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(tái)市氣象局，邢臺(tái) 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(fēng)是氣候預(yù)測(cè)與診斷的重要依據(jù)，同時(shí)對(duì)飛機(jī)起降、火箭發(fā)射、導(dǎo)彈運(yùn)行軌跡等至關(guān)重要，對(duì)大氣風(fēng)場(chǎng)的測(cè)量具有重要的科研和社會(huì)意義。近地面風(fēng)場(chǎng)的測(cè)量多采用機(jī)械式風(fēng)向風(fēng)速傳感器或超聲風(fēng)傳感器，高空風(fēng)場(chǎng)的測(cè)量多采用氣球探空或風(fēng)廓線雷達(dá)。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(jì)60年代開始激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)的研制，中國激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)的研制雖起步較晚但仍舊取得了不錯(cuò)的成果。2010李冬梅[4]等先后實(shí)現(xiàn)了1.5 μm多普勒激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)在200 m和800 m垂直高度的風(fēng)場(chǎng)探測(cè)，2014年經(jīng)改造升級(jí)后的激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)可實(shí)現(xiàn)1.9 km垂直高度的風(fēng)場(chǎng)探測(cè)。曹爽等從相干激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)原理入手，基于大氣分層模型建立了激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)回波模型，為激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)回波信號(hào)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(cè)風(fēng)雷達(dá)多種測(cè)量模式分析了北京首都機(jī)場(chǎng)2015年冬季和2016年春季低空風(fēng)切變情況，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)場(chǎng)區(qū)域低空風(fēng)切變的預(yù)警?？傮w來說國內(nèi)激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)的研究還局限在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，應(yīng)用成果多聚焦在機(jī)場(chǎng)低空風(fēng)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(chǎng)實(shí)驗(yàn)，缺少激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量的有效評(píng)估，也缺乏在環(huán)境氣象方面實(shí)際應(yīng)用的案例。全相干多普勒激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)與氣象業(yè)務(wù)運(yùn)行的風(fēng)塔觀測(cè)數(shù)據(jù)和風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)開展比對(duì)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(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征演變的分析，為激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，拓展了領(lǐng)域。

1 儀器和觀測(cè)實(shí)驗(yàn)

1.1 激光雷達(dá)原理和設(shè)計(jì)難點(diǎn)

文章所用激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)采用全光纖相干多普勒體制，由光學(xué)天線分系統(tǒng)、光學(xué)收發(fā)分系統(tǒng)、信號(hào)處理和控制分系統(tǒng)、雷達(dá)終端軟件分系統(tǒng)4部分組成，在雷達(dá)系統(tǒng)中全部使用單模保偏光學(xué)器件，雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。雷達(dá)工作時(shí)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(hào)，由光學(xué)望遠(yuǎn)鏡向天空發(fā)射；另一路作為本振信號(hào)，與光學(xué)望遠(yuǎn)鏡接收到的經(jīng)天空中氣溶膠粒子后向散射的回波信號(hào)混頻，經(jīng)平衡探測(cè)器后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換等信號(hào)處理分析，通過VAD掃描方式實(shí)現(xiàn)低空1 km大氣邊界層范圍內(nèi)的三維大氣風(fēng)場(chǎng)的探測(cè)。具有高時(shí)空分辨力和測(cè)試精確度，可進(jìn)行風(fēng)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(cè)風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)的技術(shù)難點(diǎn)在于激光調(diào)制信號(hào)的設(shè)計(jì)，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(shí)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(hào)。同時(shí)，為了使激光器出光泄露降到最低，調(diào)制信號(hào)的底噪需達(dá)到±10 mV以內(nèi)。為了達(dá)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(hào)，最終實(shí)現(xiàn)濾除雜波后的底噪僅為±5 mV。

1.2 觀測(cè)實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)述

文章利用激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)分別與一部邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)和350 m氣象觀測(cè)梯度塔進(jìn)行同址觀測(cè)和數(shù)據(jù)比對(duì)。

選用CFL-06型邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)，低模式空間分辨力為120 m，時(shí)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(gè)方向形成5波束探測(cè)方式。在晴空條件下可以提供詳細(xì)的大氣風(fēng)場(chǎng)氣象信息，降水條件下還可以提供詳細(xì)的降水云體風(fēng)場(chǎng)。

