激光测风雷达探测数据评估及应用

金 龙，吴 恒，张可嘉，温国利，幺伦韬，杜海霞

(1.河北省气象技术装备中心，石家庄 050051；
2.邢台市气象局，邢台 054099；
3.中船重工鹏力(南京)大气海洋信息系统有限公司，南京 211106)

风是气候预测与诊断的重要依据，同时对飞机起降、火箭发射、导弹运行轨迹等至关重要，对大气风场的测量具有重要的科研和社会意义。近地面风场的测量多采用机械式风向风速传感器或超声风传感器，高空风场的测量多采用气球探空或风廓线雷达。随着制造水平的不断提升和激光理论的逐渐发展，美国、法国等国家建立了完善的激光理论体系[1-3]，并于20世纪60年代开始激光测风雷达的研制，中国激光测风雷达的研制虽起步较晚但仍旧取得了不错的成果。2010李冬梅[4]等先后实现了1.5 μm多普勒激光测风雷达在200 m和800 m垂直高度的风场探测，2014年经改造升级后的激光测风雷达可实现1.9 km垂直高度的风场探测。曹爽等从相干激光测风雷达原理入手，基于大气分层模型建立了激光测风雷达回波模型，为激光测风雷达回波信号的模拟提供了理论基础[5-8]。张洪玮[9，10]等利用相干多普勒激光测风雷达多种测量模式分析了北京首都机场2015年冬季和2016年春季低空风切变情况，并对结果进行了验证，实现了对机场区域低空风切变的预警。总体来说国内激光测风雷达的研究还局限在实验室内，应用成果多聚焦在机场低空风切变领域，在系统研制方面目前仍缺乏较为成熟的长期外场实验，缺少激光测风雷达数据质量的有效评估，也缺乏在环境气象方面实际应用的案例。全相干多普勒激光测风雷达与气象业务运行的风塔观测数据和风廓线雷达数据开展比对分析，并在河北太行山地区一次雾霾天气过程中开展了水平风场结构特征演变的分析，为激光测风雷达的应用奠定了基础，拓展了领域。

1.1 激光雷达原理和设计难点

文章所用激光测风雷达采用全光纤相干多普勒体制，由光学天线分系统、光学收发分系统、信号处理和控制分系统、雷达终端软件分系统4部分组成，在雷达系统中全部使用单模保偏光学器件，雷达系统结构组成如图1所示。雷达工作时由光纤种子激光器产生具有特定光谱特性的激光脉冲，经一分二保偏光纤耦合器后分为两路，一路经放大器放大为高频激光信号，由光学望远镜向天空发射；
另一路作为本振信号，与光学望远镜接收到的经天空中气溶胶粒子后向散射的回波信号混频，经平衡探测器后进行A/D转换等信号处理分析，通过VAD扫描方式实现低空1 km大气边界层范围内的三维大气风场的探测。具有高时空分辨力和测试精确度，可进行风廓线扫描(WPS)、距离高度扫描(RHI)和平面位置显示扫描(PPI)等多种扫描模式。

图1 多普勒激光测风雷达系统结构组成

激光测风雷达的技术难点在于激光调制信号的设计，为了提高激光器的出光效率，使用DA芯片改变寄存器中电流设置数据调整幅值，设置延迟时间以获取上升沿、下降沿和幅值均可调的任意占空比的三角波调制信号。同时，为了使激光器出光泄露降到最低，调制信号的底噪需达到±10 mV以内。为了达到此要求，文章通过增加低通滤波器，滤掉内部晶振等产生的干扰信号，最终实现滤除杂波后的底噪仅为±5 mV。

1.2 观测实验简述

文章利用激光测风雷达分别与一部边界层风廓线雷达和350 m气象观测梯度塔进行同址观测和数据比对。

选用CFL-06型边界层风廓线雷达，低模式空间分辨力为120 m，时间分辨力为6 min，天线阵面方向指向天顶。通过相位控制，天线可在天顶方向形成垂直波束以及在偏离天顶约15°的东、西、南、北4个方向形成5波束探测方式。在晴空条件下可以提供详细的大气风场气象信息，降水条件下还可以提供详细的降水云体风场。

