李林,張治國(guó),杜傳耀,韋濤,于麗萍,范雪波*

(1北京城市氣象研究院,北京 100089;2北京市氣象探測(cè)中心,北京 100176)

0 引言

大氣風(fēng)場(chǎng)是氣候?qū)W和天氣學(xué)研究的重要內(nèi)容,是大氣中水循環(huán)、海氣交換、氣溶膠輸運(yùn)以及天氣變化的主要?jiǎng)恿?精確可靠的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)可以提升數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。大氣垂直風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)最主要的方式是通過探空氣球進(jìn)行觀測(cè),為了提高垂直探測(cè)的時(shí)間分辨率,20世紀(jì)70年代,一些國(guó)家開始相繼研制風(fēng)廓線儀。1989年,中國(guó)氣象科學(xué)研究院研制了風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)[1,2],2000年以后在臺(tái)站進(jìn)行應(yīng)用,有研究人員對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)的測(cè)量精度、定標(biāo)方法和處理算法進(jìn)行了分析和研究[3,4]。同時(shí)期,多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的相關(guān)研究也在開展,從20世紀(jì)70年代開始,美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)等機(jī)構(gòu)開展了相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的研究[5]。NASA與美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(NOAA)等組織于1998年聯(lián)合推出了CO2相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng),可探測(cè)從地面到30 km高度的風(fēng)場(chǎng)[6]。2002年我國(guó)的非相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)研制成功[7,8]。后得益于光纖通信技術(shù)的發(fā)展,相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)成為主流產(chǎn)品,在風(fēng)力發(fā)電的功率預(yù)報(bào)和尾流監(jiān)測(cè)等方面得到了較好的應(yīng)用[9-11];同時(shí)因其體積小、便攜性好、可掃描等特點(diǎn),在機(jī)場(chǎng)跑道風(fēng)場(chǎng)的低空風(fēng)切變的細(xì)致結(jié)構(gòu)分析和形成機(jī)理研究方面[12,13]得到特別應(yīng)用。

大氣邊界層風(fēng)廓線數(shù)據(jù)通常通過氣象梯度塔、無(wú)線電探空儀、系留氣艇、L波段風(fēng)廓線雷達(dá)觀測(cè)獲得,但此類觀測(cè)方法通常存在探測(cè)高度、探測(cè)頻率和垂直分辨率較低等不足,測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)則可實(shí)現(xiàn)邊界層內(nèi)風(fēng)廓線的高時(shí)空分辨率觀測(cè)。國(guó)內(nèi)諸多研究人員對(duì)測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的準(zhǔn)確性進(jìn)行過一些評(píng)估,夏俊榮等[14]于2007年12月11至14日在中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所325 m的氣象塔試驗(yàn)場(chǎng)開展了測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)與鐵塔測(cè)風(fēng)對(duì)比試驗(yàn),二者的相關(guān)系數(shù)達(dá)到或超過0.98;王喬喬等[15]在張家口市張北縣國(guó)家風(fēng)光儲(chǔ)輸試驗(yàn)場(chǎng),采用Windcube激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)系統(tǒng)與測(cè)風(fēng)塔測(cè)風(fēng)設(shè)備同步觀測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù),測(cè)量數(shù)據(jù)有效率在140m以下達(dá)到97%以上,100m高度風(fēng)速偏差為-0.197m·s-1,平均風(fēng)向偏差為-6.2°;陳雯超等[16]分析了不同天氣條件下測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的性能,測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的陣風(fēng)風(fēng)速偏大約0.3m·s-1;史文浩等[17]分析了“利奇馬”臺(tái)風(fēng)期間測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)與70m測(cè)風(fēng)塔超聲風(fēng)溫儀誤差,激光雷達(dá)水平風(fēng)速、垂直風(fēng)速和風(fēng)向均方根誤差分別為1.06m·s-1、0.46m·s-1和17.10°。

鑒于目前已有的對(duì)于測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)探測(cè)性能研究分析中存在探測(cè)高度比對(duì)高度低、比對(duì)時(shí)間短等不足,本文利用2020年1–5月開展的測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)(DWL)與L波段探空系統(tǒng)(LRS)對(duì)比試驗(yàn),分析了某型掃描式相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)在地面至3000m垂直高度范圍內(nèi)的測(cè)風(fēng)性能。

