張志堅(jiān)，張靜，伍光勝，高瑞泉

(1.廣州市突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布中心，廣東 廣州 511430；2.廣州市氣象臺(tái)，廣東 廣州 511430；3.深圳市國(guó)家氣候觀象臺(tái)，廣東 深圳 518040)

1 引 言

隨著城市化的發(fā)展，人口和經(jīng)濟(jì)向超大城市聚集，超大城市人類活動(dòng)對(duì)氣候的影響顯著增強(qiáng)，城市發(fā)展帶來(lái)氣象環(huán)境結(jié)構(gòu)變化，致使氣象災(zāi)害頻發(fā)，災(zāi)害性天氣對(duì)大城市的影響有連鎖效應(yīng)和放大效應(yīng)[1-4]。在此背景下中國(guó)氣象局提出了超大城市綜合氣象觀測(cè)試驗(yàn)，為研究超大規(guī)模城市的氣候特征而開展精細(xì)化大城市綜合氣象監(jiān)測(cè)。2019年5月，廣州超大城市綜合氣象觀測(cè)試驗(yàn)增強(qiáng)觀測(cè)正式啟動(dòng)，目的是在典型天氣過(guò)程獲取溫、濕、風(fēng)、水凝物、氣溶膠垂直分布資料，揭示大城市的大氣垂直結(jié)構(gòu)特征以及超大城市及城市群對(duì)氣象環(huán)境、尤其是大氣邊界層的影響。觀測(cè)試驗(yàn)中垂直風(fēng)廓線要素觀測(cè)使用WindPrint S4000相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)，但該型號(hào)測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)在華南氣候條件下的探測(cè)性能和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性尚不清楚，需要進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證和評(píng)估分析。

測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)從初始研究至投入行業(yè)應(yīng)用先后經(jīng)歷了三個(gè)階段[5-7]。第一階段是1970—1990年，測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)主要是采用10μm波段CO2激光器，具有波速穩(wěn)定、輸出功率大等優(yōu)點(diǎn)，但設(shè)備體積大、價(jià)格高。Huffaker等[8-9]于1970年建立了第一臺(tái)連續(xù)相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)并可以測(cè)量距離為35 m處的徑向風(fēng)速。Schwiesow等[10]于1981年使用機(jī)載激光雷達(dá)觀測(cè)海上龍卷風(fēng)并獲取了徑向風(fēng)速廓線分布資料。第二階段是1990—2000年，該階段的測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)主要是采用2μm波段固體激光器，優(yōu)點(diǎn)是光束質(zhì)量好、壽命長(zhǎng)，但因其功耗高和波段的水汽吸收大等缺點(diǎn)，行業(yè)推廣應(yīng)用受限。美國(guó)CTI公司[11]于1992年研制出2μm二極管泵浦全固化相干多普勒激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)WindTracer并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)風(fēng)，經(jīng)改良后在航空行業(yè)應(yīng)用。第三階段是2000年以后，測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)多采用光纖激光器，具有穩(wěn)定性強(qiáng)、光束質(zhì)量好、體積小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)發(fā)展和應(yīng)用水平取得較大提升。英國(guó)Nature Power公司[12]研發(fā)出全光纖連續(xù)激光多普勒測(cè)風(fēng)雷達(dá)(ZephIR)，可用于低空風(fēng)廓線觀測(cè)。國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者和單位在測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)發(fā)展過(guò)程中做了大量的研究工作。國(guó)內(nèi)從事相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)研究的單位有中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所[13]、中國(guó)海洋大學(xué)[14-15]、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)[16-18]、哈爾濱工業(yè)大學(xué)[19-20]等。

在測(cè)風(fēng)雷達(dá)觀測(cè)資料應(yīng)用評(píng)估方面，馮力天等[21]利用自行研制的1.55μm全光纖測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)與測(cè)風(fēng)塔上55 m和100 m高度的超聲波風(fēng)速儀進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的測(cè)量精度高、結(jié)果穩(wěn)定可靠。中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所與法國(guó)Leosphere公司[22]于2007年在北京的325 m氣象塔試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)聯(lián)合開展Windcube型測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)外場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)與氣象塔6個(gè)高度層的風(fēng)杯風(fēng)速儀兩者的風(fēng)向風(fēng)速一致性好。

