張志堅，張靜，伍光勝，高瑞泉

(1.廣州市突發(fā)事件預警信息發(fā)布中心，廣東 廣州 511430；2.廣州市氣象臺，廣東 廣州 511430；3.深圳市國家氣候觀象臺，廣東 深圳 518040)

1 引 言

隨著城市化的發(fā)展，人口和經(jīng)濟向超大城市聚集，超大城市人類活動對氣候的影響顯著增強，城市發(fā)展帶來氣象環(huán)境結構變化，致使氣象災害頻發(fā)，災害性天氣對大城市的影響有連鎖效應和放大效應[1-4]。在此背景下中國氣象局提出了超大城市綜合氣象觀測試驗，為研究超大規(guī)模城市的氣候特征而開展精細化大城市綜合氣象監(jiān)測。2019年5月，廣州超大城市綜合氣象觀測試驗增強觀測正式啟動，目的是在典型天氣過程獲取溫、濕、風、水凝物、氣溶膠垂直分布資料，揭示大城市的大氣垂直結構特征以及超大城市及城市群對氣象環(huán)境、尤其是大氣邊界層的影響。觀測試驗中垂直風廓線要素觀測使用WindPrint S4000相干多普勒測風激光雷達，但該型號測風激光雷達在華南氣候條件下的探測性能和數(shù)據(jù)準確性尚不清楚，需要進行對比驗證和評估分析。

測風激光雷達從初始研究至投入行業(yè)應用先后經(jīng)歷了三個階段[5-7]。第一階段是1970—1990年，測風激光雷達主要是采用10μm波段CO2激光器，具有波速穩(wěn)定、輸出功率大等優(yōu)點，但設備體積大、價格高。Huffaker等[8-9]于1970年建立了第一臺連續(xù)相干測風激光雷達并可以測量距離為35 m處的徑向風速。Schwiesow等[10]于1981年使用機載激光雷達觀測海上龍卷風并獲取了徑向風速廓線分布資料。第二階段是1990—2000年，該階段的測風激光雷達主要是采用2μm波段固體激光器，優(yōu)點是光束質(zhì)量好、壽命長，但因其功耗高和波段的水汽吸收大等缺點，行業(yè)推廣應用受限。美國CTI公司[11]于1992年研制出2μm二極管泵浦全固化相干多普勒激光測風雷達WindTracer并實現(xiàn)遠距離測風，經(jīng)改良后在航空行業(yè)應用。第三階段是2000年以后，測風激光雷達多采用光纖激光器，具有穩(wěn)定性強、光束質(zhì)量好、體積小、功耗低等優(yōu)點，測風激光雷達發(fā)展和應用水平取得較大提升。英國Nature Power公司[12]研發(fā)出全光纖連續(xù)激光多普勒測風雷達(ZephIR)，可用于低空風廓線觀測。國內(nèi)外相關學者和單位在測風激光雷達發(fā)展過程中做了大量的研究工作。國內(nèi)從事相干多普勒測風激光雷達研究的單位有中國科學院上海光學精密機械研究所[13]、中國海洋大學[14-15]、中國科學技術大學[16-18]、哈爾濱工業(yè)大學[19-20]等。

在測風雷達觀測資料應用評估方面，馮力天等[21]利用自行研制的1.55μm全光纖測風激光雷達系統(tǒng)與測風塔上55 m和100 m高度的超聲波風速儀進行對比試驗，試驗結果顯示測風激光雷達的測量精度高、結果穩(wěn)定可靠。中國科學院大氣物理研究所與法國Leosphere公司[22]于2007年在北京的325 m氣象塔試驗場內(nèi)聯(lián)合開展Windcube型測風激光雷達外場試驗，試驗結果表明測風激光雷達與氣象塔6個高度層的風杯風速儀兩者的風向風速一致性好。

研究參考已有測風激光雷達[21-23]、風廓線雷達[24-28]等觀測資料對比評估方法，對測風激光雷達的探測性能和資料進行分析，為超大城市綜合氣象觀測試驗后期總結及設備科學組網(wǎng)提供參考依據(jù)。

