高光谱分辨率激光雷达同时测量大气风和气溶胶光学性质的模拟研究

提出一套高光谱分辨率激光雷达(HSRL)系统,用于同时测量大气风和气溶胶的光学性质.该HSRL系统中使用碘分子滤波器分离分子和气溶胶后向散射,同时利用双边缘检测技术测量大气风场引起的多普勒频移.文中选用合理的HSRL参数和大气模型数据,模拟和分析了HSRL的测量性能.系统夜晚运行时,可测量20 km以下的大气风速和气溶胶,风速误差小于2 m s-1,气溶胶的后向散射系数相对误差小于30%.在白天工作时,相同误差下的可探测高度为10 km.模拟分析结果表明,该HSRL雷达有较大的应用前景,对天气和气象研究等有重要意义.     

多普勒激光雷达探测台风“利奇马”边界层风场精度分析

多普勒激光雷达在台风等强天气背景下的探测能力亟待研究,为此将多普勒激光雷达与70 m测风塔超声风温仪在同址同高度探测台风“利奇马”影响期间的边界层风场数据进行对比,并分析多普勒激光雷达的误差分布以及变化情况。结果显示:在高度70 m上,两者的水平风速、风向相关系数分别为0.97和0.99,垂直风速的相关系数为0.36。以超声风温仪为参考值,激光雷达水平风速、垂直风速和风向均方根误差分别为1.06 m/s、0.46 m/s和17.10 °。深入研究表明:降水对多普勒激光雷达测量水平风速和垂直风速误差均有一定影响。当激光雷达信噪比大于2 000时,各参量的误差与信噪比呈负相关关系。研究表明多普勒激光雷达至少可以较好地刻画台风环流内的水平风场结构及演变,可应用于台风外围环流影响下(即较弱降雨条件下)边界层风场的高分辨率探测和研究。      

降雨强度对激光雷达测风精度的影响研究

多普勒激光雷达在大气、环境以及风能等领域得到越来越广泛的应用，但对于复杂天气下多普勒激光雷达的适用性仍然有待深入研究。为此本研究采用2020年8—10月期间位于福建三沙的地基多普勒激光雷达与边界层高塔所搭载的超声风温仪观测的风场数据进行对比，发现多普勒激光雷达在水平风速、风向方面具有稳定的高精度探测性能，与超声风温仪之间相关系数达到了0.948和0.984。相比之下，激光雷达垂直风速的探测误差较大，与超声风温仪之间相关系数仅有0.353。研究发现，降雨强度与激光雷达垂直风速误差呈正相关关系，强降雨下垂直风速偏差最大可达到9 m/s。     

基于激光遥感技术的硬靶相干测速试验

随着光纤激光技术的快速发展,全光纤相干多普勒激光雷达已逐步应用于大气风场探测业务中。为了更好地发挥相干多普勒激光雷达的效益,必须使激光雷达保障和使用人员更好地了解其基本原理及结构。基于多普勒效应和激光相干原理,以迈克耳逊干涉仪结构为原型,在实验室中搭建了基于532nm可见激光的空间多普勒测速系统,利用频谱处理技术,准确地测得了漫反射转轮的切向速度,直观地展示了激光相干多普勒测速系统的原理、结构及速度反演方法。此外,在532nm相干测速试验的基础上,搭建了基于1550nm激光的全光纤硬靶相干测速实验系统,开展了大量对比观测试验,在转轮速度分别为2.9m/s和4.8m/s时,试验系统与实测转轮速度之间的系统差分别为-0.01m/s和0.04m/s,标准差分别为0.08m/s和0.1m/s,说明了激光测速系统测量数据的可信性。     

多普勒测风声雷达

本文简要地介绍了多普勒测风声雷达的基本原理和探测方法。指出用锁相技术可以较精确地测量多普勒频偏值。根据声雷达观测资料计算了水平风速、风向和垂直风速,并与325米气象塔上直接测量的仪器进行了比较。结果表明,两种方法测量的水平风速、风向的平均值比较接近,声雷达测量的垂直风速比塔上直接测量的结果略有偏高。用声雷达测量的水平风速、风向和垂直风速的方差都比直接测量的大。 我们用多普勒测风声雷达的连续观测资料,计算了垂直风速谱,得到了在对流边界层中垂直速度谱随高度的分布规律。在一定的频率范围内(低频部分)得到了功率谱fP(f)ocf~(+1)的规律,并将240米高度上用声雷达测量的垂直速度谱和直接测量的垂直速度谱进行了比较。     

