基于LoRa的海霧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在漳州的觀測(cè)精度分析*

吳雪菲 余安安 任 雍 郝 晶

(1.福建省災(zāi)害天氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350001；2.福建省大氣探測(cè)技術(shù)保障中心，福建 福州 350008;3.中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心，北京 100081；4.中核工程咨詢有限公司，北京 100037)

1 概述

海霧是一種常見(jiàn)的災(zāi)害性天氣，具有發(fā)生范圍廣、危害程度大等特點(diǎn)，對(duì)海上交通、漁業(yè)、航空以及軍事活動(dòng)等都會(huì)產(chǎn)生較大影響[1]。福建省地處我國(guó)東南沿海、臺(tái)灣海峽西岸，受亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候以及獨(dú)特的地理?xiàng)l件影響，其沿海地區(qū)是海霧天氣的易發(fā)地，尤其多發(fā)在冬春季節(jié)，連鎖反應(yīng)強(qiáng)。因此，準(zhǔn)確可靠地觀測(cè)海霧天氣過(guò)程，是科學(xué)預(yù)防和減輕海霧災(zāi)害的重要環(huán)節(jié)，也是福建氣象部門需要重點(diǎn)關(guān)注和解決的問(wèn)題。

目前，海霧探測(cè)手段主要包括基于海岸、海島、石油平臺(tái)、船舶和浮標(biāo)的自動(dòng)氣象站能見(jiàn)度觀測(cè)方式，以及毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)和衛(wèi)星等遙感觀測(cè)方式[2-3]。沿海地區(qū)自動(dòng)氣象站及水上自動(dòng)氣象站觀測(cè)較為準(zhǔn)確直接，但受海洋環(huán)境和技術(shù)條件限制，僅有單點(diǎn)的觀測(cè)資料，且布設(shè)密度低，無(wú)法反映海霧的整體演變情況；毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá)能以較高的時(shí)空分辨率提供站點(diǎn)附近實(shí)時(shí)的海霧觀測(cè)，但其探測(cè)范圍有限(10～15km)，僅能實(shí)現(xiàn)沿岸小區(qū)域范圍內(nèi)的海霧觀測(cè)，無(wú)法覆蓋水上主要航道、漁業(yè)作業(yè)區(qū)等；衛(wèi)星可以實(shí)現(xiàn)大尺度的海霧觀測(cè)，但其時(shí)空分辨率較低，且區(qū)分霧和低云的反演精度有待提高。因此，迫切需要針對(duì)海霧觀測(cè)短板，開(kāi)展相關(guān)新技術(shù)研究，依靠技術(shù)突破為海霧的觀測(cè)提供更加有效的手段。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者嘗試?yán)枚喾N探測(cè)設(shè)備和新方法開(kāi)展霧的觀測(cè)與研究工作。Teshiba等利用毫米波雷達(dá)對(duì)Miyoshi盆地地區(qū)的海霧空間分布、強(qiáng)度和生消特征進(jìn)行觀測(cè)與對(duì)比試驗(yàn)[4]。Bendix等利用輻射傳輸模型計(jì)算了MODIS(Moderate-resolution Imaging Spectro-radiometer)第1～7波段反射率在霧發(fā)生時(shí)的范圍并設(shè)定相關(guān)閾值，實(shí)現(xiàn)了日間霧的檢測(cè)[5]。牛生杰等總結(jié)了國(guó)內(nèi)有關(guān)霧的研究現(xiàn)狀，并討論了遙感技術(shù)和數(shù)值模擬在霧研究中的應(yīng)用進(jìn)展[6]。韓美等從海霧發(fā)生時(shí)的天氣氣候性特征、監(jiān)測(cè)手段及微物理特征和數(shù)值預(yù)報(bào)方面，對(duì)比了臺(tái)灣海峽海霧和其他海域大霧的研究進(jìn)展?fàn)顩r[7]。張春桂等利用衛(wèi)星傳感器MODIS的可見(jiàn)光和紅外探測(cè)通道數(shù)據(jù)，選擇對(duì)海霧具有敏感反應(yīng)的探測(cè)通道，通過(guò)綜合判識(shí)建立了臺(tái)灣海峽海霧遙感監(jiān)測(cè)模型[8]。張春桂等尋找FY-2E衛(wèi)星資料反演海霧的規(guī)律，建立了臺(tái)灣海峽海霧自動(dòng)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)軟件系統(tǒng)，該系統(tǒng)海霧監(jiān)測(cè)平均準(zhǔn)確率在白天超過(guò)70%[9]。黃彬等提出了基于深度學(xué)習(xí)的靜止氣象衛(wèi)星多通道圖像融合分割算法對(duì)黃渤海海域范圍的Himawari-8衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，驗(yàn)證其檢測(cè)正確率(檢測(cè)正確/總樣本)為93.2%[10]。袁逸博基于多年衛(wèi)星遙感資料、沿海探空資料、浮標(biāo)氣象資料等數(shù)據(jù)，建立了適用于黃海日間海霧的遙感反演提取算法，準(zhǔn)確率達(dá)72.2%[2]。劉光普等使用毫米波雷達(dá)和前向散射能見(jiàn)度儀聯(lián)合觀測(cè)海霧的數(shù)據(jù)，建立了雷達(dá)反射率與海霧能見(jiàn)度之間的反演關(guān)系，并對(duì)比分析了海霧能見(jiàn)度反演數(shù)據(jù)的效果[11]。綜合來(lái)看，現(xiàn)有觀測(cè)手段受到技術(shù)本身的限制，在海霧的觀測(cè)上遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際需求。

