王亞東， 胡 平， 尹春光， 鄭 杰　(上海市氣象信息與技術(shù)支持中心，上海 200030)

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激光測風(fēng)雷達(dá)在城市近地層測風(fēng)中的適應(yīng)性觀測試驗(yàn)

王亞東， 胡 平， 尹春光， 鄭 杰(上海市氣象信息與技術(shù)支持中心，上海 200030)

摘要[目的]研究新型激光測風(fēng)雷達(dá)在城市近地層測風(fēng)中的適應(yīng)性。[方法]2013年5～6月上海市氣象信息與技術(shù)支持中心在上海市嘉定區(qū)和興隆沙開展了2次新型測風(fēng)雷達(dá)與梯度測風(fēng)塔的觀測對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)2種探測手段測得的不同高度的水平風(fēng)速、風(fēng)向及其標(biāo)準(zhǔn)偏差、相關(guān)系數(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析。[結(jié)果]在嘉定區(qū)的對(duì)比試驗(yàn)中，雖然激光測風(fēng)雷達(dá)與風(fēng)能測風(fēng)塔2種方式測得的風(fēng)速值有一些差異，但2組數(shù)據(jù)有一定的相關(guān)性；風(fēng)向的相關(guān)性明顯好于風(fēng)速，相關(guān)系數(shù)均在0.9以上。在興隆沙的對(duì)比試驗(yàn)中，激光測風(fēng)雷達(dá)與風(fēng)能測風(fēng)塔所獲得的風(fēng)速數(shù)據(jù)在各層高度上均具有良好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)均在0.9以上；相比風(fēng)速數(shù)據(jù)，風(fēng)向數(shù)據(jù)在各層高度上的相關(guān)性較低。與嘉定區(qū)的對(duì)比試驗(yàn)相比，興隆沙的對(duì)比試驗(yàn)在風(fēng)速上的相關(guān)性表現(xiàn)較好，而在風(fēng)向上則表現(xiàn)一般。[結(jié)論]2次對(duì)比試驗(yàn)的對(duì)比結(jié)果中水平風(fēng)速、風(fēng)向均有相關(guān)性達(dá)0.9以上的要素，能夠在一定程度上驗(yàn)證新型激光測風(fēng)雷達(dá)在低空風(fēng)場數(shù)據(jù)獲取方面具有較為良好的探測性能。

關(guān)鍵詞激光測風(fēng)雷達(dá)；近地層；風(fēng)速；風(fēng)向；適應(yīng)性；觀測試驗(yàn)

風(fēng)的測量是氣象探測的一個(gè)重要內(nèi)容。目前國內(nèi)氣象觀測業(yè)務(wù)自150 m以上風(fēng)場數(shù)據(jù)的來源主要是依靠GFE(L)-1型二次探空雷達(dá)和風(fēng)廓線雷達(dá)[1]，而150 m以下的低空風(fēng)探測主要方法是測風(fēng)塔。激光測風(fēng)雷達(dá)是一種新型的測風(fēng)設(shè)備，主要是應(yīng)用在風(fēng)能資源的評(píng)測中，目前還沒有在氣象風(fēng)場數(shù)據(jù)的常規(guī)業(yè)務(wù)進(jìn)行應(yīng)用。為使激光測風(fēng)雷達(dá)能夠真正應(yīng)用到常規(guī)氣象探測業(yè)務(wù)中，需要將其與傳統(tǒng)氣象探測設(shè)備進(jìn)行對(duì)比分析。此次試驗(yàn)使用的SpiDARTM是以色列Pentalum公司生產(chǎn)的激光測風(fēng)系統(tǒng)，是一種采用光探測和測距技術(shù)(LiDAR)的風(fēng)力遙測傳感產(chǎn)品，可以探測多種氣象要素包括氣壓、濕度、大氣密度、不同高度的風(fēng)向風(fēng)速、微量氣體濃度等。目前，這套激光測風(fēng)系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域是風(fēng)力預(yù)測和風(fēng)場評(píng)估。