新一代天气雷达回波强度自动标校技术

回波强度标定技术直接关系到定量测量的准确度,是新一代天气雷达组网定量测量的基础,是提高天气雷达探测精度的重要手段。简要介绍了新一代天气雷达系统的回波强度自动标校技术,并以CINRAD/CC雷达为例,对新一代多普勒天气雷达(CINRAD/CC)自动标校的技术原理作了详细分析,对其在自动标校中采用的DDS(Direct Digital Synthesis)技术以及标校技术的实施方法作了具体的介绍,对其回波强度自动标校的准确度进行了测量,给出了系统自动标校的实际检验结果。结果表明该系统发射参数、接收参数在出现较大变化时,能保证回波强度的测量准确度在1 dB以内。还对影响自动标校准确度的因素作了分析。     

基于不用分辨率和参数化方案的新疆区域数值模式性能初步评估

基于中尺度数值模式WRF,选取新疆两次强降水过程,设计三个试验方案,其中试验1为控制试验,试验2提高分辨率,试验3提高分辨率并调整物理参数化方案,初步评估不同分辨率和参数化方案对新疆区域2米温度、10米风速、降水预报的影响。结果表明：（1）提高分辨率对2米温度、10米风速模拟精度均有提高,2米温度预报精度提高约0.5℃,降低了日间温度模拟冷偏差;10米风速预报精度提高约0.5 m/s,降低了风速模拟正偏差;但提高分辨率后,模式出现虚假降水预报的情况。（2）提高分辨率并调整物理参数化方案后,2米温度模拟误差略有减小,模拟偏差减小约0.2℃;10米风速模拟误差增大约0.5 m/s,模拟偏差增大超过0.5 m/s;对降水落区、量级的模拟精度显著提高,减小了降水中心的模拟强度,对虚假降水预报有一定修正。     

基于不同分辨率和参数化方案的新疆区域数值模式性能初步评估

基于中尺度数值模式WRF,选取新疆两次强降水过程,设计3个试验方案,其中试验1为控制试验,试验2提高分辨率,试验3提高分辨率并调整物理参数化方案,初步评估不同分辨率和参数化方案对新疆区域2m温度、10m风速、降水预报的影响。结果表明:(1)提高分辨率对2m温度、10m风速模拟精度均有提高,2m温度预报精度提高约0.5℃,降低了日间温度模拟冷偏差;10m风速预报精度提高约0.5m/s,降低了风速模拟正偏差;但提高分辨率后,模式出现虚假降水预报的情况。(2)提高分辨率并调整物理参数化方案后,2m温度模拟误差略有减小,模拟偏差减小约0.2℃;10m风速模拟误差增大约0.5m/s,模拟偏差增大超过0.5m/s;对降水落区、量级的模拟精度显著提高,减小了降水中心的模拟强度,对虚假降水预报有一定修正。     

基于切比雪夫方法的多普勒激光雷达高空风场垂直探测精度的评估分析

多普勒测风激光雷达是目前探测晴空风场精细结构的重要遥感手段之一。中国第一部车载多普勒激光雷达已经在中国气象局气象探测中心进行准业务化运行。综述了国内外非相干多普勒激光雷达技术发展概况,介绍了多普勒激光雷达风廓线探测方法,分析了测风数据误差。并以2008年9月24—28日,神舟七号飞船回收气象保障试验期间测风数据为例,对多普勒激光雷达风廓线探测进行评估分析。多普勒激光雷达测风数据与神七飞船主着陆场附近的探空资料和北京数值预报同化资料进行对比的结果表明,多普勒激光雷达的测风数据时空分辨率高,是一种可信的高精度大气风场探测手段。为了消除多普勒激光雷达的测风数据较大的高频随机误差,采用切比雪夫多项式正交展开滤波方法得到的低通分量,更好地揭示了在垂直方向上较大空间尺度波动的大气风场信息。利用这一方法对多普勒测风激光雷达测风数据进行质量控制,用于较大尺度的数值预报模式,可以提高初值场同化的效果。而滤波分析分离出的高通分量,尽管主要是高频随机误差,但其中振幅较大的高频分量也许揭示了大气风场更小尺度的波动,这需要有更多的观测事实和更进一步的分析来判定。      

大气激光雷达气溶胶光学参数质量可信度评估算法

气溶胶激光雷达由于系统设计、观测场地气候条件、反演过程中参数选取等因素不同,每次测量反演得到的气溶胶光学参数质量不一致,可信度难以评估,进而极大地影响了其在气象、环保等领域业务化应用。为了解决该难题,本文分析了影响激光雷达气溶胶光学参数质量的因素,开发了一套气溶胶光学参数质量可信度评估算法。采用科学、合理的评分和权重分配方案对激光雷达每次测量反演得到的气溶胶光学参数质量可信度进行评估。本文主要讨论对偏振、米散射激光雷达气溶胶光学参数的质量评估,以中国气象局气象探测中心的波长为532 nm的偏振、米散射激光雷达为例,对所提出的质量可信度评估算法进行验证和分析。结果表明:该算法能够有效地区分出不同激光雷达在不同观测场景下每次测量反演得到的气溶胶光学参数质量可信度,具备为气溶胶激光雷达业务化应用提供可靠性评估的能力。     

