三个激光测风雷达与探空测风对比分析

徐宁 鲁奕岑* 刘熔熔 张姗姗 王俊骄

（1.浙江省气象信息网络中心 浙江省杭州市 310000）

（2.杭州市气象局杭州国家基准气候站 浙江省杭州市 310008）

1 引言

风作为一种重要的天气参数，对天气预警预报。气象防灾减灾、气候监测、航空航天等很多领域都有重要的应用价值.通过分析连续的风场资料可以得出相应的大气流场特征，底层大气流场变化与降水过程的触发和发展有着密切的联系。目前，气象部门探测地面风场主要利用自动站的机械风杯和风杆，对于高空大气，则主要通过探空仪、风廓线雷达、测风激光雷达等遥感设备。传统的大气风场观测，地面主要依靠气象站网的风观测；而高空大气风场则依靠无线电探空系统，这是现今应用最广泛，可以提供风场垂直剖面的常规高空探测业务系统。但是高空业务风场探测的时空分辨率有限，常规观测次数少，难于获取更密时间连续的风场数据，且由于气球随风飘移，其测量数据的空间代表性也无法满足界层三维气象信息的需要；风场观测数据的准确度也不高，风速误差为±1m/s，风向误差为±10°。激光测风雷达具有测量精度高、分辨率高、探测范围广、响应速度快等特点，对晴空天气的大气探测具有显著的作用。

本研究数据选取同一时间段下，同一观测地点，对激光测风雷达与探空资料开展对比分析工作。从设备稳定性，数据获取率、准确性三个方面分析三部雷达测风数据与实际探空资料的差异。较为准确的对三个厂家雷达的测风能力进行评估，为测风雷达数据质量控制和数值模式、日常预报分析、底层大气实时监测等提供更加详尽的数据支撑。

2 设备简介及探测原理

本次试验采用杭州国家基准气候站综合观测基地的无线电探空与激光雷达进行对比分析。三种激光雷达分别为佐格微系统有限公司、青岛华航环境科技有责任公司，安徽蓝盾光电子股份有限公司生产的。雷达位于杭州国家基准气候站业务楼顶，所在经纬度为（30.23°N，120.16°E），海拔42.1m。三种激光测风雷达均是通过激光器发射发射激光脉冲，经扩大后进入大气，大气中的粒子对激光产生米散射，其中方向为180°的散射光（后向散射）被望远镜系统接收，由探测系统将探测到的回波信号产生的多普勒频移进行测量，通过分析这些测量信息直接得到高时空分辨率、高精度的实时风场数据。具体参数如表1 所示。

表1 ：三种激光测风雷达主要参数

无线电探空仪是常规气象探测仪器，杭州国家基准气候站使用 L 波段无线电探空仪。其原理是利用测风雷达跟踪自由上升气球，依据气球的水平运动分量随风向和风速而改变的原理测量高空风。通过跟踪自由上升气球携带的探空仪在空间的移动轨迹，测风雷达对其进行定位，从而测得每分钟探空仪相对雷达的方位角、仰角和斜距；利用2 个计算分钟点的测距和测角数据，计算出2 个计算分钟点中间时刻的水平风向和平均风速。规定高度层矢量风的计算方法为先从探空温度、气压、湿度记录的时间—高度曲线上查算其所对应的探测时间，将与其相邻的上、下2 个量得风层内插，通过计算得到规定高度的水平风向以及平均风速。无线电探空仪测风采用气球作为示踪物，根据一段时间内气球飘移的距离计算水平风。

3 数据对比分析

激光测风数据选取2021年4月26日19 时至5月16日19 时垂直高度上的风速、风向数据。探空数据选取对应时间段01 时、07 时、19 时垂直高度上的风速、风向数据。

3.1 设备的稳定性

4月26日至5月16日期间，以探空数据测量时段作为基准，选取探空球观测开始时间后第5 分钟的分钟数据进行数据获取率统计。测试期间，因华航测风雷达5月4日上午7:29 开始数据缺测，经过综合判别，认定为通讯和软件出故障，维修后8 号、10 号、13 号有部分数据，其余天数仍缺测。佐格测风雷达应测61 次，实测57 次，设备数据时次获取率为93.44%，设备按照自设置分钟观测数据，应测28860 次，实测27952 次，分钟数据获取率为96.85%；蓝盾测风雷达应测61 次，实测61 次，设备数据时次获取率为100%，分钟数据获取率为100%；华航测风雷达应测61 次，实测28 次，设备数据时次获取率为45.90%，分钟数据获取率为52.97%。在设备稳定性方面，蓝盾测风雷达设备的稳定性最高，其次为佐格，华航测风雷达设备稳定性最低。

