激光測風(fēng)雷達(dá)在風(fēng)場觀測領(lǐng)域的應(yīng)用及展望

傅 軍，李 潔，吳 強(qiáng)

(浙江理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，杭州 310018)

0 引 言

風(fēng)場信息的測量是氣象或空氣動力學(xué)領(lǐng)域的重要工作內(nèi)容之一，其測量的精確性對于氣象研究尤為重要。伴隨著觀測技術(shù)的不斷進(jìn)步，不同的大氣風(fēng)場測量手段也相應(yīng)而生。傳統(tǒng)的觀測方法主要有無線電探空儀、杯式風(fēng)速傳感器、熱式風(fēng)速傳感器、微波雷達(dá)、多普勒聲波雷達(dá)和風(fēng)廓線雷達(dá)等，存在測量精度低、測量范圍小、體積大、投資高等不足[1-4]問題。激光測風(fēng)雷達(dá)是相對較新的一種測風(fēng)技術(shù)，在過去的幾十年中發(fā)展迅速。在風(fēng)切變測量、飛機(jī)尾流測量、湍流測量、風(fēng)電場性能評估、重力波分析以及大氣氣溶膠光學(xué)特性分析等方面有重要的應(yīng)用價(jià)值[5]。

但由于探量應(yīng)用時(shí)間較短，使得現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫不足以對平均值進(jìn)行合理的統(tǒng)計(jì)描述，特別是在復(fù)雜的沿海地區(qū)問題突出。雖然激光測風(fēng)雷達(dá)的可用性、觀測數(shù)據(jù)的可靠度得到了一定的提升，但在降雨、濃霧等特殊天氣下，激光信號減弱會使探測性能受到影響，從而使得僅依賴于單一的激光雷達(dá)進(jìn)行仿真或現(xiàn)場探測的許多輔助控制研究也受到影響[6-7]。

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[8]。本文對激光測風(fēng)雷達(dá)技術(shù)設(shè)備國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，對存在的問題提出了改進(jìn)措施。并分析了激光測風(fēng)雷達(dá)在風(fēng)場領(lǐng)域的應(yīng)用情況，對沿海丘陵地區(qū)的風(fēng)場進(jìn)行了多維度評估分析，最后總結(jié)了激光測風(fēng)雷達(dá)在風(fēng)場領(lǐng)域的未來發(fā)展趨勢。

1 激光測風(fēng)雷達(dá)設(shè)備與技術(shù)研究進(jìn)展

1.1 國外激光測風(fēng)雷達(dá)設(shè)備與技術(shù)進(jìn)展

美國雷神公司（Raytheon Company）于1968年研制出世界上第一臺相干激光測風(fēng)雷達(dá)。1970年，Huffaker成功研制脈沖式CO2相干多普勒測風(fēng)雷達(dá)，能觀測35 m范圍內(nèi)風(fēng)速，并應(yīng)用于航線晴空湍流探測[9]。2002年，報(bào)道了第一個(gè)商業(yè)可用的相干多普勒激光雷達(dá)系統(tǒng)—Wind Tracer脈沖相干多普勒激光雷達(dá)，該雷達(dá)測量數(shù)據(jù)可靠，能連續(xù)運(yùn)作，可應(yīng)用于飛機(jī)尾流、晴空湍流等探測[10-11]。NASA Goddard公司對直接探測激光多普勒測風(fēng)技術(shù)也有一定研究。2001年，NASA Goddard公司利用雙邊緣直接探測技術(shù)，研制出移動式多普勒激光雷達(dá)系統(tǒng)GLOW，測量從地表到平流層下部的風(fēng)廓線[12-13]。2009年，NASA Goddard公司又利用雙邊緣探測技術(shù)開發(fā)研制了TWILITE脈沖多普勒測風(fēng)雷達(dá)，可在飛機(jī)巡航高度（約18 km）到地面的高度范圍內(nèi)對對流層風(fēng)進(jìn)行剖面分析[14]。2015年NASA采用了創(chuàng)新的全光纖和模塊化收發(fā)器架構(gòu)，研制了工作波長為1.545 7 μm的相干激光測風(fēng)雷達(dá)WindIm-age系統(tǒng)，應(yīng)用于現(xiàn)場部署的風(fēng)和尾流測量[10]。

