金 龍，吳 恒，張可嘉，溫國利，幺倫韜，杜海霞

(1.河北省氣象技術(shù)裝備中心，石家莊 050051；2.邢臺市氣象局，邢臺 054099；3.中船重工鵬力(南京)大氣海洋信息系統(tǒng)有限公司，南京 211106)

0 引言

風是氣候預測與診斷的重要依據(jù)，同時對飛機起降、火箭發(fā)射、導彈運行軌跡等至關(guān)重要，對大氣風場的測量具有重要的科研和社會意義。近地面風場的測量多采用機械式風向風速傳感器或超聲風傳感器，高空風場的測量多采用氣球探空或風廓線雷達。隨著制造水平的不斷提升和激光理論的逐漸發(fā)展，美國、法國等國家建立了完善的激光理論體系[1-3]，并于20世紀60年代開始激光測風雷達的研制，中國激光測風雷達的研制雖起步較晚但仍舊取得了不錯的成果。2010李冬梅[4]等先后實現(xiàn)了1.5 μm多普勒激光測風雷達在200 m和800 m垂直高度的風場探測，2014年經(jīng)改造升級后的激光測風雷達可實現(xiàn)1.9 km垂直高度的風場探測。曹爽等從相干激光測風雷達原理入手，基于大氣分層模型建立了激光測風雷達回波模型，為激光測風雷達回波信號的模擬提供了理論基礎(chǔ)[5-8]。張洪瑋[9，10]等利用相干多普勒激光測風雷達多種測量模式分析了北京首都機場2015年冬季和2016年春季低空風切變情況，并對結(jié)果進行了驗證，實現(xiàn)了對機場區(qū)域低空風切變的預警?？傮w來說國內(nèi)激光測風雷達的研究還局限在實驗室內(nèi)，應用成果多聚焦在機場低空風切變領(lǐng)域，在系統(tǒng)研制方面目前仍缺乏較為成熟的長期外場實驗，缺少激光測風雷達數(shù)據(jù)質(zhì)量的有效評估，也缺乏在環(huán)境氣象方面實際應用的案例。全相干多普勒激光測風雷達與氣象業(yè)務(wù)運行的風塔觀測數(shù)據(jù)和風廓線雷達數(shù)據(jù)開展比對分析，并在河北太行山地區(qū)一次霧霾天氣過程中開展了水平風場結(jié)構(gòu)特征演變的分析，為激光測風雷達的應用奠定了基礎(chǔ)，拓展了領(lǐng)域。

1 儀器和觀測實驗

1.1 激光雷達原理和設(shè)計難點

文章所用激光測風雷達采用全光纖相干多普勒體制，由光學天線分系統(tǒng)、光學收發(fā)分系統(tǒng)、信號處理和控制分系統(tǒng)、雷達終端軟件分系統(tǒng)4部分組成，在雷達系統(tǒng)中全部使用單模保偏光學器件，雷達系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。雷達工作時由光纖種子激光器產(chǎn)生具有特定光譜特性的激光脈沖，經(jīng)一分二保偏光纖耦合器后分為兩路，一路經(jīng)放大器放大為高頻激光信號，由光學望遠鏡向天空發(fā)射；另一路作為本振信號，與光學望遠鏡接收到的經(jīng)天空中氣溶膠粒子后向散射的回波信號混頻，經(jīng)平衡探測器后進行A/D轉(zhuǎn)換等信號處理分析，通過VAD掃描方式實現(xiàn)低空1 km大氣邊界層范圍內(nèi)的三維大氣風場的探測。具有高時空分辨力和測試精確度，可進行風廓線掃描(WPS)、距離高度掃描(RHI)和平面位置顯示掃描(PPI)等多種掃描模式。

圖1 多普勒激光測風雷達系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

激光測風雷達的技術(shù)難點在于激光調(diào)制信號的設(shè)計，為了提高激光器的出光效率，使用DA芯片改變寄存器中電流設(shè)置數(shù)據(jù)調(diào)整幅值，設(shè)置延遲時間以獲取上升沿、下降沿和幅值均可調(diào)的任意占空比的三角波調(diào)制信號。同時，為了使激光器出光泄露降到最低，調(diào)制信號的底噪需達到±10 mV以內(nèi)。為了達到此要求，文章通過增加低通濾波器，濾掉內(nèi)部晶振等產(chǎn)生的干擾信號，最終實現(xiàn)濾除雜波后的底噪僅為±5 mV。

