吳雪菲 余安安 任 雍 郝 晶

(1.福建省災(zāi)害天氣重點實驗室，福建 福州 350001；2.福建省大氣探測技術(shù)保障中心，福建 福州 350008;3.中國氣象局氣象探測中心，北京 100081；4.中核工程咨詢有限公司，北京 100037)

1 概述

海霧是一種常見的災(zāi)害性天氣，具有發(fā)生范圍廣、危害程度大等特點，對海上交通、漁業(yè)、航空以及軍事活動等都會產(chǎn)生較大影響[1]。福建省地處我國東南沿海、臺灣海峽西岸，受亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候以及獨特的地理條件影響，其沿海地區(qū)是海霧天氣的易發(fā)地，尤其多發(fā)在冬春季節(jié)，連鎖反應(yīng)強(qiáng)。因此，準(zhǔn)確可靠地觀測海霧天氣過程，是科學(xué)預(yù)防和減輕海霧災(zāi)害的重要環(huán)節(jié)，也是福建氣象部門需要重點關(guān)注和解決的問題。

目前，海霧探測手段主要包括基于海岸、海島、石油平臺、船舶和浮標(biāo)的自動氣象站能見度觀測方式，以及毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)和衛(wèi)星等遙感觀測方式[2-3]。沿海地區(qū)自動氣象站及水上自動氣象站觀測較為準(zhǔn)確直接，但受海洋環(huán)境和技術(shù)條件限制，僅有單點的觀測資料，且布設(shè)密度低，無法反映海霧的整體演變情況；毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá)能以較高的時空分辨率提供站點附近實時的海霧觀測，但其探測范圍有限(10～15km)，僅能實現(xiàn)沿岸小區(qū)域范圍內(nèi)的海霧觀測，無法覆蓋水上主要航道、漁業(yè)作業(yè)區(qū)等；衛(wèi)星可以實現(xiàn)大尺度的海霧觀測，但其時空分辨率較低，且區(qū)分霧和低云的反演精度有待提高。因此，迫切需要針對海霧觀測短板，開展相關(guān)新技術(shù)研究，依靠技術(shù)突破為海霧的觀測提供更加有效的手段。

國內(nèi)外許多學(xué)者嘗試?yán)枚喾N探測設(shè)備和新方法開展霧的觀測與研究工作。Teshiba等利用毫米波雷達(dá)對Miyoshi盆地地區(qū)的海霧空間分布、強(qiáng)度和生消特征進(jìn)行觀測與對比試驗[4]。Bendix等利用輻射傳輸模型計算了MODIS(Moderate-resolution Imaging Spectro-radiometer)第1～7波段反射率在霧發(fā)生時的范圍并設(shè)定相關(guān)閾值，實現(xiàn)了日間霧的檢測[5]。牛生杰等總結(jié)了國內(nèi)有關(guān)霧的研究現(xiàn)狀，并討論了遙感技術(shù)和數(shù)值模擬在霧研究中的應(yīng)用進(jìn)展[6]。韓美等從海霧發(fā)生時的天氣氣候性特征、監(jiān)測手段及微物理特征和數(shù)值預(yù)報方面，對比了臺灣海峽海霧和其他海域大霧的研究進(jìn)展?fàn)顩r[7]。張春桂等利用衛(wèi)星傳感器MODIS的可見光和紅外探測通道數(shù)據(jù)，選擇對海霧具有敏感反應(yīng)的探測通道，通過綜合判識建立了臺灣海峽海霧遙感監(jiān)測模型[8]。張春桂等尋找FY-2E衛(wèi)星資料反演海霧的規(guī)律，建立了臺灣海峽海霧自動監(jiān)測業(yè)務(wù)軟件系統(tǒng)，該系統(tǒng)海霧監(jiān)測平均準(zhǔn)確率在白天超過70%[9]。黃彬等提出了基于深度學(xué)習(xí)的靜止氣象衛(wèi)星多通道圖像融合分割算法對黃渤海海域范圍的Himawari-8衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，驗證其檢測正確率(檢測正確/總樣本)為93.2%[10]。袁逸博基于多年衛(wèi)星遙感資料、沿海探空資料、浮標(biāo)氣象資料等數(shù)據(jù)，建立了適用于黃海日間海霧的遙感反演提取算法，準(zhǔn)確率達(dá)72.2%[2]。劉光普等使用毫米波雷達(dá)和前向散射能見度儀聯(lián)合觀測海霧的數(shù)據(jù)，建立了雷達(dá)反射率與海霧能見度之間的反演關(guān)系，并對比分析了海霧能見度反演數(shù)據(jù)的效果[11]。綜合來看，現(xiàn)有觀測手段受到技術(shù)本身的限制，在海霧的觀測上遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實際需求。