日本三菱公司（MEC）自20世紀(jì)90年代末開始一直致力于相干多普勒激光測風(fēng)雷達(dá)的研究。MEC主要從事1.5 μm人眼安全波段的激光雷達(dá)研究，在光纖激光器的研發(fā)方面取得了巨大成就[15]。1998年，研制出世界上首臺基于1.5 μm人眼安全波長的相干多普勒激光測風(fēng)雷達(dá)，實(shí)現(xiàn)了水平距離超過800 m的目標(biāo)探測。2002年，MEC公司開始著手研制和開發(fā)全光纖相干多普勒激光測風(fēng)雷達(dá)。2012年，MEC公司升級了Er,Yb:Glass激光器，研制出1.5 μm波長的相干多普勒激光測風(fēng)雷達(dá)，可探測30 km以上范圍的風(fēng)場[16-17]。2018年，首次報(bào)道了2 μm Ho:YLF CDWL，利用100 mm望遠(yuǎn)鏡在1 s觀測時(shí)間，能獲得約15 km范圍內(nèi)的風(fēng)廓線[18]。

歐洲航天局（ESA）在1999年全面啟動全球第一臺星載直接探測激光多普勒測風(fēng)雷達(dá)計(jì)劃，2007年開始提出研制遠(yuǎn)程星載直接探測激光多普勒測風(fēng)雷達(dá)（ALADIN）以用于全球風(fēng)廓線觀測[19]。ALADIN多普勒測風(fēng)紫外激光雷達(dá)，波長為355 nm，重復(fù)頻率為50 Hz，應(yīng)用半導(dǎo)體抽運(yùn)Nd:YAG激光器，用于探測全球?qū)α鲗雍推搅鲗拥状髿怙L(fēng)場垂直剖面，來彌補(bǔ)海洋和極地風(fēng)場數(shù)據(jù)的不足[20]。2018年搭載來自法屬圭亞那的Vega火箭成功升空，標(biāo)志著星載激光多普勒測風(fēng)雷達(dá)進(jìn)入應(yīng)用階段[21]。

法國LEOSPHERE公司生產(chǎn)的WINDCUBE系列多普勒激光測風(fēng)雷達(dá)，通過測量大氣顆粒物的后向散射回波信號產(chǎn)生的多普勒頻移，反演風(fēng)速和風(fēng)向信息，以此獲得高時(shí)空分辨率、高精度的風(fēng)場數(shù)據(jù)。自2004年成立起，WINDCUBE系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于各種環(huán)境條件。LEOSPHERE已推出多款多普勒激光測風(fēng)雷達(dá)，可提供距系統(tǒng)200 m（WINDCUBE V1）、3 km（WINDCUBE 100S）、6 km（WINDCUBE 200S）和10 km（WINDCUBE 400S）范圍的風(fēng)場信息[22]。WINDCUBE V1/100S/200S/400S掃描型多普勒激光測風(fēng)雷達(dá)是基于激光脈沖多普勒頻移原理，圖1是WINDCUBE 200S的樣機(jī)圖。