國內(nèi)外已經(jīng)對(duì)激光測風(fēng)雷達(dá)進(jìn)行了大量研究[2-5]，如王喬喬等[2]使用Windcube雷達(dá)測風(fēng)系統(tǒng)與測風(fēng)塔進(jìn)行了同步觀測，并對(duì)風(fēng)速、風(fēng)向、標(biāo)準(zhǔn)偏差等進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)與測風(fēng)塔的風(fēng)速、風(fēng)向的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.99；Jaynes[4]進(jìn)行激光測風(fēng)雷達(dá)與測風(fēng)塔的對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，2種探測手段的風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)在不同高度上均達(dá)0.9以上；馮力天等[5]在對(duì)連續(xù)波體制激光多普勒測風(fēng)雷達(dá)的測風(fēng)性能試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在100 m以下高度層測風(fēng)雷達(dá)和測風(fēng)塔風(fēng)速和風(fēng)向的標(biāo)準(zhǔn)偏差較小，在100 m以上高度層風(fēng)速、風(fēng)向相關(guān)系數(shù)達(dá)0.99，表明測風(fēng)雷達(dá)準(zhǔn)確性高且具有高度一致性。為了能夠了解更多SpiDARTM激光測風(fēng)雷達(dá)的測風(fēng)性能，2013年5月9～14日和6月12日上海市氣象信息與技術(shù)支持中心分別在嘉定區(qū)氣象局和崇明興隆沙開展了新型激光測風(fēng)雷達(dá)與測風(fēng)塔的觀測對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)2種探測手段測得的不同高度的水平風(fēng)速、風(fēng)向及其標(biāo)準(zhǔn)偏差、相關(guān)系數(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析。

1設(shè)備安置與試驗(yàn)方法

2013年5月9日上午，來自以色列Pentalum公司的2位工程師對(duì)激光測風(fēng)雷達(dá)進(jìn)行了安裝調(diào)試，雷達(dá)首先被安置在嘉定區(qū)廣播電視臺(tái)大院發(fā)射塔腳下的空地上，與激光測風(fēng)雷達(dá)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)的就是這座廣播電視信號(hào)發(fā)射塔。信號(hào)發(fā)射塔高150 m，發(fā)射塔上安裝有測風(fēng)設(shè)備，安裝高度分別為30、50、70和100 m。電視臺(tái)院內(nèi)環(huán)境狹小，周圍也有高層建筑遮擋，探測環(huán)境比較惡劣。為了不影響探測質(zhì)量，當(dāng)天下午雷達(dá)被轉(zhuǎn)移至嘉定區(qū)氣象局，安置在氣象局觀測場草坪上。廣播電視信號(hào)發(fā)射塔位于氣象局的北偏西方向，直線距離約1.7 km。6月12日在位于崇明島中東部興隆沙風(fēng)能塔完成了第2次觀測對(duì)比試驗(yàn)。興隆沙風(fēng)能測風(fēng)塔高為70 m，激光測風(fēng)雷達(dá)被放置在風(fēng)能塔西南方向約50 m處。

位于嘉定區(qū)氣象局的試驗(yàn)從5月9日16：30持續(xù)到14日07：40，由于設(shè)備供電問題，造成5月11日03：40～08:40的數(shù)據(jù)缺失。激光測風(fēng)雷達(dá)能夠獲取的高度層分別是30、50、70、100、150和200 m，由于測風(fēng)塔的最大高度是150 m，因此僅對(duì)其中150 m以下4個(gè)層的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比的數(shù)據(jù)是水平方向的10 min平均風(fēng)速和風(fēng)向。