3.2 数据获取率

按照探空观测时间后第5 分钟开始，对三种测风雷达在不同高度上的分钟数据进行数据获取率统计如图1 所示，佐格测风雷达探测最大高度3200m，平均探测高度为2267.5m。300m 以下高度数据获取率在95%以上，2950m及以下高度数据获取率在50%以上，3200m 高度数据获取率为40.4%；蓝盾测风雷达探测最大高度为3045m，平均探测高度为2234.3m。400m 及以下高度数据获取率在95%以上，2700m 及以下高度数据获取率在50%以上，3000m高度数据获取率为42.6%；华航测风雷达探测最大高度为1820m，平均探测高度为1212.8m。100-650m 高度数据获取率在95%以上，1300m 及以下高度数据获取率在50%以上，1600m 高度以上数据获取率不足10%。

图1 ：三种测风雷达数据获取率的比较

因激光测风雷达工作环境对天气要求较高，测试期间，针对下雨等天气环境较恶劣的情况，进行了三种雷达探测高度进行了统计，按照探空球观测开始分钟起的10 分钟数据作为实际探测平均高度，测风雷达为对应分钟数据的平均探测高度。例如探空球观测开始时间为07 时15 分，则选取07 时15 分至07 时24 分作为探测平均高度，下雨期间特殊时次进行了三种雷达探测高度进行了统计，如表2 所示。

表2 ：下雨期间特殊时次三种雷达探测高度对比

数据获取率方面，三种测风雷达数据获取率随着探测高度的上升，数据获取率逐渐降低。探测高度300m 在以下时，三种测风雷达数据获取率均在95%以上；在探测高度600m至1800m 时，三种测风雷达数据获取率均有减小的趋势，蓝盾和佐格的平均数据获取率分别为80.2%，74.6%，华航在此探测高度，数据获取率有明显的递减趋势，平均数据获取率仅为55.0%，1600m 高度以上数据获取率不足10%；1800m 以上，蓝盾平均数据获取率为48.4%要小于佐格平均获取率58.5%，华航数据获取率为0%。

整体上，佐格测风雷达数据获取率最好，探测高度更高，蓝盾次之，华航测风雷达数据获取率最低，但是佐格测风雷达在雨天表现不稳定，4 个缺测时次都在雨天，而蓝盾测风雷达在雨天表现最好。

3.3 数据准确性

选取了在4月26日至5月3日及5月12日期间共25个时次、1700m 以下高度，进行风向、风速比对如图2 所示。三个测风雷达与探空风速相比，佐格的平均风速差值为0.90m/s，蓝盾的平均风速差值为1.04m/s，华航的平均风速差值为0.91m/s，平均风速差值较为接近，探测高度越高，三个测风雷达与探空风速平均差都略有减小，佐格与华航的平均风速测值更接近于探空风速值。与探空风向对比，佐格的平均风向差值为15.3°，蓝盾的平均风向差值为41.8°，华航的平均风向差值为12.5°，探测高度越高，其中佐格、华航测风雷达与探空风向平均差有都减小，而蓝盾探空风向平均差值没有减小，在50m 至250m 高度，蓝盾探空风向平均差值随高度增大，差值也增大。在风向上，华航的风向测值更接近于探空风速值，佐格次之，蓝盾的差值相对较大。

图2 ：三个测风雷达与探空风速平均差值对比

4月26日至5月10日探测期间佐格与蓝盾测风雷达的探测平均高度在2600m左右，而华航测风雷达探测高度受限。选取这一时段内探空放球后的第5 分钟与第10 分钟的雷达测风数据分别与探空数据进行了进一步的比较，共有43 个时次可比对，比对高度为50 至3000m，对风向过北的数据进行了订正处理，结果如图3 所示：