福建省大氣探測技術(shù)保障中心團(tuán)隊提出了基于遠(yuǎn)距物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù) (Long Range Radio, LoRa) 的新型海霧觀測方法，建立了福建省海霧監(jiān)測系統(tǒng)(以下簡稱LoRa海霧系統(tǒng))。本文采用能見度實景觀測站，以及基于海岸、海島和海上浮標(biāo)的能見度儀的海霧觀測結(jié)果，對比分析LoRa海霧系統(tǒng)在漳州市沿海區(qū)域的海霧觀測精度，研究結(jié)果為后續(xù)LoRa海霧系統(tǒng)算法的改進(jìn)和應(yīng)用提供一些參考。

2 LoRa海霧系統(tǒng)

一般情況下，物聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)很難兼得功耗低和傳輸距離遠(yuǎn)這兩個需求，Semtech公司開發(fā)了LoRa技術(shù)，其最大的特點就是在同樣的功耗條件下比其他無線方式傳播的距離更遠(yuǎn)，實現(xiàn)了低功耗和遠(yuǎn)距離的統(tǒng)一。同時，LoRa技術(shù)還具有可以獨立組網(wǎng)、單網(wǎng)關(guān)可連接多個節(jié)點、信號接收靈敏度高、數(shù)據(jù)速率可控、多在免費(fèi)頻段運(yùn)行等優(yōu)點，因此LoRa技術(shù)十分適合海上組網(wǎng)觀測[12]。

基于LoRa技術(shù)的福建省海霧監(jiān)測系統(tǒng)(見圖1)是福建省大氣探測技術(shù)保障中心及其團(tuán)隊提出的新型海霧觀測方法的實現(xiàn)，研究團(tuán)隊在臺灣海峽部署了LoRa測霧數(shù)據(jù)站(見圖2)，根據(jù)已開展的長期相關(guān)性試驗分析，建立了“LoRa信號強(qiáng)度指標(biāo)RSSI—海霧強(qiáng)度”關(guān)系模型[12]：

圖1 LoRa海霧系統(tǒng)主頁

圖2 LoRa測霧數(shù)據(jù)站

RSSI=logbasedd-logbasexX-logbaseyY-F-R

其中，RSSI為LoRa測霧數(shù)據(jù)站接收到的信號實測值；based為LoRa測霧數(shù)據(jù)站距離對數(shù)底數(shù)，d表示距離；basex為絕對濕度影響因子對數(shù)的底數(shù)，X表示絕對濕度；basey為風(fēng)速調(diào)整因子對數(shù)的底數(shù)，Y表示風(fēng)速；F為電磁參數(shù)；R為發(fā)射天線調(diào)整參數(shù)。

在關(guān)系模型的基礎(chǔ)上，成功研發(fā)了LoRa海霧系統(tǒng)，LoRa海霧系統(tǒng)能夠解決地基海霧探測范圍嚴(yán)重不足問題，為實現(xiàn)海霧的大范圍實時精密監(jiān)測提供解決方案和技術(shù)支撐。