圖1 WINDCUBE 200S設(shè)備圖Fig.1 WINDCUBE 200S

國外對激光測風(fēng)雷達(dá)技術(shù)與設(shè)備進(jìn)行了持續(xù)深入的研究，但多數(shù)研究集中于相干探測技術(shù)的研究。目前對于直接探測雷達(dá)多利用雙邊緣技術(shù)，主要應(yīng)用于大氣氣溶膠散射、分子散射、共振熒光散射的探測。近來，美國和歐洲航天局對直接探測激光多普勒測風(fēng)雷達(dá)逐漸向星載多普勒測風(fēng)雷達(dá)進(jìn)行應(yīng)用發(fā)展。國外相干多普勒測風(fēng)雷達(dá)的研究主要有以下發(fā)展趨勢：1）WindTracer、WINDCUBE 激光測風(fēng)系統(tǒng)的不斷升級，設(shè)備的激光發(fā)射波長、測距等技術(shù)指標(biāo)不斷優(yōu)化；2）隨著光纖通訊技術(shù)的不斷發(fā)展，光纖測風(fēng)雷達(dá)也得到了快速的發(fā)展，全光纖激光測風(fēng)雷達(dá)的研究正不斷進(jìn)行深化；3）對于激光測風(fēng)的應(yīng)用不僅僅停留在飛機(jī)風(fēng)切變和湍流測量，而是朝著多功能化方向發(fā)展。

1.2 國內(nèi)激光測風(fēng)雷達(dá)設(shè)備與技術(shù)研究進(jìn)展

我國激光測風(fēng)雷達(dá)的研究相對國外起步較晚。2010年中國電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所研制出1.5 μm連續(xù)光波相干激光雷達(dá)，該雷達(dá)可對100～200 m距離內(nèi)的風(fēng)速、風(fēng)向進(jìn)行多次觀測[23]。2012年潘靜巖等[24]研發(fā)了一套全光纖多普勒測風(fēng)雷達(dá)設(shè)備，并用VAD風(fēng)場反演方式對測量精度進(jìn)行理論分析，推導(dǎo)出了四波束相干激光測風(fēng)雷達(dá)的水平風(fēng)速精度。2013–2015年，國內(nèi)研制出能夠測量800 m距離遠(yuǎn)的全光纖相干激光測風(fēng)雷達(dá)。2014年中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研制了1.54 μm的全光纖相干激光測風(fēng)雷達(dá)，同年研制了1.54 μm全光纖機(jī)載相干激光測風(fēng)雷達(dá)[25]。上述研究機(jī)構(gòu)的前期研究成果整理見表1。

表1 2010-2015相干激光測風(fēng)雷達(dá)數(shù)據(jù)參數(shù)[26]Table 1 Parameters of coherent laser wind radars manufactured in China between 2010 and 2015

近年來，國內(nèi)對于激光測風(fēng)雷達(dá)的研究正在不斷深入。2017年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)王沖[27]等成功研制了世界上第一臺能同時(shí)觀測大氣退偏振比和大氣風(fēng)場的相干多普勒激光測風(fēng)雷達(dá)。該雷達(dá)系統(tǒng)可以在10 μJ單脈沖能量、60 m距離分辨率條件下，實(shí)現(xiàn)6 km的水平風(fēng)場測量，并能給出水平風(fēng)場的PPI掃描數(shù)據(jù)。同年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)在國際上首次實(shí)現(xiàn)了基于超導(dǎo)納米線單光子探測器的雙頻多普勒激光測風(fēng)雷達(dá)，該新型雷達(dá)采用了精簡的光學(xué)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并增強(qiáng)了實(shí)用性和可靠性，一定程度上解決了多普勒測風(fēng)系統(tǒng)存在的問題[28]。

2020年國產(chǎn)首臺海上漂浮式激光測風(fēng)雷達(dá)（WindMast 350-MB），如圖2所示，其探測高度范圍為20～350 m，激光波長為1 550 nm，風(fēng)速精度≤0.1 m/s，掃描方式為多波束掃描/VAD。WindMast 350-MB系統(tǒng)在嚴(yán)苛海洋環(huán)境條件下具有可靠性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)分析處理能力。隨著激光測風(fēng)技術(shù)的不斷發(fā)展，國產(chǎn)商用雷達(dá)也得到了一定的發(fā)展，生產(chǎn)商主要有南京牧雷激光有限公司和北京厚力德儀器設(shè)備有限公司。牧鐳激光經(jīng)過十余年技術(shù)的積累與進(jìn)步、數(shù)代樣機(jī)的研發(fā)與迭代，形成1 550 nm全光纖結(jié)構(gòu)、激光相干多普勒原理的技術(shù)原型，主要的商用激光雷達(dá)有地基式激光測風(fēng)雷達(dá)Molas B300和機(jī)艙式激光測風(fēng)雷達(dá)Molas NL。

