趙文凱，趙世軍，單雨龍，孫學(xué)金

(國防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院，江蘇 南京 211101)

0 引 言

大氣風(fēng)場作為一項(xiàng)重要?dú)庀笠?，與人們的生產(chǎn)生活息息相關(guān)，對大氣風(fēng)場進(jìn)行精準(zhǔn)探測越來越受到人們的重視。現(xiàn)有測風(fēng)手段雖能滿足基本測風(fēng)需求，但均存在明顯不足。激光測風(fēng)雷達(dá)作為新型測風(fēng)設(shè)備，利用多普勒原理[1]獲取風(fēng)向、風(fēng)速信息，具有能夠探測晴空風(fēng)場、測風(fēng)范圍廣、探測精度高、時(shí)空分辨率高、機(jī)動性能好的優(yōu)點(diǎn)，其在風(fēng)場精準(zhǔn)探測領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。

激光測風(fēng)雷達(dá)按照探測方式可分為相干激光測風(fēng)雷達(dá)和非相干激光測風(fēng)雷達(dá)，本研究所用激光測風(fēng)雷達(dá)為相干探測方式。目前國外許多國家已經(jīng)成功研制出相干激光測風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)。1970年，美國雷神公司研制出世界上第一臺脈沖相干激光測風(fēng)雷達(dá)[2]；1987年，斯坦福大學(xué)研發(fā)出波長為1.06 μm的相干激光測風(fēng)雷達(dá)，實(shí)現(xiàn)了600 m范圍的風(fēng)場探測[3]。1988年，美國相干技術(shù)公司（CTI）增強(qiáng)了激光測風(fēng)雷達(dá)的風(fēng)場探測能力，研發(fā)出可對3.75 km的水平風(fēng)場進(jìn)行探測的激光雷達(dá)[4]；1990年，美國的Henderson課題組研制的相干激光測風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)，風(fēng)場探測范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，可實(shí)現(xiàn)水平距離20 km范圍的風(fēng)場探測[5]；2001年，日本三菱電器公司研制出世界上第一臺1.54 μm波段的相干激光測風(fēng)雷達(dá)[6]，該激光雷達(dá)系統(tǒng)采用光纖通信技術(shù)，提升工作效率的同時(shí)，也降低了成本；2002年，美國Lockheed Martin公司研發(fā)出波長為2.0 μm的WindTracer商用相干激光測風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)[7]，進(jìn)一步保證了激光對于人眼的安全。

國內(nèi)對激光測風(fēng)技術(shù)的研究起步較晚。近年來，國內(nèi)在激光測風(fēng)雷達(dá)的研制方面取得了較快發(fā)展。2010年，中國電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所研制出波長為1.5 μm的激光測風(fēng)實(shí)驗(yàn)裝置[8]，空間分辨率為 50 m，室外速度分辨率 1 m/s[9]，實(shí)現(xiàn)了 200 m的風(fēng)速測量；2011年，西南技術(shù)物理研究所研制出1.55 μm全光纖相干激光測風(fēng)雷達(dá)，可探測5～200 m范圍內(nèi)的大氣風(fēng)場[10]；2012年，中國科學(xué)院上海精密光學(xué)機(jī)械研究所研制了1.539 μm全光纖相干激光測風(fēng)雷達(dá)[11]，在2014年進(jìn)行升級后，風(fēng)場探測能力得到增強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)3 km的風(fēng)場探測；2014年，中國海洋大學(xué)研制了1.55 μm全光纖相干激光測風(fēng)雷達(dá)[12]，并推出了商用的WindPrint系統(tǒng)。2017年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制出相干多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)[13]，采用5 kHz重復(fù)頻率工作時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)水平距離6 km的大氣風(fēng)場。

實(shí)驗(yàn)中使用的激光測風(fēng)雷達(dá)為相干脈沖機(jī)制，激光器工作波長為1.55 μm，可探測垂直高度上30～1000 m范圍內(nèi)的風(fēng)向風(fēng)速，風(fēng)速測量允許誤差±0.3 m/s，風(fēng)向測量允許誤差±2°，具有高精度、高分辨率、大探測范圍等優(yōu)點(diǎn)。

