激光雷達和毫米波雷達探測海霧回波的對比分析

馬 強，陶 法，茆佳佳，胡樹貞，楊 玲，金黎斌

(1.成都信息工程大學(xué)電子工程學(xué)院，成都 610225；2.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044；3.中國氣象局氣象探測中心，北京 100081；4.內(nèi)蒙古烏蘭察布市氣象局，烏蘭察布 012000；5.上海市寶山氣象局，上海 201900)

0 引言

海霧是海上主要的災(zāi)害性天氣之一。司繼賢[1]等在青島利用713測雨雷達做未來24 h的海霧預(yù)報，預(yù)報雨霧成功率在95%以上；康曉華[2]等使用能見度激光雷達在機場開展了6個月的觀測對比實驗，結(jié)果表明激光雷達與人工觀測的能見度相關(guān)系數(shù)均高于0.85，符合國際標(biāo)準(zhǔn)組織的技術(shù)要求以及國家民航有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求；Julien Delano?[3]等設(shè)計了新型大氣探測雙機毫米波雷達(BASTA)，用于在12.5 m垂直分辨率模式探測霧和低云。由于海霧季節(jié)性逆溫層出現(xiàn)于距離地面200～300 m左右的高度上，厚度為300～400 m，所以地基雷達在探測海霧時比星載雷達更有優(yōu)勢。文章在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合上海地區(qū)霧的物理特征，進行激光雷達和毫米波雷達探測海霧能力的對比分析。

1 觀測場地與設(shè)備

此次實驗觀測時間為2019-01-16—2019-02-27，所使用的毫米波雷達和激光雷達被安置在上海市崇明區(qū)橫沙島(31.30°N，121.86°E，儀器海拔高度53.36 m)。兩種設(shè)備并排放置，相距30 m，毫米波雷達采用低仰角扇掃觀測模式，激光雷達采用PPI掃描觀測模式。為了驗證激光雷達能見度的準(zhǔn)確性，實驗選擇與地面觀測的能見度儀和雨滴譜儀記錄進行數(shù)值比較。能見度儀和雨滴譜儀被安置在上海市寶山區(qū)橫沙島上，與激光雷達距離14 km。各儀器參量如表1所示。

表1 激光雷達、毫米波雷達、能見度儀和雨滴譜儀的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

2 數(shù)據(jù)分析

按照《地面氣象觀測規(guī)范》[4]對霧的定義：水平能見度距離在1～10 km的稱為輕霧，水平能見度距離低于1 km的稱為霧。文章在數(shù)據(jù)分析時，按晴空、霧和輕霧3種天氣情況進行分析。

2.1 晴空條件下激光雷達與能見度儀比較

實驗選取以能見度儀的方向為方位角，14 km為觀測距離的激光雷達數(shù)據(jù)與能見度儀進行對比。根據(jù)地球曲率計算得到能見度儀垂直方向較激光雷達水平體掃面低約17.66 m，根據(jù)張奉公[5]等對長江口海霧的統(tǒng)計和傅剛[6]等對青島海霧的研究，由于海霧厚度一般距地面高度為幾百米，所以此次實驗認為兩類設(shè)備觀測高度近似為同一高度。為降低激光雷達點數(shù)據(jù)可能產(chǎn)生的極值，選擇被觀測點半徑100 m范圍內(nèi)均值代替點值。經(jīng)過3倍標(biāo)準(zhǔn)差剔除異常值的數(shù)據(jù)后，激光雷達與能見度儀全樣本數(shù)據(jù)對比如圖1所示。

圖1 激光雷達與能見度儀全樣本數(shù)據(jù)對比

由圖1可以看出，激光雷達與能見度儀全樣本數(shù)據(jù)的一致性趨勢較為接近，相關(guān)系數(shù)為0.639，相關(guān)性一般。原因是在發(fā)生霧的過程中存在霧分布不均勻情況和光學(xué)探測原理的限制[7]。為減小失真數(shù)據(jù)產(chǎn)生的影響，在全樣本中，選擇激光雷達能見度為14 km以上數(shù)據(jù)作為新樣本，確保激光雷達和能見度儀兩者在直線距離內(nèi)數(shù)據(jù)有效。對比結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，在能見度較好的情況下，激光雷達與能見度儀線性擬合后的回歸系數(shù)為1.08，表明在有效觀測距離內(nèi)兩者受氣溶膠影響時的一致性很好，相關(guān)系數(shù)為0.8167，擬合效果較好。新樣本進行Lilliefors正態(tài)分布檢驗后的值為0.266，大于0.05，表明新樣本符合正態(tài)分布。在此基礎(chǔ)上，通過進行單因素方差分析對比兩種設(shè)備的顯著性差異。分析結(jié)果如表2所示。

