測風激光雷達在青島低能見度天氣下的適用性

鄢 珅 時曉曚 傅 剛 陳清峰 李昱薇

1)(青島市黃島區氣象局, 青島 266400) 2)(青島市氣象局, 青島 266003) 3)(中國海洋大學海洋與大氣學院, 青島 266100) 4)(山東省氣象臺, 濟南 250031)

引 言

風是氣象學研究最重要的參數之一,低空風場的垂直分布不僅對天氣預報業務具有重大意義,同時也是評估風電場風能資源的關鍵要素[1]。常規近地層風廓線主要觀測手段為測風塔,其具有較高的穩定性和可靠性,但在復雜地形下布設成本較高[1-2]。因此,隨著科技水平的不斷提高其他大氣風場探測手段應運而生[3-5]。

激光雷達是結合傳統雷達技術、光學激光技術和信息處理技術于一體的新型光學遙感手段,多普勒相干測風激光雷達是利用激光為探測物質,將大氣中的氣溶膠粒子作為探測目標,以相干檢測作為鑒頻手段的一種遙測大氣風場信息的主動探測設備[6]。測風激光雷達通常由激光發射系統、光學接收系統和信號采集處理系統組成,發射系統向大氣發射的激光在大氣中與氣溶膠等粒子相互作用,攜帶多普勒頻移信息進入光學接收系統與本振光進行拍頻,平衡探測器接收拍頻后的信號,由信號采集處理系統完成信號轉換和徑向風速反演[7]。近年測風激光雷達憑借其測量精度高、分辨率高、響應速度快等特點發展迅速,被廣泛應用于各領域[8-10]。

對測風激光雷達探測能力的評估研究主要通過與其他風場監測手段對比,初步驗證其在低空采集數據的可靠性[11-14]。受激光性能的局限,天氣現象對雷達測風性能必定產生影響。范琪等[15]對比晴天、陰天、霧/霾天和雨天4種天氣類型下測風激光雷達和風廓線雷達與探空氣球風場探測的相關性,發現測風激光雷達探測精度按晴、陰、霧/霾天依次降低,雨天風場探測受降水影響衰減嚴重。陳泉等[16]關注降雨強度對于激光雷達探測垂直風速精度的影響,發現其垂直風速誤差隨著降雨強度的增大而變大。張志堅等[17]研究不同天氣條件下激光雷達的最大探測高度、數據獲取率,發現雨天和霧天條件對測風雷達垂直探測影響最大。史文浩等[18]研究測風激光雷達在臺風影響下的適用性和觀測精度,認為測風激光雷達對于臺風邊界層風場探測的數據具有較高可信度。趙文凱等[19]計算晴天、陰天和雨天測風激光雷達和探空氣球風場數據的相關系數和平均偏差,發現不良天氣會對其探測性能造成較大影響,其中雨天影響最大。

測風激光雷達雨天風場探測受降水影響衰減嚴重,低能見度的霧、霾天氣也影響其探測能力。能見度作為一種氣象光學視程,是常規氣象觀測項目之一,低能見度天氣會對高速公路、輪渡、民航等交通出行產生重要影響[20]。霧和霾是兩種最為常見的低能見度天氣現象,霧是由于空氣中懸浮著的大量水滴或冰晶微粒使水平能見度降低的天氣現象[21],霾則是由于均勻浮游在空中大量極細微的干塵粒等使水平能見度降低的空氣普遍渾濁現象[22],兩者雖均為視程障礙物,但所含的水汽和氣溶膠粒子相差甚大,因此對測風激光雷達探測能力的影響也存在差異。我國沿海地區和海上具有豐富的風能,是開發利用風能資源的重點區域,青島位于我國黃海西部沿岸,黃海是我國近海海霧發生最頻繁的海域[23],低能見度天氣發生頻繁,且與內陸地區相比存在差異。因此,針對青島地區測風激光雷達在低能見度天氣下的探測性能開展對比分析,既能夠完善測風激光雷達在復雜條件下的探測性能研究,又能夠為低能見度天氣下黃海海上風場觀測業務提供參考。本文利用2021年4月—2022年12月測風激光雷達觀測數據,以L波段探空系統風場數據為參考,分析測風激光雷達在不同能見度和相對濕度條件下的探測能力,重點關注霧天和霾天的探測能力,以期為后續測風激光雷達的相關技術研究和業務應用提供參考。