目前，LoRa海霧系統(tǒng)依托已建岸基和海島區(qū)域自動氣象站、海上大浮標(biāo)平臺等，以30～80km間距在福建沿海部署了84套低功耗超遠(yuǎn)距離LoRa測霧數(shù)據(jù)站(圖2)，形成了“粗蘆島至過嶼島區(qū)域”“寧德三都澳”“廈門五通至?xí)x江圍頭”以及“漳州沿海區(qū)域”多節(jié)點海霧觀測LoRa密織網(wǎng)，探測范圍可達(dá)臺灣海峽南部主航路，最大覆蓋海域約6000km2。LoRa海霧系統(tǒng)的時間分辨率為5min，空間分辨率為500m，自2018年投入使用以來，可以實現(xiàn)海霧強(qiáng)度等級的大范圍實時監(jiān)測。目前，LoRa海霧系統(tǒng)已更新到第二版本，具備網(wǎng)頁版和客戶端版的登錄、查看和數(shù)據(jù)下載等功能。

3 研究區(qū)域和方法

3.1 研究區(qū)域

本文研究區(qū)域為福建省漳州市的沿海區(qū)域(見圖3)，漳州是福建南部沿海的一個地級市，海域面積1.86萬平方千米，地處閩南金三角南端，是閩、粵、贛的交通要沖，全市屬于亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，沿海海霧多發(fā)。在沿海地區(qū)海霧可以登陸并深入陸地，有時達(dá)幾十千米，本文選取27個距離海岸線小于15km的自動站站點和1個位于東山站架設(shè)朝向海洋的海霧實景觀測站作為LoRa海霧系統(tǒng)精度檢驗的標(biāo)準(zhǔn)，其站點分布如圖3所示。

圖3 研究區(qū)域及站點分布

3.2 海霧的分級標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)能見度可以將霧分為五個等級，分別為輕霧、霧、大霧、濃霧和強(qiáng)濃霧等級[13]：水平能見度距離在1km～10km之間的稱為輕霧，500m～1km之間的稱為霧，200m～500m之間的稱為大霧，50m～200m之間的稱為濃霧，低于50m的稱為強(qiáng)濃霧。

4 評估結(jié)果

4.1 實景觀測站評估LoRa海霧系統(tǒng)觀測精度

4.1.1 一次典型海霧過程

2021年3月18—20日東山站海霧過程的實景觀測站圖像和LoRa海霧系統(tǒng)海霧等級分布如圖4所示。東山站霧的實景觀測站顯示，此次海霧過程自3月18日17∶00左右開始觀測到輕霧，逐漸增強(qiáng)到霧、大霧、濃霧強(qiáng)度等級。此后海霧等級波動減弱，海霧強(qiáng)度逐漸降低為霧、輕霧，直至海霧消散。LoRa海霧系統(tǒng)觀測到的海霧變化過程，與實景站海霧變化過程一致性較高，LoRa海霧系統(tǒng)較好實現(xiàn)了對本次海霧過程的監(jiān)測。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(g)

(h)

(i)

(j)

(k)

(l)圖4 2021年3月18—20日東山站海霧變化過程(左列為實景觀測站觀測結(jié)果，右列為LoRa海霧系統(tǒng)觀測結(jié)果)

4.1.2 全年海霧過程

對東山站2020年7月至2021年7月共計107次海霧過程開展實景觀測站觀測圖像與LoRa海霧系統(tǒng)觀測結(jié)果比對。如表1所示，有91次海霧過程LoRa海霧觀測等級與實景站能見度等級基本一致，約占總觀測過程的85.05%；有10次海霧過程LoRa海霧系統(tǒng)觀測到的海霧等級高于實景觀測站觀測結(jié)果，約占總觀測過程的9.34%；另外還有6次海霧過程，LoRa海霧系統(tǒng)觀測到的海霧等級低于實景觀測站觀測到的結(jié)果，占比約5.61%。

表1 LoRa海霧系統(tǒng)與實景觀測站觀測海霧過程的對比結(jié)果

4.2 自動站能見度儀評估LoRa海霧系統(tǒng)觀測精度

4.2.1 概率分布

采用自動站能見度儀的觀測結(jié)果，評估漳州沿海區(qū)域LoRa海霧系統(tǒng)的觀測精度，本文僅分析2021年6—8月整點自動站能見度有值的情況下，LoRa海霧系統(tǒng)的表現(xiàn)情況。研究采用最近鄰插值法將LoRa海霧系統(tǒng)網(wǎng)格資料插值到與其距離最近且小于500m的自動站站點上進(jìn)行空間匹配，總計獲得9267個有效樣本數(shù)。

