能見度激光雷達在一次瓊州海峽大霧中的應(yīng)用

■ 陳燕 蔡親波 徐文靜 冼錦洪 李勛 張春花 陳紅 林建興

能見度激光雷達和前向散射能見度儀所獲得的能見度變化趨勢一致，數(shù)據(jù)結(jié)果合理，可為瓊州海峽大霧監(jiān)測預(yù)報預(yù)警提供了很好的科學(xué)依據(jù)，助力2019年春節(jié)期間瓊州海峽航運通暢。能見度激光雷達與衛(wèi)星云圖進行互補觀測，可取得更好的監(jiān)測大霧動態(tài)效果，為海上交通安全提供更有力保障。

瓊州海峽是海南島通往中國大陸的重要通道，而大霧是影響海峽航運安全的重要因素之一，特別是連續(xù)性的大霧，直接影響海上和港口航運的安全。但是由于海上觀測資料缺乏，海峽大霧天氣很難預(yù)測。提高大霧監(jiān)測準確性和預(yù)報預(yù)警服務(wù)的水平，將關(guān)系到全社會經(jīng)濟的發(fā)展、各行業(yè)和人民生活的安全，特別是瓊州海峽的大霧預(yù)報預(yù)警。這首先要提高大氣能見度監(jiān)測能力。在我國，能見度監(jiān)測最初一般是通過參照物用肉眼進行判斷的，即人工目測。隨著時代的進步，社會的發(fā)展，能見度觀測逐步實現(xiàn)自動化。近幾年，全國氣象部門裝設(shè)了前向散射型能見度儀，逐步實現(xiàn)了能見度觀測自動化，但是該能見度儀主要采用點式監(jiān)測，以點代面，受測量點局地環(huán)境影響大，代表性差、設(shè)備易受干擾，不能很好代表大范圍真實能見度，尤其無法獲取水平面上能見度分布情況。

綜合考慮，2019年1月，3臺新型能見度激光雷達分別在?？谛潞８?、秀英港和廣東徐聞北港建成使用，監(jiān)測范圍覆蓋瓊州海峽兩岸港口的港池和航道，有效增強海南省氣象部門對瓊州海峽大霧的監(jiān)測預(yù)報預(yù)警能力。這是全國首次投入業(yè)務(wù)運行的新型裝備。通過安裝在3個港口的激光雷達能實時獲取海面上不同位置的能見度信息，實現(xiàn)了瓊州海峽水平能見度有效探測，解決了傳統(tǒng)能見度儀點式監(jiān)測的局限性，為精細化瓊州海峽氣象監(jiān)測預(yù)報預(yù)警服務(wù)提供科學(xué)依據(jù)。本文以瓊州海峽2019年春節(jié)期間為例，分析能見度激光雷達在霧監(jiān)測預(yù)報預(yù)警中的應(yīng)用，以提高海南省大霧特別是海霧的氣象服務(wù)水平，為建設(shè)海南國際旅游島、海南自由貿(mào)易試驗區(qū)和中國自由貿(mào)易港保駕護航。

1 能見度激光雷達原理

能見度激光雷達采用激光雷達原理實現(xiàn)對能見度空間分布的測量。當能見度激光雷達發(fā)射的激光在大氣傳輸時，大氣中的各種組分會對激光產(chǎn)生吸收和散射，從而改變后向散射光的能量、光譜特性、偏振狀態(tài)等信息。通過接收和分析后向散射光的光學(xué)特性，即可反演出相應(yīng)的氣體分子，氣溶膠粒子的相關(guān)性質(zhì)以及各種大氣參數(shù)。能見度激光雷達系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（圖1）分為發(fā)射單元子系統(tǒng)、接收單元子系統(tǒng)、控制與信號處理子系統(tǒng)、產(chǎn)品生成與顯示子系統(tǒng)等，能見度激光雷達光電結(jié)構(gòu)見圖2。

圖1 能見度激光雷達基本原理

能見度激光雷達中激光器發(fā)射激光經(jīng)過擴束鏡之后射向大氣，大氣的回波信號通過透鏡接收，由光纖傳導(dǎo)信號至探測器，探測器的數(shù)據(jù)信號接入采集卡，采集卡的數(shù)據(jù)傳輸?shù)角度胧接嬎銠C中。嵌入式計算機控制整個系統(tǒng)的激光發(fā)射，信號采集探測，以及數(shù)據(jù)處理和能見度的反演。

圖2 能見度儀光電結(jié)構(gòu)圖

能見度激光雷達具有高質(zhì)量、高精度、高分辨率和遠探測距離的特點，空間分辨率最低可達15 m，時間分辨率5 s～10 min（可調(diào)）, 可對半徑15 km范圍內(nèi)的大氣360°發(fā)射水平激光束，獲取并分析掃描區(qū)域內(nèi)顆粒物、水汽等粒子的后向散射數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對不均勻大氣能見度的準確測量，測量結(jié)果不受團霧、煙塵等條件的影響，是大氣透過率儀和前向散射儀等其他儀器無法實現(xiàn)的。能見度激光雷達為戶外型全固化、模塊化結(jié)構(gòu)，便于維護、操作簡單、應(yīng)用廣泛，無需合作目標。客戶端全中文界面，可顯示實時能見度分布廓線，消光系數(shù)廓線，距離校準信號廓線，還可進行歷史數(shù)據(jù)回放，自動分析運算大氣參數(shù)立體分布數(shù)據(jù)，運行狀態(tài)實時監(jiān)控、自動記錄、自動報警，具有斷電自動恢復(fù)能力及歷史數(shù)據(jù)回放功能。