1 對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)介紹

對(duì)比試驗(yàn)場(chǎng)地設(shè)在北京國(guó)家基本氣象站(臺(tái)站號(hào):54511),采用法國(guó)Leosphere公司生產(chǎn)的WINDCUBE 100S相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)(以下簡(jiǎn)稱激光雷達(dá))和南京大橋機(jī)器有限公司生產(chǎn)的GFE(L)1型L波段探空系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱L波段探空)。

所用激光雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)距設(shè)備安裝高度50～3000m垂直上空大氣水平風(fēng)速(WS)、水平風(fēng)向(WD)、垂直風(fēng)速、信噪比等信息的探測(cè),具有較高的時(shí)空分辨率,其主要性能參數(shù)如表1所示。激光雷達(dá)的波束掃描方式主要有多普勒波束掃描(DBS)、距離高度顯示掃描(RHI)、平面位置顯示掃描(PPI)和單一徑向掃描(LOS)等,本次試驗(yàn)中采用DBS五波束模式,掃描圓錐角為30°,該方法需要的波束少,可以在較短時(shí)間內(nèi)完成掃描,在氣流不穩(wěn)定的情況下也適用。DBS通過獲取東南西北4個(gè)方位角上的徑向風(fēng)速數(shù)據(jù)反演風(fēng)廓線。假設(shè)基本風(fēng)場(chǎng)為均勻風(fēng)場(chǎng),并忽略垂直分量,結(jié)合掃描圓錐角,利用三角函數(shù)關(guān)系計(jì)算獲得不同高度層上的水平風(fēng)向、風(fēng)速值,其垂直方向風(fēng)速則是直接利用垂直波束測(cè)量獲得。

表1 WINDCUBE 100S型激光雷達(dá)性能參數(shù)Table 1 Specifications of WINDCUBE 100S Doppler wind lidar

L波段探空通過GFE(L)1型測(cè)風(fēng)雷達(dá)跟蹤探空氣球上搭載的電子探空儀,計(jì)算獲得其自釋放點(diǎn)至向上3000m各高度層的水平風(fēng)速、風(fēng)向等數(shù)據(jù),其測(cè)距、測(cè)角精度的均方根(RMS)分別≤20m、≤0.08°,主要性能參數(shù)如表2所示。本研究將L波段探空獲取的風(fēng)廓線數(shù)據(jù)作為激光雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量對(duì)比的參考標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)量時(shí),GFE(L)1型雷達(dá)在地面向探空儀發(fā)射脈沖作為詢問信號(hào),探空儀隨即產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào),按照原路返回并被雷達(dá)天線接收,通過計(jì)算信號(hào)從雷達(dá)至探空儀之間的往返時(shí)間可獲取直線距離信息,結(jié)合方位角、仰角等數(shù)據(jù),可推算出高空的風(fēng)向、風(fēng)速。

表2 GFE(L)1型L波段探空系統(tǒng)性能參數(shù)Table 2 Specifications of GFE(L)1 L-band radiosonde

2 觀測(cè)數(shù)據(jù)

2.1 數(shù)據(jù)選取和匹配方法

采用北京國(guó)家基本氣象站2020年1月1日–5月31日每天08:00和20:00(文中均為北京時(shí)間)的激光雷達(dá)和L波段探空的垂直風(fēng)廓線數(shù)據(jù),排除試驗(yàn)期間設(shè)備維護(hù)和供電故障等時(shí)段,二者共同觀測(cè)138天,獲取263條有效對(duì)比廓線。

激光雷達(dá)和L波段探空因測(cè)風(fēng)原理不同,故二者在取樣時(shí)間和空間上存在一定差異。文中激光雷達(dá)探測(cè)獲取測(cè)站垂直上方的風(fēng)廓線數(shù)據(jù),但L波段探空氣球以平均約400m·min-1的速度上升的同時(shí),會(huì)隨著大氣風(fēng)場(chǎng)發(fā)生水平方向的移動(dòng),獲取的是探空氣球?qū)嶋H位移路徑上的風(fēng)廓線數(shù)據(jù)。文中選取試驗(yàn)期間探空氣球在3000m高度、距釋放點(diǎn)水平距離小于5000m的風(fēng)廓線數(shù)據(jù)。另外,因激光雷達(dá)的測(cè)風(fēng)垂直空間分辨率為50m,L波段探空的測(cè)風(fēng)垂直空間分辨率約為6 m,本研究在計(jì)入設(shè)備所在的本地海拔高度后,結(jié)合各設(shè)備測(cè)風(fēng)垂直空間分辨率,選取每層高度差不大于5 m的最鄰近測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配,最終形成垂直分辨率為50m的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)用于對(duì)比分析。通過實(shí)際數(shù)據(jù)分析,匹配后的兩種測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)同層高度差小于3 m。