氣象觀測(cè)梯度塔使用水平風(fēng)向風(fēng)速傳感器。水平風(fēng)向傳感器由風(fēng)向標(biāo)組件作為感應(yīng)元件，當(dāng)風(fēng)向標(biāo)組件隨風(fēng)向旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)主軸及格雷碼盤一同旋轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)動(dòng)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(fēng)向相對(duì)應(yīng)。水平風(fēng)速傳感器由三杯式回轉(zhuǎn)架作為感應(yīng)元件，在水平風(fēng)力作用下，風(fēng)杯組旋轉(zhuǎn)，通過主軸帶動(dòng)磁棒盤旋轉(zhuǎn)，其上的36只磁體形成18個(gè)小磁場(chǎng)，風(fēng)杯組每旋轉(zhuǎn)1圈，在霍爾開關(guān)電路中感應(yīng)出18個(gè)脈沖信號(hào)，其頻率隨風(fēng)速的增大而線性增加，由此可計(jì)算出風(fēng)速。

2 數(shù)據(jù)評(píng)估方法

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

3種觀測(cè)設(shè)備的探測(cè)原理和探測(cè)時(shí)空一致性均存在差異，因此開展數(shù)據(jù)比對(duì)工作前，需要進(jìn)行合理的時(shí)空一致性方案設(shè)計(jì)。

1)比對(duì)方式：激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)探測(cè)近地面(100 m)到低空邊界層(1 km)的水平風(fēng)場(chǎng)變化情況，風(fēng)廓線雷達(dá)低空最低有效探測(cè)高度為240 m，氣象觀測(cè)梯度塔最高探測(cè)高度為300 m，因此低層(100～300 m)采用氣象觀測(cè)梯度塔測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)與激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，高層(400～800 m)采用風(fēng)廓線雷達(dá)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)與激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。

2)數(shù)據(jù)時(shí)間一致性處理：低層數(shù)據(jù)比對(duì)時(shí)將氣象觀測(cè)梯度塔風(fēng)杯數(shù)據(jù)進(jìn)行2 min滑動(dòng)平均與激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)進(jìn)行匹配，高層數(shù)據(jù)比對(duì)時(shí)將激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行6 min滑動(dòng)平均與風(fēng)廓線雷達(dá)進(jìn)行匹配。

3)數(shù)據(jù)空間一致性處理：3種觀測(cè)設(shè)備雖然探測(cè)取樣空間不同，但根據(jù)大氣的連續(xù)性特征，可認(rèn)為局地范圍內(nèi)風(fēng)場(chǎng)特征是一致的。垂直方向上3種設(shè)備分辨力和探測(cè)高度均不同，因此需要對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)和氣象觀測(cè)梯度塔風(fēng)杯數(shù)據(jù)進(jìn)行差值，得到與激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)高度相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，以保證數(shù)據(jù)空間一致性。

2.2 評(píng)估方式

由于氣象觀測(cè)梯度塔風(fēng)杯數(shù)據(jù)為傳感器直接測(cè)量，將其探測(cè)結(jié)果視為真值。風(fēng)廓線雷達(dá)為業(yè)務(wù)組網(wǎng)運(yùn)行設(shè)備，嚴(yán)格按照業(yè)務(wù)運(yùn)行規(guī)范定期進(jìn)行標(biāo)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(gè)角度出發(fā)，通過相關(guān)系數(shù)CC(衡量兩隨機(jī)變量之間線性相關(guān)程度)和標(biāo)準(zhǔn)差SD(衡量數(shù)據(jù)偏離平均值的離散程度)對(duì)激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估。

(1)

(2)

3 數(shù)據(jù)評(píng)估分析

3.1 測(cè)風(fēng)精度評(píng)估

按照不同天氣情況將低層數(shù)據(jù)比對(duì)分為晴天、霧天和雨天，將高層數(shù)據(jù)比對(duì)分為晴天、霧天和雪天。將激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)在高低層的探測(cè)數(shù)據(jù)分別與風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)和氣象觀測(cè)梯度塔風(fēng)杯數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)速風(fēng)向的線性擬合并求出相關(guān)系數(shù)。