气象观测梯度塔使用水平风向风速传感器。水平风向传感器由风向标组件作为感应元件，当风向标组件随风向旋转时，带动主轴及格雷码盘一同旋转，每转动2.8125°，位于光电器件支架的7位光电变换电路就输出1组新的7位并行格雷码与风向相对应。水平风速传感器由三杯式回转架作为感应元件，在水平风力作用下，风杯组旋转，通过主轴带动磁棒盘旋转，其上的36只磁体形成18个小磁场，风杯组每旋转1圈，在霍尔开关电路中感应出18个脉冲信号，其频率随风速的增大而线性增加，由此可计算出风速。

2.1 数据预处理

3种观测设备的探测原理和探测时空一致性均存在差异，因此开展数据比对工作前，需要进行合理的时空一致性方案设计。

1)比对方式：激光测风雷达探测近地面(100 m)到低空边界层(1 km)的水平风场变化情况，风廓线雷达低空最低有效探测高度为240 m，气象观测梯度塔最高探测高度为300 m，因此低层(100～300 m)采用气象观测梯度塔测风数据与激光测风雷达数据进行比对，高层(400～800 m)采用风廓线雷达测风数据与激光测风雷达数据进行比对。

2)数据时间一致性处理：低层数据比对时将气象观测梯度塔风杯数据进行2 min滑动平均与激光测风雷达进行匹配，高层数据比对时将激光测风雷达数据进行6 min滑动平均与风廓线雷达进行匹配。

3)数据空间一致性处理：3种观测设备虽然探测取样空间不同，但根据大气的连续性特征，可认为局地范围内风场特征是一致的。垂直方向上3种设备分辨力和探测高度均不同，因此需要对风廓线雷达和气象观测梯度塔风杯数据进行差值，得到与激光测风雷达高度相对应的数据，以保证数据空间一致性。

2.2 评估方式

由于气象观测梯度塔风杯数据为传感器直接测量，将其探测结果视为真值。风廓线雷达为业务组网运行设备，严格按照业务运行规范定期进行标定工作，其结果也可视为真值。基于上述考虑，从整体和分高度层两个角度出发，通过相关系数CC(衡量两随机变量之间线性相关程度)和标准差SD(衡量数据偏离平均值的离散程度)对激光测风雷达数据进行评估。

(1)

(2)

3.1 测风精度评估

按照不同天气情况将低层数据比对分为晴天、雾天和雨天，将高层数据比对分为晴天、雾天和雪天。将激光测风雷达在高低层的探测数据分别与风廓线雷达数据和气象观测梯度塔风杯数据进行风速风向的线性拟合并求出相关系数。

低层时，晴天、雾天和雨天激光测风雷达与气象观测梯度塔风杯风速的CC分别为0.905，0.896和0.845，风向的CC分别0.975，0.955和0.965。风向的一致性整体优于风速的一致性，天气对激光测风雷达探测数据有影响，晴天时激光测风雷达数据质量最好，雾天时数据质量有所下降，雨天时最差。高层时，晴天、雾天和雪天激光测风雷达与风廓线雷达风速的CC分别为0.967，0.930和0.855，风向的CC分别0.987，0.952和0.978。高层激光测风雷达风速一致性有所提高，但整体仍旧劣于风向的一致性，高层激光测风雷达探测数据依然受天气影响，晴天时激光测风雷达数据质量最好，雾天次之，雪天最差。分析原因为随着空气中粒子由雾滴到雨滴再到雪片变化时，粒子直径不断增大，大粒径粒子对激光的衰减作用不断增强，导致激光测风雷达接收到的回波信号减弱，信噪比降低，数据质量下降。而气象观测梯度塔风杯数据为传感器直接测量得到，受降雨影响较小，风廓线雷达波长较长，为20 cm，降雪时被气流化的雪花作为风的示踪物，也不会对其造成较大影响。

3.2 测风稳定度

由于激光测风雷达与气象观测梯度塔风杯和风廓线雷达探测原理差异，除对不同天气特征下总体数据的比对外，还需要通过分析垂直方向上激光测风雷达与另两种探测设备观测数据一致性的波动情况，在特定高度上进一步评估激光测风雷达测风数据的准确性。

