光雷达中心附近的反气旋的补丁。在图7(一)北部,是见过25 ra(黑直线),在稍后的时间而向北移动。一般来说,这些补丁的几百米,有一生的几分钟。这些尺度很难解决当只考虑远程激光雷达系统。还请注意,即使飓风在这个图中,未见他们出现在其他时间的研究。

更好地理解通过旋转结构,我们画一个Hovmoller图显示时间的历史结构通过着陆轨迹。我们使用的测量来源于混合诊断。我们第一次过滤掉的区域诊断值大于0。对于这些地区小于0,我们诊断值设置为反向信号如果旋转测量显示了飓风。这样,Hovmoller图只显示旋转特性,负值表示反气旋和积极的价值观表示飓风。

Hovmoller图生成1点到2点之间(香港时间),8月15日图所示8。很有趣的反气旋是主要在这个时期,与几个弱气旋的存在。最后,一些强大的气旋也出现。沿着陆轨迹,他们观察到离跑道传播阈值,虽然很明显,实际结构进化是更多的从南到北,见图7。在任何给定的时间,结构(如沿着陆轨迹)大约是0.1 - -0.2海里约200 - 300米。时间来穿越跑道只有一到两分钟。这个观点的重要性短程激光雷达在探测这些小规模的特性。

这个图的另一个有趣的特性是相对明确的周期性发生的旋转结构。图的底部附近的光谱分析8从跑道阈值(0.5 NM)显示了一个相对占主导地位的时期,大约5分钟在这段时间里,虽然有深蓝色条纹为主要功能,约20分钟的一段光谱的峰值。这个周期可能表明这些涡流的起源。

6。总结

分析了短程激光雷达在探测中的应用风剪事件在香港国际机场跑道的25 ra在田间试验在2013年的夏天举行。自从短程激光雷达有相对较高的空间和时间分辨率,它可以检测简单和迅速变化的气流扰动有效地捕获低空风剪和动荡所带来的建筑。在现场试验在2013年的夏天,天文台使用改进的短程激光雷达风剪早期报警算法,加上控制不同径向风速时空变化阈值。派生的ROC曲线表明,新的早期报警方法提供了一些优势捕捉低空风剪报告在跑道的25类风湿性关节炎。新开发的拉格朗日算法捕获空气扰动的基本一致的运动。Hovmoller图处理的混合诊断进一步揭示涡流通过着陆轨迹的特征。天文台将在2014年继续开展现场实验改进和验证短程激光雷达风剪早期报警算法,努力使其更准确、更有效地给风剪的早期报警。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

承认

文博唐承认NSF资助atm - 0934592的支持。

引用

1. c . m .回避和p . w . Chan“红外多普勒激光雷达的应用在风切变探测,”大气和海洋技术杂志》上,25卷,不。5,637 - 655年,2008页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. p . w . Chan和y . f .李”,在风切变警报短程激光雷达的应用,”大气和海洋技术杂志》上卷,29号2、207 - 220年,2012页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. g·哈勒,”拉格朗日拟序结构的近似速度数据,”物理的流体,14卷,不。6,1851 - 1861年,2002页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索|Zentralblatt数学|MathSciNet
4. w·唐·w·陈和g·哈勒,”拉格朗日拟序结构分析风激光雷达探测到的终端。第一部分:湍流结构。”应用气象学和气候学杂志》上,50卷,不。2、325 - 338年,2011页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. Mezic,卢瓦尔河,v . A . Fonoberov p·霍根,“一个新的混合诊断和海湾石油泄漏运动”科学,卷330,不。6003年,第489 - 486页,2010年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. g·哈勒和f . j . Beron-Vera测地线理论”在二维流运输障碍,自然史D:非线性现象,卷241,不。20日,第1702 - 1680页,2012年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

版权

版权©2014 K。k .鸿等。这是一个开放分布式下文章知识共享归属许可,它允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,提供最初的工作是正确引用。