1.2 觀測實驗簡述

文章利用激光測風雷達分別與一部邊界層風廓線雷達和350 m氣象觀測梯度塔進行同址觀測和數(shù)據(jù)比對。

選用CFL-06型邊界層風廓線雷達，低模式空間分辨力為120 m，時間分辨力為6 min，天線陣面方向指向天頂。通過相位控制，天線可在天頂方向形成垂直波束以及在偏離天頂約15°的東、西、南、北4個方向形成5波束探測方式。在晴空條件下可以提供詳細的大氣風場氣象信息，降水條件下還可以提供詳細的降水云體風場。

氣象觀測梯度塔使用水平風向風速傳感器。水平風向傳感器由風向標組件作為感應元件，當風向標組件隨風向旋轉(zhuǎn)時，帶動主軸及格雷碼盤一同旋轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)動2.8125°，位于光電器件支架的7位光電變換電路就輸出1組新的7位并行格雷碼與風向相對應。水平風速傳感器由三杯式回轉(zhuǎn)架作為感應元件，在水平風力作用下，風杯組旋轉(zhuǎn)，通過主軸帶動磁棒盤旋轉(zhuǎn)，其上的36只磁體形成18個小磁場，風杯組每旋轉(zhuǎn)1圈，在霍爾開關(guān)電路中感應出18個脈沖信號，其頻率隨風速的增大而線性增加，由此可計算出風速。

2 數(shù)據(jù)評估方法

2.1 數(shù)據(jù)預處理

3種觀測設(shè)備的探測原理和探測時空一致性均存在差異，因此開展數(shù)據(jù)比對工作前，需要進行合理的時空一致性方案設(shè)計。

1)比對方式：激光測風雷達探測近地面(100 m)到低空邊界層(1 km)的水平風場變化情況，風廓線雷達低空最低有效探測高度為240 m，氣象觀測梯度塔最高探測高度為300 m，因此低層(100～300 m)采用氣象觀測梯度塔測風數(shù)據(jù)與激光測風雷達數(shù)據(jù)進行比對，高層(400～800 m)采用風廓線雷達測風數(shù)據(jù)與激光測風雷達數(shù)據(jù)進行比對。

2)數(shù)據(jù)時間一致性處理：低層數(shù)據(jù)比對時將氣象觀測梯度塔風杯數(shù)據(jù)進行2 min滑動平均與激光測風雷達進行匹配，高層數(shù)據(jù)比對時將激光測風雷達數(shù)據(jù)進行6 min滑動平均與風廓線雷達進行匹配。

3)數(shù)據(jù)空間一致性處理：3種觀測設(shè)備雖然探測取樣空間不同，但根據(jù)大氣的連續(xù)性特征，可認為局地范圍內(nèi)風場特征是一致的。垂直方向上3種設(shè)備分辨力和探測高度均不同，因此需要對風廓線雷達和氣象觀測梯度塔風杯數(shù)據(jù)進行差值，得到與激光測風雷達高度相對應的數(shù)據(jù)，以保證數(shù)據(jù)空間一致性。

2.2 評估方式

由于氣象觀測梯度塔風杯數(shù)據(jù)為傳感器直接測量，將其探測結(jié)果視為真值。風廓線雷達為業(yè)務(wù)組網(wǎng)運行設(shè)備，嚴格按照業(yè)務(wù)運行規(guī)范定期進行標定工作，其結(jié)果也可視為真值?；谏鲜隹紤]，從整體和分高度層兩個角度出發(fā)，通過相關(guān)系數(shù)CC(衡量兩隨機變量之間線性相關(guān)程度)和標準差SD(衡量數(shù)據(jù)偏離平均值的離散程度)對激光測風雷達數(shù)據(jù)進行評估。

(1)

(2)

