三個激光測風(fēng)雷達(dá)與探空測風(fēng)對比分析

徐寧 魯奕岑* 劉熔熔 張姍姍 王俊驕

（1.浙江省氣象信息網(wǎng)絡(luò)中心 浙江省杭州市 310000）

（2.杭州市氣象局杭州國家基準(zhǔn)氣候站 浙江省杭州市 310008）

1 引言

風(fēng)作為一種重要的天氣參數(shù)，對天氣預(yù)警預(yù)報。氣象防災(zāi)減災(zāi)、氣候監(jiān)測、航空航天等很多領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用價值.通過分析連續(xù)的風(fēng)場資料可以得出相應(yīng)的大氣流場特征，底層大氣流場變化與降水過程的觸發(fā)和發(fā)展有著密切的聯(lián)系。目前，氣象部門探測地面風(fēng)場主要利用自動站的機(jī)械風(fēng)杯和風(fēng)桿，對于高空大氣，則主要通過探空儀、風(fēng)廓線雷達(dá)、測風(fēng)激光雷達(dá)等遙感設(shè)備。傳統(tǒng)的大氣風(fēng)場觀測，地面主要依靠氣象站網(wǎng)的風(fēng)觀測；而高空大氣風(fēng)場則依靠無線電探空系統(tǒng)，這是現(xiàn)今應(yīng)用最廣泛，可以提供風(fēng)場垂直剖面的常規(guī)高空探測業(yè)務(wù)系統(tǒng)。但是高空業(yè)務(wù)風(fēng)場探測的時空分辨率有限，常規(guī)觀測次數(shù)少，難于獲取更密時間連續(xù)的風(fēng)場數(shù)據(jù)，且由于氣球隨風(fēng)飄移，其測量數(shù)據(jù)的空間代表性也無法滿足界層三維氣象信息的需要；風(fēng)場觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度也不高，風(fēng)速誤差為±1m/s，風(fēng)向誤差為±10°。激光測風(fēng)雷達(dá)具有測量精度高、分辨率高、探測范圍廣、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，對晴空天氣的大氣探測具有顯著的作用。

本研究數(shù)據(jù)選取同一時間段下，同一觀測地點(diǎn)，對激光測風(fēng)雷達(dá)與探空資料開展對比分析工作。從設(shè)備穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)獲取率、準(zhǔn)確性三個方面分析三部雷達(dá)測風(fēng)數(shù)據(jù)與實(shí)際探空資料的差異。較為準(zhǔn)確的對三個廠家雷達(dá)的測風(fēng)能力進(jìn)行評估，為測風(fēng)雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和數(shù)值模式、日常預(yù)報分析、底層大氣實(shí)時監(jiān)測等提供更加詳盡的數(shù)據(jù)支撐。

2 設(shè)備簡介及探測原理

本次試驗采用杭州國家基準(zhǔn)氣候站綜合觀測基地的無線電探空與激光雷達(dá)進(jìn)行對比分析。三種激光雷達(dá)分別為佐格微系統(tǒng)有限公司、青島華航環(huán)境科技有責(zé)任公司，安徽藍(lán)盾光電子股份有限公司生產(chǎn)的。雷達(dá)位于杭州國家基準(zhǔn)氣候站業(yè)務(wù)樓頂，所在經(jīng)緯度為（30.23°N，120.16°E），海拔42.1m。三種激光測風(fēng)雷達(dá)均是通過激光器發(fā)射發(fā)射激光脈沖，經(jīng)擴(kuò)大后進(jìn)入大氣，大氣中的粒子對激光產(chǎn)生米散射，其中方向為180°的散射光（后向散射）被望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)接收，由探測系統(tǒng)將探測到的回波信號產(chǎn)生的多普勒頻移進(jìn)行測量，通過分析這些測量信息直接得到高時空分辨率、高精度的實(shí)時風(fēng)場數(shù)據(jù)。具體參數(shù)如表1 所示。

表1 ：三種激光測風(fēng)雷達(dá)主要參數(shù)

無線電探空儀是常規(guī)氣象探測儀器，杭州國家基準(zhǔn)氣候站使用 L 波段無線電探空儀。其原理是利用測風(fēng)雷達(dá)跟蹤自由上升氣球，依據(jù)氣球的水平運(yùn)動分量隨風(fēng)向和風(fēng)速而改變的原理測量高空風(fēng)。通過跟蹤自由上升氣球攜帶的探空儀在空間的移動軌跡，測風(fēng)雷達(dá)對其進(jìn)行定位，從而測得每分鐘探空儀相對雷達(dá)的方位角、仰角和斜距；利用2 個計算分鐘點(diǎn)的測距和測角數(shù)據(jù)，計算出2 個計算分鐘點(diǎn)中間時刻的水平風(fēng)向和平均風(fēng)速。規(guī)定高度層矢量風(fēng)的計算方法為先從探空溫度、氣壓、濕度記錄的時間—高度曲線上查算其所對應(yīng)的探測時間，將與其相鄰的上、下2 個量得風(fēng)層內(nèi)插，通過計算得到規(guī)定高度的水平風(fēng)向以及平均風(fēng)速。無線電探空儀測風(fēng)采用氣球作為示蹤物，根據(jù)一段時間內(nèi)氣球飄移的距離計算水平風(fēng)。