2 資料及方法

2.1 觀測資料

觀測試驗中所用的相干多普勒測風激光雷達由山東青島華航環(huán)境科技有限責任公司生產(chǎn)，雷達基于激光信號和氣溶膠粒子相互作用產(chǎn)生的多普勒頻移效應測量氣溶膠粒子的運動速度和方向，從而反演大氣的風場信息。測風激光雷達主要觀測參數(shù)和技術指標如表1所示，激光波長為1 550 nm，50 m以下為探測盲區(qū)，單脈沖能量大于等于100μJ。設備觀測距離分辨率為30 m，徑向數(shù)據(jù)更新速率為0.25 Hz，掃描方式為DBS風廓線模式?？梢钥闯?，測風激光雷達具有探測靈敏度高、探測時間及空間精度高等優(yōu)勢。

表1 WindPrint S4000型相干多普勒測風激光雷達主要觀測參數(shù)

廣東深圳氣象梯度觀測塔[29]位于深圳市寶安區(qū)石巖綜合氣象觀測基地，塔高356 m，是亞洲第一高的桅桿結構，其中機械風觀測有13個梯度層。能見度資料來源于廣州市番禺區(qū)廣州市氣象監(jiān)測中心觀測基地，儀器型號為Belfort Model 6000，屬于前向散射式能見度儀。

選取2019年5—10月、2019年12月—2020年6月期間的觀測試驗資料對廣州市氣象監(jiān)測中心觀測基地的測風激光雷達的探測能力進行分析，資料時間分辨率為1 min；降水和能見度資料的時間分辨率均為5 min，測風激光雷達、能見度儀和雨量傳感器相互間的距離均不超過30 m。選取2019年11月6日—12月9日測風激光雷達和深圳氣象梯度塔(兩者距離不超過50 m)對比觀測的資料進行數(shù)據(jù)質(zhì)量評估，選取了50 m、100 m、150 m、200 m、250 m、300 m和350 m共7個高度層，資料時間分辨率為1 min。

2.2 數(shù)據(jù)處理

為更好對測風激光雷達資料進行評估，引入絕對誤差(式(1))、相對誤差(式(2))、標準差(式(3))、相關系數(shù)(式(4))、數(shù)據(jù)獲取率(式(5))等統(tǒng)計量。粗大誤差樣本的剔除方法采用萊因達準則[30](式(6))，將絕對誤差大于三倍標準差的樣本剔除。

式中，εi為樣本絕對誤差；X i為測風激光雷達樣本值；Y i為參考儀器樣本值。

式中，μ為相對誤差。

式中，δ為絕對誤差標準差。

式中，r為皮爾遜相關系數(shù)。

式中，E為數(shù)據(jù)獲取率，C為資料實到次數(shù)，Ctotal為資料應到次數(shù)。

3 探測能力分析

3.1 最大有效探測高度分析

選取晴天(2019年8月7日08:00—18:00)(北京時間，下同)、陰天(2020年2月25日06:00—16:00)、降水(2019年6月10日12:00—22:00)和有霧(2020年3月21日00:30—11:30)的個例，繪制逐半小時平均風廓線產(chǎn)品(圖1)。晴天條件下探測高度最高，陰天條件下探測高度受到一定影響，出現(xiàn)降水時探測高度迅速下降至0.25 km以下，有霧條件下探測高度也明顯受限。

圖1 晴天(a)、陰天(b)、降水(c)、霧天(d)下的測風激光雷達半小時風廓線產(chǎn)品

按晴天(云量小于20%)、陰天(云量大于80%)、降水、霧天四種不同天氣現(xiàn)象對測風激光雷達逐時次最大有效探測高度進行統(tǒng)計分析(圖2)。晴天條件下測風激光雷達的平均最大有效探測高度為1.174 km，最大有效探測高度分布在0.85～1.60 km的樣本比例為79.93%。與晴天條件相比，陰天條件下最大有效探測高度小于1 km的樣本比例增加了35.92%，平均最大有效探測高度為0.889 km，比晴天條件下的平均最大有效探測高度小0.285 km。降水條件下，小于0.6 km的最大有效探測高度樣本占比為91.29%，最大有效探測高度在0.05～0.30 km的樣本比例為63.8%，平均最大有效探測高度為0.323 km，降水條件下最大有效探測高度急劇下降。與其他三種條件相比，有霧條件下的平均最大有效探測高度最小，平均最大有效探測高度只有0.209 km，且最大有效探測高度樣本集中分布在0.05～0.30 km高度區(qū)間，占比為88.81%。