未來，激光測風(fēng)雷達(dá)將進(jìn)入氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)，作為以氣球軌跡法空中風(fēng)測量方式的補(bǔ)充或升級。在激光測風(fēng)雷達(dá)投入業(yè)務(wù)應(yīng)用之前，需對其測風(fēng)數(shù)據(jù)的可靠性進(jìn)行評估，對其在不同天氣條件下的工作性能進(jìn)行分析。目前激光測風(fēng)雷達(dá)測風(fēng)性能評估的難點(diǎn)在于真實(shí)風(fēng)場難以獲得。本文從氣象業(yè)務(wù)應(yīng)用的需求出發(fā)，將探空氣球風(fēng)場數(shù)據(jù)作為真值，區(qū)分不同天氣條件、不同高度區(qū)間、不同風(fēng)速區(qū)間對激光測風(fēng)雷達(dá)的風(fēng)場數(shù)據(jù)有效性進(jìn)行分析，據(jù)此評估激光測風(fēng)雷達(dá)的風(fēng)場探測性能。

1 激光測風(fēng)雷達(dá)垂直風(fēng)場反演原理

激光測風(fēng)雷達(dá)將大氣中的氣溶膠粒子作為探測對象，通過接收氣溶膠粒子對于激光的散射回波，計(jì)算多普勒頻移，從而得到氣溶膠粒子的運(yùn)動速度，根據(jù)氣溶膠的運(yùn)動反演大氣風(fēng)場。目前，激光測風(fēng)雷達(dá)垂直風(fēng)場數(shù)據(jù)產(chǎn)品主要是根據(jù)速度方位顯示（velocity azimuth display, VAD）掃描及與之對應(yīng)的VAD算法反演獲得。激光測風(fēng)雷達(dá)VAD掃描如圖1所示，掃描時(shí)激光雷達(dá)保持固定的仰角，通常仰角較大，方位角改變360°，激光光束的掃描面構(gòu)成一個圓錐面。

圖1 激光測風(fēng)雷達(dá)VAD掃描示意圖

VAD算法的中心思想是將大氣中氣溶膠粒子的運(yùn)動速度分解為水平方向上的運(yùn)動速度vh，和垂直方向上的運(yùn)動速度vf。算法原理如圖2所示，以正北方向?yàn)閤軸的正向，正東方向?yàn)閥軸的正向建立直角坐標(biāo)系。

圖2 VAD算法示意圖

圖中 β0為水平風(fēng)方向與x軸的夾角，即水平風(fēng)風(fēng)向；β為激光光束的方位角；α為激光光束的天頂角。則激光測風(fēng)掃描得到的徑向風(fēng)速可表示為：

假設(shè)在固定高度層風(fēng)場是均勻分布的，即vf、vh和 β0不隨方位角發(fā)生變化。則由上式可以看出，當(dāng)激光測風(fēng)雷達(dá)以一固定仰角掃描時(shí)（α保持不變），不同方位的徑向風(fēng)速隨方位角的變化滿足余弦關(guān)系，并疊加一個常數(shù)值vfcosα。因此可根據(jù)同一高度層多個方位上的測風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行余弦擬合，得出水平風(fēng)向、風(fēng)速。

2 激光測風(fēng)雷達(dá)探測性能評估實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)所用激光測風(fēng)雷達(dá)為相干脈沖激光測風(fēng)雷達(dá)，性能指標(biāo)參數(shù)如表1所示。

表1 激光測風(fēng)雷達(dá)參數(shù)

用于比對的數(shù)據(jù)取自南京市國家基準(zhǔn)氣候站的L波段高空氣象探測雷達(dá)。該型雷達(dá)主要用于高空大氣的綜合性觀測，工作時(shí)與GTS1型數(shù)字式電子探空儀相互配合，可獲取大氣溫、壓、濕、風(fēng)等氣象要素信息。其獲取風(fēng)場信息的主要原理是以氣球?yàn)槭聚櫸镏复髿獾倪\(yùn)動，通過追蹤氣球位置計(jì)算出風(fēng)場情況。GFE(L)1型雷達(dá)主要參數(shù)如表2所示。

