Wind Analyzer-50H扫描式脉冲激光测风雷达

正WindAnalyzer-50H激光测风雷达系统是典型的主动三维测风遥感雷达,由北京敏视达雷达有限公司自主研发,采用先进的激光技术、基于激光脉冲多普勒频移原理,根据空气中颗粒(灰尘、盐晶体、云雾水汽、污染颗粒等气溶胶)的激光后向散射回波,连续测量风速、风向、三维风廓线等信息,实时获得高时空分辨率、高精度的风场数据。该系统性能安全稳定,最大探测距离达5 km,可有效探测机场跑道附近近地面的风场、风切变以及飞机尾涡。     

用机载多普勒雷达资料进行三维风场解析反演 I. 多重解析多普勒方法在机载雷达情况下的推广及模拟验证

多重解析多普勒（MANDOP）方法是用解析表达式进行三维风场反演。它成功地应用于处理地基多普勒雷达资料，获取对流系统层状降水区域的风场结构。本文将MANDOP方法在机载雷达情况下的进行推广并通过模拟研究径向速度测量中信号噪声、雨滴降落速度估计误差、平流速度估计误差、尤其是由于机载特性的引入产生的雷达束定位误差等对方法的影响。模拟结果显示，在机载雷达的技术参数下，MANDOP方法能够提供误差可以接受的三维风场反演。这为利用MANDOP方法处理在CaPE实验中获取的历史上第一次机载双束多普勒雷达资料建立了可靠的基础。     

多普勒雷达风场信息变分同化的试验研究

文中试验研究了一个在三维变分框架中直接同化多普勒天气雷达信息,获取雷达覆盖范围内大气风场的技术方案。径向风速是多普勒天气雷达数据中可直接被三维变分同化系统用来反演大气风场的唯一信息。由于风矢量有二或三个分量,径向风速作为风矢量的一个分量,不能为反演风矢量提供足够的信息。如果三维变分同化系统仅仅同化径向风速,所存在的不确定性将可能会给所反演的风场带来错误。文中提出的方案,不仅同化雷达径向风速,还同化雷达回波的移动信息,其关键是将雷达回波强度时空变化转换成一个新的雷达观测变量———雷达“视风速”。由于“视风速”是包含风场信息的变量,这在三维变分同化系统中增加了风场探测信息。通过联合利用“视风速”和径向风速,由单一径向风速确定风矢量所带来的不确定性可以被克服。使用中国气象科学研究院数值预报研究中心开发的三维变分同化系统(GRAPES-3Dvar)和广东省新一代天气雷达的监测资料进行了实例试验,结果表明本技术方案能够对获取大气系统结构是有用和有效的,也可用于形成模式初始场,这对中尺度天气预报是有作用的。     

华南暴雨试验天气雷达数据处理及暴雨中尺度结构个例分析

文中描述了华南暴雨试验多普勒天气雷达数据的处理方法，建立了一套集图像显示、数据预处理及风场反演分析为一体的多普勒天气雷达的分析应用系统。该系统生成了三维正方形网格和经纬度网格的回波强度值，以及经噪声控制和速度扩展的径向速度风场，提交了华南暴雨试验雷达数据库。该文以1998年6月9日08:00(北京时) 探测数据为例，给出了华南暴雨试验区内4部多普勒天气雷达的反演雨强图和两部雷达的风场反演拼图，并进行了暴雨中尺度风场结构的初步分析。     

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。      

风廓线雷达与天气雷达风廓线数据的融合及应用

风廓线雷达与多普勒天气雷达风廓线产品均可以获取高时间分辨率的高空风信息,但两种遥感测风的探测原理及时空代表性不同。在对风廓线雷达进行质量控制处理、剔除降水粒子空间不均匀分布对数据可信度影响之后,根据风廓线雷达与天气雷达风廓线数据探测原理差异,进行不同时间代表性的风廓线数据的空间匹配试验,确定与天气雷达风廓线数据进行融合的风廓线雷达数据最优时间分辨率,结果为1 h。利用2015年7月北京南郊观象台的探空、风廓线雷达、天气雷达测风数据进行三种高空风的一致性比对,结果表明三种测风数据具有较好的一致性,均方根误差分别为2.3和2.5 m·s~(-1);60、30以及6 min不同时间代表性风廓线雷达数据与天气雷达风廓线数据之间的均方根误差分别为2.6、2.8及3.1 m·s~(-1),60 min数据的融合效果最佳,低空尤其明显。利用广东省2014年5月的风廓线雷达观测网以及天气雷达网风廓线数据进行了高空风场的融合分析试验,融合分析场提供了更为丰富的高空中尺度水平风场信息,低空的涡旋更加明显。     