3 數(shù)據(jù)對比分析

激光測風(fēng)數(shù)據(jù)選取2021年4月26日19 時至5月16日19 時垂直高度上的風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)。探空數(shù)據(jù)選取對應(yīng)時間段01 時、07 時、19 時垂直高度上的風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)。

3.1 設(shè)備的穩(wěn)定性

4月26日至5月16日期間，以探空數(shù)據(jù)測量時段作為基準(zhǔn)，選取探空球觀測開始時間后第5 分鐘的分鐘數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取率統(tǒng)計。測試期間，因華航測風(fēng)雷達(dá)5月4日上午7:29 開始數(shù)據(jù)缺測，經(jīng)過綜合判別，認(rèn)定為通訊和軟件出故障，維修后8 號、10 號、13 號有部分?jǐn)?shù)據(jù)，其余天數(shù)仍缺測。佐格測風(fēng)雷達(dá)應(yīng)測61 次，實(shí)測57 次，設(shè)備數(shù)據(jù)時次獲取率為93.44%，設(shè)備按照自設(shè)置分鐘觀測數(shù)據(jù)，應(yīng)測28860 次，實(shí)測27952 次，分鐘數(shù)據(jù)獲取率為96.85%；藍(lán)盾測風(fēng)雷達(dá)應(yīng)測61 次，實(shí)測61 次，設(shè)備數(shù)據(jù)時次獲取率為100%，分鐘數(shù)據(jù)獲取率為100%；華航測風(fēng)雷達(dá)應(yīng)測61 次，實(shí)測28 次，設(shè)備數(shù)據(jù)時次獲取率為45.90%，分鐘數(shù)據(jù)獲取率為52.97%。在設(shè)備穩(wěn)定性方面，藍(lán)盾測風(fēng)雷達(dá)設(shè)備的穩(wěn)定性最高，其次為佐格，華航測風(fēng)雷達(dá)設(shè)備穩(wěn)定性最低。

3.2 數(shù)據(jù)獲取率

按照探空觀測時間后第5 分鐘開始，對三種測風(fēng)雷達(dá)在不同高度上的分鐘數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取率統(tǒng)計如圖1 所示，佐格測風(fēng)雷達(dá)探測最大高度3200m，平均探測高度為2267.5m。300m 以下高度數(shù)據(jù)獲取率在95%以上，2950m及以下高度數(shù)據(jù)獲取率在50%以上，3200m 高度數(shù)據(jù)獲取率為40.4%；藍(lán)盾測風(fēng)雷達(dá)探測最大高度為3045m，平均探測高度為2234.3m。400m 及以下高度數(shù)據(jù)獲取率在95%以上，2700m 及以下高度數(shù)據(jù)獲取率在50%以上，3000m高度數(shù)據(jù)獲取率為42.6%；華航測風(fēng)雷達(dá)探測最大高度為1820m，平均探測高度為1212.8m。100-650m 高度數(shù)據(jù)獲取率在95%以上，1300m 及以下高度數(shù)據(jù)獲取率在50%以上，1600m 高度以上數(shù)據(jù)獲取率不足10%。

圖1 ：三種測風(fēng)雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取率的比較

因激光測風(fēng)雷達(dá)工作環(huán)境對天氣要求較高，測試期間，針對下雨等天氣環(huán)境較惡劣的情況，進(jìn)行了三種雷達(dá)探測高度進(jìn)行了統(tǒng)計，按照探空球觀測開始分鐘起的10 分鐘數(shù)據(jù)作為實(shí)際探測平均高度，測風(fēng)雷達(dá)為對應(yīng)分鐘數(shù)據(jù)的平均探測高度。例如探空球觀測開始時間為07 時15 分，則選取07 時15 分至07 時24 分作為探測平均高度，下雨期間特殊時次進(jìn)行了三種雷達(dá)探測高度進(jìn)行了統(tǒng)計，如表2 所示。

