■ 陳燕 蔡親波 徐文靜 冼錦洪 李勛 張春花 陳紅 林建興

能見度激光雷達(dá)和前向散射能見度儀所獲得的能見度變化趨勢(shì)一致，數(shù)據(jù)結(jié)果合理，可為瓊州海峽大霧監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警提供了很好的科學(xué)依據(jù)，助力2019年春節(jié)期間瓊州海峽航運(yùn)通暢。能見度激光雷達(dá)與衛(wèi)星云圖進(jìn)行互補(bǔ)觀測(cè)，可取得更好的監(jiān)測(cè)大霧動(dòng)態(tài)效果，為海上交通安全提供更有力保障。

瓊州海峽是海南島通往中國大陸的重要通道，而大霧是影響海峽航運(yùn)安全的重要因素之一，特別是連續(xù)性的大霧，直接影響海上和港口航運(yùn)的安全。但是由于海上觀測(cè)資料缺乏，海峽大霧天氣很難預(yù)測(cè)。提高大霧監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性和預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)的水平，將關(guān)系到全社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、各行業(yè)和人民生活的安全，特別是瓊州海峽的大霧預(yù)報(bào)預(yù)警。這首先要提高大氣能見度監(jiān)測(cè)能力。在我國，能見度監(jiān)測(cè)最初一般是通過參照物用肉眼進(jìn)行判斷的，即人工目測(cè)。隨著時(shí)代的進(jìn)步，社會(huì)的發(fā)展，能見度觀測(cè)逐步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。近幾年，全國氣象部門裝設(shè)了前向散射型能見度儀，逐步實(shí)現(xiàn)了能見度觀測(cè)自動(dòng)化，但是該能見度儀主要采用點(diǎn)式監(jiān)測(cè)，以點(diǎn)代面，受測(cè)量點(diǎn)局地環(huán)境影響大，代表性差、設(shè)備易受干擾，不能很好代表大范圍真實(shí)能見度，尤其無法獲取水平面上能見度分布情況。

綜合考慮，2019年1月，3臺(tái)新型能見度激光雷達(dá)分別在?？谛潞８邸⑿阌⒏酆蛷V東徐聞北港建成使用，監(jiān)測(cè)范圍覆蓋瓊州海峽兩岸港口的港池和航道，有效增強(qiáng)海南省氣象部門對(duì)瓊州海峽大霧的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警能力。這是全國首次投入業(yè)務(wù)運(yùn)行的新型裝備。通過安裝在3個(gè)港口的激光雷達(dá)能實(shí)時(shí)獲取海面上不同位置的能見度信息，實(shí)現(xiàn)了瓊州海峽水平能見度有效探測(cè)，解決了傳統(tǒng)能見度儀點(diǎn)式監(jiān)測(cè)的局限性，為精細(xì)化瓊州海峽氣象監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)提供科學(xué)依據(jù)。本文以瓊州海峽2019年春節(jié)期間為例，分析能見度激光雷達(dá)在霧監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警中的應(yīng)用，以提高海南省大霧特別是海霧的氣象服務(wù)水平，為建設(shè)海南國際旅游島、海南自由貿(mào)易試驗(yàn)區(qū)和中國自由貿(mào)易港保駕護(hù)航。

1 能見度激光雷達(dá)原理

能見度激光雷達(dá)采用激光雷達(dá)原理實(shí)現(xiàn)對(duì)能見度空間分布的測(cè)量。當(dāng)能見度激光雷達(dá)發(fā)射的激光在大氣傳輸時(shí)，大氣中的各種組分會(huì)對(duì)激光產(chǎn)生吸收和散射，從而改變后向散射光的能量、光譜特性、偏振狀態(tài)等信息。通過接收和分析后向散射光的光學(xué)特性，即可反演出相應(yīng)的氣體分子，氣溶膠粒子的相關(guān)性質(zhì)以及各種大氣參數(shù)。能見度激光雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（圖1）分為發(fā)射單元子系統(tǒng)、接收單元子系統(tǒng)、控制與信號(hào)處理子系統(tǒng)、產(chǎn)品生成與顯示子系統(tǒng)等，能見度激光雷達(dá)光電結(jié)構(gòu)見圖2。

