激光雷達(dá)和毫米波雷達(dá)探測(cè)海霧回波的對(duì)比分析

馬 強(qiáng)，陶 法，茆佳佳，胡樹(shù)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(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044；3.中國(guó)氣象局氣象探測(cè)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(cè)雨雷達(dá)做未來(lái)24 h的海霧預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)雨霧成功率在95%以上；康曉華[2]等使用能見(jiàn)度激光雷達(dá)在機(jī)場(chǎng)開(kāi)展了6個(gè)月的觀測(cè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明激光雷達(dá)與人工觀測(cè)的能見(jiàn)度相關(guān)系數(shù)均高于0.85，符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織的技術(shù)要求以及國(guó)家民航有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求；Julien Delano?[3]等設(shè)計(jì)了新型大氣探測(cè)雙機(jī)毫米波雷達(dá)(BASTA)，用于在12.5 m垂直分辨率模式探測(cè)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(dá)在探測(cè)海霧時(shí)比星載雷達(dá)更有優(yōu)勢(shì)。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(jìn)行激光雷達(dá)和毫米波雷達(dá)探測(cè)海霧能力的對(duì)比分析。

1 觀測(cè)場(chǎng)地與設(shè)備

此次實(shí)驗(yàn)觀測(cè)時(shí)間為2019-01-16—2019-02-27，所使用的毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá)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(dá)采用低仰角扇掃觀測(cè)模式，激光雷達(dá)采用PPI掃描觀測(cè)模式。為了驗(yàn)證激光雷達(dá)能見(jiàn)度的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)選擇與地面觀測(cè)的能見(jiàn)度儀和雨滴譜儀記錄進(jìn)行數(shù)值比較。能見(jiàn)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(dá)距離14 km。各儀器參量如表1所示。

表1 激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、能見(jiàn)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(cè)規(guī)范》[4]對(duì)霧的定義：水平能見(jiàn)度距離在1～10 km的稱為輕霧，水平能見(jiàn)度距離低于1 km的稱為霧。文章在數(shù)據(jù)分析時(shí)，按晴空、霧和輕霧3種天氣情況進(jìn)行分析。

2.1 晴空條件下激光雷達(dá)與能見(jiàn)度儀比較

實(shí)驗(yàn)選取以能見(jiàn)度儀的方向?yàn)榉轿唤牵?4 km為觀測(cè)距離的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)與能見(jiàn)度儀進(jìn)行對(duì)比。根據(jù)地球曲率計(jì)算得到能見(jiàn)度儀垂直方向較激光雷達(dá)水平體掃面低約17.66 m，根據(jù)張奉公[5]等對(duì)長(zhǎng)江口海霧的統(tǒng)計(jì)和傅剛[6]等對(duì)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(shí)驗(yàn)認(rèn)為兩類設(shè)備觀測(cè)高度近似為同一高度。為降低激光雷達(dá)點(diǎn)數(shù)據(jù)可能產(chǎn)生的極值，選擇被觀測(cè)點(diǎn)半徑100 m范圍內(nèi)均值代替點(diǎn)值。經(jīng)過(guò)3倍標(biāo)準(zhǔn)差剔除異常值的數(shù)據(jù)后，激光雷達(dá)與能見(jiàn)度儀全樣本數(shù)據(jù)對(duì)比如圖1所示。

圖1 激光雷達(dá)與能見(jiàn)度儀全樣本數(shù)據(jù)對(duì)比

由圖1可以看出，激光雷達(dá)與能見(jiàn)度儀全樣本數(shù)據(jù)的一致性趨勢(shì)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(guò)程中存在霧分布不均勻情況和光學(xué)探測(cè)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(dá)能見(jiàn)度為14 km以上數(shù)據(jù)作為新樣本，確保激光雷達(dá)和能見(jiàn)度儀兩者在直線距離內(nèi)數(shù)據(jù)有效。對(duì)比結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，在能見(jiàn)度較好的情況下，激光雷達(dá)與能見(jiàn)度儀線性擬合后的回歸系數(shù)為1.08，表明在有效觀測(cè)距離內(nèi)兩者受氣溶膠影響時(shí)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(jìn)行Lilliefors正態(tài)分布檢驗(yàn)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(guò)進(jìn)行單因素方差分析對(duì)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(duì)比數(shù)據(jù)的顯著性水平(P-value)明顯大于0.05，檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量(F)小于檢驗(yàn)臨界值(F crit)，說(shuō)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(qiáng)的相關(guān)性。