圖2 晴天(a)、陰天(b)、降水(c)、霧天(d)下的測風激光雷達最大有效探測高度頻率分布圖

由于測風激光雷達使用1 550 nm波長的激光作為發(fā)射信號，該波長屬于紅外波段，水對這一波段的光有強吸收作用，在霧天或者降水條件下，空中的降水粒子、霧的細微水滴會吸收激光波束能量造成信號衰減；此外，測風激光雷達信號發(fā)射光窗上會形成水膜吸收部分發(fā)射信號能量，因此霧和降水現(xiàn)象致使測風激光雷達最大有效探測高度急劇下降。

分析5 min雨強大小與平均最大有效探測高度(按雨強大小對最大有效探測高度做平均處理)、霧天能見度大小與最大有效探測高度的關系(圖3)。降水條件下，最大有效探測高度迅速下降至0.5 km以下，5 min雨強與平均最大有效探測高度呈負相關關系，雨強每增加1 mm/(5 min)，平均最大有效探測高度下降0.028 km。霧天的能見度則與最大有效探測高度呈正相關關系，能見度每增加1 km，最大有效探測高度上升0.028 km。

圖3 5 min雨強(a)、能見度(b)與最大有效探測高度關系

對陰天條件下激光云高儀在不同日期同一時次觀測的最低云層進行云底高度和云頂高度平均統(tǒng)計，統(tǒng)計的分布數(shù)據(jù)如圖4所示，云層主要分布在離地面0.35～1.60 km高度，平均云底高度為0.713 km，平均云頂高為1.011 km，平均云層厚度為0.298 km。由于陰天條件下云量比較多，最低云層的垂直高度分布區(qū)間與測風雷達可探測高度區(qū)間重合度大，云層含有大量的小水滴，液態(tài)水會吸收雷達激光信號部分波束能量，削弱激光信號對云層穿透能力，使得探測高度下降。

圖4 陰天條件下最低云層平均高度隨時間分布圖

3.2 數(shù)據(jù)獲取率統(tǒng)計

為定量評估測風激光雷達觀測資料的獲取情況，按不同天氣現(xiàn)象對不同探測高度的數(shù)據(jù)獲取率進行統(tǒng)計分析(圖5)。晴天條件下，數(shù)據(jù)獲取率超過90%的探測高度區(qū)間在0.052～0.800 km，數(shù)據(jù)獲取率在0.8～1.6 km高度快速下降，2 km高度處的數(shù)據(jù)獲取率僅有1.43%。陰天條件下，數(shù)據(jù)獲取率超過90%的探測區(qū)間分布在0.05～0.39 km，0.54～0.90 km高度的數(shù)據(jù)獲取率下降最快。降雨和有霧條件下，數(shù)據(jù)獲取率超過90%的最大高度均下降至0.13 km，且數(shù)據(jù)獲取率均在0.13～0.52 km高度快速下降，有霧條件下數(shù)據(jù)獲取率隨高度下降速度比降水條件下快，有霧和降水條件下0.52 km處的數(shù)據(jù)獲取率分別為0.63%、9.66%。

圖5 不同天氣現(xiàn)象下測風激光雷達數(shù)據(jù)獲取率隨高度分布

4 資料對比分析

4.1 匯總對比

圖6是深圳氣象梯度觀測塔和測風激光雷達的風速、風向?qū)Ρ壬Ⅻc圖，剔除異常樣本前，風速和風向數(shù)據(jù)均有310 248組，測風激光雷達和氣象梯度塔的風速、風向相關系數(shù)分別為0.95和0.96，兩者觀測結果的相關性較好；風速、風向的線性擬合判定系數(shù)R2分別為0.91和0.92，說明兩種設備觀測結果在回歸直線附近分布密集。

圖6 剔除異常樣本前風速(a)、風向(b)散點圖

風速平均絕對誤差為0.64 m/s，絕對誤差標準差為0.59 m/s，平均相對誤差為28.57%；風向平均絕對誤差為12.67°，絕對誤差標準差為19.49°，平均相對誤差為29.71%(表2)。

表2 剔除異常樣本前風速和風向誤差對比

從圖6b可見，風向?qū)Ρ壬Ⅻc在測風雷達風向值為180°附近出現(xiàn)聚集現(xiàn)象，形成一條明顯的風向偏離帶，統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，該現(xiàn)象主要發(fā)生在風速較小時段，梯度塔的風向標啟動受限，風向變化不規(guī)則。選取2019年11月23日300 m高度的氣象梯度塔和測風雷達的測風資料個例，繪制出風向、風速散點時序圖(圖7)可以看出，17—21時氣象梯度塔觀測到的風向變化不連續(xù)、隨機性大，大部分時次風速小于0.5 m/s；而測風雷達觀測的風向為持續(xù)偏南風，觀測的風速值在3～5 m/s。由于兩種測風設備的測風原理不同，接近靜風時，風向風速可對比性差，可將風速較小時段的觀測樣本看作異常樣本。

