1.3.1　风切变目标建模与仿真

风切变是指大气中一段很小的距离内，风速、风向单独或两者同时发生急剧变化。ICAO于20世纪70年代中已提出将风切变目标建模与探测研究列为重点研究课题。在美国由FAA，NCAR，USAF，NASA等政府部门和研究单位，均投入了大量的经费人力开展该课题领域的系统研究。其中，以联合机场气象研究计划（JAWS），微下击暴流及强风暴研究计划（MIST），以及对流形成和下击暴流实验计划（CINDE）等系统研究最有代表性。以上研究成功地取得了切变风场的形成演变和在该气象环境下飞行控制的动态性能，以及大量的外场观测数据。在以上系统研究的基础上，FAA于1985年推出了“联邦航空局风切变一体化规划”，从而较系统地提出了在风切变环境下，保障飞行安全的基本设施。多年来，除美国外，还有英国、法国、日本、澳大利亚及俄罗斯等国家也都投入大量的人力和经费开展低空风切变方面的研究。美国联邦航空局在纽约已成功地研制成一部风切变告警雷达。该雷达是一部多普勒C波段雷达，可全自动探测和告警显示机场周围的恶劣天气，防止风切变造成的危害和微暴现象。

微下击暴流是雷暴天气中强烈的下沉气流撞击地面形成并沿地表传播的具有突发性和破坏性的一种强风。目前，针对下击暴流的风场建模主要有风场实测、实验室物理模拟、理论研究和数值模拟4种方法［15-20］，风场实测和实验室物理模拟成本较高，且数据有一定特殊性，通过流体力学的控制方程对微下击暴流进行仿真，计算出三维风速矢量，比二维的简单拟合更符合实际，且实验成本低，周期短，得出的数据具有一般性，便于参数分析，为微下击暴流的研究提供了新的途径。在国外，首先是Selvan等研究了微下击暴流的风场特性，Hjelmfelt根据微下击暴流的实测结果，给出了典型微微下击暴流的风速剖面，随后Wood等使用二维模型研究了微下击暴流越过山顶的风速变化过程，Hangan等利用雷诺平均应力模型研究了微下击暴流的风场特征［21-30］。

在过去的20多年里，美国NASA（国家宇航局）、FAA（联邦航空局）、Collins、Alliedsignal、Westhouse等科研单位和生产厂商进行了大量的研究和试验，基本搞清了低空风切变的本质，揭示了它们影响飞行安全的机理，提出了对抗策略，研制出了包括红外、激光和微波雷达在内的多种探测设备。目前，机载前视风切变探测、告警系统主要有3种：红外辐射系统、微波多普勒雷达系统和激光多普勒雷达系统。基于多普勒雷达特性的风切变预警技术，成为气象雷达研制的核心，相关领域的模拟仿真以及信号处理方法是气象雷达生产制造的前提条件，具有重要的意义。

工作在X和C波段的多普勒气象雷达可探测风切变，方法是测定从大气中的雨、冰或其他碎片散射回来的回波，因其波长较红外和激光长许多倍，而受大气的影响又小得多。目前，战斗机和客机上都装有波长3cm的气象雷达，性能先进的气象雷达利用多普勒效应探测湍流，经改进后可用于探测风切变，这样便不存在再装机的问题。改进型多普勒气象雷达可稳定地探测风切变，其探测距离也较激光雷达和红外探测器远，从而机载多普勒风切变探测雷达具有前视雷达的全部优点，因而得到大力发展。1992年亚洲航展上，经改进过的具有前视式风切变探测性能的RDR-4B型气象雷达成为人们极为关注的热点。用于民航班机及军用运输机的新一代气象雷达能为着陆的飞机提供90s的微下冲暴流及风切变的预警时间，风切变探测电路是在一定的高度上自动地接通的。

近些年来，飞机动力学研究结果表明，对待低空风切变的最好方法是尽早发现尽早回避，因而当今该领域的研究的热点逐渐集中于“低空风切变探测告警与回避技术”，其重点是探测技术，最终目标的是：研制出以最大限度满足尽早发现风切变现象的机载系统。加强机载风切变探测、告警、回避系统的开发，可减轻和避免风切变的危险。当然，回避是最好的防御，因某些强低空风切变是现有飞机的性能和飞行员的驾驶水平所不能抗拒的，故当判定有较强低空风切变时，应尽量避开，也正因为这样，机载前视风切变雷达的研究就显得更加重要。

20世纪70年代末，国内也开展了对机载前视风切变的技术的研究，但至今还处于预研阶段。1979年空军航空气象研究所开展了对低空风切变的研究，收集了北京、上海、南京等地区的塔层风资料，并进行了统计处理。1989年年末，在原航空航天工业部有关领导的倡导下，召开了第一次机载风切变探测系统研究会，并于1990年2月成立了机载低空风切变探测与回避技术研究课题组，全面规划了我国低空风切变设备的发展研究工作。针对这种情况，我们有必要加大对前视风切变气象雷达系统中关键技术的研究力度，立志于在该项技术的研究中取得独立知识产权的成果，以较短的时间赶上和超过发达国家的当前水平。对风切变目标建模与仿真进行相关研究的国内机构还有北京航空航天大学、电子科技大学、国防科技大学、西北工业大学、西安电子科技大学、中国民航大学以及中航雷达与电子设备研究院等。