表2 L波段高空氣象探測雷達(dá)參數(shù)

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

激光測風(fēng)雷達(dá)安裝在國防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院雙龍街校區(qū)的長望樓樓頂，海拔高度約為40 m，南京市國家基準(zhǔn)氣候站海拔高度約為36 m，兩地間直線距離約為9.4 km，見圖3。激光測風(fēng)雷達(dá)每30 s做一次掃描，每次掃描可獲取垂直方向上約30～1000 m高度范圍內(nèi)的風(fēng)向、風(fēng)速信息，雷達(dá)庫長為20 m，即每一個數(shù)據(jù)點(diǎn)代表20 m范圍內(nèi)的風(fēng)場狀況。探空氣球升速約為6 m/s，每秒一個數(shù)據(jù)，即探空氣球風(fēng)速數(shù)據(jù)空間分辨率約為6 m。因此，需將激光測風(fēng)雷達(dá)數(shù)據(jù)在高度上進(jìn)行插值，得到與氣球探空數(shù)據(jù)空間相匹配的風(fēng)場數(shù)據(jù)。雖然探空氣球在上升的過程中會隨風(fēng)飄移，但是根據(jù)大氣連續(xù)性特征，可以認(rèn)為在一定水平范圍內(nèi)，相同高度上的大氣是均一的，因此可以忽略氣球水平方向上飄移的影響。根據(jù)探空氣球到達(dá)各高度層的時(shí)刻，提取出對應(yīng)時(shí)刻相同高度上的激光雷達(dá)測風(fēng)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)兩種測風(fēng)數(shù)據(jù)時(shí)空上的匹配。

圖3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備相對位置圖

2.3 分析方法

激光測風(fēng)雷達(dá)是根據(jù)氣溶膠粒子運(yùn)動產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)反演得到的風(fēng)場信息，屬于間接探測。而氣球探空是以氣球?yàn)槭聚櫸镏苯臃从炒髿獾倪\(yùn)動狀況，屬于直接探測，可信度較高，并已廣泛應(yīng)用于氣象業(yè)務(wù)當(dāng)中。因此，在進(jìn)行數(shù)據(jù)比對時(shí)，將氣球探空數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)，分析激光測風(fēng)雷達(dá)測風(fēng)性能。主要分析流程如圖4所示。將處理得到的時(shí)空匹配數(shù)據(jù)按照天氣類型分為晴天、陰天、雨天3種，評估不同天氣狀況下激光測風(fēng)雷達(dá)性能；對每種天氣條件下的數(shù)據(jù)再分別按照風(fēng)速區(qū)間和高度層進(jìn)行劃分，評估激光測風(fēng)雷達(dá)對不同大小風(fēng)速及不同高度風(fēng)場的探測性能。

圖4 激光測風(fēng)雷達(dá)風(fēng)場探測性能評估流程圖

使用相關(guān)系數(shù)R和平均偏差A(yù)D來對激光測風(fēng)雷達(dá)的測風(fēng)性能進(jìn)行評估，其計(jì)算公式如下：

式中：xi——激光測風(fēng)雷達(dá)數(shù)據(jù)；

——激光測風(fēng)雷達(dá)數(shù)據(jù)平均值；

yi——?dú)馇蛱娇諗?shù)據(jù)；

——?dú)馇蛱娇諗?shù)據(jù)平均值；

n——數(shù)據(jù)點(diǎn)的個數(shù)。

不同的天氣狀況對激光會產(chǎn)生不同的影響。通常來講，天氣狀況越差，大氣消光系數(shù)越大，大氣對激光的衰減就越大，從而影響到激光測風(fēng)雷達(dá)的探測性能。因此，將時(shí)空匹配后得到比對數(shù)據(jù)按照天氣狀況分為3類：晴天、陰天和雨天。對不同天氣類型時(shí)的激光雷達(dá)探測性能進(jìn)行比較分析。