文中比對(duì)的風(fēng)廓線垂直高度不大于3000m,L波段探空在此高度內(nèi)獲取的數(shù)據(jù)為1 min時(shí)長(zhǎng)的平均數(shù)據(jù)。激光雷達(dá)約20 s獲取一組觀測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)每分鐘內(nèi)的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量平均以減少瞬時(shí)風(fēng)的影響。同時(shí),為最大程度上保證數(shù)據(jù)的完整性,匹配時(shí)保留了風(fēng)向、風(fēng)速偏差較大的數(shù)據(jù)。經(jīng)過上述時(shí)空匹配,共獲得8491組觀測(cè)數(shù)據(jù)。匹配得到的8491組觀測(cè)數(shù)據(jù)在距地面垂直高度50～3000m范圍內(nèi),以50m垂直高度分層。二者在各高度層匹配的數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)目分布如圖1所示,1300m高度內(nèi)的各層基本匹配了200對(duì)數(shù)據(jù),其中在200m高度層因探空數(shù)據(jù)缺失導(dǎo)致匹配數(shù)據(jù)少于200對(duì);在2000m以上高度,由于激光雷達(dá)的觀測(cè)數(shù)據(jù)信噪比偏弱,獲得的可信數(shù)據(jù)量少,各高度層匹配的數(shù)據(jù)均少于100對(duì)。

圖1 各高度層的匹配數(shù)據(jù)對(duì)的數(shù)量分布圖Fig.1 Distribution of the number of matching data contained in each level

2.2 比對(duì)方法

以L波段探空獲取的風(fēng)廓線數(shù)據(jù)為對(duì)照標(biāo)準(zhǔn),從設(shè)備探測(cè)風(fēng)廓線的高度、風(fēng)速和風(fēng)向三個(gè)方面分析激光雷達(dá)的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)質(zhì)量。其中,對(duì)激光雷達(dá)與L波段探空各高度層匹配的數(shù)據(jù)對(duì)風(fēng)速、風(fēng)向間平均偏差(ME,EM)、平均絕對(duì)誤差(MAE,EMA)、均方根誤差(RMSE,ERMS)以及線性擬合的相關(guān)系數(shù)R進(jìn)行計(jì)算分析。EM、EMA、ERMS和R的表達(dá)式分別為

式中Di和Li分別是激光雷達(dá)和L波段探空的第i組對(duì)比數(shù)據(jù),和分別是激光雷達(dá)和L波段探空的總體平均值。

由于氣象業(yè)務(wù)上大氣水平風(fēng)向的取值范圍為0°～360°,為避免匹配的數(shù)據(jù)在風(fēng)向處于接近0°或360°附近時(shí)產(chǎn)生虛假的風(fēng)向差值,在計(jì)算位于0°或360°附近的風(fēng)向差異時(shí)進(jìn)行加或減360°的處理,確保獲取二者合理的風(fēng)向差異。例如,當(dāng)時(shí)空匹配后的激光雷達(dá)和L波段探空觀測(cè)的風(fēng)向分別是358°和3°,則將L波段探空觀測(cè)風(fēng)向處理為363°,以確保二者風(fēng)向?qū)嶋H差值是|363°-358°|=5°,而不是|358°-3°|=355°。