激光测风雷达PPI扫描监测风切变的数值模拟

低空风切变严重威胁飞机起降安全,而激光测风雷达在晴空风切变监测方面具有显著优势,但其监测性能受到风场特点和监测算法的影响。由于无法对局地空间风场进行时空同步精细化探测,且风场具有阵性,导致风切变监测会出现虚警率、漏报等现象,只能通过数值模拟仿真的方式,对不同风场的监测性能进行分析评估。本文首先仿真构建了四种具有代表性的风场类型,然后模拟激光测风雷达平面—位置显示（Plane Position Indication,PPI）扫描方式获取不同仿真风场下的径向风速数据,最后利用八邻域系统算法对径向风速数据进行风切变监测,验证不同类型风场下激光测风雷达PPI扫描方式监测风切变算法的有效性。结果表明,激光测风雷达PPI扫描结果能够真实地反映风场情况;八邻域系统算法能够有效识别风切变;在进行风切变检测时,应尽可能地考虑到多个方位上的切变值,避免漏报。     

两种中层大气测风雷达探测原理简介

介绍了中频测风雷达和非相干固态激光测风雷达探测60～100km高度内中层大气风场时产生回波的机制、测风的基本原理，以及雷达系统的组成情况。测定该高度内的风场对于发射人造卫星、航天器和洲际导弹等均有重要的意义，也是作空间天气预报的重要气象参数。     

三维变分方法反演风场的效果检验

为研究三维变分方法反演风场的能力、在不同天气系统中的适用性以及在实际业务工作中的应用潜力,利用广州、深圳、海口、湛江、龙岩和厦门六部多普勒天气雷达构成三个双多普勒雷达系统,选取热带风暴、飑线和层状云降水三种不同类型的天气过程。以双多普勒雷达反演的风场为"真值",对风场三维结构进行了对比分析,并根据绝对误差、均方根误差和相关系数进行了定量的效果检验。结果表明,使用双雷达资料进行三维变分方法反演获得的风场结构与各类型天气的基本特征一致,能够较好地反演出飑线系统低层强对流区前缘阵风锋处的风场辐合以及热带风暴的气旋式环流。基于单部雷达资料和双雷达资料得到三维变分风场对比表明,使用单部雷达资料不能很好地表现强天气过程中的风场结构,对热带风暴的涡旋结构和飑线系统内部的辐合线结构的反演效果都较差,只有在风向沿雷达径向时才能得到较准确的风场结构;同时使用两部雷达资料进行风场反演,不仅降低了水平风向的反演误差,而且解决了单雷达反演风场时,雷达径向风分量反演结果较好、切向风分量反演结果较差的问题。误差分析结果表明水平风速和水平风向的反演结果都比较可靠,层状云降水的风场反演效果优于热带风暴和飑线系统的风场反演效果。     

长沙机场阵列天气雷达风场验证

利用2019年4—9月高时空分辨率的长沙机场阵列天气雷达资料开展三维变分（three-dimensional variational data assimilation,3DVAR）风场反演研究。为验证该算法的反演效果,选取外场试验中10次降水过程,在阵列天气雷达的三维精细探测区内,采用阵列天气雷达合成风场和1部L波段边界层风廓线雷达产品作为参考值对阵列反演风场进行验证评估。结果表明:在稳定性降水条件下,阵列反演风场与阵列合成风场、风廓线雷达产品的结果较为一致;在对流性降水条件下,由于不均匀性会造成风廓线测风精度下降,风廓线雷达产品与阵列反演风场和阵列合成风场差异较大。阵列反演风场与阵列合成风场在稳定性、对流性降水条件下水平风速相对偏差分别低于19%,29%,水平风向差分别低于14.92°,26.35°,稳定性降水条件下阵列反演风场更优,误差在可接受范围内。两种算法得到的风场结构符合各类天气系统的基本特征,水平风场空间分布和风速、风向非常接近。     

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.     

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。     

Investigation of a Complex Nocturnal Flow in Owens Valley,California Using Coherent Doppler Lidar

A study of an interesting meteorological episode over the Owens Valley, California, USA during the Terrain-Induced Rotor EXperiment was conducted using a recently adapted statistical interpolation method to retrieve wind-velocity vectors from Doppler lidar data. This vector retrieval method has been adapted from radar data assimilation techniques. Results show that the method allows better preservation of local variations in the flow field than other techniques. In addition, a high resolution Coupled Ocean/Atmosphere Mesoscale Prediction System (COAMPS^®) run is used to understand the large-scale flow within the valley and compared with lidar retrievals. Observations from 1030 UTC to 1230 UTC (0230 local time to 0430 local time) on March 27, 2006 are presented. Lidar observations show complex and uncharacteristic flows such as sudden bursts of westerly cross-valley wind mixing with the dominant up-valley wind. Model results from COAMPS and other in-situ instrumentation are used to corroborate and complement these observations. The optimal interpolation technique for Doppler lidar data vector retrieval appears well suited for scenarios with complex spatial variations in the flow field.     