3 數(shù)據(jù)評估分析

3.1 測風精度評估

按照不同天氣情況將低層數(shù)據(jù)比對分為晴天、霧天和雨天，將高層數(shù)據(jù)比對分為晴天、霧天和雪天。將激光測風雷達在高低層的探測數(shù)據(jù)分別與風廓線雷達數(shù)據(jù)和氣象觀測梯度塔風杯數(shù)據(jù)進行風速風向的線性擬合并求出相關(guān)系數(shù)。

低層時，晴天、霧天和雨天激光測風雷達與氣象觀測梯度塔風杯風速的CC分別為0.905，0.896和0.845，風向的CC分別0.975，0.955和0.965。風向的一致性整體優(yōu)于風速的一致性，天氣對激光測風雷達探測數(shù)據(jù)有影響，晴天時激光測風雷達數(shù)據(jù)質(zhì)量最好，霧天時數(shù)據(jù)質(zhì)量有所下降，雨天時最差。高層時，晴天、霧天和雪天激光測風雷達與風廓線雷達風速的CC分別為0.967，0.930和0.855，風向的CC分別0.987，0.952和0.978。高層激光測風雷達風速一致性有所提高，但整體仍舊劣于風向的一致性，高層激光測風雷達探測數(shù)據(jù)依然受天氣影響，晴天時激光測風雷達數(shù)據(jù)質(zhì)量最好，霧天次之，雪天最差。分析原因為隨著空氣中粒子由霧滴到雨滴再到雪片變化時，粒子直徑不斷增大，大粒徑粒子對激光的衰減作用不斷增強，導致激光測風雷達接收到的回波信號減弱，信噪比降低，數(shù)據(jù)質(zhì)量下降。而氣象觀測梯度塔風杯數(shù)據(jù)為傳感器直接測量得到，受降雨影響較小，風廓線雷達波長較長，為20 cm，降雪時被氣流化的雪花作為風的示蹤物，也不會對其造成較大影響。

3.2 測風穩(wěn)定度

由于激光測風雷達與氣象觀測梯度塔風杯和風廓線雷達探測原理差異，除對不同天氣特征下總體數(shù)據(jù)的比對外，還需要通過分析垂直方向上激光測風雷達與另兩種探測設(shè)備觀測數(shù)據(jù)一致性的波動情況，在特定高度上進一步評估激光測風雷達測風數(shù)據(jù)的準確性。

從比對結(jié)果可以看出，不論哪種天氣條件下，風向的CC均優(yōu)于風速，低層晴天300 m高度一致性最高為0.98，低層雨天100 m高度最差為0.92；高層晴天700 m高度一致性最高為0.98，高層雪天800 m高度最差為0.88。風速的CC低層一致性最優(yōu)值出現(xiàn)在晴天300 m高度，為0.96，低層雨天100 m高度最差為0.8；高層晴天700 m高度一致性最高為0.98，高層雪天800 m高度最差為0.88。高低層風向風速一致性最優(yōu)和最差值對應出現(xiàn)在相同高度。不同天氣條件下風向風速一致性隨著高度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，晴天一致性較好，雨雪天氣變化最明顯，這與雨雪天氣激光測風雷達信號衰減有關(guān)。3種天氣條件下CC平均值風向在100 m和800 m高度最差為0.93，300 m和500 m高度最優(yōu)為0.96；風速劣于風向，在100 m高度最差為0.88，在500 m高度最優(yōu)為0.95。通過標準差可以看出激光測風雷達探測數(shù)據(jù)連續(xù)性較好，在低層激光測風雷達與氣象觀測梯度塔風杯風向風速標準差的偏差較小，在高層激光測風雷達與風廓線雷達風向風速標準差的偏差也較小。

4 應用個例分析

根據(jù)環(huán)境氣象預報結(jié)果顯示2021-12-16-2021-12-20有一次重污染天氣過程。16日受弱氣壓場控制能見度差，有霾，氣象條件對污染物擴散不利；17日夜間有弱冷空氣影響，污染物濃度有所下降，空氣質(zhì)量稍有好轉(zhuǎn)；18-19日氣壓場再度減弱，氣象條件不利于污染物擴散，空氣質(zhì)量為重度污染；20日受冷空氣影響，空氣質(zhì)量逐漸轉(zhuǎn)好。