3 結(jié)果分析

3.1 探測(cè)高度分析

文中的激光雷達(dá)是以氣溶膠為探測(cè)示蹤物的相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá),在雷達(dá)探測(cè)區(qū)域的大氣存在氣溶膠的情況下,激光雷達(dá)能夠獲得較好的信噪比,獲取高可信度的觀測(cè)數(shù)據(jù)。對(duì)比試驗(yàn)期間,激光雷達(dá)在08:00和20:00最大探測(cè)高度平均值分別為1558 m和1967 m,風(fēng)廓線探測(cè)高度在大氣邊界層高度以下,且20:00最大探測(cè)高度平均值大于08:00。文中138天對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)中,激光雷達(dá)逐日最高探測(cè)高度有8天達(dá)到3000m,占全部觀測(cè)時(shí)間的5.8%;78天不低于2000m,占全部觀測(cè)時(shí)間的56.5%;在2月13日、2月29日、3月8日和5月8日出現(xiàn)降雨的4天探測(cè)最大高度不足1000m,占比為2.9%。具體結(jié)果如圖2所示。

圖2 激光雷達(dá)逐日探測(cè)風(fēng)廓線的最大高度分布Fig.2 Distribution of daily highest height of the wind profile obtained by DWL

3.2 風(fēng)速與風(fēng)向?qū)Ρ?/h3>

將激光雷達(dá)與L波段探空匹配的8491對(duì)水平風(fēng)向、風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合,結(jié)果如圖3所示。風(fēng)向擬合的相關(guān)系數(shù)、平均偏差和均方根誤差分別為0.965、-1.3°和16.1°,風(fēng)速擬合的相關(guān)系數(shù)、平均偏差和均方根誤差分別為0.986、0.21m·s-1和1.06m·s-1。各高度層風(fēng)向線性擬合相關(guān)系數(shù)均大于0.93,100m高度以上各層風(fēng)速線性擬合相關(guān)系數(shù)均大于0.9,具體結(jié)果如圖4所示。

圖3 風(fēng)速(a)、風(fēng)向(b)散點(diǎn)及線性擬合圖Fig.3 Scattered points and linear fitting graph of wind speed(a)and wind direction(b)

圖4 各層高度上風(fēng)向及風(fēng)速線性擬合相關(guān)系數(shù)Fig.4 Linear fitting correlation coefficient of WD and WS at each layer height

二者在50m和100m高度層的風(fēng)速線性擬合相關(guān)系數(shù)低于0.9,分別為0.834和0.885。隨著高度增加,二者風(fēng)向、風(fēng)速線性擬合相關(guān)系數(shù)較低層有所增大。二者在低層相關(guān)系數(shù)較小的主要原因可能源于二者探測(cè)原理和觀測(cè)地點(diǎn)因周邊建筑和地形產(chǎn)生低層局部環(huán)流和湍流等影響。

3.2.1 風(fēng)速對(duì)比分析

計(jì)算試驗(yàn)期間激光雷達(dá)和L波段探空在各高度層獲取的平均風(fēng)速,以及二者之間的均方根偏差和平均偏差,具體結(jié)果如圖5所示。在各高度層上的激光雷達(dá)平均風(fēng)速均大于或等于L波段探空平均風(fēng)速。其中,50m高度層的激光雷達(dá)平均風(fēng)速比L波段探空偏大0.60m·s-1;100～1000m各高度層平均風(fēng)速差值約為0.1m·s-1;在1000～3000m的各高度層平均風(fēng)速差值基本呈現(xiàn)隨高度遞增的趨勢(shì),在3000m高度層平均風(fēng)速達(dá)到2.2m·s-1的最大差值。激光雷達(dá)和L波段探空探測(cè)獲取的各高度層平均風(fēng)速之間的均方根誤差和平均偏差也基本呈現(xiàn)出隨高度遞增的趨勢(shì),并且在2350m以上高度層有明顯的增大,可能由于該高度區(qū)間內(nèi)的匹配數(shù)據(jù)樣本量較少造成。圖6(a)給出的各高度層兩者風(fēng)速差值箱線圖也反映出上述變化趨勢(shì)。

圖5 風(fēng)速及其平均偏差和均方根誤差隨高度分布Fig.5 Distribution of wind speed and its ME and RMSE with height

