星載激光測風技術體制及其評估方法綜述

孫學金，張傳亮，，方樂，陸文，趙世軍，葉松

1.國防科技大學氣象海洋學院,南京 211101;

2.61741部隊,北京 100081

1 引言

風是描述大氣狀態(tài)的基本參量之一，全球范圍內(nèi)大氣風場的探測對于研究中尺度動力學過程、大氣輸送和交換作用以及極端天氣的預報預防等具有重要意義（Baker 等，1995）。從20世紀70年代起，人們就開始對風場衛(wèi)星探測技術進行研究。1971年Endlich 等（1971）通過提取云的特征量實現(xiàn)了衛(wèi)星云導風的探測。Leese 等（1971）通過引入快速傅里葉變化技術，提高了云導風的計算速度。許健民等（1997）對云導風計算的相關問題開展了研究。王振會和曾維麟（1996）、朱平等（2007）、龍智勇等（2011）、馬俠霖等（2014）進一步發(fā)展了云導風的處理算法，提高了云導風的計算效率和業(yè)務化應用。目前云導風的探測技術已經(jīng)比較成熟，然而該技術只能實現(xiàn)有云大氣層的單層風信息的提取。同時，人們也發(fā)展了利用微波輻射計、微波散射計獲取海表風場的技術。1978年，美國發(fā)射的SeaSAT 裝載了微波輻射計載荷，初步實現(xiàn)了海面風速的遙感（Njoku等，1980）。后來人們在傳統(tǒng)微波輻射計的基礎上，引入了對于電磁波第三、第四Stokes分量的測量，使得探測海面風速風向成為可能。2003年，第一臺星載全極化微波輻射計WindSat 發(fā)射升空，成功實現(xiàn)了海表風速和風向的遙感（Gaiser 等，2004）。歐洲空間局研制的SMOS（Soil Moisture and Ocean Salinity）也搭載了極化微波輻射計，實現(xiàn)了海面風場的探測（Barre 等，2008）。在國內(nèi)，中國航天科技集團公司第504 研究所（王曉海和李浩，2005）、解放軍理工大學（施健康等，2009；陸文等，2010；嚴衛(wèi)等，2010）等單位也對全極化微波輻射計的設計和應用展開了深入研究，并取得了豐碩成果。然而，星載微波輻射計只能實現(xiàn)全球海表風場的探測，無法實現(xiàn)空中風場的廓線探測。在星載激光測風雷達發(fā)射之前，探測空中風場廓線的主要手段包括無線電探空儀和風廓線雷達，然而無線電探空儀站點主要分布在北半球的陸地地區(qū)（Atlas等，1985），南半球、赤道地區(qū)以及海洋分布較少，無法實現(xiàn)全球風場廓線的有效和持續(xù)探測。世界氣象組織將全球三維風場的探測視為21世紀最具挑戰(zhàn)性和最有意義的氣象觀測任務之一（WMO，2001）。

通過對不同衛(wèi)星測風技術的研究，星載激光測風雷達被認為是探測全球風場的最佳手段。Abreu（1979）首次提出在衛(wèi)星或者空間站上搭載激光測風雷達進行全球風場探測的概念，并研究了雷達參數(shù)對測風精度的影響。1985年，美國啟動了大氣風場探測計劃LAWS（Laser Atmospheric Wind Sounder），開展了2 μm 相干激光多普勒雷達的相關技術研究，該項目由于受制于當時技術條件的限制而被迫擱淺（Beranek 等，1989）。經(jīng)過20 多年的探索，美國于2007年再次啟動星載激光雷達測風計劃：全球風場探測系統(tǒng)GWOS（Global Wind Observing System），采用直接探測和相干探測的混合技術體制的多普勒激光測風雷達HDWL（Hybrid Doppler Wind Lidar）實現(xiàn)全球風場的探測，目前該項目已推遲發(fā)射（Baker，2008）。歐空局對于星載激光測風雷達的研究也起步較早，可追溯至20世紀80年代，并于1999年正式啟動大氣動力學任務ADM-Aeolus ADM （Atmospheric Dynamics Mission），并計劃搭載基于直接探測體制的星載激光測風雷達ALADIN（Atmospheric LAser Doppler INstrument）來實現(xiàn)全球風場的探測。最早計劃于2007年發(fā)射，后因激光器和望遠鏡等硬件方面的技術難題幾經(jīng)推遲（Wernham 等，2016）。2018年8月22日（世界時），Aeolus 衛(wèi)星順利升空，對于人類全球風場廓線的探測具有里程碑式的意義。1998年日本開始研制運行于國際空間站上的相干激光多普勒測風雷達JEM/CDL（Japanese Experiment Module/Coherent Doppler Lidar）（Itabe等，2001）。2011年日本又開展了運行于獨立衛(wèi)星軌道的相干多普勒激光測風雷達CDWL（Coherent Doppler Wind Lidar）的研究，該技術體制可實現(xiàn)邊界層和云場內(nèi)部風場的探測（Baron 等，2017；Ishii等，2017）。