从比对结果可以看出，不论哪种天气条件下，风向的CC均优于风速，低层晴天300 m高度一致性最高为0.98，低层雨天100 m高度最差为0.92；
高层晴天700 m高度一致性最高为0.98，高层雪天800 m高度最差为0.88。风速的CC低层一致性最优值出现在晴天300 m高度，为0.96，低层雨天100 m高度最差为0.8；
高层晴天700 m高度一致性最高为0.98，高层雪天800 m高度最差为0.88。高低层风向风速一致性最优和最差值对应出现在相同高度。不同天气条件下风向风速一致性随着高度的增加呈现先增大后减小的趋势，晴天一致性较好，雨雪天气变化最明显，这与雨雪天气激光测风雷达信号衰减有关。3种天气条件下CC平均值风向在100 m和800 m高度最差为0.93，300 m和500 m高度最优为0.96；
风速劣于风向，在100 m高度最差为0.88，在500 m高度最优为0.95。通过标准差可以看出激光测风雷达探测数据连续性较好，在低层激光测风雷达与气象观测梯度塔风杯风向风速标准差的偏差较小，在高层激光测风雷达与风廓线雷达风向风速标准差的偏差也较小。

根据环境气象预报结果显示2021-12-16-2021-12-20有一次重污染天气过程。16日受弱气压场控制能见度差，有霾，气象条件对污染物扩散不利；
17日夜间有弱冷空气影响，污染物浓度有所下降，空气质量稍有好转；
18-19日气压场再度减弱，气象条件不利于污染物扩散，空气质量为重度污染；
20日受冷空气影响，空气质量逐渐转好。

由16-21日激光测风雷达观测结果可以看出，16日，雷达低空处于反气旋后部，由偏北气流逐渐转为西南偏南气流，风速超过6 m/s，探测高度可达1.1 km，雷达位于高压西北侧，受持续偏南气流影响，结合地形作用，污染物在石家庄及太行山前一带累积浓度逐渐升高。17日弱冷空气影响不明显，石家庄上空整层风速减小，0.6 km高度以下水平风速未超过4 m/s，空气质量虽稍有好转但气象条件持续不利于污染物的扩散，最大探测高度呈先降低后增长的日变化趋势，中午最低至0.7 km，相较最大风速出现时间略有滞后性，至18日凌晨探测高度再次达到峰值，约1 km。18日，受弱冷空气影响，凌晨至上午整层转为西北偏西气流控制，但冷空气势力很弱，地面因受太行山地形阻挡作用，风速较小，冷空气对污染物的扩散稀释作用有限。午后，弱冷空气快速东移，石家庄低空受冷高压后部影响，转为偏南气流，气象条件仍不利于污染物的扩散。随着污染物浓度的升高，激光测风雷达探测高度出现了明显的降低，从16日的1.1 km降至0.5 km，空气中气溶胶粒子对激光衰减作用明显。自18日入夜起，受弱冷空气影响，整层逐渐转为偏西气流，地面由短暂的东北风转为偏西气流。19日凌晨至上午，近地面及高空偏西气流风速均较大，超过8 m/s，因地形作用，偏西气流翻山后下沉增温，湿度降低，静稳层结被短暂破坏，气象条件有利于污染物的扩散、稀释，由于前期污染物积累较为严重，探测高度的增加仍较最大风速出现时间有一定的滞后，说明空气质量的改善较最大风速出现时间也有一定的滞后。但由于弱冷空气强度有限，19日午后，受山谷风局地环流影响，本地上空逐渐转为偏南或东南气流，气象扩散条件再次转差，污染出现反弹。最大探测高度随着污染物浓度的变化也呈现起伏状态。20日凌晨高空逐渐转为偏北风，空气质量逐渐转好。

通过此次激光测风雷达在污染天气条件下的探测结果可以看出：重污染天气过程中空气中的大颗粒气溶胶粒子对激光有衰减作用，污染物浓度对探测高度影响较为严重；
在太行山地区偏南风不利于污染物扩散，偏北风有利于污染物扩散；
地形风对静稳天气结构的维持和打破有一定影响；
有利于污染物扩散的气象条件为较大风速偏北风之后且存在一定的滞后性。

文章通过对激光测风雷达与风廓线雷达和气象观测塔观测数据的对比评估， 结果表明激光测风雷达与气象观测梯度塔和风廓线雷达的水平风向风速测量结果有较好的一致性，并且风向一致性优于风速一致性；
激光测风雷达探测数据连续性较好，与气象观测梯度塔和风廓线雷达风向风速标准差的偏差较小；
不同天气条件下风向风速一致性随着高度的增加呈现先增大后减小的趋势，晴天一致性较好，雨雪天气变化最明显，这与雨雪天气激光测风雷达信号衰减有关；
同时重污染天气过程中空气中的大颗粒气溶胶粒子对激光有衰减作用，但激光测风雷达探测结果在重污染天气过程中仍具有一定指示意义，在近地面风场结构探测领域具有较好的应用前景。

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