激光測風雷達在城市近地層測風中的適應性觀測試驗

王亞東， 胡 平， 尹春光， 鄭 杰　(上海市氣象信息與技術(shù)支持中心，上海 200030)

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激光測風雷達在城市近地層測風中的適應性觀測試驗

王亞東， 胡 平， 尹春光， 鄭 杰(上海市氣象信息與技術(shù)支持中心，上海 200030)

摘要[目的]研究新型激光測風雷達在城市近地層測風中的適應性。[方法]2013年5～6月上海市氣象信息與技術(shù)支持中心在上海市嘉定區(qū)和興隆沙開展了2次新型測風雷達與梯度測風塔的觀測對比試驗，對2種探測手段測得的不同高度的水平風速、風向及其標準偏差、相關(guān)系數(shù)進行了對比分析。[結(jié)果]在嘉定區(qū)的對比試驗中，雖然激光測風雷達與風能測風塔2種方式測得的風速值有一些差異，但2組數(shù)據(jù)有一定的相關(guān)性；風向的相關(guān)性明顯好于風速，相關(guān)系數(shù)均在0.9以上。在興隆沙的對比試驗中，激光測風雷達與風能測風塔所獲得的風速數(shù)據(jù)在各層高度上均具有良好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)均在0.9以上；相比風速數(shù)據(jù)，風向數(shù)據(jù)在各層高度上的相關(guān)性較低。與嘉定區(qū)的對比試驗相比，興隆沙的對比試驗在風速上的相關(guān)性表現(xiàn)較好，而在風向上則表現(xiàn)一般。[結(jié)論]2次對比試驗的對比結(jié)果中水平風速、風向均有相關(guān)性達0.9以上的要素，能夠在一定程度上驗證新型激光測風雷達在低空風場數(shù)據(jù)獲取方面具有較為良好的探測性能。

關(guān)鍵詞激光測風雷達；近地層；風速；風向；適應性；觀測試驗

風的測量是氣象探測的一個重要內(nèi)容。目前國內(nèi)氣象觀測業(yè)務自150 m以上風場數(shù)據(jù)的來源主要是依靠GFE(L)-1型二次探空雷達和風廓線雷達[1]，而150 m以下的低空風探測主要方法是測風塔。激光測風雷達是一種新型的測風設備，主要是應用在風能資源的評測中，目前還沒有在氣象風場數(shù)據(jù)的常規(guī)業(yè)務進行應用。為使激光測風雷達能夠真正應用到常規(guī)氣象探測業(yè)務中，需要將其與傳統(tǒng)氣象探測設備進行對比分析。此次試驗使用的SpiDARTM是以色列Pentalum公司生產(chǎn)的激光測風系統(tǒng)，是一種采用光探測和測距技術(shù)(LiDAR)的風力遙測傳感產(chǎn)品，可以探測多種氣象要素包括氣壓、濕度、大氣密度、不同高度的風向風速、微量氣體濃度等。目前，這套激光測風系統(tǒng)的主要應用領(lǐng)域是風力預測和風場評估。

國內(nèi)外已經(jīng)對激光測風雷達進行了大量研究[2-5]，如王喬喬等[2]使用Windcube雷達測風系統(tǒng)與測風塔進行了同步觀測，并對風速、風向、標準偏差等進行了對比分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)雷達系統(tǒng)與測風塔的風速、風向的相關(guān)系數(shù)達0.99；Jaynes[4]進行激光測風雷達與測風塔的對比試驗發(fā)現(xiàn)，2種探測手段的風速的相關(guān)系數(shù)在不同高度上均達0.9以上；馮力天等[5]在對連續(xù)波體制激光多普勒測風雷達的測風性能試驗中發(fā)現(xiàn)，在100 m以下高度層測風雷達和測風塔風速和風向的標準偏差較小，在100 m以上高度層風速、風向相關(guān)系數(shù)達0.99，表明測風雷達準確性高且具有高度一致性。為了能夠了解更多SpiDARTM激光測風雷達的測風性能，2013年5月9～14日和6月12日上海市氣象信息與技術(shù)支持中心分別在嘉定區(qū)氣象局和崇明興隆沙開展了新型激光測風雷達與測風塔的觀測對比試驗，對2種探測手段測得的不同高度的水平風速、風向及其標準偏差、相關(guān)系數(shù)進行了對比分析。