歐洲空間局、美國和日本都投入了大量人力、物力、財力積極探索和研制星載激光測風雷達，提出了3種不同的技術體制。本文通過大量調(diào)研相關文獻簡要概述了歐洲空間局、美國和日本的星載激光測風雷達技術體制，并從數(shù)據(jù)獲取率和獲取量、風場探測精度以及對數(shù)值預報系統(tǒng)的改善效果3個方面對這3種技術體制進行了評估和論證。

2 星載激光測風技術體制

本節(jié)分別對歐洲空間局Aeolus、美國HDWL和日本CDWL 研制的星載激光測風技術體制進行介紹。

2.1 歐洲空間局Aeolus技術體制

歐洲空間局研制的Aeolus 星載激光測風技術體制如圖1所示（Marseille 和Stoffelen，2003；Reitebuch 等，2006）。衛(wèi)星擬運行在400 km 高度的太陽同步晨昏軌道上，以減小太陽背景輻射對測風精度的影響（Zhang 等，2019）。后來為了增加回波信號的信噪比，將軌道高度調(diào)整至320 km。衛(wèi)星觀測天頂角為35°。Aeolus 激光雷達工作在355 nm 波段，采用直接探測技術分別通過Rayleigh通道和Mie 通道進行大氣風場的探測，其中Rayleigh 通道主要以大氣分子為示蹤物探測對流層和平流層下層的大氣風場，Mie 通道主要以氣溶膠和云滴粒子為示蹤物探測邊界層和云內(nèi)風場。歐洲空間局對Aeolus 風場探測的垂直分辨率和精度要求如表1所示。為了提高測風精度，Aeolus 探測單元需累積若干個激光束后再進行徑向風速的反演，其中一次測量（measurement）過程累積的激光脈沖為20個，一次觀測（observation）是由30次測量組成的，造成的一次觀測過程的水平分辨率約為90 km。

表1 歐洲空間局對星載激光雷達測風不確定度的要求Table 1 The observation accuracy expectation of ESA for spaceborne DWL

圖1 Aeolus激光測風技術體制（Reitebuch等，2006）Fig.1 The technical system of spaceborne DWL Aeolus（Reitebuch et al.，2006）

Aeolus 的系統(tǒng)結構如圖2所示，系統(tǒng)主要由激光器、發(fā)射接收系統(tǒng)和鑒頻系統(tǒng)組成，其詳細工作流程參見張日偉等（2014），本文進行簡要描述。首先，激光器產(chǎn)生355 nm 的激光，并發(fā)射到大氣中，大氣中分子、氣溶膠或云滴粒子通過后向散射作用將部分激光信號散射回激光雷達。氣溶膠和云滴粒子的后向散射信號進入到Mie通道鑒頻器中，即Fizeau干涉儀。不同頻率的回波信號會在Fizeau干涉儀不同位置產(chǎn)生干涉條紋。鑒頻系統(tǒng)通過條紋形成的位置反演氣溶膠和云滴粒子回波信號的多普勒頻移。大氣分子的后向散射信號會進入到Rayleigh 通道鑒頻器中，Rayleigh 通道鑒頻器由2 個F-P 標準具組成。回波信號一部分進入F-P 標準具1，并在相應位置處的CCD 探測器上形成亮斑，另外一部分信號反射進入到F-P 標準具2中，在CCD探測器上形成另外一個亮斑。不同頻率的信號產(chǎn)生的兩個亮斑的相對亮度會產(chǎn)生變化，鑒頻系統(tǒng)通過兩個亮斑之間的相對亮度差異反演大氣分子回波信號的多普勒頻移。歐洲空間局完成了星載激光測風雷達關鍵部件，包括激光二極管、發(fā)射系統(tǒng)以及光子探測器等的主要技術攻關工作，并為星載激光雷達部件設定了相應的技術標準（Zahir和Durand，2011）。