海霧強(qiáng)度的不同對人們生活的影響程度不同，因此，詳細(xì)了解不同海霧等級，尤其是較強(qiáng)海霧等級下LoRa海霧系統(tǒng)的觀測精度是非常必要的。圖5為自動站能見度觀測值分別為輕霧、霧、大霧、濃霧和強(qiáng)濃霧時，對應(yīng)區(qū)域和時刻LoRa海霧系統(tǒng)觀測到的海霧等級的概率分布情況。從圖5可以看出，當(dāng)自動站能見度等級為輕霧時，對應(yīng)LoRa海霧系統(tǒng)海霧觀測結(jié)果98.5%為輕霧，一致率較高；當(dāng)自動站能見度等級為霧時，LoRa海霧系統(tǒng)海霧觀測結(jié)果與之相符的僅有33.3%，低估占比38.3%，其余28.4%為高估，高估1～2個能見度等級；當(dāng)自動站能見度等級為大霧時，LoRa海霧系統(tǒng)觀測準(zhǔn)確的概率為50.8%，低估和高估能見度等級分別占比30.8%和18.4%；當(dāng)自動站能見度等級為濃霧時，LoRa海霧系統(tǒng)海霧觀測準(zhǔn)確率為74.0%，低估占比28%，高估占比3.1%；當(dāng)自動站能見度等級為強(qiáng)濃霧時，LoRa海霧系統(tǒng)觀測結(jié)果與自動站一致的概率為86.4%，其余情況均為低估。綜合來看，LoRa海霧系統(tǒng)觀測海霧在輕霧時準(zhǔn)確率最高，其后依次為強(qiáng)濃霧、濃霧、大霧，觀測準(zhǔn)確率最低的為霧等級。

圖5 LoRa海霧系統(tǒng)觀測結(jié)果的概率分布圖

4.2.2 時間變化

進(jìn)一步了解LoRa海霧系統(tǒng)與自動站海霧等級隨時間變化的情況。圖6給出了將軍澳2021年8月2—4日海霧的逐小時變化過程，由于自動站能見度觀測值的缺失，圖6中時間偶爾會有間隔，可以看出，此次海霧過程中，LoRa海霧系統(tǒng)觀測海霧等級與自動站能見度等級隨時間變化的曲線趨勢較為相似，在2021年8月2日22時至3日13時期間差異較為明顯，但偏差基本為一個海霧等級，2021年8月3日17時及之后，LoRa海霧系統(tǒng)觀測海霧等級與自動站能見度等級表現(xiàn)出較高的一致性?？傮w來看，LoRa海霧系統(tǒng)觀測海霧等級與自動站能見度等級變化趨勢比較一致，但細(xì)節(jié)上還存在一些差異。

圖6 2021年8月2—4日將軍澳海霧過程的時序變化

5 結(jié)論

本文采用海霧實景觀測站，以及沿海27個自動氣象站的能見度觀測結(jié)果，對比分析了LoRa海霧系統(tǒng)在漳州市沿海區(qū)域的海霧等級觀測精度。結(jié)果表明：

①LoRa海霧系統(tǒng)能夠較好地觀測到東山站的海霧變化過程。實景觀測站對比顯示，2020年7月至2021年7月共計107次海霧過程，兩者海霧觀測等級基本一致的概率為85.05%。

②LoRa海霧系統(tǒng)觀測海霧在輕霧等級時準(zhǔn)確率最高。采用自動站能見度儀評估2021年6—8月LoRa海霧系統(tǒng)的海霧觀測精度，輕霧、霧、大霧、濃霧和強(qiáng)濃霧的觀測準(zhǔn)確率分別為98.5%、33.3%、50.8%、74.0%和86.4%。

③在將軍澳2021年8月2—4日的海霧過程中，LoRa海霧系統(tǒng)觀測海霧等級與自動站能見度等級在時間上的變化趨勢比較一致，但還存在一些細(xì)節(jié)差異。