机载多普勒激光测风雷达风场反演研究

中国科学院上海光学精密机械研究所研制出机载全固态多普勒激光测风雷达,并成功进行了试验飞行。本文介绍了机载多普勒激光测风雷达的基本参数和探测三维风场的工作原理,并对利用激光回波信号和机载辅助数据反演三维风场的详细算法进行了研究,获得了3 000 m以下高度具有较高精度的三维风场,同时用经纬仪气球测风法进行了对比验证实验,验证了机载多普勒激光测风雷达测量数据的准确性。     

多普勒雷达与L波段雷达垂直风廓线对比分析北大核心

利用2012-2017年阜阳多普勒雷达与L波段雷达测风数据进行对比分析,统计两者的相关性和测量误差,进一步了解多普勒雷达风廓线产品的准确性和可信度。结果表明:两者测风结果一致性较好,风向和风速相关系数分别为0.97和0.94,标准差分别为19.5°和2.65 m·s^(-1)。多普勒雷达风速总体上在同一高度比L波段雷达风速偏小,两者风速相对偏差平均为24.48%;风速标准差随高度增高呈增大趋势,在降水期间对比差值小于非降水;风向标准差在7 km以下呈递减趋势,8 km以上有小幅增加趋势;风速相关系数随高度增加呈增大趋势,除低空偏低以外,其他高度相关系数均较高。     

基于多普勒测风激光雷达的低空急流观测研究

基于相干多普勒测风激光雷达于2018年8月在山东德州获取的为期一个月的风廓线观测数据,进行了低空急流的判定、识别与统计分析。参考BONNER对低空急流的判定标准,对1 500 m高度以下的每10 min平均风廓线数据进行低空急流识别与统计,急流发生频率仅为3.6%。参考张世丰对低空急流的判定标准,统计了350 m高度以下10 min平均风廓线的低空急流风速、高度、风向及风切变等结构特征。急流发生频率为24.9%,急流速度主要介于6～10 m·s-1之间,急流高度出现3个峰值,分别位于110 m、160 m和220 m左右,急流风向主要为偏东风和偏南风。结果表明,多普勒激光雷达可以获取高时空分辨率的风廓线数据,进而可以有效检测低空急流结构的存在及其特征。     

辽宁绥中地区海陆风的多普勒测风激光雷达观测与特征提取

2019年3月,利用相干多普勒测风激光雷达首次在辽东湾西部绥中地区进行了风廓线测量试验。根据研究区域海岸线走向采用风向的十六分位法定义局地海风和陆风,分析和提取海陆风特征验证了多普勒测风激光雷达在春季季风间断期间观测海陆风的可行性,并计算和分析了大气边界层湍流能量的变化以及回流水平变化等特性。结果表明：1）绥中地区春季存在明显的海陆风环流特征,测风激光雷达观测海陆风出现的时间与地面自动气象站观测的数据较为一致,符合海陆风日的定义。2）海陆风日发生时,水平局地回流指数（RF）较小,1.2 km以下的RF值小于0.5,使得污染物循环累积,较易形成雾霾天气;但是海风时大气边界层的高度可达1 km以上,有利于低层大气污染物向高层扩散,减轻低层大气污染。研究结果为该地边界层参数化方案的设计和污染的防治提供了参考依据。     

不同天气条件下脉冲激光风廓线仪测风性能

将2012年5月21日-8月16日广东省湛江市东海岛气象观测站内脉冲激光风廓线仪WINDCUBE V2与气象站内的100 m测风塔进行同步观测试验,在经过观测数据同步性调整、有效性检验和代表性样本筛选基础上,分大小风和有无降雨天气过程,对杯式测风仪、超声风速仪与激光风廓线仪的同步测风数据进行比较,结果显示:脉冲激光风廓线仪与杯式测风仪测量水平风参数的相关性较好,10 min平均风速、风向的线性拟合度均大于0.99,3 s阵风风速的拟合度大于0.96,湍流强度的拟合度大于0.67,风速标准差的拟合度大于0.79;大风情况下,激光风廓线仪对风参数的测量效果更佳。无降雨情况下,激光风廓线仪的测量效果较降雨时略好,10 min降水量小于15 mm的降雨对这款激光风廓线仪的风速、风向、湍流强度、3 s阵风风速的测量没有显著影响,对风速标准差有一定影响。当水平风速增大和有降雨时,激光风廓线仪对垂直速度的测量效果欠佳。该对比分析可为激光风廓线仪观测数据的可靠性提供参考。     