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

3.2 測(cè)風(fēng)穩(wěn)定度

由于激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)與氣象觀測(cè)梯度塔風(fēng)杯和風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)原理差異，除對(duì)不同天氣特征下總體數(shù)據(jù)的比對(duì)外，還需要通過分析垂直方向上激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)與另兩種探測(cè)設(shè)備觀測(cè)數(shù)據(jù)一致性的波動(dòng)情況，在特定高度上進(jìn)一步評(píng)估激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

從比對(duì)結(jié)果可以看出，不論哪種天氣條件下，風(fēng)向的CC均優(yōu)于風(fēng)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(fēng)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(fēng)向風(fēng)速一致性最優(yōu)和最差值對(duì)應(yīng)出現(xiàn)在相同高度。不同天氣條件下風(fēng)向風(fēng)速一致性隨著高度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，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(cè)風(fēng)雷達(dá)信號(hào)衰減有關(guān)。3種天氣條件下CC平均值風(fēng)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(fēng)速劣于風(fēng)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(biāo)準(zhǔn)差可以看出激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)性較好，在低層激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)與氣象觀測(cè)梯度塔風(fēng)杯風(fēng)向風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差的偏差較小，在高層激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)與風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)向風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差的偏差也較小。

4 應(yīng)用個(gè)例分析

根據(jù)環(huán)境氣象預(yù)報(bào)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(chǎng)控制能見度差，有霾，氣象條件對(duì)污染物擴(kuò)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(chǎng)再度減弱，氣象條件不利于污染物擴(kuò)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(cè)風(fēng)雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果可以看出，16日，雷達(dá)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(fēng)速超過6 m/s，探測(cè)高度可達(dá)1.1 km，雷達(dá)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(fēng)速減小，0.6 km高度以下水平風(fēng)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(kuò)散，最大探測(cè)高度呈先降低后增長的日變化趨勢(shì)，中午最低至0.7 km，相較最大風(fēng)速出現(xiàn)時(shí)間略有滯后性，至18日凌晨探測(cè)高度再次達(dá)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(shì)力很弱，地面因受太行山地形阻擋作用，風(fēng)速較小，冷空氣對(duì)污染物的擴(kuò)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(kuò)散。隨著污染物濃度的升高，激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)探測(cè)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(duì)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(fēng)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(fēng)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(kuò)散、稀釋，由于前期污染物積累較為嚴(yán)重，探測(cè)高度的增加仍較最大風(fēng)速出現(xiàn)時(shí)間有一定的滯后，說明空氣質(zhì)量的改善較最大風(fēng)速出現(xiàn)時(shí)間也有一定的滯后。但由于弱冷空氣強(qiáng)度有限，19日午后，受山谷風(fēng)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(kuò)散條件再次轉(zhuǎn)差，污染出現(xiàn)反彈。最大探測(cè)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(fēng)，空氣質(zhì)量逐漸轉(zhuǎn)好。

通過此次激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)在污染天氣條件下的探測(cè)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(duì)激光有衰減作用，污染物濃度對(duì)探測(cè)高度影響較為嚴(yán)重；在太行山地區(qū)偏南風(fēng)不利于污染物擴(kuò)散，偏北風(fēng)有利于污染物擴(kuò)散；地形風(fēng)對(duì)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(kuò)散的氣象條件為較大風(fēng)速偏北風(fēng)之后且存在一定的滯后性。

5 結(jié)束語

文章通過對(duì)激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)與風(fēng)廓線雷達(dá)和氣象觀測(cè)塔觀測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比評(píng)估， 結(jié)果表明激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)與氣象觀測(cè)梯度塔和風(fēng)廓線雷達(dá)的水平風(fēng)向風(fēng)速測(cè)量結(jié)果有較好的一致性，并且風(fēng)向一致性優(yōu)于風(fēng)速一致性；激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)性較好，與氣象觀測(cè)梯度塔和風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)向風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差的偏差較??；不同天氣條件下風(fēng)向風(fēng)速一致性隨著高度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，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(cè)風(fēng)雷達(dá)信號(hào)衰減有關(guān)；同時(shí)重污染天氣過程中空氣中的大顆粒氣溶膠粒子對(duì)激光有衰減作用，但激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)探測(cè)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(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)探測(cè)領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。