多普勒測風激光雷達與L波段探空對比分析

李林,張治國,杜傳耀,韋濤,于麗萍,范雪波*

(1北京城市氣象研究院,北京 100089;2北京市氣象探測中心,北京 100176)

0 引言

大氣風場是氣候學和天氣學研究的重要內容,是大氣中水循環(huán)、海氣交換、氣溶膠輸運以及天氣變化的主要動力,精確可靠的風場數(shù)據(jù)可以提升數(shù)值天氣預報的準確性。大氣垂直風場觀測最主要的方式是通過探空氣球進行觀測,為了提高垂直探測的時間分辨率,20世紀70年代,一些國家開始相繼研制風廓線儀。1989年,中國氣象科學研究院研制了風廓線雷達探測系統(tǒng)[1,2],2000年以后在臺站進行應用,有研究人員對風廓線雷達的測量精度、定標方法和處理算法進行了分析和研究[3,4]。同時期,多普勒測風激光雷達的相關研究也在開展,從20世紀70年代開始,美國國家航空航天局(NASA)等機構開展了相干多普勒測風激光雷達的研究[5]。NASA與美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)等組織于1998年聯(lián)合推出了CO2相干測風激光雷達系統(tǒng),可探測從地面到30 km高度的風場[6]。2002年我國的非相干多普勒測風激光雷達研制成功[7,8]。后得益于光纖通信技術的發(fā)展,相干多普勒測風激光雷達成為主流產(chǎn)品,在風力發(fā)電的功率預報和尾流監(jiān)測等方面得到了較好的應用[9-11];同時因其體積小、便攜性好、可掃描等特點,在機場跑道風場的低空風切變的細致結構分析和形成機理研究方面[12,13]得到特別應用。

大氣邊界層風廓線數(shù)據(jù)通常通過氣象梯度塔、無線電探空儀、系留氣艇、L波段風廓線雷達觀測獲得,但此類觀測方法通常存在探測高度、探測頻率和垂直分辨率較低等不足,測風激光雷達則可實現(xiàn)邊界層內風廓線的高時空分辨率觀測。國內諸多研究人員對測風激光雷達的準確性進行過一些評估,夏俊榮等[14]于2007年12月11至14日在中國科學院大氣物理研究所325 m的氣象塔試驗場開展了測風激光雷達與鐵塔測風對比試驗,二者的相關系數(shù)達到或超過0.98;王喬喬等[15]在張家口市張北縣國家風光儲輸試驗場,采用Windcube激光雷達測風系統(tǒng)與測風塔測風設備同步觀測試驗數(shù)據(jù),測量數(shù)據(jù)有效率在140m以下達到97%以上,100m高度風速偏差為-0.197m·s-1,平均風向偏差為-6.2°;陳雯超等[16]分析了不同天氣條件下測風激光雷達的性能,測風激光雷達的陣風風速偏大約0.3m·s-1;史文浩等[17]分析了“利奇馬”臺風期間測風激光雷達與70m測風塔超聲風溫儀誤差,激光雷達水平風速、垂直風速和風向均方根誤差分別為1.06m·s-1、0.46m·s-1和17.10°。

鑒于目前已有的對于測風激光雷達探測性能研究分析中存在探測高度比對高度低、比對時間短等不足,本文利用2020年1–5月開展的測風激光雷達(DWL)與L波段探空系統(tǒng)(LRS)對比試驗,分析了某型掃描式相干多普勒測風激光雷達在地面至3000m垂直高度范圍內的測風性能。

1 對比觀測試驗介紹

對比試驗場地設在北京國家基本氣象站(臺站號:54511),采用法國Leosphere公司生產(chǎn)的WINDCUBE 100S相干多普勒測風激光雷達(以下簡稱激光雷達)和南京大橋機器有限公司生產(chǎn)的GFE(L)1型L波段探空系統(tǒng)(以下簡稱L波段探空)。