图3 ：同一探测高度，佐格、蓝盾测风雷达与探空数据风速均差对比（a,b,c,d）

佐格测风雷达在探空开始观测后第5 分钟、第10 分钟数据与探空测风数据对比分析如图3 中a，c 所示。

佐格第5 分钟风速比探空风速平均差值介于0.6 ～1.2m/s，平均数为0.9m/s，第10 分钟风速比探空风速平均差值介于0.7 ～1.6m/s,平均数为1.0m/s；佐格第5 分钟风向比探空风向平均差值介于12.4°～50.5°，平均数为30.3°，佐格第10 分钟风向比探空风向平均差值介于12.8°～55.8°，平均数为34.2°。蓝盾测风雷达在探空开始观测后第5 分钟、第10分钟数据与探空测风数据对比分析如图2 中b，d 所示: 蓝盾第5 分钟风速比探空风速平均差值介于0.6 ～1.2m/s，平均数为1.0m/s，蓝盾第10 分钟风速比探空风速平均差值介于0.8 ～1.5m/s,平均数为1.1m/s；蓝盾第5 分钟风向比探空风向平均差值介于37.5°～75.5°，平均数为54.7°，蓝盾第10 分钟风向比探空风向平均差值介于41.5°～77.7°，平均数为55.0°。两个测风雷达均是第5 分钟的测风数据更接近于探空数据。

为进一步分析三个测风雷达数据的准确性，随机选取测试期间不同时段下的个例进行分析如图4 所示。

从图4 分析可见，测风雷达与探空风速廓线相关性均在0.9 以上，说明三个测风雷达风速廓线的整体吻合度非常高，但测风雷达在探测高度1000m 到2000m 左右时，风速波动比较大，分析可能原因是随着传播距离的增加，激光信号在空气中衰减增大，回波信号的信噪比降低，在进行信号处理时，存在一定的误差，导致测风雷达探测的风速波动较大，当激光继续向上传播时，由于云层的影响，气溶胶和大气中的粒子的浓度增加，后向散射强度又增强，使得回波信号的信噪比有变高了。探空风向廓线上，华航与佐格与探空风向廓线一致较高，而蓝盾在形态上与探空风向廓线一致，但是风向数值上相差较大。

图4 ：测风雷达与探空数据风速廓线对比个例图

4 结论

本文选取同一时间段，同一观测地点，对三种激光测风雷达与探空资料开展对比分析。以探空数据测量作为基准，从设备稳定性，数据获取率、准确性三个方面分析三部雷达测风数据与实际探空资料的差异，得出以下结论：

（1）设备稳定性上，与探空气象对应时次有佐格测风雷达应测61 次，实测57 次，蓝盾测风雷达应测61 次，实测61 次，华航测风雷达应测61 次，因软件故障，实测只有28 次。蓝盾测风雷达设备的稳定性最高，其次为佐格，华航测风雷达设备稳定性最低。

（2）数据获取率上，佐格测风雷达数据获取率最好，探测高度更高，蓝盾次之，华航测风雷达数据获取率最低，但是佐格测风雷达在雨天表现不稳定，4 个缺测时次都在雨天，而蓝盾测风雷达在雨天表现最好。

（3）数据准确性上1700m 以下，三个测风雷达随探测高度的增加与探空风速对比，平均差值都略有减小，佐格与华航的平均风速测值更接近于探空风速值，蓝盾次之，与探空风向对比，其中佐格、华航测风雷达与探空风向平均差有都减小，而蓝盾探空风向平均差值没有减小，在50m 至250m 高度，蓝盾探空风向平均差值随高度增大，差值也增大，平均差值介于40°左右。在1700m 以上，因华航测风雷达仪器探测高度受限，进一步的比较佐格与蓝盾第5 分钟和第10 分钟风速，风向数据准确性，发现两个测风雷达均是第5 分钟的平均测风数据更接近于探空数据，平均差值介于0.6 ～1.2m/s，佐格测风雷达风向更接探空风向数据。

（4）三个激光测风雷达风速廓线与探空风速廓线在整体上吻合度非常高，但在探测高度1000m 到2000m 左右时，测风雷达风速波动比较大，具体原因还需要通过大气气溶胶能见度廓线进行验证；风向廓线中，华航与佐格与探空风向廓线一致较高，蓝盾在形态上与探空风向廓线一致，但是风向数值上相差较大。