李效東 梁 鶯 任 雍

(福建省大氣探測技術保障中心，福建 福州 350008)

0 引言

海霧是主要海洋氣象災害之一，對海上交通運輸、海上生產作業(yè)等危害嚴重。相較陸地綜合氣象觀測體系，海洋氣象觀測體系相對薄弱，海上氣象實況資料嚴重不足，中遠距離海域的氣象觀測存在監(jiān)測空白，在海霧觀測方面更是缺乏有效的觀測技術手段。

近年來，國內外學者嘗試利用多種探測設備和方法開展霧的觀測與研究工作。美國學者Gultepe等利用Ka波段毫米波雷達觀測數(shù)據(jù)建立了大霧天氣下雷達反射率與能見度之間的經驗公式；日本學者Michihiro Teshiba等利用毫米波雷達對盆地地區(qū)霧的空間分布、強度和生消特征進行觀測與對比試驗；德國的iPort實驗項目通過毫米波雷達獲取霧層厚度和霧頂高度等信息[1-2]。程寅等對比前向散射能見度儀和PWD22型能見度儀霧天觀測的數(shù)據(jù)，劉冬韡等利用地面前向散射式能見度儀構建網(wǎng)絡，實現(xiàn)霧的自動監(jiān)測[3-4]。前向散射能見度儀空間代表性差而且海上站點稀疏；衛(wèi)星遙感對海霧和低云的識別精度有待提升，毫米波雷達和激光能見度雷達的探測距離有限(<10km)，僅能滿足沿海港口的海霧監(jiān)測需求，無法覆蓋海上航道和生產作業(yè)區(qū)，遠遠不能滿足海霧監(jiān)測和預報服務的需求[5-6]。上述研究同樣受到觀測儀器的限制，無法解決大范圍海霧實時監(jiān)測的問題。隨著“地球電磁密織網(wǎng)”大氣探測新技術的發(fā)展，本文提出了一種基于遠距離物聯(lián)網(wǎng)通信技術的海霧探測新方法，旨在為大范圍海霧的實時監(jiān)測提供技術解決方案。

1 LoRa通訊技術簡介

遠距離無線電(Long Range Radio，簡稱LoRa)是Semtech公司創(chuàng)建的低功耗局域網(wǎng)無線標準，作為一種窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信技術，LoRa融合了數(shù)字擴頻、數(shù)字信號處理和前向糾錯編碼技術，LoRa通訊站可獨立組網(wǎng)，單網(wǎng)關可連接多個節(jié)點或終端，功耗為1W的信號在無中繼放大條件有效傳輸距離超過100km，信號接收靈敏度高達-168dBm，數(shù)據(jù)速率在0.3～300kbps可控，另外，根據(jù)國際電信聯(lián)盟的規(guī)定，LoRa主要在全球免費頻段運行。遠距離通訊、抗干擾能力強、超低功耗、靈敏度高、免費頻段運行，這些技術特點使得LoRa技術十分適合于海上組網(wǎng)觀測。

2 觀測布局與分析方法

2.1 試驗設備

本次試驗選取433MHz作為海霧探測LoRa通訊站的發(fā)射/接收中心頻率，該頻率處于全球免費頻段即非授權頻段。LoRa基站通過Kirin編碼技術，以及使用低功耗的信號傳輸設備，使硬件系統(tǒng)滿足基站點對點有效通訊距離100km以上，使用相對較少的設備組建低密度分布網(wǎng)，覆蓋更多的海域面積，LoRa基站具體技術指標見表1。

表1 LoRa基站技術指標

2.2 相關性試驗

選取福建漳州、廈門、福州地區(qū)的海霧多發(fā)海域，結合已有的岸基和?；詣託庀笳?，遴選出具備試驗條件的海上通信鏈路，部署低功耗LoRa通信基站。其中在漳州沿海的火山島和將軍澳自動站同址部署2套LoRa海霧觀測站，設備間距為22.381km；在廈門部署2套LoRa海霧觀測站，設備間距為38.77km；在福州連江黃岐半島的過嶼島和粗蘆島自動站同址部署2套LoRa海霧觀測站，設備間距為39.98km。

2.3 相關性分析

采集了2019年3月至2020年10月在試驗海域發(fā)生的海霧過程，將LoRa接收基站的信號強度指標RSSI與試驗鏈路上經過數(shù)據(jù)質量控制的自動氣象站能見度實測數(shù)據(jù)進行相關性分析，并計算斯皮爾曼相關系數(shù)ρ，ρ取值范圍為[-1，1]，當ρ>0時，表示兩者呈正相關；當ρ<0時，表示兩者呈反相關，且|ρ|越大，表示兩者之間的關系越密切。具體樣本數(shù)據(jù)量和計算結果如表2所示。