2.2 霧天氣下激光雷達(dá)與毫米波雷達(dá)比較

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

根據(jù)激光雷達(dá)信息，26日02：43起，激光雷達(dá)附近能見(jiàn)度小于1 km，最遠(yuǎn)探測(cè)距離為5 km。根據(jù)毫米波雷達(dá)信息，7 km內(nèi)的回波約為-30～-15 dBz。為了解此次霧的完整過(guò)程，選取方位角方向?yàn)檩^少地物雜波的74°，以20：00—04：00進(jìn)行時(shí)間序列的統(tǒng)計(jì)。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)得出，霧從25日20：00開(kāi)始發(fā)展，至23：30，霧的反射率約為-30～-20 dBz。23：30后，霧的過(guò)程逐漸增強(qiáng)，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(qiáng)了約3倍。02：30后，霧逐漸消退。整個(gè)過(guò)程中，探測(cè)距離隨回波強(qiáng)度增大而增大，最大探測(cè)距離約6 km。

2.3 雨霧天氣下激光雷達(dá)與毫米波雷達(dá)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(jiàn)度儀觀測(cè)到的平均能見(jiàn)度為5890 m，最小能見(jiàn)度為4606 m，人工觀測(cè)最小能見(jiàn)度為5 km，激光雷達(dá)觀測(cè)到的平均能見(jiàn)度為3934 m。

輕霧天氣下，激光雷達(dá)與毫米波雷達(dá)的最遠(yuǎn)探測(cè)距離均為15 km。對(duì)比26日的激光雷達(dá)結(jié)果，13日的海霧能見(jiàn)度較高，理論上霧滴的直徑數(shù)濃度相對(duì)偏小，海霧反射率因子應(yīng)該更弱。但毫米波雷達(dá)的觀測(cè)結(jié)果卻出現(xiàn)了非常強(qiáng)的回波。為了解此次霧的完整過(guò)程，選取74°方位角，以19：00至次日13：00進(jìn)行時(shí)間序列的統(tǒng)計(jì)。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)得出：在輕霧持續(xù)的夜間，雷達(dá)反射率大部分處于20 dBz以下，偶見(jiàn)30 dBz的相對(duì)較強(qiáng)回波。為了驗(yàn)證毫米波雷達(dá)的準(zhǔn)確性，對(duì)毫米波雷達(dá)西14 km處的雨滴譜儀進(jìn)行同時(shí)段統(tǒng)計(jì)后得到圖雨滴分布信息，根據(jù)Ka波段米散射計(jì)算得到反射率，統(tǒng)計(jì)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(jì)算雷達(dá)反射率時(shí)使用米散射計(jì)算。經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，13日20：00至次日05：00，毫米波雷達(dá)位置的反射率與雨滴譜計(jì)算的反射率趨勢(shì)相近，表明兩個(gè)地區(qū)均發(fā)生了較長(zhǎng)時(shí)間降水，驗(yàn)證了此次輕霧過(guò)程為雨霧天氣。由于雨滴譜儀在毫米波雷達(dá)的探測(cè)范圍外，該結(jié)果僅說(shuō)明在較大范圍的雨霧過(guò)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(yǔ)

文章根據(jù)激光雷達(dá)和毫米波雷達(dá)2019年冬季在上海近海區(qū)域的海霧實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了探測(cè)能力對(duì)比。晴空條件下，激光雷達(dá)與在較遠(yuǎn)距離的能見(jiàn)度儀一致性好，相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.8167，顯著性水平為0.46，檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量為0.53，小于檢驗(yàn)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(dá)探測(cè)能力強(qiáng)但有效距離很短，毫米波雷達(dá)接收到的反射率很弱；輕霧條件下，激光雷達(dá)探測(cè)能力隨能見(jiàn)度升高逐漸增強(qiáng)，但不能反映霧中的其他天氣過(guò)程，毫米波雷達(dá)可以接收除霧反射率外的強(qiáng)反射率，例如雨霧天氣中的雨回波。兩類設(shè)備在探測(cè)海霧觀測(cè)中可以從不同角度描述霧的物理結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，共同促進(jìn)海霧的觀測(cè)能力。