超大城市综合气象观测试验之测风激光雷达数据评估

为评估用于超大城市综合气象观测试验的测风激光雷达,从最大有效探测高度和数据获取率两方面对测风激光雷达的探测能力进行分析,同时使用测风激光雷达与深圳气象梯度观测塔的测风资料从不同观测高度、不同观测值等方面进行对比分析,结果表明:测风激光雷达与深圳气象梯度观测塔的风速、风向一致性较好,相关系数分别为0.96、0.99,平均绝对误差分别为0.54 m/s、9.95 °,且不同高度层的测风结果也较为一致,但雨天和雾天条件对测风激光雷达的最大有效探测高度和数据获取率影响较大,设备探测能力受到一定的限制。      

三杯风速传感器非水平风场测量性能

为解决三杯风速传感器在计量检定条件下与观测场景中环境差异所导致的测量数据误差,致力于研究空气流速计量标准在量值传递过程中的真实性、准确性和一致性,为新一代三杯风速传感器作为计量器具的新产品型式评价提供思路和参考指标,依据杯式测风仪测量方法与自动气象站风速风向传感器检定规程,并在实验中加入了主体由角度编码器构成的自动化转盘系统,设计了三杯风速传感器在非水平风场内测量性能水平实验。通过调整三杯风速传感器在风洞试验段内的倾斜角度,模拟其在自然界非水平风场中的测量状态,同步采集风洞的标准指示风速、三杯风速传感器的实测风速以及其相应的倾斜角度,计算示值误差,利用方差分析、趋势分析、相关性分析和线性回归分析等统计方法,对不同倾斜角度下三杯风速传感器示值误差进行研究,得出了三杯风速传感器在风洞试验段内的示值误差与实测风速和倾斜角度之间的相关关系,提出了三杯风速传感器在非水平风场下的测量性能指标。研究了三杯风速传感器在非水平风场中实测风速与标准风速和倾斜角度的回归关系,提出了三杯风速传感器在计量环境下非水平风场中数据的量值传递修正算法。     

Water vapour flux profiles in the convective boundary layer

Summary Water vapour flux profiles in the atmospheric boundary layer have been derived from measurements of water vapour density fluctuations by a ground-based Differential Absorption Lidar (DIAL) and of vertical wind fluctuations by a ground-based Doppler lidar. The data were collected during the field experiment LITFASS-2003 in May/June 2003 in the area of Lindenberg, Germany. The eddy-correlation method was applied, and error estimates of ±50 W/m² for latent heat flux were found. Since the sampling error dominates the overall measurement accuracy, time intervals between 60 and 120 min were required for a reliable flux calculation, depending on wind speed. Rather large errors may occur with low wind speed because the diurnal cycle restricts the useful interval length. In the lower height range, these measurements are compared with DIAL/radar-RASS fluxes. The agreement is good when comparing covariance and error values. The lidar flux profiles are well complemented by tower measurements at 50 and 90 m above ground and by area-averaged near surface fluxes from a network of micrometeorological stations. Water vapour flux profiles in the convective boundary layer exhibit different structures mainly depending on the magnitude of the entrainment flux. In situations with dry air above the boundary layer a positive entrainment flux is observed which can even exceed the surface flux. Flux profiles which linearly increase from the surface to the top of the boundary layer are observed as well as profiles which decrease in the lower part and increase in the upper part of the boundary layer. In situations with humid air above the boundary layer the entrainment flux is about zero in the upper part of the boundary layer and the profiles in most cases show a linear decrease.     

The structure of the convective atmospheric boundary layer as revealed by lidar and Doppler radars

Results on the structure of the convective atmospheric boundary layer based on the analyses of data from the instrumented NSSL-KTVY tower, airborne Doppler lidar, and ground-based Doppler radars are presented. The vertically averaged wind over the boundary layer was found to be insensitive to baroclinicity, supporting the hypothesis of Arya and Wyngaard (1975). The computed momentum flux profiles were affected by baroclinicity. Horizontal wind spectra from lidar, radar, and tower data compared well with each other both in shape and magnitude. A consistent peak found near 4 km in all the computed spectra might have been caused by horizontally symmetric cells with horizontal wavelength 4 times the boundary-layer height as shown in Kuettner (1971) for the case of weak wind shear.