圖2 星載激光多普勒測風雷達系統(tǒng)結構圖（張日偉等，2014）Fig.2 The system structure diagram of spaceborne DWL（Zhang et al.，2014）

2.2 美國HDWL技術體制

在美國HDWL 技術體制中，衛(wèi)星擬運行于400 km 高度的太陽同步晨昏軌道。該技術體制采用相干探測技術和非相干探測技術相結合的混合多普勒激光測風雷達方案（Emmitt，2004），其相干探測技術采用的波長為2 μm，非相干探測技術采用的波長為355 nm。與Aeolus不同的是，HDWL可探測多個方向的徑向風速值。在不采用望遠鏡掃描技術的情況下，一個望遠鏡只能探測一個方向的徑向風速值。而望遠鏡的體積一般較大，以Aeolus 為例，其望遠鏡直徑達1.5 m，如果采用掃描技術的話，會給衛(wèi)星的姿態(tài)控制帶來新的挑戰(zhàn)。為了探測多個方向的徑向風速值，HDWL 擬安裝4個不同觀測方向的望遠鏡，其方位角分別為45°、135°、225°和315°，其觀測天頂角為45°，如圖3所示。Marx等（2013）已經(jīng)在實驗室研制出來由4個望遠鏡組成的簡潔、輕量化的星載激光測風雷達發(fā)射接收系統(tǒng)，并且每個望遠鏡都可以接收355 nm和2 μm 的后向散射回波信號。Masutani 等（2010）基于衛(wèi)星軌道仿真軟件對HDWL 軌道進行了模擬，得到了激光束與地表的交叉點軌跡。模擬結果表示這種觀測方式保證了每個探測點都會以不同的觀測角度被先后探測兩次，從而實現(xiàn)了不同方向徑向風速的探測。在進行風速合成時，假設垂直方向的風速分量為0 m·s-1，即可實現(xiàn)二維水平風矢量的探測。

圖3 HDWL觀測體制示意圖（Masutani等，2010）Fig.3 The observation geometry of HDWL（Masutani et al.，2010）

2.3 日本CDWL技術體制

日本CDWL計劃是從ISS/JE計劃發(fā)展而來，二者技術體制比較相似，CDWL 計劃在ISS/JE 計劃的基礎上進行了部分改動。ISS/JE星載激光測風雷達觀測方式示意圖如圖4所示（Ishii等，2012）。ISS/JE 擬在國際空間站上運行，采用相干探測體制，該激光雷達包含兩個望遠鏡，其方位角分別為45°和135°，觀測天頂角為30°。CDWL 運行于獨立軌道，軌道高度為220 km，并將兩個望遠鏡的觀測天頂角調(diào)整為35°。其觀測方式與美國HDWL 觀測方式類似，其前向望遠鏡和后向望遠鏡將分別探測同一探測點的徑向風場，如圖5所示。假設垂直風速為0 m·s-1，可反演大氣風場的二維水平風矢量。

圖4 ISS/JE觀測體制示意圖（Ishii等，2012）Fig.4 The observation geometry of ISS/JE（Ishii et al.，2012）

圖5 CDWL觀測方式示意圖（Ishii等，2017）Fig.5 The observation geometry of CDWL（Ishii et al.，2017）

3 星載激光測風雷達技術體制的評估

星載激光測風雷達研發(fā)費用比較高昂，所以在發(fā)射之前必須對采用的技術體制進行充分論證。針對不同的目的，需要從不同方面進行論證。目前對于星載激光測風雷達主要的評估方法有基于數(shù)據(jù)獲取率和獲取量的評估、基于測風精度的評估以及基于對數(shù)值預報系統(tǒng)改善效果的評估，本節(jié)將對以上3種評估方法進行分別論述。

3.1 基于數(shù)據(jù)獲取率和獲取量的評估

全球云的分布是影響星載激光測風雷達數(shù)據(jù)獲取率的關鍵因素，云滴粒子是星載激光測風雷達探測云內(nèi)風場的主要示蹤物，但由于激光在云中的穿透能力有限，云也是限制星載激光測風雷達對云層以下大氣探測能力的重要因子。