1設備安置與試驗方法

2013年5月9日上午，來自以色列Pentalum公司的2位工程師對激光測風雷達進行了安裝調(diào)試，雷達首先被安置在嘉定區(qū)廣播電視臺大院發(fā)射塔腳下的空地上，與激光測風雷達進行對比試驗的就是這座廣播電視信號發(fā)射塔。信號發(fā)射塔高150 m，發(fā)射塔上安裝有測風設備，安裝高度分別為30、50、70和100 m。電視臺院內(nèi)環(huán)境狹小，周圍也有高層建筑遮擋，探測環(huán)境比較惡劣。為了不影響探測質(zhì)量，當天下午雷達被轉(zhuǎn)移至嘉定區(qū)氣象局，安置在氣象局觀測場草坪上。廣播電視信號發(fā)射塔位于氣象局的北偏西方向，直線距離約1.7 km。6月12日在位于崇明島中東部興隆沙風能塔完成了第2次觀測對比試驗。興隆沙風能測風塔高為70 m，激光測風雷達被放置在風能塔西南方向約50 m處。

位于嘉定區(qū)氣象局的試驗從5月9日16：30持續(xù)到14日07：40，由于設備供電問題，造成5月11日03：40～08:40的數(shù)據(jù)缺失。激光測風雷達能夠獲取的高度層分別是30、50、70、100、150和200 m，由于測風塔的最大高度是150 m，因此僅對其中150 m以下4個層的數(shù)據(jù)進行對比，對比的數(shù)據(jù)是水平方向的10 min平均風速和風向。

興隆沙風能塔位于崇明島中東部，塔高為70 m，激光測風雷達被放置在風能塔下方不遠處。此次的對比試驗于6月12日03：20開始，12:00共獲取可用數(shù)據(jù)38條，由于設備故障造成6月12日06:20～08:10數(shù)據(jù)不連續(xù)。由于風能塔高度為70 m，因此，此次對比試驗僅對30、50和70 m 3個高度層的數(shù)據(jù)進行對比，對比的數(shù)據(jù)為水平方向10 min的平均風速和風向。

2風速和風向?qū)Ρ确治?/p>

2.1風速對比在嘉定的對比試驗中，以100 m風速數(shù)據(jù)為例，從圖1可以看出，100 m風速數(shù)據(jù)的曲線重合性較好，2組曲線的走向趨勢總體相似。通過對激光測風雷達和測風塔探測的100 m水平風速進行擬合(表1)發(fā)現(xiàn)，2組風速在100 m的決定系數(shù)R2值為0.539，表示2組數(shù)據(jù)的相關(guān)性一般，分析其原因可能是由于2個測試點不在同一地點，相距約1.7 km直線距離，同時，在測風塔周圍存在高層建筑物，不能排除高層建筑物對風的遮擋作用，因此風速數(shù)值上存在差異也是合理的。測風塔(y)和激光測風雷達(x)不同高度層上的水平風速線性擬合結(jié)果(表1)表明，高度越高，風速的相關(guān)系數(shù)越大，2種探測手段所獲得數(shù)據(jù)的相關(guān)性越好。由于在相對較高的位置，風場受到建筑物的影響變小，從而使得2種探測手段所探測的數(shù)據(jù)趨于一致。