所用激光雷達可以實現(xiàn)距設備安裝高度50～3000m垂直上空大氣水平風速(WS)、水平風向(WD)、垂直風速、信噪比等信息的探測,具有較高的時空分辨率,其主要性能參數(shù)如表1所示。激光雷達的波束掃描方式主要有多普勒波束掃描(DBS)、距離高度顯示掃描(RHI)、平面位置顯示掃描(PPI)和單一徑向掃描(LOS)等,本次試驗中采用DBS五波束模式,掃描圓錐角為30°,該方法需要的波束少,可以在較短時間內完成掃描,在氣流不穩(wěn)定的情況下也適用。DBS通過獲取東南西北4個方位角上的徑向風速數(shù)據(jù)反演風廓線。假設基本風場為均勻風場,并忽略垂直分量,結合掃描圓錐角,利用三角函數(shù)關系計算獲得不同高度層上的水平風向、風速值,其垂直方向風速則是直接利用垂直波束測量獲得。

表1 WINDCUBE 100S型激光雷達性能參數(shù)Table 1 Specifications of WINDCUBE 100S Doppler wind lidar

L波段探空通過GFE(L)1型測風雷達跟蹤探空氣球上搭載的電子探空儀,計算獲得其自釋放點至向上3000m各高度層的水平風速、風向等數(shù)據(jù),其測距、測角精度的均方根(RMS)分別≤20m、≤0.08°,主要性能參數(shù)如表2所示。本研究將L波段探空獲取的風廓線數(shù)據(jù)作為激光雷達探測數(shù)據(jù)質量對比的參考標準。測量時,GFE(L)1型雷達在地面向探空儀發(fā)射脈沖作為詢問信號,探空儀隨即產(chǎn)生應答信號,按照原路返回并被雷達天線接收,通過計算信號從雷達至探空儀之間的往返時間可獲取直線距離信息,結合方位角、仰角等數(shù)據(jù),可推算出高空的風向、風速。

表2 GFE(L)1型L波段探空系統(tǒng)性能參數(shù)Table 2 Specifications of GFE(L)1 L-band radiosonde

2 觀測數(shù)據(jù)

2.1 數(shù)據(jù)選取和匹配方法

采用北京國家基本氣象站2020年1月1日–5月31日每天08:00和20:00(文中均為北京時間)的激光雷達和L波段探空的垂直風廓線數(shù)據(jù),排除試驗期間設備維護和供電故障等時段,二者共同觀測138天,獲取263條有效對比廓線。

激光雷達和L波段探空因測風原理不同,故二者在取樣時間和空間上存在一定差異。文中激光雷達探測獲取測站垂直上方的風廓線數(shù)據(jù),但L波段探空氣球以平均約400m·min-1的速度上升的同時,會隨著大氣風場發(fā)生水平方向的移動,獲取的是探空氣球實際位移路徑上的風廓線數(shù)據(jù)。文中選取試驗期間探空氣球在3000m高度、距釋放點水平距離小于5000m的風廓線數(shù)據(jù)。另外,因激光雷達的測風垂直空間分辨率為50m,L波段探空的測風垂直空間分辨率約為6 m,本研究在計入設備所在的本地海拔高度后,結合各設備測風垂直空間分辨率,選取每層高度差不大于5 m的最鄰近測風數(shù)據(jù)進行匹配,最終形成垂直分辨率為50m的測風數(shù)據(jù)用于對比分析。通過實際數(shù)據(jù)分析,匹配后的兩種測風數(shù)據(jù)同層高度差小于3 m。

文中比對的風廓線垂直高度不大于3000m,L波段探空在此高度內獲取的數(shù)據(jù)為1 min時長的平均數(shù)據(jù)。激光雷達約20 s獲取一組觀測數(shù)據(jù),對每分鐘內的觀測數(shù)據(jù)進行矢量平均以減少瞬時風的影響。同時,為最大程度上保證數(shù)據(jù)的完整性,匹配時保留了風向、風速偏差較大的數(shù)據(jù)。經(jīng)過上述時空匹配,共獲得8491組觀測數(shù)據(jù)。匹配得到的8491組觀測數(shù)據(jù)在距地面垂直高度50～3000m范圍內,以50m垂直高度分層。二者在各高度層匹配的數(shù)據(jù)對數(shù)目分布如圖1所示,1300m高度內的各層基本匹配了200對數(shù)據(jù),其中在200m高度層因探空數(shù)據(jù)缺失導致匹配數(shù)據(jù)少于200對;在2000m以上高度,由于激光雷達的觀測數(shù)據(jù)信噪比偏弱,獲得的可信數(shù)據(jù)量少,各高度層匹配的數(shù)據(jù)均少于100對。