在不同風(fēng)速下,激光雷達(dá)與L波段探空觀測(cè)的風(fēng)速差異呈現(xiàn)不同特征,具體如圖7所示。以L波段探空獲取的風(fēng)速值為參考,風(fēng)速在6～20m·s-1區(qū)間時(shí),二者風(fēng)速偏差小于或等于0.2m·s-1。特別地,風(fēng)速在6～10m·s-1范圍內(nèi)的箱體區(qū)間較小,表明二者風(fēng)速偏差更小;風(fēng)速小于6m·s-1時(shí),激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)值偏高0.3m·s-1;風(fēng)速在16～20m·s-1區(qū)間時(shí),激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)值偏低0.2m·s-1;風(fēng)速大于20m·s-1時(shí),箱體區(qū)間大且中值位于零軸以上較多,說明該風(fēng)速區(qū)間內(nèi)的激光雷達(dá)的觀測(cè)值大于L波段探空的觀測(cè)值。

圖7 不同風(fēng)速條件下的風(fēng)速差異箱線圖Fig.7 Box plot of wind speed difference under different wind speed conditions

3.2.2 風(fēng)向?qū)Ρ确治?/p>

由圖6(b)給出的各高度層二者風(fēng)向差值箱線圖可知,除2900、2950、3000m三個(gè)高度層外,二者在各高度層的平均風(fēng)向差異均小于5°。從各層箱體分布來(lái)看,在50m高度層,差值箱體明顯要寬于其他高度層,同時(shí)該層的異常值也較多,還存在風(fēng)向接近反向的觀測(cè);隨著高度上升,差值箱體更為集中,異常值也較少,同時(shí)可以看出較多異常值和風(fēng)速差值異常值存在較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖6 各高度差值箱線圖。(a)風(fēng)速;(b)風(fēng)向Fig.6 Box plot of difference at each height.(a)Wind speed;(b)wind direction

按照地面氣象觀測(cè)規(guī)范中水平風(fēng)向的16方位劃分方法,統(tǒng)計(jì)8491對(duì)匹配數(shù)據(jù)的水平風(fēng)向分布,結(jié)果如圖8所示。由圖可知,二者風(fēng)向總體分布具有較好的一致性,其中南南西(SSW)風(fēng)向分布頻次差值最大,為0.7%。由各高度層的風(fēng)向分布頻率計(jì)算結(jié)果(圖9)可知,二者在50～100m高度范圍內(nèi)的風(fēng)向分布頻率差異相對(duì)明顯,其中在50m高度層上L波段探空觀測(cè)的主要風(fēng)向?yàn)镹和SW,占風(fēng)向總頻次的12.1%;激光雷達(dá)觀測(cè)的主要風(fēng)向?yàn)镾W,占風(fēng)向總頻次的11.3%,次主要風(fēng)向?yàn)镾SW,占風(fēng)向總頻次的10.1%。二者在2000m以上各高度層匹配的數(shù)據(jù)對(duì)較少,導(dǎo)致二者探測(cè)的風(fēng)向分布差異隨機(jī)誤差偏大,使得二者風(fēng)向差異增大。圖10為激光雷達(dá)與L波段探空在1000m以下各高度層風(fēng)向頻次差值,低層差值較大。

圖8 各風(fēng)向出現(xiàn)的頻次占比分布玫瑰圖Fig.8 Rose chart of frequency proportion distribution of each wind direction

圖9 各高度層風(fēng)向比例分布圖.(a)激光雷達(dá);(b)L波段探空Fig.9 Ratio of wind direction at each level.(a)DWL;(b)LRS

圖10 各高度層風(fēng)向頻次占比差值Fig.10 Wind direction frequency proportion difference at each level

3.3 典型個(gè)例差異分析

試驗(yàn)期間,激光雷達(dá)和L波段探空觀測(cè)的風(fēng)向、風(fēng)速整體呈現(xiàn)出較好的一致性,但在500m以下高度層上存在較大差異,其中4月8日和5月11日兩天的差異尤為明顯,二者在50m高度層風(fēng)向最大差值分別為154°和147°。隨著高度增大,二者風(fēng)向逐漸趨于一致,在1000m以上的各高度層風(fēng)向差值基本小于15°,個(gè)別高度層風(fēng)向差值小于1°。