表2 RSSI與能見度實測數(shù)據(jù)的斯皮爾曼相關性

由表2可知， LoRa通信信號對海霧天氣背景十分敏感，RSSI強度指標變化與海霧天氣呈現(xiàn)很好的正相關。

3 基于RSSI關系模型的海霧反演方法及其效果檢驗評估

3.1 基于LoRa技術的海霧反演方法

在理想大氣條件下，LoRa信號強度指標RSSI與傳輸距離呈對數(shù)相關，但在實際環(huán)境中，大氣中的霧和風都會對RSSI產生影響，經過長序列的觀測試驗，分析研究LoRa信號強度指標RSSI與海霧等氣象要素信息的相關關系，建立RSSI關系模型如下：

RSSI=logbasedd-logbasexX-logbaseyY-F-R

(1)

其中，RSSI為LoRa基站接收信號的實測值(dB)；based為LoRa基站距離對數(shù)底數(shù)，d代表距離；basex為絕對濕度影響因子對數(shù)的底數(shù)，X代表絕對濕度；basey為風速調整因子對數(shù)的底數(shù)，Y代表風速；F為電磁參數(shù)；R為發(fā)射天線調整參數(shù)。

本次實驗依托岸基、島基、海基構建海上LoRa自組觀測網(wǎng)絡，各LoRa基站之間形成覆蓋整個觀測區(qū)域的N條點對點的通信鏈路，實時采集網(wǎng)內每條鏈路RSSI衰減變化情況，基于RSSI關系模型，采用全網(wǎng)大數(shù)據(jù)智能分析技術，反演出觀測區(qū)域的海霧強度分布和落區(qū)范圍。

3.2 構建海上LoRa海霧觀測網(wǎng)以及觀測效果比對驗證系統(tǒng)

遴選閩南海霧多發(fā)海域作為觀測試驗區(qū)域，依托岸基、島基、海基平臺，構建由24個基站組成的閩南海域LoRa海霧觀測網(wǎng)(如圖1)，間距30～80km，覆蓋海域約6000km2，開發(fā)建立軟件業(yè)務平臺，生成分鐘級實時海霧監(jiān)測產品，并與岸基、島基、?；詣託庀笳窘M成比對驗證系統(tǒng)，進行一致率比對檢驗和觀測效果評估。

圖1 閩南海域LoRa海霧觀測網(wǎng)布局

3.3 基于鄰域檢驗法的LoRa海霧觀測產品檢驗評估

鄰域檢驗法[7]是一種在降水領域常用的檢測方法，運用鄰域檢驗法對LoRa海霧觀測產品進行檢驗評估，可以有效反映出基于LoRa技術的海霧探測效果。本文選取2020年3月17日～9月30日漳州海域按一定間距分布的10個自動氣象站參與檢驗評估，站點分布如圖2所示。

圖2 福建漳州海域參與檢驗的自動站站點分布

為減少前向散射式能見度儀數(shù)據(jù)本身的誤差，在開展驗證工作之前首先需要對該類數(shù)據(jù)進行質控過濾。通過參考研究前向散射式能見度儀通用技術規(guī)范以及設備說明書后，發(fā)現(xiàn)在能見度大于3km時，其觀測數(shù)據(jù)波動非常大，誤差大于±20%，在低能見度天氣條件下，其觀測數(shù)據(jù)更加真實可信。為篩選出可靠的數(shù)據(jù)樣本參與檢驗，本文將“低能見度時刻”定義為：①表4中至少有一個站點能見度≤3000m；②表4中與其相鄰最近的三個站點中至少有一個站點能見度≤3000m。同時滿足以上兩個條件的稱為“低能見度時刻”，該時刻至少有兩個相鄰站點的能見度≤3000m，經過處理，從4512個原始數(shù)據(jù)中篩選出343個 “低能見度時刻”作為檢驗參照數(shù)據(jù)。

3.3.1 二分類檢驗

考慮到實際業(yè)務應用的需求和自動站前向散射式能見度儀的觀測穩(wěn)定性，首先進行以3km為閾值的二分類檢驗，正類為Vis<3km，負類為Vis≥3km。設定鄰域半徑為3km，即認為站點方圓3km的區(qū)域內能見度狀況與站點觀測同級。以59321東山本站和F2273漳浦將軍澳站為例，所得交叉矩陣如表3和表4所示。

表3 59321檢驗交叉矩陣

表4 F2273檢驗交叉矩陣

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

公式(2)～(7)中，NA為正類正確樣本數(shù)，NB為正類漏報樣本數(shù)，NC為正類空報樣本數(shù)，ND為負類正確樣本數(shù)，據(jù)此可計算各類檢驗指標。選取鄰域半徑分別為3km和5km的情況下，LoRa海霧與能見度數(shù)據(jù)比對情況檢驗指標結果如表5，可以看到在鄰域半徑選取為3km以下的結果優(yōu)于5km。整體來看，隨著鄰域半徑不斷擴大，各檢驗指標表現(xiàn)基本都呈下滑趨勢，且偏差BS逐漸遠離1，表明漏報比例有所升高，但是空報率FAR比較特殊，變化幅度十分微弱，在5km時達到最低(圖3)。