在靠近海邊的興隆沙對比試驗中，從50 m風速(圖2)可以看出，風能測風塔獲得的風速均在激光測風雷達風速的下方，說明測風塔獲得風速數(shù)據(jù)普遍偏小，曲線重合比較好，曲線的走勢趨于一致。通過對不同高度層2組風速數(shù)據(jù)的擬合(表2)發(fā)現(xiàn)，50 m高度風速數(shù)據(jù)的決定系數(shù)R2為0.93，說明此高度2組數(shù)據(jù)的相關(guān)性越好。從表2可以發(fā)現(xiàn)，不同高度層上風速的相關(guān)系數(shù)均達0.9以上。

在風速的對比分析中，由于嘉定區(qū)探測環(huán)境較為惡劣，市區(qū)高樓林立的環(huán)境對探測數(shù)據(jù)的準確性造成了一定程度的影響，而在興隆沙探測試驗是在海邊進行的，周圍環(huán)境對探測設備的影響較小。從探測結(jié)果的對比分析(表1～2)也可以看到，興隆沙不同高度層的風速相關(guān)系數(shù)明顯好于嘉定的試驗結(jié)果，其相關(guān)系數(shù)在0.9以上，這個結(jié)果與其他文獻[2-3]的結(jié)果一致。

2.2風向?qū)Ρ蕊L向數(shù)據(jù)的對比方法與風速對比的方法相同，但風向存在一個360°周期的現(xiàn)象。為了能夠得到正確的相關(guān)性對比，這里對接近360°的臨界值進行了減360的操作，具體判斷如下：

If(R>350 && T<10) //如果R>350°且T<10°

return R-360;//那么返回R減360°

else

return R;//否則返回R

在表達式里R代表激光測風雷達測量值，T代表測風塔測量值。表達式的含義是：如果R值>350°且T值<10°，那么返回R減360°之后的值，否則返回R。這樣如果有這么一組數(shù)值，激光測風雷達得到的是356°，測風塔測的數(shù)據(jù)是2°，那么實際上進行比較的-4°和2°，2個值相差6°，而不是354°。通過這種方法，對激光測風雷達4個高度層的風向數(shù)據(jù)進行處理。由于對比試驗期間(5月9～14日)，主導風向是西風，風向主要集中在150°～350°，實際上風向測量值幾乎不會出現(xiàn)風向變化跨越0°的現(xiàn)象，但也有個別值存在這種現(xiàn)象。

在嘉定的對比試驗中，以100 m風向數(shù)據(jù)為例，從圖2a和圖1a可以看出，風向曲線的重合性明顯好于風速曲線的重合性，2種方法獲取的風向數(shù)據(jù)一致性較好，數(shù)據(jù)相似度較高；2組數(shù)據(jù)擬合的決定系數(shù)R2在0.9以上，說明2組數(shù)據(jù)的吻合度較高，相關(guān)性較好(表3)。興隆沙50 m高度層上的風向數(shù)據(jù)有較為明顯的差異，測風塔所獲得的風向數(shù)據(jù)相對于激光測風雷達的數(shù)據(jù)偏低(圖2b)；50 m高度層的風向擬合的R2為0.767 4，表明相關(guān)性較為一般(表4)。由嘉定和興隆沙的風向?qū)Ρ确治鼋Y(jié)果(表3～4)可見，嘉定的風向相關(guān)系數(shù)均在0.9以上，相關(guān)性較好，而在興隆沙試驗中，激光測風雷達與測風塔的風向相關(guān)系數(shù)在0.7以上，標準偏差明顯好于嘉定對比試驗，從一定程度上反映出激光測風雷達在風向的探測中具有較好的準確性。

3結(jié)論與討論

該研究參與對比試驗的測風雷達是以色列Pentalum公司的新型激光測風雷達SpiDARTM，對比對象分別是位于嘉定區(qū)的測風塔和位于崇明興隆沙的風能塔，一個處于城市內(nèi)部，一個處于城市外圍，2次對比試驗所處的環(huán)境有較大的差別。