在對兩種測風(fēng)數(shù)據(jù)的風(fēng)向數(shù)據(jù)進(jìn)行比對時(shí)會出現(xiàn)過零現(xiàn)象。過零現(xiàn)象是指風(fēng)向在零度附近數(shù)值上相差很大，而實(shí)際上相差很小的現(xiàn)象，例如，1°和359°在數(shù)值上相差了358°而實(shí)際上兩個風(fēng)向只有2°的差異。因此就要對風(fēng)向進(jìn)行過零處理，具體方法為：對兩風(fēng)向值作差，如果兩風(fēng)向差值的絕對值大于180°，則給較小風(fēng)向加上360°。

3 激光測風(fēng)雷達(dá)風(fēng)場探測性能分析

激光測風(fēng)雷達(dá)在2019年3月17日至2019年4月12日之間獲取了近一個月的測風(fēng)數(shù)據(jù)。激光測風(fēng)雷達(dá)可以做到全天時(shí)掃描，30 s獲取一次風(fēng)場數(shù)據(jù)。高空氣象探測的放球時(shí)間是固定每天的07:15 和 19:15。將激光測風(fēng)雷達(dá)風(fēng)場數(shù)據(jù)與氣球探空獲得的風(fēng)場數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空匹配后共得到32組比對數(shù)據(jù)。

3.1 整體分析

如圖5所示，對不同天氣類型下的兩種測風(fēng)數(shù)據(jù)分別做一元線性擬合，圖中“”的橫坐標(biāo)為氣球探空所得風(fēng)向或風(fēng)速，縱坐標(biāo)為時(shí)空對應(yīng)的激光測風(fēng)雷達(dá)測得的風(fēng)向或風(fēng)速。圖中斜線為擬合直線。

圖5 不同天氣類型激光雷達(dá)測風(fēng)數(shù)據(jù)與氣球探空數(shù)據(jù)一元擬合

兩種測風(fēng)方式的風(fēng)速數(shù)據(jù)在晴天、陰天、雨天的相關(guān)系數(shù)分別為 0.89469、0.87636、0.77253。隨著天氣狀況變差，相關(guān)系數(shù)逐漸變小，這說明天氣條件不好時(shí)，激光測風(fēng)雷達(dá)測風(fēng)性能會有所下降。晴天與陰天時(shí)的相關(guān)系數(shù)相差不大，說明陰天對于激光測風(fēng)雷達(dá)的探測性能并沒有造成太大影響，但晴天與陰天的相關(guān)系數(shù)均明顯大于雨天時(shí)的相關(guān)系數(shù)，這就說明雨天對于激光雷達(dá)測風(fēng)性能會造成較大影響。

兩種測風(fēng)方式的風(fēng)向數(shù)據(jù)在晴天、陰天、雨天的相關(guān)系數(shù)分別為 0.97407、0.99404、0.95904。整體上風(fēng)向的相關(guān)系數(shù)要大于風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)，且不同天氣條件時(shí)的相關(guān)系數(shù)差別均不是很大，這說明激光測風(fēng)雷達(dá)的風(fēng)向探測性能要優(yōu)于風(fēng)速探測性能。與風(fēng)速比對結(jié)果不同的是，陰天時(shí)兩種數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)略大于晴天時(shí)的相關(guān)系數(shù)，主要原因是本次實(shí)驗(yàn)采集到的陰天測風(fēng)數(shù)據(jù)要少于晴天時(shí)的測風(fēng)數(shù)據(jù)，所以與晴天數(shù)據(jù)相比，陰天數(shù)據(jù)中的質(zhì)量較差數(shù)據(jù)也相對較少；另一方面，由于激光測風(fēng)雷達(dá)的風(fēng)向探測性能優(yōu)于風(fēng)速探測性能，風(fēng)向探測的穩(wěn)定性更好，因此受到不良天氣條件的影響也較小。綜合上述兩個原因，出現(xiàn)了陰天時(shí)相關(guān)系數(shù)大于晴天的情況。但是無論是晴天還是陰天，相關(guān)系數(shù)均比雨天時(shí)的大，這也再次印證了雨天對于激光測風(fēng)雷達(dá)的探測性能會造成較大影響。