2 性能分析

2.1 環(huán)境適用性

通過連續(xù)運行查驗，該能見度激光雷達適合在?25～50 ℃的溫度，1%～100%無冷凝濕度，單相交流：220 V±22 V、頻率：50 Hz±3 Hz環(huán)境下運行，并且具有耐高濕、高溫和高鹽的特點，在強降水條件下運行正常。

2.2 對比分析

為對比分析能見度激光雷達的可用性和可靠性，結(jié)合鄰近區(qū)域安裝的觀海臺前向散射能見度儀（目前應(yīng)用于能見度業(yè)務(wù)自動觀測的儀器）進行對比分析。數(shù)據(jù)時間段為2019年2月1—15日。

圖3為能見度激光雷達和前向散射能見度儀的安裝地點，箭頭代表前向散射能見度儀，其中西海岸觀海臺處的前向散射式能見度儀與秀英港能見度激光雷達安裝點距離3.4 km，選擇能見度激光雷達270°方向上掃描的能見度，與前向散射能見度進行對比，觀測結(jié)果如圖4所示。新海港能見度激光雷達與前散安裝點位接近，觀測結(jié)果如圖5所示。比對數(shù)據(jù)表現(xiàn)出良好的一致性。

圖3 能見度觀測設(shè)備安裝位置圖

3 瓊州海峽2019年春節(jié)大霧天氣

3.1 概況

2019年春節(jié)期間（2月2—10日），瓊州海峽主要受弱冷空氣、西南低壓槽等天氣系統(tǒng)影響，瓊州海峽大霧天氣過程出現(xiàn)于2月2—7日，期間共發(fā)布瓊州海峽海上大霧橙色預(yù)警信號6次，瓊州海峽海上大霧黃色預(yù)警信號2次；累計停航時間最長約24 h，其中一次持續(xù)停航時間最長為6日近8 h外，其余時間停航時間較短，在多項措施和天氣保障相結(jié)合的情況下，2019年瓊州海峽航運未出現(xiàn)擁堵和滯留現(xiàn)象。

3.2 能見度激光雷達應(yīng)用情況

瓊州海峽地處大陸與海南島之間，海況和天氣復(fù)雜，臺風、暴雨、海霧、雷暴等災(zāi)害性天氣出現(xiàn)概率高，直接影響海上交通的安全和航運的效率。因此，提高對海霧的監(jiān)測、預(yù)報和預(yù)警能力是十分必要和迫切的。2019年1月底，在海口新海港、秀英港和徐聞海安新港安裝3個能見度激光雷達（圖6），2019年春節(jié)假日（2月2—10日）的首日即2月2日便捕捉到瓊州海峽中間出現(xiàn)的大霧實況，為海南省氣象部門及時發(fā)布大霧精細預(yù)警打響了第一炮。

圖4 2019年2月1—15日秀英港能見度激光雷達與西海岸觀海臺前散觀測結(jié)果對比圖

圖5 2019年2月1—15日新海港能見度激光雷達與新海港前散觀測結(jié)果對比圖

圖6 激光雷達測量綜合展示圖

海霧能使能見度降低，影響船舶運輸、捕撈作業(yè)石油開采以及海上軍事活動。由于海霧發(fā)生具有偶然性，前向散射能見度測量設(shè)備只能獲取監(jiān)測點位數(shù)據(jù)，海上船舶觀測范圍小，因此關(guān)于海霧的海上觀測記錄較少。能見度激光雷達通過掃描觀測，可有效獲取海面能見度分布情況，準確識別海霧，并觀測其產(chǎn)生、移動和消散過程，準確及時對外發(fā)布大霧預(yù)警信號和災(zāi)害性天氣信息等氣象服務(wù)產(chǎn)品。因此，春運期間能見度激光雷達觀測海峽上的大霧發(fā)揮了巨大的作用，隨時將海上觀測到的能見度傳輸?shù)教鞖忸A(yù)報員手里，天氣預(yù)報員第一時間對能見度演變規(guī)律、移動路徑進行研判，及時向有關(guān)部門和民眾發(fā)送大霧預(yù)警信號，決策部門和相關(guān)人員采取相應(yīng)措施，保障海上航運安全和民眾生命財產(chǎn)安全。

2月3—7日，將能見度激光雷達測量結(jié)果與海事局停航，復(fù)航通知的時間進行比對，如圖7所示，能見度激光雷達觀測到能見度低于1000 m的情況下，各港口停航。該時間段內(nèi)，共發(fā)生6次停航，均與能見度激光雷達測量的低能見度區(qū)相吻合。