圖2 WindMast 350-MB設(shè)備圖Fig.2 WindMast 350-MB

綜上所述，國內(nèi)對于激光測風(fēng)雷達(dá)的研究起步較晚，但經(jīng)過科研人員的不懈努力，國內(nèi)測風(fēng)雷達(dá)的軟硬件設(shè)施都得到了提升，縮小了與國外的差距。

但國內(nèi)雷達(dá)商用化程度低，大多數(shù)還停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段。所以增加商用測風(fēng)雷達(dá)的投入是目前需要著重研究的方向。雖然國內(nèi)設(shè)備的測量范圍和精度都在逐漸提升，但仍與國外存在一定的差距，需要對激光測風(fēng)雷達(dá)的數(shù)據(jù)算法處理等方面進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

2 激光測風(fēng)雷達(dá)在風(fēng)場觀測領(lǐng)域應(yīng)用

2.1 高空風(fēng)場領(lǐng)域中的應(yīng)用

激光測風(fēng)雷達(dá)在高空風(fēng)場領(lǐng)域的應(yīng)用包括對機(jī)場風(fēng)切變和湍流的測量。風(fēng)切變是一種大氣現(xiàn)象，反映風(fēng)矢量（風(fēng)向、風(fēng)速）在空中水平及垂直距離上的變化。減輕風(fēng)切變對機(jī)場飛行安全和營運(yùn)效率的不利影響至關(guān)重要。以香港國際機(jī)場為例，機(jī)場附近地形復(fù)雜，熱帶氣旋橫向經(jīng)過復(fù)雜地形時(shí)所產(chǎn)生的強(qiáng)風(fēng)切變，可能與雷暴所產(chǎn)生的微暴一樣強(qiáng)烈。為檢測機(jī)場的低空切變和湍流，在機(jī)場設(shè)有一臺終端多普勒天氣雷達(dá)（TDWR）和激光雷達(dá)系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)探測[29]。TDWR是C波段單極化雷達(dá)，發(fā)射頻率為5.625 GHz，發(fā)射脈沖寬度為1.0 μs，其峰值功率為250 kW，平均功率為500 W[30]。香港天文臺研究了GLYGA（滑行路徑掃描風(fēng)切變預(yù)警算法）用于預(yù)測低級別風(fēng)切變，利用大渦模擬對邊界參數(shù)化方案進(jìn)行評估，直接輸出預(yù)報(bào)EDR對低空湍流進(jìn)行預(yù)測。Hon等[31]提出CIDV新算法，該算法能使用徑向分辨率為30 m的短距離激光自動掃描湍流特征。應(yīng)用激光雷達(dá)和AVMGLYGA模式可以給出垂直速度、垂直橫截面的風(fēng)切變數(shù)據(jù)特征，提供更多的風(fēng)場信息。