在嘉定區(qū)的對比試驗中，雖然激光測風雷達與風能測風塔2種方式測得的風速值有一些差異，但2組數(shù)據(jù)在變化和走勢上是一致的，說明2組數(shù)據(jù)有一定的相關(guān)性；風向的相關(guān)性則明顯好于風速，相關(guān)系數(shù)均在0.9以上。兩者風速存在較大差異的原因初步認為是測風塔上風速計長時間未進行校準，以及儀器長時間運行老化所造成的。同時，試驗環(huán)境周圍存在一些高層建筑物，也不能完全排除建筑物對風的遮擋作用，因此存在差異也是一個合理的結(jié)果。激光測風雷達30 m風速與10 m風桿的數(shù)據(jù)對比，也從一定程度上反映

激光測風雷達所測的數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)手段獲得的數(shù)據(jù)具有良好的相關(guān)性。

在興隆沙的對比試驗中，激光測風雷達與風能測風塔所獲得的風速數(shù)據(jù)在各層高度上均具有良好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)均在0.9以上。相比風速數(shù)據(jù)，風向數(shù)據(jù)在各層高度上的相關(guān)性較低，普遍在0.8左右，50 m以上風向的相關(guān)系數(shù)較好。與嘉定區(qū)的對比試驗相比，興隆沙的對比試驗在風速上的相關(guān)性表現(xiàn)較好，而在風向上則表現(xiàn)一般。

2次不同環(huán)境下的對比試驗，雖然硬件和所處環(huán)境不同，但在2次對比試驗中對比結(jié)果的相關(guān)性均有達0.9以上的要素，說明SpiDAR激光測風雷達在低空風場數(shù)據(jù)獲取方面具有一定的可信度。相比傳統(tǒng)的手段，激光測風雷達具有安裝簡易、低能耗、高度自動化、儀器配置更加個性化等優(yōu)點，同時能夠?qū)崟r獲得多種氣象探測數(shù)據(jù)，可見激光測風雷達在氣象探測領(lǐng)域具有廣闊的使用空間。

參考文獻

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Adaptive Observation Experiment of Wind Lidar in Urban Wind Detection at Near Surface Layer

WANG Ya-dong, HU Ping, YIN Chun-guang et al

(Shanghai Meteorological Information and Technical Support Center, Shanghai 200030)

Key wordsWind lidar; Near surface layer; Wind speed; Wind direction; Adaptability; Observation experiment

Abstract[Objective] To research the adaptability of new wind lidar in urban wind detection at near surface layer. [Method] Two observation comparative trials between new wind lidar and gradient wind tower were carried out in Xinglongsha and Jiading District in Shanghai Meteorological Information and Technical Support Center from May to June, 2013. Then, we compared the horizontal wind speed, wind direction, standard deviation and correlation coefficient at each altitude by two different methods. [Result] In the comparative trial of Jiading District, there were certain differences in the wind speed detected by two methods of wind lidar and gradient wind tower, but there was certain correlation between the two groups of data. Correlation of wind direction was significantly superior to that of wind speed; their correlation coefficients were greater than 0.9. In the comparative trial of Xinglongsha, there was good correlation between wind data detected by wind lidar and gradient wind tower at different altitudes. Their correlation coefficients were greater than 0.9. Compared with the data of wind speed, weed direction had relatively low correlation at each altitude. Compared with the comparative trial of Jiading District, wind speed in comparative trial of Xinglongsha showed relatively good wind speed, but wind direction was general. [Conclusion] Results of two comparative tests showed that both horizontal wind speed and wind direction have elements with more than 0.9 correlation, which verifies in certain degree that wind lidar has relatively good detection performance in the aspect of low altitude wind field data.

作者簡介王亞東(1984-)，男，山東鄒城人，工程師，碩士，從事氣象資料管理與應用方面研究。

收稿日期2016-02-14

中圖分類號S 16

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)07-214-03