4月8日20:00比對(duì)結(jié)果如圖11(a)所示,400m以下各高度層的激光雷達(dá)觀測(cè)風(fēng)速值均小于L波段探空;400m及以上各高度層的激光雷達(dá)觀測(cè)風(fēng)速值總體均大于或等于L波段探空。400～1650m各高度層風(fēng)速具有較好一致性,各高度層風(fēng)速差值基本小于1.0m·s-1;1700～1950m、2400～3000m各高度層二者風(fēng)速值及其差值均呈增大趨勢(shì),且激光雷達(dá)觀測(cè)風(fēng)速值的增幅大于L波段探空。

5月11日20:00比對(duì)結(jié)果如圖11(b)所示,700m以下各高度層的激光雷達(dá)觀測(cè)風(fēng)速值均小于L波段探空;700m及以上各高度層(除1950m高度層)的激光雷達(dá)觀測(cè)風(fēng)速值均大于L波段探空風(fēng),且L波段探空風(fēng)速觀測(cè)值波動(dòng)較激光雷達(dá)更為顯著。

圖11 L波段探空和激光雷達(dá)觀測(cè)風(fēng)廓線圖。(a)4月8日;(b)5月11日Fig.11 Wind profile observed by LRS and DWL.(a)April 8th;(b)May 11th

總體而言,500m以下各高度層的風(fēng)向偏差較大,該結(jié)果與風(fēng)廓線和L波段探空相關(guān)研究指出的1000m以下低空大氣風(fēng)的不均勻性增強(qiáng)造成風(fēng)向誤差較大[3]一致;另外,二者的測(cè)量位置和原理差異也有可能導(dǎo)致500m以下各高度層的風(fēng)向出現(xiàn)較大偏差。激光雷達(dá)與測(cè)風(fēng)塔的風(fēng)速計(jì)對(duì)比相關(guān)研究指出二者在低層的風(fēng)向具有較好一致性[14-16];另外,較激光雷達(dá)探測(cè)脈沖具有穩(wěn)定的指向性而言,L波段探空在近地面高度存在強(qiáng)風(fēng)的情況下,探空球下方懸掛的探空儀會(huì)在探空球釋放初始階段存在顯著的擺動(dòng),并不是完全跟隨探空氣球的方向移動(dòng),這也可能是導(dǎo)致二者在低層的風(fēng)向存在較大偏差的原因之一。

4 結(jié)論

以GFE(L)1型L波段探空系統(tǒng)觀測(cè)獲取的50～3000m高度內(nèi)各高度層風(fēng)速、風(fēng)向廓線數(shù)據(jù)為參考標(biāo)準(zhǔn),利用138天有效觀測(cè)試驗(yàn)期間匹配的8491對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù),從設(shè)備測(cè)風(fēng)高度、風(fēng)向和風(fēng)速差異三個(gè)方面比對(duì)分析了WINDCUBE 100S掃描式相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的探測(cè)性能,結(jié)論如下:

1)對(duì)比試驗(yàn)期間,激光雷達(dá)08:00和20:00最高探測(cè)高度平值分別為1558 m和1967 m。逐日最高探測(cè)高度有8天達(dá)到3000m,占全部觀測(cè)時(shí)間的5.8%;78天達(dá)到2000m,占全部觀測(cè)時(shí)間的56.5%;有4天不足1000m,占全部觀測(cè)時(shí)間的2.9%。

2)對(duì)比試驗(yàn)期間,激光雷達(dá)在匹配的各高度層的平均風(fēng)速均大于或等于L波段探空觀測(cè)值。二者在1000～3000m各高度層的平均風(fēng)速差值、均方根誤差和平均偏差基本呈現(xiàn)隨高度遞增的趨勢(shì),平均風(fēng)速差值在3000m高度層達(dá)到2.2m·s-1的最大值。另外,在不同風(fēng)速情況下,激光雷達(dá)與L波段探空觀測(cè)的風(fēng)速差異呈現(xiàn)不同特征。風(fēng)速在6～20m·s-1時(shí),二者風(fēng)速偏差不大于0.2m·s-1;風(fēng)速大于20m·s-1時(shí),激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)值較L波段探空觀測(cè)值偏高。

3)按照十六方位風(fēng)向分布頻率統(tǒng)計(jì),對(duì)比試驗(yàn)期間激光雷達(dá)與L波段探空觀測(cè)的整體風(fēng)向具有較好的一致性,但50～100m低層和2000m以上各高度層的風(fēng)向分布頻率差異較中間高度層有所增大。