研究參考已有測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)[21-23]、風(fēng)廓線雷達(dá)[24-28]等觀測(cè)資料對(duì)比評(píng)估方法，對(duì)測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的探測(cè)性能和資料進(jìn)行分析，為超大城市綜合氣象觀測(cè)試驗(yàn)后期總結(jié)及設(shè)備科學(xué)組網(wǎng)提供參考依據(jù)。

2 資料及方法

2.1 觀測(cè)資料

觀測(cè)試驗(yàn)中所用的相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)由山東青島華航環(huán)境科技有限責(zé)任公司生產(chǎn)，雷達(dá)基于激光信號(hào)和氣溶膠粒子相互作用產(chǎn)生的多普勒頻移效應(yīng)測(cè)量氣溶膠粒子的運(yùn)動(dòng)速度和方向，從而反演大氣的風(fēng)場(chǎng)信息。測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)主要觀測(cè)參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)如表1所示，激光波長(zhǎng)為1 550 nm，50 m以下為探測(cè)盲區(qū)，單脈沖能量大于等于100μJ。設(shè)備觀測(cè)距離分辨率為30 m，徑向數(shù)據(jù)更新速率為0.25 Hz，掃描方式為DBS風(fēng)廓線模式。可以看出，測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)具有探測(cè)靈敏度高、探測(cè)時(shí)間及空間精度高等優(yōu)勢(shì)。

表1 WindPrint S4000型相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)主要觀測(cè)參數(shù)

廣東深圳氣象梯度觀測(cè)塔[29]位于深圳市寶安區(qū)石巖綜合氣象觀測(cè)基地，塔高356 m，是亞洲第一高的桅桿結(jié)構(gòu)，其中機(jī)械風(fēng)觀測(cè)有13個(gè)梯度層。能見(jiàn)度資料來(lái)源于廣州市番禺區(qū)廣州市氣象監(jiān)測(cè)中心觀測(cè)基地，儀器型號(hào)為Belfort Model 6000，屬于前向散射式能見(jiàn)度儀。

選取2019年5—10月、2019年12月—2020年6月期間的觀測(cè)試驗(yàn)資料對(duì)廣州市氣象監(jiān)測(cè)中心觀測(cè)基地的測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的探測(cè)能力進(jìn)行分析，資料時(shí)間分辨率為1 min；降水和能見(jiàn)度資料的時(shí)間分辨率均為5 min，測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)、能見(jiàn)度儀和雨量傳感器相互間的距離均不超過(guò)30 m。選取2019年11月6日—12月9日測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)和深圳氣象梯度塔(兩者距離不超過(guò)50 m)對(duì)比觀測(cè)的資料進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估，選取了50 m、100 m、150 m、200 m、250 m、300 m和350 m共7個(gè)高度層，資料時(shí)間分辨率為1 min。

2.2 數(shù)據(jù)處理

為更好對(duì)測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)資料進(jìn)行評(píng)估，引入絕對(duì)誤差(式(1))、相對(duì)誤差(式(2))、標(biāo)準(zhǔn)差(式(3))、相關(guān)系數(shù)(式(4))、數(shù)據(jù)獲取率(式(5))等統(tǒng)計(jì)量。粗大誤差樣本的剔除方法采用萊因達(dá)準(zhǔn)則[30](式(6))，將絕對(duì)誤差大于三倍標(biāo)準(zhǔn)差的樣本剔除。

式中，εi為樣本絕對(duì)誤差；X i為測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)樣本值；Y i為參考儀器樣本值。