福建省大氣探測(cè)技術(shù)保障中心團(tuán)隊(duì)提出了基于遠(yuǎn)距物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù) (Long Range Radio, LoRa) 的新型海霧觀測(cè)方法，建立了福建省海霧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱LoRa海霧系統(tǒng))。本文采用能見(jiàn)度實(shí)景觀測(cè)站，以及基于海岸、海島和海上浮標(biāo)的能見(jiàn)度儀的海霧觀測(cè)結(jié)果，對(duì)比分析LoRa海霧系統(tǒng)在漳州市沿海區(qū)域的海霧觀測(cè)精度，研究結(jié)果為后續(xù)LoRa海霧系統(tǒng)算法的改進(jìn)和應(yīng)用提供一些參考。

2 LoRa海霧系統(tǒng)

一般情況下，物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線通信技術(shù)很難兼得功耗低和傳輸距離遠(yuǎn)這兩個(gè)需求，Semtech公司開(kāi)發(fā)了LoRa技術(shù)，其最大的特點(diǎn)就是在同樣的功耗條件下比其他無(wú)線方式傳播的距離更遠(yuǎn)，實(shí)現(xiàn)了低功耗和遠(yuǎn)距離的統(tǒng)一。同時(shí)，LoRa技術(shù)還具有可以獨(dú)立組網(wǎng)、單網(wǎng)關(guān)可連接多個(gè)節(jié)點(diǎn)、信號(hào)接收靈敏度高、數(shù)據(jù)速率可控、多在免費(fèi)頻段運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，因此LoRa技術(shù)十分適合海上組網(wǎng)觀測(cè)[12]。

基于LoRa技術(shù)的福建省海霧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)是福建省大氣探測(cè)技術(shù)保障中心及其團(tuán)隊(duì)提出的新型海霧觀測(cè)方法的實(shí)現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)在臺(tái)灣海峽部署了LoRa測(cè)霧數(shù)據(jù)站(見(jiàn)圖2)，根據(jù)已開(kāi)展的長(zhǎng)期相關(guān)性試驗(yàn)分析，建立了“LoRa信號(hào)強(qiáng)度指標(biāo)RSSI—海霧強(qiáng)度”關(guān)系模型[12]：

圖1 LoRa海霧系統(tǒng)主頁(yè)

圖2 LoRa測(cè)霧數(shù)據(jù)站

RSSI=logbasedd-logbasexX-logbaseyY-F-R

其中，RSSI為L(zhǎng)oRa測(cè)霧數(shù)據(jù)站接收到的信號(hào)實(shí)測(cè)值；based為L(zhǎng)oRa測(cè)霧數(shù)據(jù)站距離對(duì)數(shù)底數(shù)，d表示距離；basex為絕對(duì)濕度影響因子對(duì)數(shù)的底數(shù)，X表示絕對(duì)濕度；basey為風(fēng)速調(diào)整因子對(duì)數(shù)的底數(shù)，Y表示風(fēng)速；F為電磁參數(shù)；R為發(fā)射天線調(diào)整參數(shù)。

在關(guān)系模型的基礎(chǔ)上，成功研發(fā)了LoRa海霧系統(tǒng)，LoRa海霧系統(tǒng)能夠解決地基海霧探測(cè)范圍嚴(yán)重不足問(wèn)題，為實(shí)現(xiàn)海霧的大范圍實(shí)時(shí)精密監(jiān)測(cè)提供解決方案和技術(shù)支撐。