3.2 按高度層分類分析

將不同天氣條件下兩種測風(fēng)數(shù)據(jù)按照高度層進(jìn)行劃分，分析不同高度層兩種測風(fēng)數(shù)據(jù)的平均偏差。考慮到兩種測風(fēng)設(shè)備相距較遠(yuǎn)，近地層的測風(fēng)結(jié)果會有較大差異，因此選取200 m為第一高度層，實(shí)驗(yàn)選用的激光測風(fēng)雷達(dá)最大探測距離約為1000 m，因此將900 m高度以上選為最后一個高度層，中間按照100 m的間隔進(jìn)行分層。各高度層的風(fēng)向、風(fēng)速平均偏差如圖6所示。

圖6 不同高度層激光測風(fēng)雷達(dá)數(shù)據(jù)與氣球探空數(shù)據(jù)的平均偏差

從圖中可以看出無論是風(fēng)向還是風(fēng)速，隨著高度的變化平均偏差均會出現(xiàn)一定程度的波動。在3種天氣類型中，晴天時(shí)平均偏差隨高度的波動最小，相對而言更加穩(wěn)定。因此可從晴天時(shí)平均偏差隨高度的變化分析激光測風(fēng)雷達(dá)在各高度層的探測精度。從圖中可以看出，晴天時(shí)，隨著高度的增加，無論是風(fēng)向還是風(fēng)速，平均偏差均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，轉(zhuǎn)折點(diǎn)大約在600 m高度。較低高度層與較高高度層平均偏差較大的原因主要為：在近地面層大氣風(fēng)場受地形等因素影響較大，加之實(shí)驗(yàn)中兩設(shè)備相距較遠(yuǎn)，測風(fēng)結(jié)果會出現(xiàn)較大差異；在較高的高度層偏差較大主要有兩方面原因，一方面激光測風(fēng)雷達(dá)以氣溶膠粒子為示蹤物，在對流層內(nèi)氣溶膠濃度隨高度的增加按指數(shù)減少，再加上隨著探測距離的增加光強(qiáng)衰減加劇，激光測風(fēng)雷達(dá)的探測性能有所下降；另一方面，激光測風(fēng)雷達(dá)采用VAD算法反演垂直風(fēng)場時(shí)假定大氣風(fēng)場是水平均一的，而隨著高度的增加各激光光束之間的距離增大，反演結(jié)果代表的水平風(fēng)場范圍增大，大氣的水平均一性逐漸減弱，算法本身的誤差也會增大。因此可知，在轉(zhuǎn)折點(diǎn)處（約600 m高度）最能體現(xiàn)激光測風(fēng)雷達(dá)的真實(shí)探測性能，風(fēng)速偏差約為1 m/s，風(fēng)向偏差約為20°。

陰天和雨天時(shí)，隨著高度的變化，無論是風(fēng)向還是風(fēng)速，兩種測風(fēng)數(shù)據(jù)的平均偏差均出現(xiàn)較大程度的波動，且雨天時(shí)的波動程度最為顯著，這也體現(xiàn)出了不良天氣條件對于激光測風(fēng)雷達(dá)探測性能的影響。由于雨滴會對激光造成很大程度的衰減，因此雨天時(shí)兩種測風(fēng)數(shù)據(jù)會出現(xiàn)很大的偏差，其中風(fēng)速的最大偏差達(dá)到3.05 m/s，約為平均風(fēng)速7.62 m/s的40%，風(fēng)向的最大偏差達(dá)到31.65°。

3.3 按風(fēng)速區(qū)間分類分析

將不同天氣條件下兩種測風(fēng)數(shù)據(jù)按照氣球探空測得的風(fēng)速區(qū)間進(jìn)行劃分，分析不同風(fēng)速時(shí)兩種測風(fēng)數(shù)據(jù)的平均偏差。根據(jù)實(shí)際測得的風(fēng)速情況，將風(fēng)速小于4 m/s作為第一個區(qū)間，風(fēng)速大于10 m/s作為最后一個區(qū)間，中間層按照1 m/s的間隔進(jìn)行劃分。各風(fēng)速區(qū)間的風(fēng)向、風(fēng)速平均偏差如圖7所示。