圖1 能見度激光雷達(dá)基本原理

能見度激光雷達(dá)中激光器發(fā)射激光經(jīng)過擴(kuò)束鏡之后射向大氣，大氣的回波信號(hào)通過透鏡接收，由光纖傳導(dǎo)信號(hào)至探測(cè)器，探測(cè)器的數(shù)據(jù)信號(hào)接入采集卡，采集卡的數(shù)據(jù)傳輸?shù)角度胧接?jì)算機(jī)中。嵌入式計(jì)算機(jī)控制整個(gè)系統(tǒng)的激光發(fā)射，信號(hào)采集探測(cè)，以及數(shù)據(jù)處理和能見度的反演。

圖2 能見度儀光電結(jié)構(gòu)圖

能見度激光雷達(dá)具有高質(zhì)量、高精度、高分辨率和遠(yuǎn)探測(cè)距離的特點(diǎn)，空間分辨率最低可達(dá)15 m，時(shí)間分辨率5 s～10 min（可調(diào)）, 可對(duì)半徑15 km范圍內(nèi)的大氣360°發(fā)射水平激光束，獲取并分析掃描區(qū)域內(nèi)顆粒物、水汽等粒子的后向散射數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不均勻大氣能見度的準(zhǔn)確測(cè)量，測(cè)量結(jié)果不受團(tuán)霧、煙塵等條件的影響，是大氣透過率儀和前向散射儀等其他儀器無法實(shí)現(xiàn)的。能見度激光雷達(dá)為戶外型全固化、模塊化結(jié)構(gòu)，便于維護(hù)、操作簡單、應(yīng)用廣泛，無需合作目標(biāo)?？蛻舳巳形慕缑?，可顯示實(shí)時(shí)能見度分布廓線，消光系數(shù)廓線，距離校準(zhǔn)信號(hào)廓線，還可進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)回放，自動(dòng)分析運(yùn)算大氣參數(shù)立體分布數(shù)據(jù)，運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控、自動(dòng)記錄、自動(dòng)報(bào)警，具有斷電自動(dòng)恢復(fù)能力及歷史數(shù)據(jù)回放功能。

2 性能分析

2.1 環(huán)境適用性

通過連續(xù)運(yùn)行查驗(yàn)，該能見度激光雷達(dá)適合在?25～50 ℃的溫度，1%～100%無冷凝濕度，單相交流：220 V±22 V、頻率：50 Hz±3 Hz環(huán)境下運(yùn)行，并且具有耐高濕、高溫和高鹽的特點(diǎn)，在強(qiáng)降水條件下運(yùn)行正常。

2.2 對(duì)比分析

為對(duì)比分析能見度激光雷達(dá)的可用性和可靠性，結(jié)合鄰近區(qū)域安裝的觀海臺(tái)前向散射能見度儀（目前應(yīng)用于能見度業(yè)務(wù)自動(dòng)觀測(cè)的儀器）進(jìn)行對(duì)比分析。數(shù)據(jù)時(shí)間段為2019年2月1—15日。

圖3為能見度激光雷達(dá)和前向散射能見度儀的安裝地點(diǎn)，箭頭代表前向散射能見度儀，其中西海岸觀海臺(tái)處的前向散射式能見度儀與秀英港能見度激光雷達(dá)安裝點(diǎn)距離3.4 km，選擇能見度激光雷達(dá)270°方向上掃描的能見度，與前向散射能見度進(jìn)行對(duì)比，觀測(cè)結(jié)果如圖4所示。新海港能見度激光雷達(dá)與前散安裝點(diǎn)位接近，觀測(cè)結(jié)果如圖5所示。比對(duì)數(shù)據(jù)表現(xiàn)出良好的一致性。