式中，μ為相對(duì)誤差。

式中，δ為絕對(duì)誤差標(biāo)準(zhǔn)差。

式中，r為皮爾遜相關(guān)系數(shù)。

式中，E為數(shù)據(jù)獲取率，C為資料實(shí)到次數(shù)，Ctotal為資料應(yīng)到次數(shù)。

3 探測(cè)能力分析

3.1 最大有效探測(cè)高度分析

選取晴天(2019年8月7日08:00—18:00)(北京時(shí)間，下同)、陰天(2020年2月25日06:00—16:00)、降水(2019年6月10日12:00—22:00)和有霧(2020年3月21日00:30—11:30)的個(gè)例，繪制逐半小時(shí)平均風(fēng)廓線產(chǎn)品(圖1)。晴天條件下探測(cè)高度最高，陰天條件下探測(cè)高度受到一定影響，出現(xiàn)降水時(shí)探測(cè)高度迅速下降至0.25 km以下，有霧條件下探測(cè)高度也明顯受限。

圖1 晴天(a)、陰天(b)、降水(c)、霧天(d)下的測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)半小時(shí)風(fēng)廓線產(chǎn)品

按晴天(云量小于20%)、陰天(云量大于80%)、降水、霧天四種不同天氣現(xiàn)象對(duì)測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)逐時(shí)次最大有效探測(cè)高度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(圖2)。晴天條件下測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的平均最大有效探測(cè)高度為1.174 km，最大有效探測(cè)高度分布在0.85～1.60 km的樣本比例為79.93%。與晴天條件相比，陰天條件下最大有效探測(cè)高度小于1 km的樣本比例增加了35.92%，平均最大有效探測(cè)高度為0.889 km，比晴天條件下的平均最大有效探測(cè)高度小0.285 km。降水條件下，小于0.6 km的最大有效探測(cè)高度樣本占比為91.29%，最大有效探測(cè)高度在0.05～0.30 km的樣本比例為63.8%，平均最大有效探測(cè)高度為0.323 km，降水條件下最大有效探測(cè)高度急劇下降。與其他三種條件相比，有霧條件下的平均最大有效探測(cè)高度最小，平均最大有效探測(cè)高度只有0.209 km，且最大有效探測(cè)高度樣本集中分布在0.05～0.30 km高度區(qū)間，占比為88.81%。

圖2 晴天(a)、陰天(b)、降水(c)、霧天(d)下的測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)最大有效探測(cè)高度頻率分布圖

由于測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)使用1 550 nm波長(zhǎng)的激光作為發(fā)射信號(hào)，該波長(zhǎng)屬于紅外波段，水對(duì)這一波段的光有強(qiáng)吸收作用，在霧天或者降水條件下，空中的降水粒子、霧的細(xì)微水滴會(huì)吸收激光波束能量造成信號(hào)衰減；此外，測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)信號(hào)發(fā)射光窗上會(huì)形成水膜吸收部分發(fā)射信號(hào)能量，因此霧和降水現(xiàn)象致使測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)最大有效探測(cè)高度急劇下降。

分析5 min雨強(qiáng)大小與平均最大有效探測(cè)高度(按雨強(qiáng)大小對(duì)最大有效探測(cè)高度做平均處理)、霧天能見(jiàn)度大小與最大有效探測(cè)高度的關(guān)系(圖3)。降水條件下，最大有效探測(cè)高度迅速下降至0.5 km以下，5 min雨強(qiáng)與平均最大有效探測(cè)高度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，雨強(qiáng)每增加1 mm/(5 min)，平均最大有效探測(cè)高度下降0.028 km。霧天的能見(jiàn)度則與最大有效探測(cè)高度呈正相關(guān)關(guān)系，能見(jiàn)度每增加1 km，最大有效探測(cè)高度上升0.028 km。

圖3 5 min雨強(qiáng)(a)、能見(jiàn)度(b)與最大有效探測(cè)高度關(guān)系

對(duì)陰天條件下激光云高儀在不同日期同一時(shí)次觀測(cè)的最低云層進(jìn)行云底高度和云頂高度平均統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)的分布數(shù)據(jù)如圖4所示，云層主要分布在離地面0.35～1.60 km高度，平均云底高度為0.713 km，平均云頂高為1.011 km，平均云層厚度為0.298 km。由于陰天條件下云量比較多，最低云層的垂直高度分布區(qū)間與測(cè)風(fēng)雷達(dá)可探測(cè)高度區(qū)間重合度大，云層含有大量的小水滴，液態(tài)水會(huì)吸收雷達(dá)激光信號(hào)部分波束能量，削弱激光信號(hào)對(duì)云層穿透能力，使得探測(cè)高度下降。