表5 各類檢驗指標表現(xiàn)

圖3 各類檢驗指標隨鄰域半徑的變化趨勢圖

3.3.2 以0.5km和3km為閾值的三分類檢驗

第一類為Vis<0.5km，代表濃霧及以上；第二類為0.5km≤Vis<3km，代表大霧及輕霧；第三類為Vis≥3km，代表無明顯影響的霧。鄰域半徑設為3km的情況下最終檢驗結果為：TS評分為0.6600，ETS評分為0.3429，漏報率PO為0.2573，空報率FAR為0.1573，偏差BS為1.1896，準確率PC為0.7807?？梢娻徲驒z驗法的各類指標可信度較高。

3.3.3 從逐站點逐過程的角度進行檢驗

選取站點F2273(漳浦將軍澳)作為過程檢驗站點，以能見度≤1km為閾值，統(tǒng)計得到93個小時的海霧時次(13個海霧過程)。其中反演正確的時次有73個小時，反演缺漏的有20個小時。從觀測的有效性進行分析，13個海霧過程全部具有較好的反映。

3.4 典型海霧過程分析

2019年10月1日19∶30到2019年10月3日7∶00,漳州將軍澳地區(qū)出現(xiàn)一次長時間的海霧過程，能見度和RSSI信號變化如圖4。從圖中可知，10月1日19∶30,能見度降到3000m以下，RSSI信號強度從66 dBm降到60 dBm；10月3日,能見度恢復到3000m左右，其中10月2日7∶00至18∶00，能見度超過3000m；10月3日10時，RSSI信號強度從58 dBm升至62 dBm，能見度從1524m升到10573m，海霧過程結束。

圖4 過程一能見度和RSSI信號變化示意圖

表7為統(tǒng)計該時段從地質公園道將軍澳LoRa設備的信號變化和能見度之間的對應關系。由圖5及表6可見，海霧生消過程中，RSSI信號變化曲線與前向散射式能見度儀探測數(shù)據(jù)變化保持一致，且數(shù)據(jù)相關性顯著。

表6 過程一相關性指標

圖5表示海霧生成、發(fā)展和消散等階段的反演示意圖，從圖5可知，反演結果與成霧過程基本吻合。

2020年6月9日19∶00到6月10日7∶00,漳州將軍澳漳浦至東山海域出現(xiàn)一次海霧過程，能見度變化如圖6所示。根據(jù)實際觀測情況來看，6月9日19時在紅嶼、東山、赤嶼監(jiān)測到霧，最小能見度為410m。21～22時,在宮前村、赤嶼島、東山本站、鎮(zhèn)海角燈塔監(jiān)測到霧，最小能見度為100m?？梢?起霧階段具有自南向北出現(xiàn)的特點，符合平流霧的移動特征。23時-10日00時范圍縮小，只在澳角村監(jiān)測到霧。10日01～04時,海霧范圍擴大，沿海觀測站點均監(jiān)測到霧，05時開始范圍縮小(宮前村、紅嶼、將軍澳、鎮(zhèn)海角燈塔)，06時范圍繼續(xù)縮減(鎮(zhèn)海角燈塔、宮前村)。

(a)2019年10月1日19時LoRa海霧反演結果

(b) 2019年10月2日5時LoRa海霧反演結果

(c)2019年10月3日7時LoRa海霧反演結果圖5 2019年10月1日至10月3日反演結果

圖7表示LoRa海霧觀測系統(tǒng)平臺的計算結果，9日19～21時東山到古雷周邊海域顯示有成片霧區(qū)；后半夜霧區(qū)范圍進一步擴大，計算結果顯示漳州沿?；敬嬖谳p霧到大霧的天氣，與實況觀測較為一致。

(a)鎮(zhèn)海角

(b)紅嶼

(c)將軍澳圖6 2020年6月9日-6月10日海霧過程

(a)2020年6月9日19時LoRa海霧反演結果

(b)2020年6月10日02時LoRa海霧反演結果圖7 2020年6月9日和6月10日反演結果

4 結論

通過在臺灣海峽開展的一系列觀測試驗，可以得出以下結論：

①LoRa信號對海霧天氣背景十分敏感，RSSI強度指標變化與海霧之間相關性顯著。

②所采用的鄰域檢驗方法具有科學性和代表性，參加檢驗的數(shù)據(jù)樣本在數(shù)量和質量上均有保證，檢驗結果各類指標可信度較高。

③基于LoRa技術的海霧監(jiān)測產品對海霧過程具有很好的反映，這項新技術針對遠距離、大范圍實時監(jiān)測海霧的落區(qū)和強度分布，提供了有效的技術解決方案，滿足當前海霧實時監(jiān)測預警的業(yè)務需求。