圖7 高度300 m的風向(a)、風速(b)時序散點圖

剔除(按萊因達準則)異常樣本后的風速、風向數(shù)據(jù)分別有303 446、303 313組，分別占原樣本數(shù)的97.80%和97.76%(圖8)，風速、風向相關系數(shù)分別提升至0.97、0.99，風速、風向的線性擬合判定系數(shù)R2分別為0.93、0.98。

圖8 剔除異常樣本后風速(a)、風向(b)散點圖

風速平均絕對誤差變?yōu)?.54 m/s，絕對誤差標準差為0.41 m/s，平均相對誤差變?yōu)?7.46%，風速相對誤差下降了11.11%。風向平均絕對誤差變?yōu)?.95°，絕對誤差標準差為8.60°，平均相對誤差變?yōu)?5.55%，風向相對誤差下降了4.16%(表3)。

表3 剔除異常樣本后的風速和風向誤差對比

4.2 不同高度對比

圖9是測風雷達和氣象梯度塔不同高度層的風速對比散點圖，兩者觀測的風速在各個高度層的相關性均較好，50 m、100 m、150 m、200 m、250 m、300 m和350 m高度層的風速相關系數(shù)分別為0.93、0.94、0.95、0.95、0.95、0.95和0.96。

圖9 高度50 m(a)、100 m(b)、150 m(c)、200 m(d)、250 m(e)、300 m(f)、350 m(g)上的風速散點圖

各高度層的風速誤差對比見表4，50～350 m高度層的樣本數(shù)分別為44 335組、44 413組、44 406組、44 401組、44 246組、44 231組和44 216組，平均絕對誤差在0.60～0.71 m/s，絕對誤差標準差在0.56～0.62 m/s，平均相對誤差最大、最小值為33.92%、24.52%，分別處于250 m和350 m高度層。

表4 不同高度的風速誤差對比

測風雷達和氣象梯度塔不同高度層的風向?qū)Ρ壬Ⅻc圖(圖10)，兩者風向相關性也較好，50 m、100 m、150 m、200 m、250 m、300 m和350 m高度的風向相關系數(shù)分別為0.97、0.96、0.95、0.96、0.95、0.95和0.96，測風激光雷達和氣象梯度塔的風向散點也在測風雷達風向值為180°附近出現(xiàn)風向偏離帶現(xiàn)象，200 m及以上高度層風向偏離帶現(xiàn)象更明顯。

圖10 高度50 m(a)、100 m(b)、150 m(c)、200 m(d)、250 m(e)、300 m(f)、350 m(g)上的風向散點圖

不同高度層的風向誤差對比見表5，平均絕對誤差范圍為10.98～14.56°，平均絕對誤差最小的是350 m層，最大的是150 m層。絕對誤差標準差范圍為18.11～22.80°，標準差最大的是50 m，最小的是150 m。平均相對誤差最大、最小值分別為34.86%、23.89%，分別為100 m和350 m。

表5 不同高度的風向偏差對比

4.3 不同風速值對比

以深圳氣象梯度觀測塔的風速值s作為參考，分0≤s＜4 m/s、4 m/s≤s＜8 m/s、8 m/s≤s＜12 m/s和s≥12 m/s共四個組別，樣本量分別有148 155組、136 674組、24 575組和844組(表6)，其相關系數(shù)分別為0.70、0.86、0.85和0.61，組別s≥12 m/s的相關性最小。平均絕對誤差隨著風速增大而增大，四個組別的平均絕對誤差分別為0.61 m/s、0.63 m/s、0.89 m/s和1.07 m/s。平均相對誤差則隨風速增大而減小，組別0≤s＜4 m/s的平均相對誤差最大，為47.65%，組別s≥12 m/s的平均相對誤差最小，為8.50%。組別0≤s＜4 m/s絕對誤差標準差最大，為0.66 m/s，最小的是組別s≥12 m/s，為0.43 m/s。