興隆沙風(fēng)能塔位于崇明島中東部，塔高為70 m，激光測風(fēng)雷達(dá)被放置在風(fēng)能塔下方不遠(yuǎn)處。此次的對(duì)比試驗(yàn)于6月12日03：20開始，12:00共獲取可用數(shù)據(jù)38條，由于設(shè)備故障造成6月12日06:20～08:10數(shù)據(jù)不連續(xù)。由于風(fēng)能塔高度為70 m，因此，此次對(duì)比試驗(yàn)僅對(duì)30、50和70 m 3個(gè)高度層的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比的數(shù)據(jù)為水平方向10 min的平均風(fēng)速和風(fēng)向。

2風(fēng)速和風(fēng)向?qū)Ρ确治?/p>

2.1風(fēng)速對(duì)比在嘉定的對(duì)比試驗(yàn)中，以100 m風(fēng)速數(shù)據(jù)為例，從圖1可以看出，100 m風(fēng)速數(shù)據(jù)的曲線重合性較好，2組曲線的走向趨勢總體相似。通過對(duì)激光測風(fēng)雷達(dá)和測風(fēng)塔探測的100 m水平風(fēng)速進(jìn)行擬合(表1)發(fā)現(xiàn)，2組風(fēng)速在100 m的決定系數(shù)R2值為0.539，表示2組數(shù)據(jù)的相關(guān)性一般，分析其原因可能是由于2個(gè)測試點(diǎn)不在同一地點(diǎn)，相距約1.7 km直線距離，同時(shí)，在測風(fēng)塔周圍存在高層建筑物，不能排除高層建筑物對(duì)風(fēng)的遮擋作用，因此風(fēng)速數(shù)值上存在差異也是合理的。測風(fēng)塔(y)和激光測風(fēng)雷達(dá)(x)不同高度層上的水平風(fēng)速線性擬合結(jié)果(表1)表明，高度越高，風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)越大，2種探測手段所獲得數(shù)據(jù)的相關(guān)性越好。由于在相對(duì)較高的位置，風(fēng)場受到建筑物的影響變小，從而使得2種探測手段所探測的數(shù)據(jù)趨于一致。

在靠近海邊的興隆沙對(duì)比試驗(yàn)中，從50 m風(fēng)速(圖2)可以看出，風(fēng)能測風(fēng)塔獲得的風(fēng)速均在激光測風(fēng)雷達(dá)風(fēng)速的下方，說明測風(fēng)塔獲得風(fēng)速數(shù)據(jù)普遍偏小，曲線重合比較好，曲線的走勢趨于一致。通過對(duì)不同高度層2組風(fēng)速數(shù)據(jù)的擬合(表2)發(fā)現(xiàn)，50 m高度風(fēng)速數(shù)據(jù)的決定系數(shù)R2為0.93，說明此高度2組數(shù)據(jù)的相關(guān)性越好。從表2可以發(fā)現(xiàn)，不同高度層上風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)均達(dá)0.9以上。

在風(fēng)速的對(duì)比分析中，由于嘉定區(qū)探測環(huán)境較為惡劣，市區(qū)高樓林立的環(huán)境對(duì)探測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性造成了一定程度的影響，而在興隆沙探測試驗(yàn)是在海邊進(jìn)行的，周圍環(huán)境對(duì)探測設(shè)備的影響較小。從探測結(jié)果的對(duì)比分析(表1～2)也可以看到，興隆沙不同高度層的風(fēng)速相關(guān)系數(shù)明顯好于嘉定的試驗(yàn)結(jié)果，其相關(guān)系數(shù)在0.9以上，這個(gè)結(jié)果與其他文獻(xiàn)[2-3]的結(jié)果一致。

2.2風(fēng)向?qū)Ρ蕊L(fēng)向數(shù)據(jù)的對(duì)比方法與風(fēng)速對(duì)比的方法相同，但風(fēng)向存在一個(gè)360°周期的現(xiàn)象。為了能夠得到正確的相關(guān)性對(duì)比，這里對(duì)接近360°的臨界值進(jìn)行了減360的操作，具體判斷如下：