圖4 陰天條件下最低云層平均高度隨時(shí)間分布圖

3.2 數(shù)據(jù)獲取率統(tǒng)計(jì)

為定量評(píng)估測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)觀測(cè)資料的獲取情況，按不同天氣現(xiàn)象對(duì)不同探測(cè)高度的數(shù)據(jù)獲取率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(圖5)。晴天條件下，數(shù)據(jù)獲取率超過(guò)90%的探測(cè)高度區(qū)間在0.052～0.800 km，數(shù)據(jù)獲取率在0.8～1.6 km高度快速下降，2 km高度處的數(shù)據(jù)獲取率僅有1.43%。陰天條件下，數(shù)據(jù)獲取率超過(guò)90%的探測(cè)區(qū)間分布在0.05～0.39 km，0.54～0.90 km高度的數(shù)據(jù)獲取率下降最快。降雨和有霧條件下，數(shù)據(jù)獲取率超過(guò)90%的最大高度均下降至0.13 km，且數(shù)據(jù)獲取率均在0.13～0.52 km高度快速下降，有霧條件下數(shù)據(jù)獲取率隨高度下降速度比降水條件下快，有霧和降水條件下0.52 km處的數(shù)據(jù)獲取率分別為0.63%、9.66%。

圖5 不同天氣現(xiàn)象下測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取率隨高度分布

4 資料對(duì)比分析

4.1 匯總對(duì)比

圖6是深圳氣象梯度觀測(cè)塔和測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的風(fēng)速、風(fēng)向?qū)Ρ壬Ⅻc(diǎn)圖，剔除異常樣本前，風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)均有310 248組，測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)和氣象梯度塔的風(fēng)速、風(fēng)向相關(guān)系數(shù)分別為0.95和0.96，兩者觀測(cè)結(jié)果的相關(guān)性較好；風(fēng)速、風(fēng)向的線性擬合判定系數(shù)R2分別為0.91和0.92，說(shuō)明兩種設(shè)備觀測(cè)結(jié)果在回歸直線附近分布密集。

圖6 剔除異常樣本前風(fēng)速(a)、風(fēng)向(b)散點(diǎn)圖

風(fēng)速平均絕對(duì)誤差為0.64 m/s，絕對(duì)誤差標(biāo)準(zhǔn)差為0.59 m/s，平均相對(duì)誤差為28.57%；風(fēng)向平均絕對(duì)誤差為12.67°，絕對(duì)誤差標(biāo)準(zhǔn)差為19.49°，平均相對(duì)誤差為29.71%(表2)。

表2 剔除異常樣本前風(fēng)速和風(fēng)向誤差對(duì)比

從圖6b可見(jiàn)，風(fēng)向?qū)Ρ壬Ⅻc(diǎn)在測(cè)風(fēng)雷達(dá)風(fēng)向值為180°附近出現(xiàn)聚集現(xiàn)象，形成一條明顯的風(fēng)向偏離帶，統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，該現(xiàn)象主要發(fā)生在風(fēng)速較小時(shí)段，梯度塔的風(fēng)向標(biāo)啟動(dòng)受限，風(fēng)向變化不規(guī)則。選取2019年11月23日300 m高度的氣象梯度塔和測(cè)風(fēng)雷達(dá)的測(cè)風(fēng)資料個(gè)例，繪制出風(fēng)向、風(fēng)速散點(diǎn)時(shí)序圖(圖7)可以看出，17—21時(shí)氣象梯度塔觀測(cè)到的風(fēng)向變化不連續(xù)、隨機(jī)性大，大部分時(shí)次風(fēng)速小于0.5 m/s；而測(cè)風(fēng)雷達(dá)觀測(cè)的風(fēng)向?yàn)槌掷m(xù)偏南風(fēng)，觀測(cè)的風(fēng)速值在3～5 m/s。由于兩種測(cè)風(fēng)設(shè)備的測(cè)風(fēng)原理不同，接近靜風(fēng)時(shí)，風(fēng)向風(fēng)速可對(duì)比性差，可將風(fēng)速較小時(shí)段的觀測(cè)樣本看作異常樣本。