圖1 各高度層的匹配數(shù)據(jù)對的數(shù)量分布圖Fig.1 Distribution of the number of matching data contained in each level

2.2 比對方法

以L波段探空獲取的風廓線數(shù)據(jù)為對照標準,從設備探測風廓線的高度、風速和風向三個方面分析激光雷達的測風數(shù)據(jù)質量。其中,對激光雷達與L波段探空各高度層匹配的數(shù)據(jù)對風速、風向間平均偏差(ME,EM)、平均絕對誤差(MAE,EMA)、均方根誤差(RMSE,ERMS)以及線性擬合的相關系數(shù)R進行計算分析。EM、EMA、ERMS和R的表達式分別為

式中Di和Li分別是激光雷達和L波段探空的第i組對比數(shù)據(jù),和分別是激光雷達和L波段探空的總體平均值。

由于氣象業(yè)務上大氣水平風向的取值范圍為0°～360°,為避免匹配的數(shù)據(jù)在風向處于接近0°或360°附近時產(chǎn)生虛假的風向差值,在計算位于0°或360°附近的風向差異時進行加或減360°的處理,確保獲取二者合理的風向差異。例如,當時空匹配后的激光雷達和L波段探空觀測的風向分別是358°和3°,則將L波段探空觀測風向處理為363°,以確保二者風向實際差值是|363°-358°|=5°,而不是|358°-3°|=355°。

3 結果分析

3.1 探測高度分析

文中的激光雷達是以氣溶膠為探測示蹤物的相干多普勒測風激光雷達,在雷達探測區(qū)域的大氣存在氣溶膠的情況下,激光雷達能夠獲得較好的信噪比,獲取高可信度的觀測數(shù)據(jù)。對比試驗期間,激光雷達在08:00和20:00最大探測高度平均值分別為1558 m和1967 m,風廓線探測高度在大氣邊界層高度以下,且20:00最大探測高度平均值大于08:00。文中138天對比觀測試驗中,激光雷達逐日最高探測高度有8天達到3000m,占全部觀測時間的5.8%;78天不低于2000m,占全部觀測時間的56.5%;在2月13日、2月29日、3月8日和5月8日出現(xiàn)降雨的4天探測最大高度不足1000m,占比為2.9%。具體結果如圖2所示。

圖2 激光雷達逐日探測風廓線的最大高度分布Fig.2 Distribution of daily highest height of the wind profile obtained by DWL

3.2 風速與風向對比

將激光雷達與L波段探空匹配的8491對水平風向、風速數(shù)據(jù)進行線性擬合,結果如圖3所示。風向擬合的相關系數(shù)、平均偏差和均方根誤差分別為0.965、-1.3°和16.1°,風速擬合的相關系數(shù)、平均偏差和均方根誤差分別為0.986、0.21m·s-1和1.06m·s-1。各高度層風向線性擬合相關系數(shù)均大于0.93,100m高度以上各層風速線性擬合相關系數(shù)均大于0.9,具體結果如圖4所示。

圖3 風速(a)、風向(b)散點及線性擬合圖Fig.3 Scattered points and linear fitting graph of wind speed(a)and wind direction(b)

圖4 各層高度上風向及風速線性擬合相關系數(shù)Fig.4 Linear fitting correlation coefficient of WD and WS at each layer height