目前的星載激光測風雷達可利用分子的Rayleigh 散射信號進行大氣風場的探測，也可利用云和氣溶膠粒子的Mie散射信號對大氣風場進行探測。在晴空大氣下，在大部分高度層，星載激光測風雷達主要以分子為示蹤物進行大氣風場的探測，在邊界層，氣溶膠數(shù)密度較大，星載激光測風雷達主要以氣溶膠為示蹤物進行大氣風場的探測。在有云大氣下，星載激光測風雷達可利用云粒子的Mie散射信號探測云內(nèi)風場，云粒子數(shù)密度越大，Mie 散射信號越強，探測的風速越準確，但云粒子同時對激光具有較強的衰減作用，激光在云中的穿透能力取決于單束激光能量和云的光學厚度，如果云的光學厚度較大，星載激光測風雷達則無法探測云層底部以及云層以下的大氣風場，所以星載激光測風雷達的數(shù)據(jù)獲取率與云場的分布情況有關。在評估過程中，全球云場模型是否能夠代表真實的大氣狀況至關重要。另外，由于云的分布具有明顯的日變化特征（Wood等，2002；Eastman 和Warren，2014；Min 和Zhang，2014），所以星載激光測風雷達的數(shù)據(jù)獲取率還與衛(wèi)星軌道的升交點有關。同時，數(shù)據(jù)獲取率還與激光測風雷達的探測技術有關，以氣溶膠和云粒子為示蹤物的相干探測技術可獲取約30%的全球風場數(shù)據(jù)，以分子為示蹤物的直接探測技術可獲取約70%的全球風場數(shù)據(jù)（Masutani等，2010）。

與數(shù)據(jù)獲取率相關的量為數(shù)據(jù)獲取量，本文中的數(shù)據(jù)獲取量是指是指徑向風速的探測量。假設HDWL 和CDWL 每個望遠鏡都對應一套獨立的激光發(fā)射與接收單元，則在激光發(fā)射頻率一致的條件下，HDWL 和CDWL 測得的徑向風速廓線的數(shù)量應該分別是Aeolus 的4 倍和2 倍。Masutani 等（2010）的評估實驗也驗證了這一點，他們基于ISCCP（International Satellite Cloud Climatology Project）全球云場的分布數(shù)據(jù)庫，在相同的軌道參數(shù)下，即高度為400 km 的太陽同步晨昏軌道，分別模擬了基于Aeolus、HDWL以及CDWL星載激光測風雷達技術體制的衛(wèi)星運行情況，并統(tǒng)計了一個月內(nèi)探測到的measurement 數(shù)據(jù)量情況，如圖6所示。由圖可得，3 種技術體制的星載激光測風雷達數(shù)據(jù)獲取量存在較大的差異。其中以分子和氣溶膠/云滴粒子為示蹤物進行大氣風場探測的Aeolus 和HDWL 能夠探測邊界層至對流層的大氣風場。美國HDWL 體制探測的數(shù)據(jù)量最多，其數(shù)據(jù)獲取量約為Aeolus的4倍，在對流層中下層大氣約為日本CDWL 體制的2 倍；由于使用相干探測技術，CDWL體制無法探測對流層上層大氣風場情況，只能獲取邊界層至對流層下層的大氣風場，在該高度層內(nèi)，其數(shù)據(jù)獲取量約為Aeolus的2倍。

圖6 1個月內(nèi)3種星載激光測風雷達體制的有效探測數(shù)量格點分辨率為2.5°×2.5°（Masutani等，2010）Fig.6 The number of measurements obtained from the three technical systems of spaceborne DWLs in a 2.5 grid box（Masutani et al.，2010）