2.2 近地面風(fēng)場領(lǐng)域中的應(yīng)用

與高空風(fēng)場不同，近地面風(fēng)不僅受水平氣壓梯度力、地轉(zhuǎn)偏向力影響，還受摩擦力影響。近地面風(fēng)場的觀測是一種應(yīng)用更為廣泛的實(shí)測手段，主要利用測風(fēng)塔和激光測風(fēng)雷達(dá)兩種方式[32]。對近地面風(fēng)場領(lǐng)域的評估主要針對臺風(fēng)近地層風(fēng)場的時(shí)空變化特征展開。蔡彥楓等[33]采用國產(chǎn)WindPrint S4000型激光測風(fēng)雷達(dá)（如圖3所示）對1604號強(qiáng)臺風(fēng)“妮妲”登陸期間的局地風(fēng)場進(jìn)行了觀測。該雷達(dá)技術(shù)參數(shù)：激光波長為1 550 nm，探測距離為120～4 000 m，徑向風(fēng)速測量精度 ＜ ±0.1 m/s。激光測風(fēng)雷達(dá)風(fēng)廓線掃描所獲取的現(xiàn)場觀測結(jié)果，反映了臺風(fēng)“妮妲”局地風(fēng)場的時(shí)間變化特征。激光測風(fēng)雷達(dá)低仰角水平方位掃描所獲取的現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)，清晰捕捉了臺風(fēng)“妮妲”局地風(fēng)場的空間分布特征。史文浩等[34]也利用該雷達(dá)設(shè)備對臺風(fēng)“利奇馬”邊界層風(fēng)場精度進(jìn)行了分析。將激光測風(fēng)雷達(dá)與70 m測風(fēng)塔，在相同高度探測臺風(fēng)“利奇馬”影響期間的邊界層風(fēng)場數(shù)據(jù)對比分析，研究多普勒激光雷達(dá)的誤差分布以及變化。結(jié)果表明，在該高度下兩者的水平風(fēng)速、風(fēng)向相關(guān)系數(shù)分別為0.97和0.99，垂直風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)為0.36。Tsai等[35]利用WINDCUBE V2脈沖激光雷達(dá)對兩個(gè)超級臺風(fēng)內(nèi)部240 m高度的臺風(fēng)邊界層進(jìn)行觀測。該雷達(dá)的探測范圍在40～290 m，具有良好的時(shí)間分辨率和恒定的空間分辨率。將WINDCUBE系統(tǒng)和超聲波風(fēng)速表觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，在50 m和70 m處誤差均為3%。結(jié)果表明，應(yīng)用激光測風(fēng)雷達(dá)可以較好反映臺風(fēng)環(huán)流內(nèi)的水平風(fēng)場結(jié)構(gòu)及演變，有利于對臺風(fēng)邊界層風(fēng)場的高分辨率研究和探測。將激光測風(fēng)雷達(dá)應(yīng)用于低空風(fēng)場領(lǐng)域，在一定程度上有助于提高對風(fēng)場數(shù)據(jù)分析水平。

圖3 WindPrint S4000激光測風(fēng)雷達(dá)Fig.3 WindPrint S4000

3 雷達(dá)中尺度數(shù)據(jù)和CFD的結(jié)合應(yīng)用

目前多普勒雷達(dá)三維風(fēng)場反演技術(shù)能從根本上了解中小尺度天氣系統(tǒng)的三維風(fēng)場結(jié)構(gòu)，進(jìn)而分析災(zāi)害性天氣發(fā)生的條件及其演變規(guī)律。中尺度數(shù)據(jù)被廣泛應(yīng)用于風(fēng)資源的開發(fā)、提高風(fēng)資源評估的精確度，并通常用雷達(dá)和衛(wèi)星等遙感探測、數(shù)值分析等方式對其進(jìn)行分析。中尺度數(shù)值模擬的方法主要有：WRF模式、CMAQ模式、風(fēng)場參數(shù)化模式。WRF模式是由美國國家大氣研究中心（NCAR）、美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）等多個(gè)機(jī)構(gòu)聯(lián)合開發(fā)的中尺度數(shù)值模擬系統(tǒng)[36]。目前，有兩個(gè)不同的WRF求解器模型，用于科學(xué)研究的WRF-ARW模型和用于業(yè)務(wù)的WRF-NMM模型[37]。對比發(fā)現(xiàn)，中尺度數(shù)據(jù)和雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)在主風(fēng)向上的具有一定相關(guān)性，中尺度插補(bǔ)訂正后的數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)的月平均值誤差、標(biāo)準(zhǔn)偏差誤差較小，利用中尺度數(shù)據(jù)插補(bǔ)后的完整數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確地反映風(fēng)場的實(shí)際情況[38]。

中尺度模擬結(jié)果在微尺度和細(xì)觀尺度耦合中具有重要意義。CFD數(shù)值模擬方法可對實(shí)體建筑或復(fù)雜地形下的風(fēng)場進(jìn)行小尺度精細(xì)化模擬，其模擬方法主要有直接模擬（DNS）、大渦模擬（LES）及雷諾平均（RANS）[39]。