圖7 高度300 m的風(fēng)向(a)、風(fēng)速(b)時(shí)序散點(diǎn)圖

剔除(按萊因達(dá)準(zhǔn)則)異常樣本后的風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)分別有303 446、303 313組，分別占原樣本數(shù)的97.80%和97.76%(圖8)，風(fēng)速、風(fēng)向相關(guān)系數(shù)分別提升至0.97、0.99，風(fēng)速、風(fēng)向的線性擬合判定系數(shù)R2分別為0.93、0.98。

圖8 剔除異常樣本后風(fēng)速(a)、風(fēng)向(b)散點(diǎn)圖

風(fēng)速平均絕對(duì)誤差變?yōu)?.54 m/s，絕對(duì)誤差標(biāo)準(zhǔn)差為0.41 m/s，平均相對(duì)誤差變?yōu)?7.46%，風(fēng)速相對(duì)誤差下降了11.11%。風(fēng)向平均絕對(duì)誤差變?yōu)?.95°，絕對(duì)誤差標(biāo)準(zhǔn)差為8.60°，平均相對(duì)誤差變?yōu)?5.55%，風(fēng)向相對(duì)誤差下降了4.16%(表3)。

表3 剔除異常樣本后的風(fēng)速和風(fēng)向誤差對(duì)比

4.2 不同高度對(duì)比

圖9是測(cè)風(fēng)雷達(dá)和氣象梯度塔不同高度層的風(fēng)速對(duì)比散點(diǎn)圖，兩者觀測(cè)的風(fēng)速在各個(gè)高度層的相關(guān)性均較好，50 m、100 m、150 m、200 m、250 m、300 m和350 m高度層的風(fēng)速相關(guān)系數(shù)分別為0.93、0.94、0.95、0.95、0.95、0.95和0.96。

圖9 高度50 m(a)、100 m(b)、150 m(c)、200 m(d)、250 m(e)、300 m(f)、350 m(g)上的風(fēng)速散點(diǎn)圖

各高度層的風(fēng)速誤差對(duì)比見(jiàn)表4，50～350 m高度層的樣本數(shù)分別為44 335組、44 413組、44 406組、44 401組、44 246組、44 231組和44 216組，平均絕對(duì)誤差在0.60～0.71 m/s，絕對(duì)誤差標(biāo)準(zhǔn)差在0.56～0.62 m/s，平均相對(duì)誤差最大、最小值為33.92%、24.52%，分別處于250 m和350 m高度層。

表4 不同高度的風(fēng)速誤差對(duì)比

測(cè)風(fēng)雷達(dá)和氣象梯度塔不同高度層的風(fēng)向?qū)Ρ壬Ⅻc(diǎn)圖(圖10)，兩者風(fēng)向相關(guān)性也較好，50 m、100 m、150 m、200 m、250 m、300 m和350 m高度的風(fēng)向相關(guān)系數(shù)分別為0.97、0.96、0.95、0.96、0.95、0.95和0.96，測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)和氣象梯度塔的風(fēng)向散點(diǎn)也在測(cè)風(fēng)雷達(dá)風(fēng)向值為180°附近出現(xiàn)風(fēng)向偏離帶現(xiàn)象，200 m及以上高度層風(fēng)向偏離帶現(xiàn)象更明顯。

圖10 高度50 m(a)、100 m(b)、150 m(c)、200 m(d)、250 m(e)、300 m(f)、350 m(g)上的風(fēng)向散點(diǎn)圖

不同高度層的風(fēng)向誤差對(duì)比見(jiàn)表5，平均絕對(duì)誤差范圍為10.98～14.56°，平均絕對(duì)誤差最小的是350 m層，最大的是150 m層。絕對(duì)誤差標(biāo)準(zhǔn)差范圍為18.11～22.80°，標(biāo)準(zhǔn)差最大的是50 m，最小的是150 m。平均相對(duì)誤差最大、最小值分別為34.86%、23.89%，分別為100 m和350 m。