由16-21日激光測風雷達觀測結(jié)果可以看出，16日，雷達低空處于反氣旋后部，由偏北氣流逐漸轉(zhuǎn)為西南偏南氣流，風速超過6 m/s，探測高度可達1.1 km，雷達位于高壓西北側(cè)，受持續(xù)偏南氣流影響，結(jié)合地形作用，污染物在石家莊及太行山前一帶累積濃度逐漸升高。17日弱冷空氣影響不明顯，石家莊上空整層風速減小，0.6 km高度以下水平風速未超過4 m/s，空氣質(zhì)量雖稍有好轉(zhuǎn)但氣象條件持續(xù)不利于污染物的擴散，最大探測高度呈先降低后增長的日變化趨勢，中午最低至0.7 km，相較最大風速出現(xiàn)時間略有滯后性，至18日凌晨探測高度再次達到峰值，約1 km。18日，受弱冷空氣影響，凌晨至上午整層轉(zhuǎn)為西北偏西氣流控制，但冷空氣勢力很弱，地面因受太行山地形阻擋作用，風速較小，冷空氣對污染物的擴散稀釋作用有限。午后，弱冷空氣快速東移，石家莊低空受冷高壓后部影響，轉(zhuǎn)為偏南氣流，氣象條件仍不利于污染物的擴散。隨著污染物濃度的升高，激光測風雷達探測高度出現(xiàn)了明顯的降低，從16日的1.1 km降至0.5 km，空氣中氣溶膠粒子對激光衰減作用明顯。自18日入夜起，受弱冷空氣影響，整層逐漸轉(zhuǎn)為偏西氣流，地面由短暫的東北風轉(zhuǎn)為偏西氣流。19日凌晨至上午，近地面及高空偏西氣流風速均較大，超過8 m/s，因地形作用，偏西氣流翻山后下沉增溫，濕度降低，靜穩(wěn)層結(jié)被短暫破壞，氣象條件有利于污染物的擴散、稀釋，由于前期污染物積累較為嚴重，探測高度的增加仍較最大風速出現(xiàn)時間有一定的滯后，說明空氣質(zhì)量的改善較最大風速出現(xiàn)時間也有一定的滯后。但由于弱冷空氣強度有限，19日午后，受山谷風局地環(huán)流影響，本地上空逐漸轉(zhuǎn)為偏南或東南氣流，氣象擴散條件再次轉(zhuǎn)差，污染出現(xiàn)反彈。最大探測高度隨著污染物濃度的變化也呈現(xiàn)起伏狀態(tài)。20日凌晨高空逐漸轉(zhuǎn)為偏北風，空氣質(zhì)量逐漸轉(zhuǎn)好。

通過此次激光測風雷達在污染天氣條件下的探測結(jié)果可以看出：重污染天氣過程中空氣中的大顆粒氣溶膠粒子對激光有衰減作用，污染物濃度對探測高度影響較為嚴重；在太行山地區(qū)偏南風不利于污染物擴散，偏北風有利于污染物擴散；地形風對靜穩(wěn)天氣結(jié)構(gòu)的維持和打破有一定影響；有利于污染物擴散的氣象條件為較大風速偏北風之后且存在一定的滯后性。

5 結(jié)束語

文章通過對激光測風雷達與風廓線雷達和氣象觀測塔觀測數(shù)據(jù)的對比評估， 結(jié)果表明激光測風雷達與氣象觀測梯度塔和風廓線雷達的水平風向風速測量結(jié)果有較好的一致性，并且風向一致性優(yōu)于風速一致性；激光測風雷達探測數(shù)據(jù)連續(xù)性較好，與氣象觀測梯度塔和風廓線雷達風向風速標準差的偏差較小；不同天氣條件下風向風速一致性隨著高度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，晴天一致性較好，雨雪天氣變化最明顯，這與雨雪天氣激光測風雷達信號衰減有關(guān)；同時重污染天氣過程中空氣中的大顆粒氣溶膠粒子對激光有衰減作用，但激光測風雷達探測結(jié)果在重污染天氣過程中仍具有一定指示意義，在近地面風場結(jié)構(gòu)探測領(lǐng)域具有較好的應用前景。