圖7 不同風(fēng)速區(qū)間激光測風(fēng)雷達(dá)數(shù)據(jù)與氣球探空數(shù)據(jù)的平均偏差

從圖中可以看出晴天時(shí)兩種測風(fēng)數(shù)據(jù)的風(fēng)速平均偏差基本穩(wěn)定在1 m/s，說明激光測風(fēng)雷達(dá)的風(fēng)速探測精度基本不受風(fēng)速變化的影響。兩種數(shù)據(jù)的風(fēng)向平均偏差在風(fēng)速大于4 m/s時(shí)穩(wěn)定性良好，基本保持在20°，當(dāng)風(fēng)速小于4 m/s時(shí)，平均偏差突增至34°，說明激光測風(fēng)雷達(dá)的風(fēng)向探測精度受小風(fēng)速的影響很大。分析其原因?yàn)椋寒?dāng)風(fēng)速比較小時(shí)，激光測風(fēng)雷達(dá)的回波信號很弱，有用信號與雜波信號混合在一起，影響了雷達(dá)信號處理系統(tǒng)對于譜峰的識別，可能會反演出錯誤的風(fēng)向結(jié)果，從而降低了激光測風(fēng)雷達(dá)風(fēng)向探測精度。

陰天和雨天時(shí)，兩種測風(fēng)結(jié)果的風(fēng)向、風(fēng)速平均偏差均出現(xiàn)較大波動，再次說明了不良天氣條件對于激光測風(fēng)雷達(dá)探測性能的影響。其中雨天時(shí)的波動最為顯著，風(fēng)速的最大平均偏差達(dá)到2.99 m/s，風(fēng)向的最大平均偏差達(dá)到39°。

4 結(jié)束語

本文主要分析了激光測風(fēng)雷達(dá)的VAD風(fēng)場掃描方式以及VAD風(fēng)場反演算法。將激光測風(fēng)雷達(dá)風(fēng)場數(shù)據(jù)與氣球探空風(fēng)場數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空同步處理，得到時(shí)間和空間上相匹配的32組數(shù)據(jù)。并引入相關(guān)系數(shù)和平均偏差，評估激光測風(fēng)雷達(dá)在不同天氣條件、不同風(fēng)速區(qū)間、不同高度范圍的風(fēng)場探測性能，得到以下結(jié)論：

1）晴天時(shí)激光測風(fēng)雷達(dá)具有良好的探測性能，并且風(fēng)向的探測性能要優(yōu)于風(fēng)速的探測性能；不良天氣條件會對激光測風(fēng)雷達(dá)的探測性能造成一定程度的影響，雨天的影響最為顯著。

2）隨著探測高度的增加，受掃描方式和反演算法兩方面的影響，激光測風(fēng)雷達(dá)的探測精度逐漸下降。

3）激光測風(fēng)雷達(dá)的風(fēng)速探測性能基本不受風(fēng)速變化影響，風(fēng)向探測性能除在小風(fēng)速時(shí)會受較大程度影響外也基本保持穩(wěn)定。

4）激光測風(fēng)雷達(dá)具有較高的探測精度，風(fēng)速偏差約為 1 m/s，風(fēng)向偏差約為 20°。

本文工作還存在一些不足，有待后期的進(jìn)一步研究。首先，本文使用的數(shù)據(jù)容量相對較小，后期可獲取更長時(shí)間范圍內(nèi)的風(fēng)場數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析；其次，比對儀器相對較少，后期可將激光測風(fēng)雷達(dá)與風(fēng)廓線儀、多普勒天氣雷達(dá)等多種測風(fēng)手段進(jìn)行比較，分析各種風(fēng)場探測手段的優(yōu)劣；在天氣類型分類方面，后期可對天氣類型進(jìn)一步細(xì)化，增加多云、霧霾等多種天氣類型，得出更為細(xì)致的分析結(jié)論。