3.2 基于風場探測精度的評估

影響星載激光測風雷達測風精度的主要因素包括泊松噪聲和大氣不均勻性。泊松噪聲，也被稱為光子噪聲，主要由于光學探測器的量子特性導致的，在星載激光測風雷達探測器將回波信號的能量轉化為電子的過程中，探測器上產(chǎn)生的電子數(shù)并不等于回波信號的能量所能激發(fā)的電子數(shù)，而是服從泊松分布（Liu 等，2006；Hasinoff 等，2010；Zhang等，2018）。按照泊松分布的特性，方差等于平均值。如果回波信號的能量等于10000個電子對應的能量，則探測器上產(chǎn)生的電子數(shù)的標準差為100 個，其引起的相對不確定度為1%；如果回波信號的能量等于100個電子對應的能量，則探測器上產(chǎn)生電子數(shù)的標準差為10 個，其引起的相對不確定度為10%。所以回波信號能量越大，CCD 上產(chǎn)生電子數(shù)的相對不確定度就越小，反演的測風不確定度也就越小。由于Mie后向散射回波的能量一般高于Rayleigh 后向散射回波，所以利用Mie 后向散射回波的測風精度一般高于Rayleigh 后向散射回波的測風精度。一般來說，降低泊松噪聲對測風精度的影響的方法包括增加激光的發(fā)射能量或在探測器上將回波信號能量轉化為電子之前累積更多的信號能量，這即是Aeolus的一個“測量值”累積了20個激光束原因。激光發(fā)射能量的降低會增加測風的不確定度，Aeolus激光器單束激光能量原計劃為80 mJ，發(fā)射升空之后由于散熱不理想的原因，其最大能量為65 mJ，逐漸降低并最終穩(wěn)定至50 mJ，導致其Rayleigh通道測風不確定度約為4.75 m·s-1，相比歐洲空間局預期（如表1所示）存在一定差距（Kanitz等，2019；Reitebuch等，2019），但數(shù)值預報系統(tǒng)實驗表明，該風場探測結果仍然能夠較好地改善預報精度（Straume等，2019）。

影響Aeolus 測風不確定度最直接的因素是信噪比，Marseille 和Stoffelen（2003）在計算Aeolus的信噪比時，考慮了泊松噪聲的特點，計算公式為

式中，SNRMie(z)和SNRRay(z)分別代表在高度z處Mie 通道和Rayleigh 通道的信噪比。對于Mie 通道，NMie為Mie 通道探測器探測到的總的電子數(shù)，NB_Ray為由于串擾作用，Mie 通道接收到的Rayleigh 回波信號激發(fā)的電子數(shù)，NB_BKG為由太陽背景輻射能量所激發(fā)的電子數(shù)，N為探測器像元數(shù)，對于Aeolus來說，N= 16，Nnoise為探測器暗電流激發(fā)的電子數(shù)。對于Rayleigh通道，NFP(z，1)和NFP(z，2)分別為F-P標準具1 和2 所接收到的Rayleigh 光譜能量激發(fā)的電子數(shù)，和分別為F-P 標準具1和2接收到的總信號的能量激發(fā)的電子數(shù)。

大氣不均勻性會也會對測風不確定度產(chǎn)生重要影響（Baars 等，2019；Sun 等，2014）。星載激光測風雷達探測到的風速的垂直分辨率較低，介于250 m—2 km。在數(shù)據(jù)處理時，默認探測到的風速數(shù)據(jù)為該高度層幾何中心位置的風速，而實際上探測的風速為該高度層的光學重心位置的風速。當大氣垂直均勻時，幾何中心位置與光學重心位置重合，此時探測到風速的位置是準確的。但是由于大氣的垂直不均勻性，該高度層的幾何中心與光學重心往往不重合。而且由于垂直風切變是普遍存在的，從而導致了測風誤差的產(chǎn)生，統(tǒng)計表明，大氣垂直風切變的平均值約為0.01 s-1。Sun等（2014）的研究表明，對于Rayleigh 通道而言，垂直不均勻性導致的Rayleigh 通道測風誤差約為0.5 m·s-1，對于Mie 通道而言，垂直不均勻性導致的測風誤差約為0.4 m·s-1。一般來說，垂直不均勻性導致的測風誤差在Rayleigh 通道可進行修正，但是在Mie通道難以修正。

基于Aeolus、HDWL和CDWL的系統(tǒng)結構，并利用大氣光學特性數(shù)據(jù)庫，考慮泊松噪聲和大氣不均勻性對測風精度的影響，歐洲空間局、美國和日本分別模擬了不同高度處不同質量的風速探測結果所占百分比情況，其中歐洲空間局Aeolus體制測風質量模擬仿真結果如圖7所示（Stoffelen等，2005），美國HDWL 體制測風質量的模擬結果如圖8所示（Masutani等，2010），日本CDWL測風質量模擬結果如圖9所示（Baron等，2017）。

圖7 Aeolus測風質量的模擬仿真結果（Stoffelen等，2005）Fig.7 The simulated wind observation accuracy of Aeolus（Stoffelen et al.，2005）

圖8 HDWL測風質量的模擬仿真結果（Masutani等，2010）Fig.8 The simulated wind observation accuracy of HDWL（Masutani et al.，2010）

圖9 CDWL測風質量模擬結果（Baron等，2017）Fig.9 The simulated wind observation accuracy of CDWL（Baron et al.，2017）