If(R>350 && T<10) //如果R>350°且T<10°

return R-360;//那么返回R減360°

else

return R;//否則返回R

在表達(dá)式里R代表激光測風(fēng)雷達(dá)測量值，T代表測風(fēng)塔測量值。表達(dá)式的含義是：如果R值>350°且T值<10°，那么返回R減360°之后的值，否則返回R。這樣如果有這么一組數(shù)值，激光測風(fēng)雷達(dá)得到的是356°，測風(fēng)塔測的數(shù)據(jù)是2°，那么實(shí)際上進(jìn)行比較的-4°和2°，2個(gè)值相差6°，而不是354°。通過這種方法，對(duì)激光測風(fēng)雷達(dá)4個(gè)高度層的風(fēng)向數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。由于對(duì)比試驗(yàn)期間(5月9～14日)，主導(dǎo)風(fēng)向是西風(fēng)，風(fēng)向主要集中在150°～350°，實(shí)際上風(fēng)向測量值幾乎不會(huì)出現(xiàn)風(fēng)向變化跨越0°的現(xiàn)象，但也有個(gè)別值存在這種現(xiàn)象。

在嘉定的對(duì)比試驗(yàn)中，以100 m風(fēng)向數(shù)據(jù)為例，從圖2a和圖1a可以看出，風(fēng)向曲線的重合性明顯好于風(fēng)速曲線的重合性，2種方法獲取的風(fēng)向數(shù)據(jù)一致性較好，數(shù)據(jù)相似度較高；2組數(shù)據(jù)擬合的決定系數(shù)R2在0.9以上，說明2組數(shù)據(jù)的吻合度較高，相關(guān)性較好(表3)。興隆沙50 m高度層上的風(fēng)向數(shù)據(jù)有較為明顯的差異，測風(fēng)塔所獲得的風(fēng)向數(shù)據(jù)相對(duì)于激光測風(fēng)雷達(dá)的數(shù)據(jù)偏低(圖2b)；50 m高度層的風(fēng)向擬合的R2為0.767 4，表明相關(guān)性較為一般(表4)。由嘉定和興隆沙的風(fēng)向?qū)Ρ确治鼋Y(jié)果(表3～4)可見，嘉定的風(fēng)向相關(guān)系數(shù)均在0.9以上，相關(guān)性較好，而在興隆沙試驗(yàn)中，激光測風(fēng)雷達(dá)與測風(fēng)塔的風(fēng)向相關(guān)系數(shù)在0.7以上，標(biāo)準(zhǔn)偏差明顯好于嘉定對(duì)比試驗(yàn)，從一定程度上反映出激光測風(fēng)雷達(dá)在風(fēng)向的探測中具有較好的準(zhǔn)確性。

3結(jié)論與討論

該研究參與對(duì)比試驗(yàn)的測風(fēng)雷達(dá)是以色列Pentalum公司的新型激光測風(fēng)雷達(dá)SpiDARTM，對(duì)比對(duì)象分別是位于嘉定區(qū)的測風(fēng)塔和位于崇明興隆沙的風(fēng)能塔，一個(gè)處于城市內(nèi)部，一個(gè)處于城市外圍，2次對(duì)比試驗(yàn)所處的環(huán)境有較大的差別。

在嘉定區(qū)的對(duì)比試驗(yàn)中，雖然激光測風(fēng)雷達(dá)與風(fēng)能測風(fēng)塔2種方式測得的風(fēng)速值有一些差異，但2組數(shù)據(jù)在變化和走勢上是一致的，說明2組數(shù)據(jù)有一定的相關(guān)性；風(fēng)向的相關(guān)性則明顯好于風(fēng)速，相關(guān)系數(shù)均在0.9以上。兩者風(fēng)速存在較大差異的原因初步認(rèn)為是測風(fēng)塔上風(fēng)速計(jì)長時(shí)間未進(jìn)行校準(zhǔn)，以及儀器長時(shí)間運(yùn)行老化所造成的。同時(shí)，試驗(yàn)環(huán)境周圍存在一些高層建筑物，也不能完全排除建筑物對(duì)風(fēng)的遮擋作用，因此存在差異也是一個(gè)合理的結(jié)果。激光測風(fēng)雷達(dá)30 m風(fēng)速與10 m風(fēng)桿的數(shù)據(jù)對(duì)比，也從一定程度上反映