1 數據和方法

1.1 多普勒測風激光雷達

本文使用的多普勒測風激光雷達置于青島國家基本氣象站觀測場內,能夠在大氣邊界層內對三維風場等參數進行連續探測,其激光波長為1.5 μm,徑向風速測量精度為0.1 m·s-1,徑向數據更新率約為1 s,徑向探測距離與大氣狀態相關,原則上可達45～6000 m。本文選用多普勒波束掃描模式,可在較短時間內完成掃描,通過獲取東、南、西、北4個方位角的徑向風速數據反演風廓線,在氣流不穩定的情況下也適用[14]。

1.2 L波段雷達探測系統

探空數據是探空儀跟隨探空氣球升空直接測量大氣狀態的數據,是目前準確度相對較高的大氣探測數據[24]。L波段雷達探測系統通過雷達跟蹤探空氣球實現測風,L波段雷達在地面發出詢問信號,探空氣球攜帶無線電回答器在高空發回回答信號,根據雷達測定探空氣球離探空站的距離、方位角、仰角和時間等信息,計算探空氣球的移動速度和方向,從而得到不同高度的水平風場信息[25]。根據L波段探空系統的探測原理可知其受干擾程度較小,因此常作為其他遙感設備的參考標準,對其他觀測數據進行評估校準[26]。青島國家基本氣象站每日01:15(北京時,下同)、07:15和19:15施放3次探空氣球,根據2021年4月—2022年12月每日施放探空氣球的時刻,挑選測風激光雷達不同高度的水平風速和風向數據,共篩選出1768次有效對比觀測,在剔除缺測數據及異常值點后,對其水平風速和水平風向觀測數據進行20 m等間隔高度的線性插值,確保二者在時間和空間上的統一。

1.3 風速與風向誤差對比方法

對水平風速、風向進行適用性分析檢驗時,采用測風激光雷達與L波段探空之間的絕對誤差(以下簡稱誤差)、均方根誤差和相關系數對比?？紤]到風向觀測范圍為0°～360°,0°和360°附近的風向數據會產生虛假誤差,為確保獲取測風激光雷達合理的風向誤差,對兩種風向數據進行如下處理[27-28]:

當WLi(i)-WLr(i)>180°,WLr(i)=WLr(i)+360°;當WLi(i)-WLr(i)<-180°,WLi(i)=WLi(i)+360°。其中,WLi(i)和WLr(i)分別為測風激光雷達和L波段探空觀測得到的第i組水平風向對比數據。

2 低能見度條件下測風激光雷達探測能力

圖1為0～30000 m和0～2000 m能見度條件下測風激光雷達最大探測高度的分布概率以及平均最大探測高度變化曲線。由圖1可知,當能見度低于1000 m時,測風激光雷達最大探測高度幾乎全部低于200 m,平均最大探測高度在能見度低于950 m時低于200 m,但在能見度為950～1000 m時增至800 m左右的高度。當能見度為1000～2000 m時,最大探測高度高于200 m 的概率明顯增加,平均最大探測高度在400～1000 m波動增長。當能見度為2000～4000 m時,最大探測高度低于200 m的概率逐步降低,同時最大探測高度在600～1400 m的概率逐步增加,平均最大探測高度則在800～1200 m波動增長。當能見度高于4000 m時,最大探測高度的概率高值區穩定在800 m以上,低于200 m的概率進一步降低,平均最大探測高度穩定在約1200 m。值得注意的是,能見度為7000～10000 m時,最大探測高度在1200～1400 m高度上仍存在概率大值區,當能見度高于10000 m時,最大探測高度達到1000 m以上的概率反而明顯減小,概率大值區對應的高度呈微弱下降趨勢,穩定在約1200 m高度。

圖1 0～30000 m(a)和0～2000 m(b)能見度條件下測風激光雷達最大探測高度分布概率(填色)和平均最大探測高度變化曲線(黑色實線)

圖2為水平風速和水平風向均方根誤差隨能見度變化。水平風速和風向的均方根誤差在能見度小于1000 m時出現高值,尤其是水平風速的均方根誤差在能見度小于1000 m時大部分位于約1.5 m·s-1,隨著能見度增加,穩定在1.5 m·s-1以下,在1.2 m·s-1上下波動。水平風向均方根誤差整體隨能見度變化的差異較小,整體在25°上下波動。