表2 ：下雨期間特殊時次三種雷達(dá)探測高度對比

數(shù)據(jù)獲取率方面，三種測風(fēng)雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取率隨著探測高度的上升，數(shù)據(jù)獲取率逐漸降低。探測高度300m 在以下時，三種測風(fēng)雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取率均在95%以上；在探測高度600m至1800m 時，三種測風(fēng)雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取率均有減小的趨勢，藍(lán)盾和佐格的平均數(shù)據(jù)獲取率分別為80.2%，74.6%，華航在此探測高度，數(shù)據(jù)獲取率有明顯的遞減趨勢，平均數(shù)據(jù)獲取率僅為55.0%，1600m 高度以上數(shù)據(jù)獲取率不足10%；1800m 以上，藍(lán)盾平均數(shù)據(jù)獲取率為48.4%要小于佐格平均獲取率58.5%，華航數(shù)據(jù)獲取率為0%。

整體上，佐格測風(fēng)雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取率最好，探測高度更高，藍(lán)盾次之，華航測風(fēng)雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取率最低，但是佐格測風(fēng)雷達(dá)在雨天表現(xiàn)不穩(wěn)定，4 個缺測時次都在雨天，而藍(lán)盾測風(fēng)雷達(dá)在雨天表現(xiàn)最好。

3.3 數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性

選取了在4月26日至5月3日及5月12日期間共25個時次、1700m 以下高度，進(jìn)行風(fēng)向、風(fēng)速比對如圖2 所示。三個測風(fēng)雷達(dá)與探空風(fēng)速相比，佐格的平均風(fēng)速差值為0.90m/s，藍(lán)盾的平均風(fēng)速差值為1.04m/s，華航的平均風(fēng)速差值為0.91m/s，平均風(fēng)速差值較為接近，探測高度越高，三個測風(fēng)雷達(dá)與探空風(fēng)速平均差都略有減小，佐格與華航的平均風(fēng)速測值更接近于探空風(fēng)速值。與探空風(fēng)向?qū)Ρ?，佐格的平均風(fēng)向差值為15.3°，藍(lán)盾的平均風(fēng)向差值為41.8°，華航的平均風(fēng)向差值為12.5°，探測高度越高，其中佐格、華航測風(fēng)雷達(dá)與探空風(fēng)向平均差有都減小，而藍(lán)盾探空風(fēng)向平均差值沒有減小，在50m 至250m 高度，藍(lán)盾探空風(fēng)向平均差值隨高度增大，差值也增大。在風(fēng)向上，華航的風(fēng)向測值更接近于探空風(fēng)速值，佐格次之，藍(lán)盾的差值相對較大。

圖2 ：三個測風(fēng)雷達(dá)與探空風(fēng)速平均差值對比

4月26日至5月10日探測期間佐格與藍(lán)盾測風(fēng)雷達(dá)的探測平均高度在2600m左右，而華航測風(fēng)雷達(dá)探測高度受限。選取這一時段內(nèi)探空放球后的第5 分鐘與第10 分鐘的雷達(dá)測風(fēng)數(shù)據(jù)分別與探空數(shù)據(jù)進(jìn)行了進(jìn)一步的比較，共有43 個時次可比對，比對高度為50 至3000m，對風(fēng)向過北的數(shù)據(jù)進(jìn)行了訂正處理，結(jié)果如圖3 所示：

圖3 ：同一探測高度，佐格、藍(lán)盾測風(fēng)雷達(dá)與探空數(shù)據(jù)風(fēng)速均差對比（a,b,c,d）

佐格測風(fēng)雷達(dá)在探空開始觀測后第5 分鐘、第10 分鐘數(shù)據(jù)與探空測風(fēng)數(shù)據(jù)對比分析如圖3 中a，c 所示。

佐格第5 分鐘風(fēng)速比探空風(fēng)速平均差值介于0.6 ～1.2m/s，平均數(shù)為0.9m/s，第10 分鐘風(fēng)速比探空風(fēng)速平均差值介于0.7 ～1.6m/s,平均數(shù)為1.0m/s；佐格第5 分鐘風(fēng)向比探空風(fēng)向平均差值介于12.4°～50.5°，平均數(shù)為30.3°，佐格第10 分鐘風(fēng)向比探空風(fēng)向平均差值介于12.8°～55.8°，平均數(shù)為34.2°。藍(lán)盾測風(fēng)雷達(dá)在探空開始觀測后第5 分鐘、第10分鐘數(shù)據(jù)與探空測風(fēng)數(shù)據(jù)對比分析如圖2 中b，d 所示: 藍(lán)盾第5 分鐘風(fēng)速比探空風(fēng)速平均差值介于0.6 ～1.2m/s，平均數(shù)為1.0m/s，藍(lán)盾第10 分鐘風(fēng)速比探空風(fēng)速平均差值介于0.8 ～1.5m/s,平均數(shù)為1.1m/s；藍(lán)盾第5 分鐘風(fēng)向比探空風(fēng)向平均差值介于37.5°～75.5°，平均數(shù)為54.7°，藍(lán)盾第10 分鐘風(fēng)向比探空風(fēng)向平均差值介于41.5°～77.7°，平均數(shù)為55.0°。兩個測風(fēng)雷達(dá)均是第5 分鐘的測風(fēng)數(shù)據(jù)更接近于探空數(shù)據(jù)。