由圖7可得，在歐洲空間局Aeolus測風體制下大部分的風速測量值的精度介于1.4—2.8 m·s-1，其高度范圍多位于對流層的中高層，主要是Rayleigh通道的探測結果。質量較好的風速探測結果多集中在邊界層和對流層底部，主要為Mie通道的探測結果。質量較差的風速測量結果也多集中在在邊界層和對流層底部。這主要是由于光學厚度較厚的云的存在，導致激光穿透云層后能量較弱，風場探測結果具有較大的不確定度。對比圖7（a）（b）可知，當考慮風切變時，質量較差的風速探測值所占比例明顯增加，說明風切變對星載激光雷達的測風質量具有較大影響，這部分測風不確定度主要是由于大氣不均勻性導致的。

由圖8（a）可得，美國HDWL技術體制下，相干探測測得的風場數(shù)據(jù)約占觀測到總數(shù)據(jù)的30%，測風精度較高，測風不確定度多介于0—2 m·s-1，少部分測風不確定度介于2—3 m·s-1。其中15 km 以上高度層的探測示蹤物主要是氣溶膠；3—15 km高度層探測示蹤物多為卷云和不透明云；0—3 km高度層的探測示蹤物主要是氣溶膠。由圖8（b）可得，直接探測測得的風場數(shù)據(jù)約占總數(shù)據(jù)的70%，其中14 km 以上高度層的測風不確定度多介于2—3 m·s-1，3—14 km 高度層測風不確定度多介于1—2 m·s-1，0—3 km 測風不確定度較大，且不可用數(shù)據(jù)所占比例較大，這主要是由于激光穿透能力有限所致。結合圖8（a）（b）可得，相干探測測風精度較高，但探測范圍小，直接探測測風精度低，但覆蓋范圍廣，二者結合可以較好地實現(xiàn)全球風場的探測。

由圖9可得，衛(wèi)星升軌軌道和降軌軌道對應的平均風速大小相近，但是方向相反，存在著互為鏡像的關系；在日本CDWL 測風體制下，升軌軌道和降軌軌道測風不確定度的全球分布也比較相似；對于相干測風來說，由于低層氣溶膠數(shù)密度相對較大，測風精度較高，在中高層大氣中，云滴粒子或氣溶膠粒子數(shù)密度相對較小，測風精度較低，該仿真結果與圖8（a）具有一定的相似之處。Baron等（2017）和Okamoto等（2018）的研究表明，對于星載相干激光測風雷達而言，測風不確定度主要與大氣不均勻性有關。

3.3 基于對數(shù)值預報系統(tǒng)改進作用的評估

OSSE（Observing System Simulation Experiments）系統(tǒng)是評估某個新引入的觀測量能否有助于改善數(shù)值預報系統(tǒng)精度的有力工具。Rohaly和Krishnamurti（1993）最早使用了OSSE 系統(tǒng)評估了全球風場探測數(shù)據(jù)是否能夠改善數(shù)值預報系統(tǒng)的預報結果。OSSE 運行時主要分兩步進行，首先利用現(xiàn)有的數(shù)值預報系統(tǒng)進行預報，然后將新的觀測量同化到預報系統(tǒng)的觀測場中，再次進行預報，最后將兩次預報結果進行對比，即可評估該觀測量對數(shù)值預報系統(tǒng)的改善作用（Lahoz 等，2005）。在運行OSSE 之前，為了同化新的觀測量，需要對數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)進行重構。另外在同化數(shù)據(jù)時，觀測量的不確定度是一個不可或缺的量，還需建立新觀測量的模擬仿真系統(tǒng)以計算其不確定度。所以OSSE實驗需要消耗較大的人力和計算力，但相比建立新的觀測系統(tǒng)，這些消耗只是其中一小部分。

Stoffelen 等（2006）利用OSSE 系統(tǒng)對星載激光測風雷達能否改善數(shù)值預報產(chǎn)品精度進行了評估。在評估時分別使用了兩種資料作為觀測場，一是無星載激光雷達風場的模式預報資料，二是使用了模式預報資料加模擬的星載激光雷達觀測風場資料（Marseille 和Stoffelen，2003；Reitebuch等，2017）。將上述兩種資料分別利用4D-Var 技術同化到觀測場中進行預報。結果表明，增加了星載激光雷達風場觀測資料后，預報模式的結果得到了明顯的改善，但是當星載激光雷達測風結果精度較低時，對預報結果產(chǎn)生了副作用。Tan 等（2007）的研究也驗證了這一點，而且其結果表明，現(xiàn)在的數(shù)值同化系統(tǒng)可從Aeolus 探測的徑向風場中提取有用信息，能夠減小預報的誤差和再分析風場的不確定度。