表6 不同風速值范圍的誤差分析

4.4 不同風向值對比

根據(jù)深圳氣象梯度觀測塔的風向觀測值d分北 風(d≥337．5°，0≤d＜22．5°)、東北風(22．5°≤d＜67．5°)、東風(67．5°≤d＜112．5°)、東南風(112．5°≤d＜157．5°)、南風(157．5°≤d＜202．5°)、西南風(202．5°≤d＜247．5°)、西風(247．5°≤d＜292．5°)和西北風(292．5°≤d＜337．5°)共8個方位風，8個方位風的樣本分別有52 703組、149 635組、37 584組、42 182組、8 661組、12 008組、3 604組和3 871組。相關系數(shù)分布如圖11a所示，北風的相關性最好，相關系數(shù)為0.99；西北風、西風和南風三個方位的相關性最差，相關系數(shù)分別為0.13、0.19和0.18，由于對比觀測試驗期間主導風向為北風，西北風、西風和南風三個方位的樣本較少，且試驗期間三個方位觀測的風速小導致風向變化不規(guī)則、偏差較大，相關系數(shù)需進一步評估分析。平均絕對誤差(圖11b)和絕對誤差標準差(圖11c)的分布相類似，北風、東北風的平均絕對誤差、絕對誤差標準差相對較小，平均絕對誤差分別為8.22°、10.99°，絕對誤差標準差分別為11.32°、10.2°；南風、西北風的平均絕對誤差、絕對誤差標準差相對較大，平均絕對誤差分別為38.69°、33.42°，絕對誤差標準差分別為56.64°、47.91°。平均相對誤差較小的是西南風、西風和東南風，分別為7.38%、9.05%和9.62%，平均相對誤差較大的是東北風和南風，分別為27.71%和21.47%。

圖11 不同風向范圍的相關系數(shù)(a)、平均絕對誤差(b)、絕對誤差標準差(c)、平均相對誤差(d)分布圖

5 結論與討論

研究分析了測風雷達在不同天氣條件下的最大探測高度、數(shù)據(jù)獲取率，得出其在不同天氣條件下探測性能的表現(xiàn)，進而按匯總、不同高度、不同觀測值范圍與深圳氣象梯度觀測塔不同觀測高度的測風資料進行對比，探討測風雷達觀測結果的準確性，從而為超大城市垂直測風設備布網(wǎng)建設提供參考依據(jù)。

(1)晴天、陰天、降水和霧天條件下的平均最大探測高度分別為1.174 km、0.889 km、0.323 km和0.209 km，降水和霧天條件下的平均最大探測高度只有晴天條件的0.27倍和0.18倍；數(shù)據(jù)獲取率隨高度下降速度最快的是霧天條件，其次分別是降水、陰天和晴天條件，雨天和霧天條件對測風雷達垂直探測影響最大。

(2)測風雷達與氣象梯度塔的測風結果一致性較好，剔除異常樣本后的風速、風向相關系數(shù)分別為0.96和0.99，風速、風向平均絕對誤差分別為0.54 m/s和9.95°，平均相對誤差分別為17.46%、25.55%。

(3)測風雷達與氣象梯度塔在不同高度層測風結果相關性也較好，不同高度層的風速、風向相關系數(shù)均大于等于0.93，風速絕對誤差的標準差不超過0.81 m/s，風向標準差不超過25.28°。

測風激光雷達具有超高時空分辨率、測量精準度高等優(yōu)勢，可有效彌補垂直風廓線雷達探測盲區(qū)以及風廓線雷達低層測風結果偏差大、精度不高等不足，但測風激光雷達最大有效探測高度和數(shù)據(jù)有效率受降雨和霧影響較大，探測能力受到一定限制，因此，測風激光雷達和垂直風廓線雷達聯(lián)合探測可發(fā)揮各自優(yōu)勢。此外，測風激光雷達設備體積小、便攜性好，可用于對低空風場有特定需求的大型體育賽事、文藝演出、煙火晚會等重大活動現(xiàn)場及其他用途的風場監(jiān)測。

本研究僅對測風激光雷達350 m以下的觀測資料進行了對比分析，350 m以上的測風結果準確性尚未分析，需聯(lián)合其他參考資料進行評估。由于測風激光雷達與深圳氣象梯度觀測塔開展對比觀測時為冬季，天氣狀況平穩(wěn)、主導風向單一、對比觀測時間段不長等因素導致分析結果存在一定的局限性。因此，本研究所得出的結論尚不全面，上述存在的問題還需采用更多的綜合對比和驗證手段進行深入研究。再者，測風激光雷達在強對流、臺風等災害性天氣過程的測風數(shù)據(jù)準確性也值得深入分析。