由表2可知：對比數(shù)據(jù)的顯著性水平(P-value)明顯大于0.05，檢驗統(tǒng)計量(F)小于檢驗臨界值(F crit)，說明在α=0.05的情況下，兩類設(shè)備顯著性差異很弱，具有較強的相關(guān)性。

2.2 霧天氣下激光雷達與毫米波雷達比較

2019-02-25夜間，上海近海區(qū)域開始出現(xiàn)霧天氣，26日00：00—03：00能見度儀觀測到的平均能見度為2534 m，最小能見度1923 m，激光雷達觀測到的平均能見度為336 m。

根據(jù)激光雷達信息，26日02：43起，激光雷達附近能見度小于1 km，最遠探測距離為5 km。根據(jù)毫米波雷達信息，7 km內(nèi)的回波約為-30～-15 dBz。為了解此次霧的完整過程，選取方位角方向為較少地物雜波的74°，以20：00—04：00進行時間序列的統(tǒng)計。

經(jīng)統(tǒng)計得出，霧從25日20：00開始發(fā)展，至23：30，霧的反射率約為-30～-20 dBz。23：30后，霧的過程逐漸增強，至次日02：30，霧的反射率上升為-25～-15 dBz，反射率較發(fā)展階段增強了約3倍。02：30后，霧逐漸消退。整個過程中，探測距離隨回波強度增大而增大，最大探測距離約6 km。

2.3 雨霧天氣下激光雷達與毫米波雷達比較

2019-02-13夜間，上海地區(qū)出現(xiàn)輕霧天氣。21：00—24：00，能見度儀觀測到的平均能見度為5890 m，最小能見度為4606 m，人工觀測最小能見度為5 km，激光雷達觀測到的平均能見度為3934 m。

輕霧天氣下，激光雷達與毫米波雷達的最遠探測距離均為15 km。對比26日的激光雷達結(jié)果，13日的海霧能見度較高，理論上霧滴的直徑數(shù)濃度相對偏小，海霧反射率因子應(yīng)該更弱。但毫米波雷達的觀測結(jié)果卻出現(xiàn)了非常強的回波。為了解此次霧的完整過程，選取74°方位角，以19：00至次日13：00進行時間序列的統(tǒng)計。

經(jīng)統(tǒng)計得出：在輕霧持續(xù)的夜間，雷達反射率大部分處于20 dBz以下，偶見30 dBz的相對較強回波。為了驗證毫米波雷達的準(zhǔn)確性，對毫米波雷達西14 km處的雨滴譜儀進行同時段統(tǒng)計后得到圖雨滴分布信息，根據(jù)Ka波段米散射計算得到反射率，統(tǒng)計結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)圖3(a)可以看出：13日20：00至14日05：00，雨滴譜記錄的降水粒子直徑分布于0.5～3 mm，峰值為0.6 mm，在計算雷達反射率時使用米散射計算。經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，13日20：00至次日05：00，毫米波雷達位置的反射率與雨滴譜計算的反射率趨勢相近，表明兩個地區(qū)均發(fā)生了較長時間降水，驗證了此次輕霧過程為雨霧天氣。由于雨滴譜儀在毫米波雷達的探測范圍外，該結(jié)果僅說明在較大范圍的雨霧過程中兩者的一致性較高。

圖3 13日19：00—14日13：00雨滴譜信息：(a)粒子分布；(b)反射率

3 結(jié)束語

文章根據(jù)激光雷達和毫米波雷達2019年冬季在上海近海區(qū)域的海霧實驗進行了探測能力對比。晴空條件下，激光雷達與在較遠距離的能見度儀一致性好，相關(guān)系數(shù)可達0.8167，顯著性水平為0.46，檢驗統(tǒng)計量為0.53，小于檢驗臨界值3.91，兩類設(shè)備呈現(xiàn)弱顯著性差異；霧條件下，激光雷達探測能力強但有效距離很短，毫米波雷達接收到的反射率很弱；輕霧條件下，激光雷達探測能力隨能見度升高逐漸增強，但不能反映霧中的其他天氣過程，毫米波雷達可以接收除霧反射率外的強反射率，例如雨霧天氣中的雨回波。兩類設(shè)備在探測海霧觀測中可以從不同角度描述霧的物理結(jié)構(gòu)和特點，共同促進海霧的觀測能力。