圖3 能見度觀測(cè)設(shè)備安裝位置圖

3 瓊州海峽2019年春節(jié)大霧天氣

3.1 概況

2019年春節(jié)期間（2月2—10日），瓊州海峽主要受弱冷空氣、西南低壓槽等天氣系統(tǒng)影響，瓊州海峽大霧天氣過程出現(xiàn)于2月2—7日，期間共發(fā)布瓊州海峽海上大霧橙色預(yù)警信號(hào)6次，瓊州海峽海上大霧黃色預(yù)警信號(hào)2次；累計(jì)停航時(shí)間最長約24 h，其中一次持續(xù)停航時(shí)間最長為6日近8 h外，其余時(shí)間停航時(shí)間較短，在多項(xiàng)措施和天氣保障相結(jié)合的情況下，2019年瓊州海峽航運(yùn)未出現(xiàn)擁堵和滯留現(xiàn)象。

3.2 能見度激光雷達(dá)應(yīng)用情況

瓊州海峽地處大陸與海南島之間，海況和天氣復(fù)雜，臺(tái)風(fēng)、暴雨、海霧、雷暴等災(zāi)害性天氣出現(xiàn)概率高，直接影響海上交通的安全和航運(yùn)的效率。因此，提高對(duì)海霧的監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)和預(yù)警能力是十分必要和迫切的。2019年1月底，在海口新海港、秀英港和徐聞海安新港安裝3個(gè)能見度激光雷達(dá)（圖6），2019年春節(jié)假日（2月2—10日）的首日即2月2日便捕捉到瓊州海峽中間出現(xiàn)的大霧實(shí)況，為海南省氣象部門及時(shí)發(fā)布大霧精細(xì)預(yù)警打響了第一炮。

圖4 2019年2月1—15日秀英港能見度激光雷達(dá)與西海岸觀海臺(tái)前散觀測(cè)結(jié)果對(duì)比圖

圖5 2019年2月1—15日新海港能見度激光雷達(dá)與新海港前散觀測(cè)結(jié)果對(duì)比圖

圖6 激光雷達(dá)測(cè)量綜合展示圖

海霧能使能見度降低，影響船舶運(yùn)輸、捕撈作業(yè)石油開采以及海上軍事活動(dòng)。由于海霧發(fā)生具有偶然性，前向散射能見度測(cè)量設(shè)備只能獲取監(jiān)測(cè)點(diǎn)位數(shù)據(jù)，海上船舶觀測(cè)范圍小，因此關(guān)于海霧的海上觀測(cè)記錄較少。能見度激光雷達(dá)通過掃描觀測(cè)，可有效獲取海面能見度分布情況，準(zhǔn)確識(shí)別海霧，并觀測(cè)其產(chǎn)生、移動(dòng)和消散過程，準(zhǔn)確及時(shí)對(duì)外發(fā)布大霧預(yù)警信號(hào)和災(zāi)害性天氣信息等氣象服務(wù)產(chǎn)品。因此，春運(yùn)期間能見度激光雷達(dá)觀測(cè)海峽上的大霧發(fā)揮了巨大的作用，隨時(shí)將海上觀測(cè)到的能見度傳輸?shù)教鞖忸A(yù)報(bào)員手里，天氣預(yù)報(bào)員第一時(shí)間對(duì)能見度演變規(guī)律、移動(dòng)路徑進(jìn)行研判，及時(shí)向有關(guān)部門和民眾發(fā)送大霧預(yù)警信號(hào)，決策部門和相關(guān)人員采取相應(yīng)措施，保障海上航運(yùn)安全和民眾生命財(cái)產(chǎn)安全。

2月3—7日，將能見度激光雷達(dá)測(cè)量結(jié)果與海事局停航，復(fù)航通知的時(shí)間進(jìn)行比對(duì)，如圖7所示，能見度激光雷達(dá)觀測(cè)到能見度低于1000 m的情況下，各港口停航。該時(shí)間段內(nèi)，共發(fā)生6次停航，均與能見度激光雷達(dá)測(cè)量的低能見度區(qū)相吻合。

2月2—7日，海南省氣象部門共發(fā)布瓊州海峽海上大霧預(yù)警信號(hào)8次（其中6次大霧橙色預(yù)警信號(hào)、2次大霧黃色預(yù)警信號(hào)），預(yù)警信號(hào)發(fā)布時(shí)段與海峽停航時(shí)段基本吻合（圖8）。