為進(jìn)一步分析三個測風(fēng)雷達(dá)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，隨機(jī)選取測試期間不同時段下的個例進(jìn)行分析如圖4 所示。

從圖4 分析可見，測風(fēng)雷達(dá)與探空風(fēng)速廓線相關(guān)性均在0.9 以上，說明三個測風(fēng)雷達(dá)風(fēng)速廓線的整體吻合度非常高，但測風(fēng)雷達(dá)在探測高度1000m 到2000m 左右時，風(fēng)速波動比較大，分析可能原因是隨著傳播距離的增加，激光信號在空氣中衰減增大，回波信號的信噪比降低，在進(jìn)行信號處理時，存在一定的誤差，導(dǎo)致測風(fēng)雷達(dá)探測的風(fēng)速波動較大，當(dāng)激光繼續(xù)向上傳播時，由于云層的影響，氣溶膠和大氣中的粒子的濃度增加，后向散射強(qiáng)度又增強(qiáng)，使得回波信號的信噪比有變高了。探空風(fēng)向廓線上，華航與佐格與探空風(fēng)向廓線一致較高，而藍(lán)盾在形態(tài)上與探空風(fēng)向廓線一致，但是風(fēng)向數(shù)值上相差較大。

圖4 ：測風(fēng)雷達(dá)與探空數(shù)據(jù)風(fēng)速廓線對比個例圖

4 結(jié)論

本文選取同一時間段，同一觀測地點(diǎn)，對三種激光測風(fēng)雷達(dá)與探空資料開展對比分析。以探空數(shù)據(jù)測量作為基準(zhǔn)，從設(shè)備穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)獲取率、準(zhǔn)確性三個方面分析三部雷達(dá)測風(fēng)數(shù)據(jù)與實(shí)際探空資料的差異，得出以下結(jié)論：

（1）設(shè)備穩(wěn)定性上，與探空氣象對應(yīng)時次有佐格測風(fēng)雷達(dá)應(yīng)測61 次，實(shí)測57 次，藍(lán)盾測風(fēng)雷達(dá)應(yīng)測61 次，實(shí)測61 次，華航測風(fēng)雷達(dá)應(yīng)測61 次，因軟件故障，實(shí)測只有28 次。藍(lán)盾測風(fēng)雷達(dá)設(shè)備的穩(wěn)定性最高，其次為佐格，華航測風(fēng)雷達(dá)設(shè)備穩(wěn)定性最低。

（2）數(shù)據(jù)獲取率上，佐格測風(fēng)雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取率最好，探測高度更高，藍(lán)盾次之，華航測風(fēng)雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取率最低，但是佐格測風(fēng)雷達(dá)在雨天表現(xiàn)不穩(wěn)定，4 個缺測時次都在雨天，而藍(lán)盾測風(fēng)雷達(dá)在雨天表現(xiàn)最好。

（3）數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性上1700m 以下，三個測風(fēng)雷達(dá)隨探測高度的增加與探空風(fēng)速對比，平均差值都略有減小，佐格與華航的平均風(fēng)速測值更接近于探空風(fēng)速值，藍(lán)盾次之，與探空風(fēng)向?qū)Ρ?，其中佐格、華航測風(fēng)雷達(dá)與探空風(fēng)向平均差有都減小，而藍(lán)盾探空風(fēng)向平均差值沒有減小，在50m 至250m 高度，藍(lán)盾探空風(fēng)向平均差值隨高度增大，差值也增大，平均差值介于40°左右。在1700m 以上，因華航測風(fēng)雷達(dá)儀器探測高度受限，進(jìn)一步的比較佐格與藍(lán)盾第5 分鐘和第10 分鐘風(fēng)速，風(fēng)向數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，發(fā)現(xiàn)兩個測風(fēng)雷達(dá)均是第5 分鐘的平均測風(fēng)數(shù)據(jù)更接近于探空數(shù)據(jù)，平均差值介于0.6 ～1.2m/s，佐格測風(fēng)雷達(dá)風(fēng)向更接探空風(fēng)向數(shù)據(jù)。

（4）三個激光測風(fēng)雷達(dá)風(fēng)速廓線與探空風(fēng)速廓線在整體上吻合度非常高，但在探測高度1000m 到2000m 左右時，測風(fēng)雷達(dá)風(fēng)速波動比較大，具體原因還需要通過大氣氣溶膠能見度廓線進(jìn)行驗證；風(fēng)向廓線中，華航與佐格與探空風(fēng)向廓線一致較高，藍(lán)盾在形態(tài)上與探空風(fēng)向廓線一致，但是風(fēng)向數(shù)值上相差較大。