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)場作為一項重要氣象要素，與人們的生產(chǎn)生活息息相關(guān)，對大氣風(fēng)場進行精準(zhǔn)探測越來越受到人們的重視?，F(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、時空分辨率高、機動性能好的優(yōu)點，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)雷達按照探測方式可分為相干激光測風(fēng)雷達和非相干激光測風(fēng)雷達，本研究所用激光測風(fēng)雷達為相干探測方式。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[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，實現(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）增強了激光測風(fēng)雷達的風(fēng)場探測能力，研發(fā)出可對3.75 km的水平風(fēng)場進行探測的激光雷達[4]；1990年，美國的Henderson課題組研制的相干激光測風(fēng)雷達系統(tǒng)，風(fēng)場探測范圍進一步擴大，可實現(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[6]，該激光雷達系統(tǒng)采用光纖通信技術(shù)，提升工作效率的同時，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)雷達系統(tǒng)[7]，進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)雷達的研制方面取得了較快發(fā)展。2010年，中國電子科技集團公司第二十七研究所研制出波長為1.5 μm的激光測風(fēng)實驗裝置[8]，空間分辨率為 50 m，室外速度分辨率 1 m/s[9]，實現(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，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)機械研究所研制了1.539 μm全光纖相干激光測風(fēng)雷達[11]，在2014年進行升級后，風(fēng)場探測能力得到增強，可實現(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[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[13]，采用5 kHz重復(fù)頻率工作時，可以實現(xiàn)水平距離6 km的大氣風(fēng)場。

實驗中使用的激光測風(fēng)雷達為相干脈沖機制，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。

未來，激光測風(fēng)雷達將進入氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)，作為以氣球軌跡法空中風(fēng)測量方式的補充或升級。在激光測風(fēng)雷達投入業(yè)務(wù)應(yīng)用之前，需對其測風(fēng)數(shù)據(jù)的可靠性進行評估，對其在不同天氣條件下的工作性能進行分析。目前激光測風(fēng)雷達測風(fēng)性能評估的難點在于真實風(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)雷達的風(fēng)場數(shù)據(jù)有效性進行分析，據(jù)此評估激光測風(fēng)雷達的風(fēng)場探測性能。

1 激光測風(fēng)雷達垂直風(fēng)場反演原理

激光測風(fēng)雷達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，計算多普勒頻移，從而得到氣溶膠粒子的運動速度，根據(jù)氣溶膠的運動反演大氣風(fēng)場。目前，激光測風(fēng)雷達垂直風(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VAD掃描如圖1所示，掃描時激光雷達保持固定的仰角，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動速度分解為水平方向上的運動速度vh，和垂直方向上的運動速度vf。算法原理如圖2所示，以正北方向為x軸的正向，正東方向為y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)雷達以一固定仰角掃描時（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)進行余弦擬合，得出水平風(fēng)向、風(fēng)速。

2 激光測風(fēng)雷達探測性能評估實驗

2.1 實驗設(shè)備

實驗所用激光測風(fēng)雷達為相干脈沖激光測風(fēng)雷達，性能指標(biāo)參數(shù)如表1所示。

表1 激光測風(fēng)雷達參數(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。該型雷達主要用于高空大氣的綜合性觀測，工作時與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為示蹤物指代大氣的運動，通過追蹤氣球位置計算出風(fēng)場情況。GFE(L)1型雷達主要參數(shù)如表2所示。

表2 L波段高空氣象探測雷達參數(shù)

2.2 實驗方案

激光測風(fēng)雷達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，雷達庫長為20 m，即每一個數(shù)據(jù)點代表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)雷達數(shù)據(jù)在高度上進行插值，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)探空氣球到達各高度層的時刻，提取出對應(yīng)時刻相同高度上的激光雷達測風(fēng)數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)兩種測風(fēng)數(shù)據(jù)時空上的匹配。

圖3 實驗設(shè)備相對位置圖

2.3 分析方法

激光測風(fēng)雷達是根據(jù)氣溶膠粒子運動產(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為示蹤物直接反映大氣的運動狀況，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，在進行數(shù)據(jù)比對時，將氣球探空數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)，分析激光測風(fēng)雷達測風(fēng)性能。主要分析流程如圖4所示。將處理得到的時空匹配數(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)間和高度層進行劃分，評估激光測風(fēng)雷達對不同大小風(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)雷達的測風(fēng)性能進行評估，其計算公式如下：