2月2—7日，海南省氣象部門共發(fā)布瓊州海峽海上大霧預(yù)警信號8次（其中6次大霧橙色預(yù)警信號、2次大霧黃色預(yù)警信號），預(yù)警信號發(fā)布時段與海峽停航時段基本吻合（圖8）。

圖7 徐聞海安新港能見度激光雷達測量結(jié)果

圖8 預(yù)警信號發(fā)布時段和瓊州海峽停航時段對應(yīng)圖

2019年春節(jié)期間，經(jīng)過氣象部門與政府多部門同心協(xié)力，能見度激光雷達和其他常規(guī)觀測手段相結(jié)合，密切監(jiān)測瓊州海峽天氣狀況，及時發(fā)布海峽天氣信息，準確發(fā)布海峽大霧預(yù)警信號，政府部門根據(jù)氣象部門發(fā)布的天氣信息多舉措保證海峽安全通行，瓊州海峽未出現(xiàn)擁堵和滯留現(xiàn)象。此次春節(jié)期間的春運過程，能見度激光雷達在海峽通航保障中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

3.3 能見度激光雷達與衛(wèi)星云圖的綜合應(yīng)用

根據(jù)Himawari-8可見光衛(wèi)星云圖，大體判斷瓊州海峽能見度的變化，再結(jié)合能見度激光雷達監(jiān)測海峽具體的能見度數(shù)據(jù)，及時發(fā)布海上大霧預(yù)警信號，提醒海上作業(yè)船只和港口的相關(guān)單位做好防范工作。

由于可見光云圖只能白天可見，因此選取了2月4日11：00（北京時，下同）、13：30的Himawari-8可見光衛(wèi)星云圖和能見度激光雷達圖對比分析，觀察海峽能見度逐漸好轉(zhuǎn)時段的變化情況。從圖9可以看出，11時可見光衛(wèi)星云圖上的海峽的水汽（云）慢慢散去，至13時幾乎無多少水汽（云）漂浮于海峽上；對應(yīng)的能見度激光雷達也能認知這一點，并且觀測更清晰、更準確，即11時海峽大部分能見度為600 m左右，至13時能見度已上升至800 m，可見，此時段內(nèi)瓊州海峽的能見度逐漸好轉(zhuǎn)，可視物逐漸清晰?？梢?，在業(yè)務(wù)運用中，能見度激光雷達結(jié)合衛(wèi)星云圖進行綜合監(jiān)測，海峽能見度監(jiān)測更全面、更細致，不容易遺漏海峽大霧的預(yù)報預(yù)警。但是，衛(wèi)星云圖在低云覆蓋或夜間時很難觀測到霧天氣。

4 小結(jié)

能見度激光雷達具有高質(zhì)量、高精度、高分辨率和遠探測距離的特點，以及便于維護，操作簡單、應(yīng)用廣泛，無需合作目標，測量不受團霧、煙塵等條件的影響。能見度激光雷達和前向散射能見度儀所獲得的能見度變化趨勢一致，數(shù)據(jù)結(jié)果合理。

能見度激光雷達為瓊州海峽大霧監(jiān)測預(yù)報預(yù)警提供了很好的科學(xué)依據(jù)，保證了2019年春節(jié)期間瓊州海峽未出現(xiàn)擁堵和滯留現(xiàn)象。能見度激光雷達與衛(wèi)星云圖進行互補觀測，取得更好的監(jiān)測大霧動態(tài)效果，為海上交通安全提供更有力保障。

一直以來，由于海上能見度觀測設(shè)備較少，因此做好海霧預(yù)報預(yù)警是一項難點工作，今后將充分分析運用現(xiàn)代先進觀測設(shè)備（雷達、衛(wèi)星）等，提前發(fā)布海霧預(yù)報預(yù)警信息，促使進一步降低由于海霧造成的損失，保障民眾出行安全。

圖9 2月4日11：00、13：30的Himawari-8可見光衛(wèi)星云圖（a，c）、能見度激光雷達（b，d）的對比圖

深入閱讀

Huang K, Zhuang G, Lin Y, et al, 2012. Typical types and formation mechanisms of haze in an Eastern Asia megacity, Shanghai.Atmospheric Chemistry and Physics, 12: 105-124.

蔡親波, 2014. 海南省天氣預(yù)報技術(shù)手冊. 北京: 氣象出版社, 2014.

劉斌, 張軍, 魯敏, 等, 2015. 激光雷達應(yīng)用技術(shù)研究進展. 激光與紅外, 45(2): 117-122.

呂立慧, 劉文清, 張?zhí)焓? 等, 2014. 新型微脈沖激光雷達測量大氣水平能見度.中國激光, 41(9): 218-222.

王春乙, 2014. 海南氣候. 北京: 氣象出版社.

張振振, 劉統(tǒng)玉, 南鋼洋, 等, 2015. 激光雷達在大氣探測中的應(yīng)用研究進展. 山東科學(xué), 28(6): 73-79.

趙一鳴, 李艷華, 商雅楠, 等, 2014. 激光雷達的應(yīng)用及發(fā)展趨勢. 遙測遙控, 35(5): 4-19.