圖2 不同能見度條件下測風激光雷達水平風速和風向均方根誤差變化

霧和霾是造成大氣低能見度的主要天氣現象,兩者均為視程障礙物,但形成條件差異很大,常將造成視程惡化時空氣相對濕度的大小作為區分霧和霾的輔助判定條件[29-31],水汽含量差異對激光產生的衰減作用不同[32],同時霾天氣溶膠粒子含量的增加又有利于測風激光雷達精度的提高[33],測風激光雷達的探測能力受影響程度有差異,因此篩選出能見度小于10000 m的低能見度天氣,引入相對濕度參數進一步分析測風激光雷達在低能見度天氣下探測高度和精度的差異。圖3和圖4分別為能見度小于10000 m的低能見度天氣下,測風激光雷達的最大探測高度和水平風速、風向均方根誤差隨相對濕度的變化。由圖3可知,當相對濕度低于30%時,平均最大探測高度可達1800 m,且絕大部分探測時刻能達到1000 m以上高度。隨著相對濕度的增大,探測高度整體維持在約1200～1400 m高度,當相對濕度接近90%時,平均最大探測高度出現明顯下降趨勢,當相對濕度大于95%時,絕大部分探測高度低于400 m,當相對濕度達100%時,平均最大探測高度下降至300 m以下。當相對濕度低于45%時,水平風速、風向均方根誤差最小,分別保持在約0.5 m·s-1和12°。隨著相對濕度增加,風向均方根誤差未出現明顯變化,整體在15°～30°間波動。風速均方根誤差在相對濕度低于90%時圍繞1.0 m·s-1波動,當相對濕度增加到90%～95%時,均方根誤差增至1.5 m·s-1,當相對濕度達到100%時,均方根誤差最大可達2.0 m·s-1。

圖3 低能見度天氣下測風激光雷達最大探測高度分布概率(填色)和平均最大探測高度(黑色實線)隨相對濕度變化

圖4 低能見度天氣下測風激光雷達水平風速和風向均方根誤差隨相對濕度變化

3 低能見度天氣下測風激光雷達的適用性

以上分析可以看到,當能見度小于1000 m時,測風激光雷達的探測高度和精度明顯下降,當能見度為1000～10000 m時,其探測高度和精度隨相對濕度的變化存在較大差異,當相對濕度大于90%時探測高度下降,精度則在相對濕度大于95%時有所下降。為定量探究測風激光雷達在低能見度天氣下的適用性,按照上述能見度和相對濕度的變化臨界點,將低能見度天氣細化為4種情形:情形1,能見度低于1000 m,相應時刻的相對濕度均大于95%(符合霧天判別標準);情形2,能見度為1000～10000 m,相對濕度為95%～100%;情形3,能見度為1000～10000 m,相對濕度為90%～95%;情形4,能見度為1000～10000 m,相對濕度小于90%(符合霾天判別標準)。

圖5和圖6為不同情形下水平風速、風向的線性擬合分布,圖7為對應的水平風速、風向誤差和均方根誤差分布。由圖5～圖7可知,在能見度小于1000 m的霧天,即情形1,大氣能見度的降低主要是空氣中水汽含量的增加所導致,霧天對激光有嚴重衰減作用,此時激光測風雷達風速、風向的相關性最差,風速相關系數為0.91(達到0.001顯著性水平,下同),風向相關系數為0.94,同時誤差的分布也大于其他3種情形,風速誤差為-2～4 m·s-1,均方根誤差為1.4 m·s-1,風向誤差在-20°～120°,均方根誤差高達42.7°。

圖5 不同情形下水平風速散點及線性擬合分布

圖6 不同情形下水平風向散點及線性擬合分布

圖7 不同情形下測風激光雷達水平風速和風向誤差的概率密度分布

當能見度為1000～10000 m時,測風激光雷達的探測能力隨大氣水汽含量的變化存在差異。在相對濕度小于90%的霾天,即情形4,大氣中水汽含量較低,此時能見度的降低主要是大氣中氣溶膠粒子含量的增加所致,風速、風向與L波段探空系統的相關系數分別高達0.97和0.98,誤差分布較為集中,風速誤差對應的最大概率點接近于0,均方根誤差為1.1 m·s-1,風向誤差最大概率點接近于10°,均方根誤差為22.3°。隨著相對濕度的增大,風速相關系數有所降低,均方根誤差有所增大,而風向相關系數和均方根誤差均變化不大。當相對濕度為90%～95%時,即情形3,風速相關系數為0.96,均方根誤差為1.2 m·s-1,風向相關系數為0.96,均方根誤差為28.0°。當相對濕度大于95%時,即情形2,風速相關系數降低至0.94,均方根誤差增大至1.5 m·s-1,風向依舊保持較高精度,相關系數和均方根誤差分別為0.98和21.7°。