激光測風(fēng)雷達(dá)所測的數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)手段獲得的數(shù)據(jù)具有良好的相關(guān)性。

在興隆沙的對(duì)比試驗(yàn)中，激光測風(fēng)雷達(dá)與風(fēng)能測風(fēng)塔所獲得的風(fēng)速數(shù)據(jù)在各層高度上均具有良好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)均在0.9以上。相比風(fēng)速數(shù)據(jù)，風(fēng)向數(shù)據(jù)在各層高度上的相關(guān)性較低，普遍在0.8左右，50 m以上風(fēng)向的相關(guān)系數(shù)較好。與嘉定區(qū)的對(duì)比試驗(yàn)相比，興隆沙的對(duì)比試驗(yàn)在風(fēng)速上的相關(guān)性表現(xiàn)較好，而在風(fēng)向上則表現(xiàn)一般。

2次不同環(huán)境下的對(duì)比試驗(yàn)，雖然硬件和所處環(huán)境不同，但在2次對(duì)比試驗(yàn)中對(duì)比結(jié)果的相關(guān)性均有達(dá)0.9以上的要素，說明SpiDAR激光測風(fēng)雷達(dá)在低空風(fēng)場數(shù)據(jù)獲取方面具有一定的可信度。相比傳統(tǒng)的手段，激光測風(fēng)雷達(dá)具有安裝簡易、低能耗、高度自動(dòng)化、儀器配置更加個(gè)性化等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)能夠?qū)崟r(shí)獲得多種氣象探測數(shù)據(jù)，可見激光測風(fēng)雷達(dá)在氣象探測領(lǐng)域具有廣闊的使用空間。

參考文獻(xiàn)

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Adaptive Observation Experiment of Wind Lidar in Urban Wind Detection at Near Surface Layer

WANG Ya-dong, HU Ping, YIN Chun-guang et al

(Shanghai Meteorological Information and Technical Support Center, Shanghai 200030)

Key wordsWind lidar; Near surface layer; Wind speed; Wind direction; Adaptability; Observation experiment

Abstract[Objective] To research the adaptability of new wind lidar in urban wind detection at near surface layer. [Method] Two observation comparative trials between new wind lidar and gradient wind tower were carried out in Xinglongsha and Jiading District in Shanghai Meteorological Information and Technical Support Center from May to June, 2013. Then, we compared the horizontal wind speed, wind direction, standard deviation and correlation coefficient at each altitude by two different methods. [Result] In the comparative trial of Jiading District, there were certain differences in the wind speed detected by two methods of wind lidar and gradient wind tower, but there was certain correlation between the two groups of data. Correlation of wind direction was significantly superior to that of wind speed; their correlation coefficients were greater than 0.9. In the comparative trial of Xinglongsha, there was good correlation between wind data detected by wind lidar and gradient wind tower at different altitudes. Their correlation coefficients were greater than 0.9. Compared with the data of wind speed, weed direction had relatively low correlation at each altitude. Compared with the comparative trial of Jiading District, wind speed in comparative trial of Xinglongsha showed relatively good wind speed, but wind direction was general. [Conclusion] Results of two comparative tests showed that both horizontal wind speed and wind direction have elements with more than 0.9 correlation, which verifies in certain degree that wind lidar has relatively good detection performance in the aspect of low altitude wind field data.

作者簡介王亞東(1984-)，男，山東鄒城人，工程師，碩士，從事氣象資料管理與應(yīng)用方面研究。

收稿日期2016-02-14

中圖分類號(hào)S 16

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611(2016)07-214-03