中尺度數(shù)值模擬能擬合出較大區(qū)域內(nèi)氣流、氣壓、風(fēng)場等特征，但不能夠精確評估風(fēng)場內(nèi)局部風(fēng)流動狀況，而微尺度CFD數(shù)值模擬能夠獲得精確的風(fēng)場內(nèi)部區(qū)域狀況。但由于CFD模型建立時(shí)采用假定的入流風(fēng)廓線，因此無法評估實(shí)際的大氣邊界入流條件下風(fēng)場的流動。中尺度模擬結(jié)果可作為微尺度CFD模擬的邊界條件輸入。目前?；谥谐叨萕RF模式和微尺度CFD模式建立中微尺度耦合模式對風(fēng)資源進(jìn)行評估。中尺度模擬可以有效對微尺度CFD模型邊界進(jìn)行校正。對于風(fēng)場評估，可將激光測風(fēng)雷達(dá)所觀測的數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行結(jié)合，進(jìn)而提高評估的準(zhǔn)確性，并反映真實(shí)的風(fēng)場情況[40-41]。

4 多維度風(fēng)場評估案例分析

復(fù)雜地形風(fēng)況變化較大，風(fēng)切變相對較小。相對傳統(tǒng)測風(fēng)設(shè)備，激光測風(fēng)雷達(dá)易于安裝、低空無盲區(qū)、時(shí)空分辨率高，可測量地面50 m以上的風(fēng)場。但激光測風(fēng)雷達(dá)存在精度依賴儀器固有的測量精度的問題。對于這個(gè)問題，國內(nèi)外學(xué)者將激光測風(fēng)雷達(dá)與CFD模擬結(jié)合來獲取更為精準(zhǔn)的風(fēng)場信息，如圖4所示。

圖4 激光測風(fēng)雷達(dá)和CFD結(jié)合應(yīng)用Fig.4 A combined application of wind lidar and CFD

作者所在團(tuán)隊(duì)自2013年以來對某沿海山地丘陵地區(qū)低矮建筑群的風(fēng)場特征進(jìn)行了持續(xù)研究。一些主要工作內(nèi)容及結(jié)論包括：

1）以奉化市裘村鎮(zhèn)黃賢村山體地形（圖5）為研究對象，以45°間隔進(jìn)行CFD數(shù)值模擬。結(jié)果表明：風(fēng)向與峽谷之間的夾角越小，峽谷內(nèi)風(fēng)速增強(qiáng)作用越明顯。氣流受到地形變化趨勢不同的山脈的干擾，氣流速度有不同程度的增加。當(dāng)氣流進(jìn)入開闊區(qū)域時(shí)，風(fēng)速降低并且湍流強(qiáng)度變化趨于平穩(wěn)。在風(fēng)速較低且湍流變化穩(wěn)定的區(qū)域，可作為建筑選址的最佳區(qū)域[42]。

圖5 黃賢村山體地形圖Fig.5 A topographic map of Huangxian village

2）采用電子風(fēng)速儀和熱式風(fēng)速儀對黃賢村取點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場觀測，分析結(jié)果表明：峽谷兩側(cè)地形特征對平均風(fēng)速和湍流產(chǎn)生顯著影響，且山體越高對風(fēng)速的影響越??；山體的迎風(fēng)側(cè)風(fēng)速隨山高的增加而增加，坡度越陡對風(fēng)速的影響越明顯[41]。在此基礎(chǔ)上，采用CFD數(shù)值模擬方法研究該地區(qū)山體粗糙度對風(fēng)環(huán)境產(chǎn)生的影響，結(jié)果表明：在相同坡度下，山體地形粗糙程度對風(fēng)速產(chǎn)生一定的影響，風(fēng)速一般隨粗糙度的增加而增加[43]。最后提出了風(fēng)環(huán)境下選址及建筑布局的最優(yōu)方案，詳見文獻(xiàn)[44]。