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。     

Saharan dust absorption and refractive index from aircraft-based observations during SAMUM 2006

During the Saharan Mineral Dust Experiment (SAMUM) conducted in summer 2006 in southeast Morocco, the complex refractive index of desert dust was determined from airborne measurements of particle size distributions and aerosol absorption coefficients at three different wavelengths in the blue (467 nm), green (530 nm) and red (660 nm) spectral regions. The vertical structure of the dust layers was analysed by an airborne high spectral resolution lidar (HSRL). The origin of the investigated dust layers was estimated from trajectory analyses, combined with Meteosat 2nd Generation (MSG) scenes and wind field data analyses. The real part n of the dust refractive index was found almost constant with values between 1.55 and 1.56, independent of the wavelength. The values of the imaginary part k varied between the blue and red spectral regions by a factor of three to ten depending on the dust source region. Absolute values of k ranged from 3.1 × 10⁻³ to 5.2 × 10⁻³ at 450 nm and from 0.3 × 10⁻³ to 2.5 × 10⁻³ at 700 nm. Groupings of k values could be attributed to different source regions.     

利用激光雷达判别机场晴空风切变事件成因

为了研究高原机场的风切变特征,本文利用丽江机场自动观测站资料、NCEP再分析资料,引入三维激光雷达测风资料,对丽江机场2020年3月29日晴空低空风切变特征进行分析。结果表明,此次低空风切变过程主要是受地面变压风辐合、地面增温湍流加强以及动量下传等因素共同影响而形成的。风切变发生期间低空环境风场与地面风场变化基本吻合。5次低空风切变事件中,出现在11:00—12:20风向转变期间的2次风切变为侧风风向切变,出现在12:20—14:20风速逐渐增大期间的3次风切变为风速切变。风切变指数均大于0.1(1/s),切变强度为中度及以上,严重影响飞行安全。研究结果为机场风切变的激光测风雷达监测预警提供了参考依据。     

Galion激光测风雷达探测性能分析

Galion激光雷达是应用第二代技术的激光雷达设备,具备对全天空、全角度的扫描能力,目前是市场上唯一的三维扫描设备。本文利用深圳356 m梯度塔与锡林浩特100 m梯度塔的观测数据分析了Galion激光雷达的探测性能,并得出以下结论：PPI模式下,深圳激光雷达与测风塔测得风速相关系数为0.85,风向相关系数为0.9;锡林浩特激光雷达与测风塔测得风速相关系数为0.9,风向相关系数为0.95;此外,雷达在各个角度探测的结果相关性都较好,说明激光雷达在PPI模式下具有很好的探测性能。     

激光雷达反演边界层高度方法评估及在北京的应用

边界层高度是影响大气边界层发展和空气污染程度的重要因子,是环境和气候研究的重要参数。本文利用激光雷达对北京地区2011年5月至2012年4月的边界层高度进行探测分析,采用小波协方差方法反演边界层高度,评估了该方法的适用性。得到基于小波协方差方法自动判断边界层高度的最优参数组合,激光雷达与飞机探测结果对比一致性较好;与探空结果相关系数0.88,激光雷达反演的边界层高度略偏高。当激光雷达的垂直分辨率为30 m时,更加适合北京地区的步长和阈值分别为210 m和0.05;当激光雷达的垂直分辨率为15 m时,步长和阈值分别为135 m和0.05。分析期间,不同季节边界层高度日变化有明显的不同,夏季14:00（北京时）左右达到最高,较高的边界层高度可维持3~4 h,平均可达1.30 km;冬季较高边界层高度只能维持2 h左右,平均为1.08 km。有云与无云天气边界层日变化特征以及边界层高度存在显著的差异,云的存在减少了到达地面的直接辐射,抑制了湍流的发展,进一步抑制了边界层的发展;本文也将激光雷达反演边界层高度结果应用于观测时期边界层高度与地面污染的关系研究中,统计得到边界层高度与PM2.5浓度的相关系数为－0.340。     

多普勒激光雷达风场反演方法研究

采用三维变分同化反演(3DVAR)、 四维变分同化反演(4DVAR) 对多普勒激光雷达资料反演风场的方法进行了研究, 利用车载多普勒激光雷达在2008年残奥会测试赛期间外场试验取得的数据, 反演了海面10 m高度处的风场, 并将风场反演结果与浮标资料进行了对比分析, 结果表明: 3DVAR、4DVAR风场反演方法均能实现近海面风的精细化风场反演, 并能反映出风向的变化, 反演风场与浮标数据基本一致, 在风速较大的天气情况, 3DVAR与4DVAR反演风场的一致性要好于风速较小的天气情况; 4DVAR反演方法中以浮标资料作为背景场, 使得其与浮标的符合程度要好于3DVAR方法反演风场; 反演风场的风向与浮标风向具有很好的相关关系, 反演风场的风速与浮标风速具有一定的相关关系, 反演风场的风向、风速与浮标的风向、风速之间平均均方根误差和平均绝对误差表明, 这两序列之间具有一定差别, 在风速较小的天气情况下使用时需要注意。