式中：xi——激光測風(fēng)雷達數(shù)據(jù)；

——激光測風(fēng)雷達數(shù)據(jù)平均值；

yi——氣球探空數(shù)據(jù)；

——氣球探空數(shù)據(jù)平均值；

n——數(shù)據(jù)點的個數(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)雷達的探測性能。因此，將時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。對不同天氣類型時的激光雷達探測性能進行比較分析。

在對兩種測風(fēng)數(shù)據(jù)的風(fēng)向數(shù)據(jù)進行比對時會出現(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°而實際上兩個風(fēng)向只有2°的差異。因此就要對風(fēng)向進行過零處理，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)雷達風(fēng)場探測性能分析

激光測風(fēng)雷達在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)雷達可以做到全天時掃描，30 s獲取一次風(fēng)場數(shù)據(jù)。高空氣象探測的放球時間是固定每天的07:15 和 19:15。將激光測風(fēng)雷達風(fēng)場數(shù)據(jù)與氣球探空獲得的風(fēng)場數(shù)據(jù)進行時空匹配后共得到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)為時空對應(yīng)的激光測風(fēng)雷達測得的風(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，激光測風(fēng)雷達測風(fēng)性能會有所下降。晴天與陰天時的相關(guān)系數(shù)相差不大，說明陰天對于激光測風(fēng)雷達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)均明顯大于雨天時的相關(guān)系數(shù)，這就說明雨天對于激光雷達測風(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)，且不同天氣條件時的相關(guān)系數(shù)差別均不是很大，這說明激光測風(fēng)雷達的風(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，陰天時兩種數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)略大于晴天時的相關(guān)系數(shù)，主要原因是本次實驗采集到的陰天測風(fēng)數(shù)據(jù)要少于晴天時的測風(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)均比雨天時的大，這也再次印證了雨天對于激光測風(fēng)雷達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，實驗選用的激光測風(fēng)雷達最大探測距離約為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。因此可從晴天時平均偏差隨高度的變化分析激光測風(fēng)雷達在各高度層的探測精度。從圖中可以看出，晴天時，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，加之實驗中兩設(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衰減加劇，激光測風(fēng)雷達的探測性能有所下降；另一方面，激光測風(fēng)雷達采用VAD算法反演垂直風(fēng)場時假定大氣風(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)折點處（約600 m高度）最能體現(xiàn)激光測風(fēng)雷達的真實探測性能，風(fēng)速偏差約為1 m/s，風(fēng)向偏差約為20°。

陰天和雨天時，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)間進行劃分，分析不同風(fēng)速時兩種測風(fēng)數(shù)據(jù)的平均偏差。根據(jù)實際測得的風(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時穩(wěn)定性良好，基本保持在20°，當(dāng)風(fēng)速小于4 m/s時，平均偏差突增至34°，說明激光測風(fēng)雷達的風(fēng)向探測精度受小風(fēng)速的影響很大。分析其原因為：當(dāng)風(fēng)速比較小時，激光測風(fēng)雷達的回波信號很弱，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)雷達風(fēng)向探測精度。

陰天和雨天時，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)雷達探測性能的影響。其中雨天時的波動最為顯著，風(fēng)速的最大平均偏差達到2.99 m/s，風(fēng)向的最大平均偏差達到39°。

4 結(jié)束語

本文主要分析了激光測風(fēng)雷達的VAD風(fēng)場掃描方式以及VAD風(fēng)場反演算法。將激光測風(fēng)雷達風(fēng)場數(shù)據(jù)與氣球探空風(fēng)場數(shù)據(jù)進行時空同步處理，得到時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）晴天時激光測風(fēng)雷達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)雷達的探測精度逐漸下降。

3）激光測風(fēng)雷達的風(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，后期可獲取更長時間范圍內(nèi)的風(fēng)場數(shù)據(jù)進行比對分析；其次，比對儀器相對較少，后期可將激光測風(fēng)雷達與風(fēng)廓線儀、多普勒天氣雷達等多種測風(fēng)手段進行比較，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。