表5 不同高度的風(fēng)向偏差對(duì)比

4.3 不同風(fēng)速值對(duì)比

以深圳氣象梯度觀測(cè)塔的風(fēng)速值s作為參考，分0≤s＜4 m/s、4 m/s≤s＜8 m/s、8 m/s≤s＜12 m/s和s≥12 m/s共四個(gè)組別，樣本量分別有148 155組、136 674組、24 575組和844組(表6)，其相關(guān)系數(shù)分別為0.70、0.86、0.85和0.61，組別s≥12 m/s的相關(guān)性最小。平均絕對(duì)誤差隨著風(fēng)速增大而增大，四個(gè)組別的平均絕對(duì)誤差分別為0.61 m/s、0.63 m/s、0.89 m/s和1.07 m/s。平均相對(duì)誤差則隨風(fēng)速增大而減小，組別0≤s＜4 m/s的平均相對(duì)誤差最大，為47.65%，組別s≥12 m/s的平均相對(duì)誤差最小，為8.50%。組別0≤s＜4 m/s絕對(duì)誤差標(biāo)準(zhǔn)差最大，為0.66 m/s，最小的是組別s≥12 m/s，為0.43 m/s。

表6 不同風(fēng)速值范圍的誤差分析

4.4 不同風(fēng)向值對(duì)比

根據(jù)深圳氣象梯度觀測(cè)塔的風(fēng)向觀測(cè)值d分北 風(fēng)(d≥337．5°，0≤d＜22．5°)、東北風(fēng)(22．5°≤d＜67．5°)、東風(fēng)(67．5°≤d＜112．5°)、東南風(fēng)(112．5°≤d＜157．5°)、南風(fēng)(157．5°≤d＜202．5°)、西南風(fēng)(202．5°≤d＜247．5°)、西風(fēng)(247．5°≤d＜292．5°)和西北風(fēng)(292．5°≤d＜337．5°)共8個(gè)方位風(fēng)，8個(gè)方位風(fēng)的樣本分別有52 703組、149 635組、37 584組、42 182組、8 661組、12 008組、3 604組和3 871組。相關(guān)系數(shù)分布如圖11a所示，北風(fēng)的相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)為0.99；西北風(fēng)、西風(fēng)和南風(fēng)三個(gè)方位的相關(guān)性最差，相關(guān)系數(shù)分別為0.13、0.19和0.18，由于對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)期間主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)，西北風(fēng)、西風(fēng)和南風(fēng)三個(gè)方位的樣本較少，且試驗(yàn)期間三個(gè)方位觀測(cè)的風(fēng)速小導(dǎo)致風(fēng)向變化不規(guī)則、偏差較大，相關(guān)系數(shù)需進(jìn)一步評(píng)估分析。平均絕對(duì)誤差(圖11b)和絕對(duì)誤差標(biāo)準(zhǔn)差(圖11c)的分布相類似，北風(fēng)、東北風(fēng)的平均絕對(duì)誤差、絕對(duì)誤差標(biāo)準(zhǔn)差相對(duì)較小，平均絕對(duì)誤差分別為8.22°、10.99°，絕對(duì)誤差標(biāo)準(zhǔn)差分別為11.32°、10.2°；南風(fēng)、西北風(fēng)的平均絕對(duì)誤差、絕對(duì)誤差標(biāo)準(zhǔn)差相對(duì)較大，平均絕對(duì)誤差分別為38.69°、33.42°，絕對(duì)誤差標(biāo)準(zhǔn)差分別為56.64°、47.91°。平均相對(duì)誤差較小的是西南風(fēng)、西風(fēng)和東南風(fēng)，分別為7.38%、9.05%和9.62%，平均相對(duì)誤差較大的是東北風(fēng)和南風(fēng)，分別為27.71%和21.47%。