3）采用新型LWR2500激光測風(fēng)雷達(dá)及手持自動氣象站（杭州佐格通信設(shè)備有限公司產(chǎn)品，圖6），在2020年進(jìn)行了設(shè)點(diǎn)氣象觀測，并對采集的風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)與分析[45]。該雷達(dá)支持50～2 500 m高度范圍內(nèi)風(fēng)速風(fēng)向測量，其具體技術(shù)參數(shù)見表2。

圖6 現(xiàn)場測量照片（左為手持氣象站，右為激光測風(fēng)雷達(dá)）Fig.6 A photo of field measurements (the hand-held weather station and laser wind radar are respectively on the left and right)

表2 LWR2500激光測風(fēng)雷達(dá)技術(shù)參數(shù)Table 2 Technical parameters of LWR2500

首先，對已有的雷達(dá)和測風(fēng)塔的同步觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)理統(tǒng)計(jì)及對比分析，結(jié)果顯示該設(shè)備測風(fēng)數(shù)據(jù)可信度高，適用于低空領(lǐng)域的三維風(fēng)場。在此前提下，基于黃賢村各處8個(gè)測點(diǎn)的雷達(dá)及手持氣象站數(shù)據(jù)，分析了當(dāng)?shù)仫L(fēng)速、風(fēng)向隨時(shí)間及地勢變化的規(guī)律。結(jié)果表明，該地區(qū)沿海地帶風(fēng)速變化具有日周期性（圖7）。測量期間主導(dǎo)風(fēng)向分別為東北風(fēng)和東南風(fēng)，風(fēng)向變化規(guī)律受海陸風(fēng)影響較大（圖8）。丘陵地帶風(fēng)速、風(fēng)向受風(fēng)速等級和地形的影響較大。

圖7 沿海地帶風(fēng)速與標(biāo)準(zhǔn)偏差對比Fig.7 The coastal wind velocity and its standard deviation

圖8 沿海地帶風(fēng)速風(fēng)向玫瑰圖Fig.8 Wind directions and velocities

4）綜合各階段對案例地區(qū)風(fēng)場特性的研究，對峽谷主來流風(fēng)沿峽谷的風(fēng)剖面規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)。風(fēng)速儀觀測范圍在1.2～2 m之間，手持氣象站觀測的范圍在2 m以下，而激光測風(fēng)雷達(dá)能夠觀測50 m以上的風(fēng)場（圖9）。

圖9 不同測風(fēng)設(shè)備風(fēng)剖面規(guī)律Fig.9 Wind profiles measured by different equipments

5 結(jié) 論

本文對國內(nèi)外激光測風(fēng)雷達(dá)的技術(shù)及設(shè)備研發(fā)現(xiàn)狀、在風(fēng)場觀測領(lǐng)域的應(yīng)用情況等進(jìn)行了綜述。激光測風(fēng)雷達(dá)可同時(shí)測得不同高度的水平風(fēng)速、垂直風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)、入流角等風(fēng)場信息，具有測量精度高、分辨率高、探測范圍廣、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢。對于復(fù)雜地形情況，采用激光測風(fēng)雷達(dá)和CFD數(shù)值模擬相結(jié)合，對獲取準(zhǔn)確的風(fēng)場信息有重要意義。

針對目前激光測風(fēng)雷達(dá)存在的數(shù)據(jù)可靠度受環(huán)境影響、雷達(dá)設(shè)備重量較大、移動工作能力較差等缺陷，通過總結(jié)與實(shí)踐，做出如下展望：1）通過開發(fā)新的修正算法，可自動修正風(fēng)向輸出；2）根據(jù)不同的應(yīng)用需求，將原有結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行調(diào)整，以獲取更輕更結(jié)實(shí)的外殼，比如使用碳纖維材料；3）提高測風(fēng)雷達(dá)移動工作能力等，開發(fā)朝小型化、集成化、低成本等方向邁進(jìn)；4）利用激光測風(fēng)雷達(dá)三維風(fēng)場反演，結(jié)合中尺度數(shù)據(jù)模擬和CFD微尺度數(shù)值模擬，能提高風(fēng)場評估的準(zhǔn)確度。