圖7 徐聞海安新港能見度激光雷達(dá)測(cè)量結(jié)果

圖8 預(yù)警信號(hào)發(fā)布時(shí)段和瓊州海峽停航時(shí)段對(duì)應(yīng)圖

2019年春節(jié)期間，經(jīng)過氣象部門與政府多部門同心協(xié)力，能見度激光雷達(dá)和其他常規(guī)觀測(cè)手段相結(jié)合，密切監(jiān)測(cè)瓊州海峽天氣狀況，及時(shí)發(fā)布海峽天氣信息，準(zhǔn)確發(fā)布海峽大霧預(yù)警信號(hào)，政府部門根據(jù)氣象部門發(fā)布的天氣信息多舉措保證海峽安全通行，瓊州海峽未出現(xiàn)擁堵和滯留現(xiàn)象。此次春節(jié)期間的春運(yùn)過程，能見度激光雷達(dá)在海峽通航保障中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

3.3 能見度激光雷達(dá)與衛(wèi)星云圖的綜合應(yīng)用

根據(jù)Himawari-8可見光衛(wèi)星云圖，大體判斷瓊州海峽能見度的變化，再結(jié)合能見度激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)海峽具體的能見度數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)布海上大霧預(yù)警信號(hào)，提醒海上作業(yè)船只和港口的相關(guān)單位做好防范工作。

由于可見光云圖只能白天可見，因此選取了2月4日11：00（北京時(shí)，下同）、13：30的Himawari-8可見光衛(wèi)星云圖和能見度激光雷達(dá)圖對(duì)比分析，觀察海峽能見度逐漸好轉(zhuǎn)時(shí)段的變化情況。從圖9可以看出，11時(shí)可見光衛(wèi)星云圖上的海峽的水汽（云）慢慢散去，至13時(shí)幾乎無多少水汽（云）漂浮于海峽上；對(duì)應(yīng)的能見度激光雷達(dá)也能認(rèn)知這一點(diǎn)，并且觀測(cè)更清晰、更準(zhǔn)確，即11時(shí)海峽大部分能見度為600 m左右，至13時(shí)能見度已上升至800 m，可見，此時(shí)段內(nèi)瓊州海峽的能見度逐漸好轉(zhuǎn)，可視物逐漸清晰?？梢姡跇I(yè)務(wù)運(yùn)用中，能見度激光雷達(dá)結(jié)合衛(wèi)星云圖進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)，海峽能見度監(jiān)測(cè)更全面、更細(xì)致，不容易遺漏海峽大霧的預(yù)報(bào)預(yù)警。但是，衛(wèi)星云圖在低云覆蓋或夜間時(shí)很難觀測(cè)到霧天氣。

4 小結(jié)

能見度激光雷達(dá)具有高質(zhì)量、高精度、高分辨率和遠(yuǎn)探測(cè)距離的特點(diǎn)，以及便于維護(hù)，操作簡單、應(yīng)用廣泛，無需合作目標(biāo)，測(cè)量不受團(tuán)霧、煙塵等條件的影響。能見度激光雷達(dá)和前向散射能見度儀所獲得的能見度變化趨勢(shì)一致，數(shù)據(jù)結(jié)果合理。

能見度激光雷達(dá)為瓊州海峽大霧監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警提供了很好的科學(xué)依據(jù)，保證了2019年春節(jié)期間瓊州海峽未出現(xiàn)擁堵和滯留現(xiàn)象。能見度激光雷達(dá)與衛(wèi)星云圖進(jìn)行互補(bǔ)觀測(cè)，取得更好的監(jiān)測(cè)大霧動(dòng)態(tài)效果，為海上交通安全提供更有力保障。

一直以來，由于海上能見度觀測(cè)設(shè)備較少，因此做好海霧預(yù)報(bào)預(yù)警是一項(xiàng)難點(diǎn)工作，今后將充分分析運(yùn)用現(xiàn)代先進(jìn)觀測(cè)設(shè)備（雷達(dá)、衛(wèi)星）等，提前發(fā)布海霧預(yù)報(bào)預(yù)警信息，促使進(jìn)一步降低由于海霧造成的損失，保障民眾出行安全。

圖9 2月4日11：00、13：30的Himawari-8可見光衛(wèi)星云圖（a，c）、能見度激光雷達(dá)（b，d）的對(duì)比圖

深入閱讀

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