圖11 不同風(fēng)向范圍的相關(guān)系數(shù)(a)、平均絕對(duì)誤差(b)、絕對(duì)誤差標(biāo)準(zhǔn)差(c)、平均相對(duì)誤差(d)分布圖

5 結(jié)論與討論

研究分析了測(cè)風(fēng)雷達(dá)在不同天氣條件下的最大探測(cè)高度、數(shù)據(jù)獲取率，得出其在不同天氣條件下探測(cè)性能的表現(xiàn)，進(jìn)而按匯總、不同高度、不同觀測(cè)值范圍與深圳氣象梯度觀測(cè)塔不同觀測(cè)高度的測(cè)風(fēng)資料進(jìn)行對(duì)比，探討測(cè)風(fēng)雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，從而為超大城市垂直測(cè)風(fēng)設(shè)備布網(wǎng)建設(shè)提供參考依據(jù)。

(1)晴天、陰天、降水和霧天條件下的平均最大探測(cè)高度分別為1.174 km、0.889 km、0.323 km和0.209 km，降水和霧天條件下的平均最大探測(cè)高度只有晴天條件的0.27倍和0.18倍；數(shù)據(jù)獲取率隨高度下降速度最快的是霧天條件，其次分別是降水、陰天和晴天條件，雨天和霧天條件對(duì)測(cè)風(fēng)雷達(dá)垂直探測(cè)影響最大。

(2)測(cè)風(fēng)雷達(dá)與氣象梯度塔的測(cè)風(fēng)結(jié)果一致性較好，剔除異常樣本后的風(fēng)速、風(fēng)向相關(guān)系數(shù)分別為0.96和0.99，風(fēng)速、風(fēng)向平均絕對(duì)誤差分別為0.54 m/s和9.95°，平均相對(duì)誤差分別為17.46%、25.55%。

(3)測(cè)風(fēng)雷達(dá)與氣象梯度塔在不同高度層測(cè)風(fēng)結(jié)果相關(guān)性也較好，不同高度層的風(fēng)速、風(fēng)向相關(guān)系數(shù)均大于等于0.93，風(fēng)速絕對(duì)誤差的標(biāo)準(zhǔn)差不超過(guò)0.81 m/s，風(fēng)向標(biāo)準(zhǔn)差不超過(guò)25.28°。

測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)具有超高時(shí)空分辨率、測(cè)量精準(zhǔn)度高等優(yōu)勢(shì)，可有效彌補(bǔ)垂直風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)盲區(qū)以及風(fēng)廓線雷達(dá)低層測(cè)風(fēng)結(jié)果偏差大、精度不高等不足，但測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)最大有效探測(cè)高度和數(shù)據(jù)有效率受降雨和霧影響較大，探測(cè)能力受到一定限制，因此，測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)和垂直風(fēng)廓線雷達(dá)聯(lián)合探測(cè)可發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)。此外，測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)設(shè)備體積小、便攜性好，可用于對(duì)低空風(fēng)場(chǎng)有特定需求的大型體育賽事、文藝演出、煙火晚會(huì)等重大活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)及其他用途的風(fēng)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。

本研究?jī)H對(duì)測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)350 m以下的觀測(cè)資料進(jìn)行了對(duì)比分析，350 m以上的測(cè)風(fēng)結(jié)果準(zhǔn)確性尚未分析，需聯(lián)合其他參考資料進(jìn)行評(píng)估。由于測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)與深圳氣象梯度觀測(cè)塔開展對(duì)比觀測(cè)時(shí)為冬季，天氣狀況平穩(wěn)、主導(dǎo)風(fēng)向單一、對(duì)比觀測(cè)時(shí)間段不長(zhǎng)等因素導(dǎo)致分析結(jié)果存在一定的局限性。因此，本研究所得出的結(jié)論尚不全面，上述存在的問(wèn)題還需采用更多的綜合對(duì)比和驗(yàn)證手段進(jìn)行深入研究。再者，測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)在強(qiáng)對(duì)流、臺(tái)風(fēng)等災(zāi)害性天氣過(guò)程的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性也值得深入分析。