Masutani 等（2010）使用了OSSE 評估了HDWL獲取的風場資料對預報系統(tǒng)的改善作用，在實驗過程中使用的風場、溫度、氣壓和濕度等數(shù)據(jù)取自NCEP 的再分析資料，其中模擬風場資料的系統(tǒng)誤差和不確定度是由DLSM（Defense Lidar Simulation Model）基于泊松噪聲的原理產(chǎn)生的。實驗結果表明，HDWL 對預報系統(tǒng)改善作用的置信度達到95%以上，尤其是在熱帶地區(qū)的高層大氣下，改善作用更加明顯。

Okamoto 等（2018）評估了CDWL 對預報系統(tǒng)的改善作用，在將風場資料加入到觀測場之前，首先利用仿真系統(tǒng)基于氣溶膠和云場的觀測資料模擬了風場觀測量的信噪比、不確定度以及誤差，并且評估了極地軌道和熱帶軌道對預報系統(tǒng)的改善作用，結果表明兩種軌道都能較好地改善天氣預報的結果。在熱帶地區(qū)，加入星載激光測風雷達全球風場觀測資料后，預報相對誤差能夠減小2%左右。另外該研究表明，低估CDWL 對預報系統(tǒng)改善作用的很大一部分原因是因為不能較好地模擬觀測風場的不確定度。

美國和日本的星載激光雷達技術體制通過在一顆衛(wèi)星上安裝多個望遠鏡的方法實現(xiàn)水平風場矢量的探測，這種技術體制也可通過多顆衛(wèi)星聯(lián)合探測來實現(xiàn)。Marseille 等（2008）評估了5 種聯(lián)合探測體制對預報系統(tǒng)的改善作用，這5種聯(lián)合探測體制如圖10所示，分別為：圖10（a）Aeolus 單顆衛(wèi)星探測；圖10（b）Dual-perspective：其軌道與Aeolus 軌道一致，前后兩顆星載激光測風雷達的探測方位角相差90°，可實現(xiàn)水平二維風場的探測；圖10（c）Tandem-Aeolus：一顆衛(wèi)星運行在Aeolus的軌道，另一顆衛(wèi)星軌道的升交點與Aeolus軌道升交點相差50 min 左右，其他參數(shù)與Aeolus軌道一致，兩顆星載激光測風雷達的技術體制與Aeolus相同，探測時，兩顆衛(wèi)星基本上位于相同緯度面上；圖10 （d）Triple-Aeolus：與Tandem-Aeolus 類似，3 顆采用Aeolus 技術體制的星載激光測風雷達進行聯(lián)合探測，其軌道升交點相差30 min左右；圖10（e）Dual-inclination：兩顆衛(wèi)星運行于不同傾角的軌道，其傾角分別為97.2°和70°，第二顆衛(wèi)星主要用于探測中低緯風暴多發(fā)地區(qū)的大氣風場。

圖10 5種星載激光雷達聯(lián)合測風技術方案探測數(shù)據(jù)覆蓋情況示意圖（Marseille等，2008）Fig.10 The data coverage of five observation scenarios of spaceborne DWLs（Marseille et al.，2008）

Marseille等（2008）評估結果表明：（1）聯(lián)合探測技術體制對數(shù)值預報系統(tǒng)的改善作用要明顯優(yōu)于單顆星載激光測風雷達；（2）提高探測風場的覆蓋面更有助于提高預報系統(tǒng)的精度，如Tandem-Aeolus 體制、 Dual-perspective 體制和Dual-inclination 體制探測到的徑向風速數(shù)量都是Aeolus 的兩倍，但從對預報系統(tǒng)的改善作用來說，Tandem-Aeolus 體制的改善效果在三者中最好，后兩種技術體制在特定情況下對數(shù)值預報系統(tǒng)的改善效果好，如Dual-inclination 體制的探測結果有助于改善中低緯地區(qū)，尤其是大西洋地區(qū)風暴的預測結果，在Dual-perspective 體制下，衛(wèi)星星下點附近的數(shù)值預報結果改善作用明顯，對比其他4 種探測體制，該體制其改善效果最佳，但是由于探測覆蓋面較低，從全球整體來看，其對數(shù)值預報系統(tǒng)的改善作用比Tandem-Aeolus 體制低；（3）Triple-Aeolus 體制相比Tandem-Aeolus 體制，對數(shù)值預報系統(tǒng)有一定的改善作用，Tandem-Aeolus 體制相比Aeolus，其改善作用大約增加了66%，增加第3 顆衛(wèi)星之后，相比兩顆衛(wèi)星，其增加的改善作用約為20%，該結果表明，3 顆以上星載激光測風雷達對預報系統(tǒng)的改善作用有限，太多的衛(wèi)星可能帶來數(shù)據(jù)冗余。