二者在50m和100m高度層的風速線性擬合相關系數(shù)低于0.9,分別為0.834和0.885。隨著高度增加,二者風向、風速線性擬合相關系數(shù)較低層有所增大。二者在低層相關系數(shù)較小的主要原因可能源于二者探測原理和觀測地點因周邊建筑和地形產(chǎn)生低層局部環(huán)流和湍流等影響。

3.2.1 風速對比分析

計算試驗期間激光雷達和L波段探空在各高度層獲取的平均風速,以及二者之間的均方根偏差和平均偏差,具體結果如圖5所示。在各高度層上的激光雷達平均風速均大于或等于L波段探空平均風速。其中,50m高度層的激光雷達平均風速比L波段探空偏大0.60m·s-1;100～1000m各高度層平均風速差值約為0.1m·s-1;在1000～3000m的各高度層平均風速差值基本呈現(xiàn)隨高度遞增的趨勢,在3000m高度層平均風速達到2.2m·s-1的最大差值。激光雷達和L波段探空探測獲取的各高度層平均風速之間的均方根誤差和平均偏差也基本呈現(xiàn)出隨高度遞增的趨勢,并且在2350m以上高度層有明顯的增大,可能由于該高度區(qū)間內的匹配數(shù)據(jù)樣本量較少造成。圖6(a)給出的各高度層兩者風速差值箱線圖也反映出上述變化趨勢。

圖5 風速及其平均偏差和均方根誤差隨高度分布Fig.5 Distribution of wind speed and its ME and RMSE with height

在不同風速下,激光雷達與L波段探空觀測的風速差異呈現(xiàn)不同特征,具體如圖7所示。以L波段探空獲取的風速值為參考,風速在6～20m·s-1區(qū)間時,二者風速偏差小于或等于0.2m·s-1。特別地,風速在6～10m·s-1范圍內的箱體區(qū)間較小,表明二者風速偏差更小;風速小于6m·s-1時,激光雷達測風值偏高0.3m·s-1;風速在16～20m·s-1區(qū)間時,激光雷達測風值偏低0.2m·s-1;風速大于20m·s-1時,箱體區(qū)間大且中值位于零軸以上較多,說明該風速區(qū)間內的激光雷達的觀測值大于L波段探空的觀測值。

圖7 不同風速條件下的風速差異箱線圖Fig.7 Box plot of wind speed difference under different wind speed conditions

3.2.2 風向對比分析

由圖6(b)給出的各高度層二者風向差值箱線圖可知,除2900、2950、3000m三個高度層外,二者在各高度層的平均風向差異均小于5°。從各層箱體分布來看,在50m高度層,差值箱體明顯要寬于其他高度層,同時該層的異常值也較多,還存在風向接近反向的觀測;隨著高度上升,差值箱體更為集中,異常值也較少,同時可以看出較多異常值和風速差值異常值存在較好的對應關系。

圖6 各高度差值箱線圖。(a)風速;(b)風向Fig.6 Box plot of difference at each height.(a)Wind speed;(b)wind direction

按照地面氣象觀測規(guī)范中水平風向的16方位劃分方法,統(tǒng)計8491對匹配數(shù)據(jù)的水平風向分布,結果如圖8所示。由圖可知,二者風向總體分布具有較好的一致性,其中南南西(SSW)風向分布頻次差值最大,為0.7%。由各高度層的風向分布頻率計算結果(圖9)可知,二者在50～100m高度范圍內的風向分布頻率差異相對明顯,其中在50m高度層上L波段探空觀測的主要風向為N和SW,占風向總頻次的12.1%;激光雷達觀測的主要風向為SW,占風向總頻次的11.3%,次主要風向為SSW,占風向總頻次的10.1%。二者在2000m以上各高度層匹配的數(shù)據(jù)對較少,導致二者探測的風向分布差異隨機誤差偏大,使得二者風向差異增大。圖10為激光雷達與L波段探空在1000m以下各高度層風向頻次差值,低層差值較大。

圖8 各風向出現(xiàn)的頻次占比分布玫瑰圖Fig.8 Rose chart of frequency proportion distribution of each wind direction