參考吳兌[34]建議的以90%為相對濕度閾值,再結合《霧的預報等級》和《霾的觀測和預報等級》相關規定,將相對濕度不小于90%且水平能見度小于1000 m的時刻定義為霧時刻(即情形1),將相對濕度小于90%且水平能見度小于10000 m的時刻定義為霾時刻(即情形4),并根據上述定義將連續時間不小于 30 min的霧和霾過程進行篩選,進一步驗證測風激光雷達在青島地區霧天和霾天探測能力隨高度的變化。圖8和圖9為測風激光雷達與L波段探空在霧、霾天氣下不同風力和風向的比例分布,其中風速按業務上常用的蒲福風級進行風力分級,風向則按照八分位法劃分。由于霧過程次數明顯低于霾過程,再加上有霧發生時測風激光雷達的探測距離和探測精度嚴重衰弱,因此霧過程整體樣本很少且均在750 m高度以下。霧天二者雖均以小于3級的偏南風為主,但風力和風向的比例分布存在差異。霾天二者在2000 m高度以下的高度不同風力比例分布十分相似,超過6級風(13.8 m·s-1)的比例較小,較大風力的比例隨探測高度的升高而增大。由于最大探測高度超過2000 m的時刻較少,2000 m高度以上的樣本數同樣較少,二者比例分布出現差異。不同風向的比例分布則在1750 m 高度以下十分接近,且霾天偏北風向概率遠大于偏南風向,2000 m以上高度時,幾乎全部為西風和西北風。

圖8 霧、霾天氣下各高度層水平風速比例分布

圖9 霧、霾天氣下各高度層水平風向比例分布

4 小 結

本文以L波段探空系統的風場觀測為參考標準,從最大探測高度、水平風速和風向3個方面對放置于青島國家基本氣象站觀測場內的多普勒測風激光雷達在2021年4月—2022年12月低能見度天氣下的探測高度和精度進行適用性分析,主要結論如下:

1) 在能見度大于10000 m的非降水天氣,測風激光雷達的平均最大探測高度穩定在約1200 m,水平風速均方根誤差在1.2 m·s-1上下波動,水平風向均方根誤差在25°上下波動。當能見度條件降低至10000 m以下時,測風激光雷達的探測高度和精度因不同能見度和相對濕度受干擾程度存在差異。

2) 當能見度小于1000 m時,大氣能見度的降低是空氣中水汽含量增加所致,對應時刻的相對濕度全部大于95%,嚴重干擾了激光在大氣中的傳輸,平均最大探測高度降低至400 m以下,水平風速相關系數約為0.91,均方根誤差約為1.4 m·s-1,水平風向相關系數約為0.94,均方根誤差約為42.7°。

3) 當能見度為1000～10000 m時,測風激光雷達的探測能力隨大氣水汽含量的變化存在差異。在相對濕度小于90%的霾天,大氣能見度的降低主要是氣溶膠粒子含量的增加所致,其平均最大探測高度穩定在1200 m以上,水平風速相關系數高達0.97,均方根誤差約為1.1 m·s-1,風向相關系數高達0.98,均方根誤差約為22.3°,與高能見度天氣的探測能力相當,在極低濕度條件下其探測高度和精度甚至略優于高能見度天氣。

4) 隨著相對濕度的增大,水汽對激光傳輸的衰減作用對測風激光雷達的探測高度和精度產生不同程度的影響。在相對濕度為90%～95%時,探測高度出現明顯下降趨勢,平均最大探測高度下降至1000 m以下,探測高度在400 m以下的概率逐漸增大,但風速和風向精度受干擾程度較小,風速相關系數為0.96,均方根誤差為1.2 m·s-1,風向相關系數為0.96,均方根誤差為28.0°。

5) 在相對濕度大于95%時,平均最大探測高度降低至400 m以下,風速精度開始下降,相關系數降低至0.94,均方根誤差增大至1.5 m·s-1,風向精度變化較小,相關系數為0.98,均方根誤差為21.7°。

綜合以上結果,多普勒測風激光雷達在青島地區具有良好的適用性,尤其是在濕度較低的霾天。但在低能見度天氣下,相對濕度大于90%時,其探測高度下降;相對濕度高于95%時,其探測精度有所降低,尤其是在能見度小于1000 m的霧天,需謹慎使用其風速和風向數據。