OSSE 結果表明，3 種星載激光雷達測風技術體制都能有效地改善數(shù)值預報系統(tǒng)的預報結果。水平二維風場的探測與徑向風場的探測相比，改善星下點附近數(shù)值預報結果的作用更加明顯。從對全球預報的整體改善效果來看，更廣泛的探測覆蓋面相比水平二維風場的探測，其效果更好。另外在運行OSSE 實驗時，需要通過星載激光測風雷達仿真系統(tǒng)對觀測風場的不確定度進行模擬，否則可能無法準確評估其對數(shù)值預報系統(tǒng)的改善效果。

通過Aeolus、HDWL 和CDWL 這3 種星載激光測風雷達技術體制的數(shù)據(jù)獲取率和獲取量、風場探測精度以及對數(shù)值預報系統(tǒng)的改進作用方面的對比可得，美國HDWL 技術體制可以探測平行于星下點軌跡上兩條路徑的風場數(shù)據(jù)，而Aeolus 和CDWL 只能探測一條路徑的風場數(shù)據(jù)，故HDWL具有更廣的數(shù)據(jù)覆蓋面，其測風精度也相對較高，而且HDWL 可以實現(xiàn)水平二維風場的探測，日本CDWL雖然能實現(xiàn)水平二維風場探測，但其數(shù)據(jù)獲取率較低，結合Marseille 等（2008）對5 種多星聯(lián)合探測技術體制的評估結論可以預估，HDWL 技術體制對數(shù)值預報系統(tǒng)的改善作用相比其他兩種體制較明顯。但上述結論主要是通過前人所做實驗的結論進行推理的，目前缺乏將3種技術體制置于完全相同的大氣環(huán)境中進行模擬評估的實驗，而且美國和日本的星載激光測風雷達目前仍處于論證階段，其參數(shù)還在調(diào)整中，參數(shù)的調(diào)整會對測風精度產(chǎn)生較大的影響，并且雷達在太空運行后，由于環(huán)境的改變，其發(fā)揮的性能還有待評估。所以這兩種技術體制的激光雷達測風精度以及對預報系統(tǒng)的改善效果還有待進一步研究。

4 結論

2018年全球首顆星載激光測風雷達衛(wèi)星Aeolus的成功發(fā)射標志著人類在全球風場的探測方面邁入了新的階段。目前，美國和日本也在積極論證和研制HDWL 和CDWL 星載激光測風雷達技術體制，中國也在開展相關研究工作。不同星載激光測風雷達技術體制決定了研制成本和發(fā)揮的作用。目前的評估結果表明星載激光測風雷達對數(shù)值預報系統(tǒng)具有較好地改善作用，使用單顆衛(wèi)星進行全球風場探測時，美國HDWL 技術體制相比歐洲空間局Aeolus 和日本CDWL 技術體制能夠獲取更多的風場探測數(shù)據(jù)，其測風精度較高，將更有助于數(shù)值預報系統(tǒng)結果的改善。使用多顆衛(wèi)星進行聯(lián)合探測時，更廣泛的探測覆蓋面相比水平二維風場的探測，更有助于改善全球數(shù)值預報系統(tǒng)的預報效果。水平二維風場的探測，對改善衛(wèi)星軌道附近的數(shù)值預報系統(tǒng)結果效果最佳。

星載激光測風資料對全球數(shù)值天氣預報效果改善作用的評估是一項復雜的工作，其中牽涉到對測風不確定度的評估，而星載激光測風資料的不確定度不僅與激光雷達技術參數(shù)有關，還與衛(wèi)星軌道參數(shù)和大氣不均勻性有關。因此，開展星載激光測風技術體制的論證還需要做深入的研究，以便獲得最優(yōu)的技術方案。