圖9 各高度層風向比例分布圖.(a)激光雷達;(b)L波段探空Fig.9 Ratio of wind direction at each level.(a)DWL;(b)LRS

圖10 各高度層風向頻次占比差值Fig.10 Wind direction frequency proportion difference at each level

3.3 典型個例差異分析

試驗期間,激光雷達和L波段探空觀測的風向、風速整體呈現(xiàn)出較好的一致性,但在500m以下高度層上存在較大差異,其中4月8日和5月11日兩天的差異尤為明顯,二者在50m高度層風向最大差值分別為154°和147°。隨著高度增大,二者風向逐漸趨于一致,在1000m以上的各高度層風向差值基本小于15°,個別高度層風向差值小于1°。

4月8日20:00比對結果如圖11(a)所示,400m以下各高度層的激光雷達觀測風速值均小于L波段探空;400m及以上各高度層的激光雷達觀測風速值總體均大于或等于L波段探空。400～1650m各高度層風速具有較好一致性,各高度層風速差值基本小于1.0m·s-1;1700～1950m、2400～3000m各高度層二者風速值及其差值均呈增大趨勢,且激光雷達觀測風速值的增幅大于L波段探空。

5月11日20:00比對結果如圖11(b)所示,700m以下各高度層的激光雷達觀測風速值均小于L波段探空;700m及以上各高度層(除1950m高度層)的激光雷達觀測風速值均大于L波段探空風,且L波段探空風速觀測值波動較激光雷達更為顯著。

圖11 L波段探空和激光雷達觀測風廓線圖。(a)4月8日;(b)5月11日Fig.11 Wind profile observed by LRS and DWL.(a)April 8th;(b)May 11th

總體而言,500m以下各高度層的風向偏差較大,該結果與風廓線和L波段探空相關研究指出的1000m以下低空大氣風的不均勻性增強造成風向誤差較大[3]一致;另外,二者的測量位置和原理差異也有可能導致500m以下各高度層的風向出現(xiàn)較大偏差。激光雷達與測風塔的風速計對比相關研究指出二者在低層的風向具有較好一致性[14-16];另外,較激光雷達探測脈沖具有穩(wěn)定的指向性而言,L波段探空在近地面高度存在強風的情況下,探空球下方懸掛的探空儀會在探空球釋放初始階段存在顯著的擺動,并不是完全跟隨探空氣球的方向移動,這也可能是導致二者在低層的風向存在較大偏差的原因之一。

4 結論

以GFE(L)1型L波段探空系統(tǒng)觀測獲取的50～3000m高度內各高度層風速、風向廓線數(shù)據(jù)為參考標準,利用138天有效觀測試驗期間匹配的8491對觀測數(shù)據(jù),從設備測風高度、風向和風速差異三個方面比對分析了WINDCUBE 100S掃描式相干多普勒測風激光雷達的探測性能,結論如下:

1)對比試驗期間,激光雷達08:00和20:00最高探測高度平值分別為1558 m和1967 m。逐日最高探測高度有8天達到3000m,占全部觀測時間的5.8%;78天達到2000m,占全部觀測時間的56.5%;有4天不足1000m,占全部觀測時間的2.9%。

2)對比試驗期間,激光雷達在匹配的各高度層的平均風速均大于或等于L波段探空觀測值。二者在1000～3000m各高度層的平均風速差值、均方根誤差和平均偏差基本呈現(xiàn)隨高度遞增的趨勢,平均風速差值在3000m高度層達到2.2m·s-1的最大值。另外,在不同風速情況下,激光雷達與L波段探空觀測的風速差異呈現(xiàn)不同特征。風速在6～20m·s-1時,二者風速偏差不大于0.2m·s-1;風速大于20m·s-1時,激光雷達測風值較L波段探空觀測值偏高。

3)按照十六方位風向分布頻率統(tǒng)計,對比試驗期間激光雷達與L波段探空觀測的整體風向具有較好的一致性,但50～100m低層和2000m以上各高度層的風向分布頻率差異較中間高度層有所增大。