目前，LoRa海霧系統(tǒng)依托已建岸基和海島區(qū)域自動(dòng)氣象站、海上大浮標(biāo)平臺(tái)等，以30～80km間距在福建沿海部署了84套低功耗超遠(yuǎn)距離LoRa測(cè)霧數(shù)據(jù)站(圖2)，形成了“粗蘆島至過(guò)嶼島區(qū)域”“寧德三都澳”“廈門五通至?xí)x江圍頭”以及“漳州沿海區(qū)域”多節(jié)點(diǎn)海霧觀測(cè)LoRa密織網(wǎng)，探測(cè)范圍可達(dá)臺(tái)灣海峽南部主航路，最大覆蓋海域約6000km2。LoRa海霧系統(tǒng)的時(shí)間分辨率為5min，空間分辨率為500m，自2018年投入使用以來(lái)，可以實(shí)現(xiàn)海霧強(qiáng)度等級(jí)的大范圍實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。目前，LoRa海霧系統(tǒng)已更新到第二版本，具備網(wǎng)頁(yè)版和客戶端版的登錄、查看和數(shù)據(jù)下載等功能。

3 研究區(qū)域和方法

3.1 研究區(qū)域

本文研究區(qū)域?yàn)楦＝ㄊ≌闹菔械难睾^(qū)域(見(jiàn)圖3)，漳州是福建南部沿海的一個(gè)地級(jí)市，海域面積1.86萬(wàn)平方千米，地處閩南金三角南端，是閩、粵、贛的交通要沖，全市屬于亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，沿海海霧多發(fā)。在沿海地區(qū)海霧可以登陸并深入陸地，有時(shí)達(dá)幾十千米，本文選取27個(gè)距離海岸線小于15km的自動(dòng)站站點(diǎn)和1個(gè)位于東山站架設(shè)朝向海洋的海霧實(shí)景觀測(cè)站作為L(zhǎng)oRa海霧系統(tǒng)精度檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，其站點(diǎn)分布如圖3所示。

圖3 研究區(qū)域及站點(diǎn)分布

3.2 海霧的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)能見(jiàn)度可以將霧分為五個(gè)等級(jí)，分別為輕霧、霧、大霧、濃霧和強(qiáng)濃霧等級(jí)[13]：水平能見(jiàn)度距離在1km～10km之間的稱為輕霧，500m～1km之間的稱為霧，200m～500m之間的稱為大霧，50m～200m之間的稱為濃霧，低于50m的稱為強(qiáng)濃霧。

4 評(píng)估結(jié)果

4.1 實(shí)景觀測(cè)站評(píng)估LoRa海霧系統(tǒng)觀測(cè)精度

4.1.1 一次典型海霧過(guò)程

2021年3月18—20日東山站海霧過(guò)程的實(shí)景觀測(cè)站圖像和LoRa海霧系統(tǒng)海霧等級(jí)分布如圖4所示。東山站霧的實(shí)景觀測(cè)站顯示，此次海霧過(guò)程自3月18日17∶00左右開(kāi)始觀測(cè)到輕霧，逐漸增強(qiáng)到霧、大霧、濃霧強(qiáng)度等級(jí)。此后海霧等級(jí)波動(dòng)減弱，海霧強(qiáng)度逐漸降低為霧、輕霧，直至海霧消散。LoRa海霧系統(tǒng)觀測(cè)到的海霧變化過(guò)程，與實(shí)景站海霧變化過(guò)程一致性較高，LoRa海霧系統(tǒng)較好實(shí)現(xiàn)了對(duì)本次海霧過(guò)程的監(jiān)測(cè)。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(g)

(h)

(i)

(j)

(k)

(l)圖4 2021年3月18—20日東山站海霧變化過(guò)程(左列為實(shí)景觀測(cè)站觀測(cè)結(jié)果，右列為L(zhǎng)oRa海霧系統(tǒng)觀測(cè)結(jié)果)

4.1.2 全年海霧過(guò)程

對(duì)東山站2020年7月至2021年7月共計(jì)107次海霧過(guò)程開(kāi)展實(shí)景觀測(cè)站觀測(cè)圖像與LoRa海霧系統(tǒng)觀測(cè)結(jié)果比對(duì)。如表1所示，有91次海霧過(guò)程LoRa海霧觀測(cè)等級(jí)與實(shí)景站能見(jiàn)度等級(jí)基本一致，約占總觀測(cè)過(guò)程的85.05%；有10次海霧過(guò)程LoRa海霧系統(tǒng)觀測(cè)到的海霧等級(jí)高于實(shí)景觀測(cè)站觀測(cè)結(jié)果，約占總觀測(cè)過(guò)程的9.34%；另外還有6次海霧過(guò)程，LoRa海霧系統(tǒng)觀測(cè)到的海霧等級(jí)低于實(shí)景觀測(cè)站觀測(cè)到的結(jié)果，占比約5.61%。

表1 LoRa海霧系統(tǒng)與實(shí)景觀測(cè)站觀測(cè)海霧過(guò)程的對(duì)比結(jié)果

4.2 自動(dòng)站能見(jiàn)度儀評(píng)估LoRa海霧系統(tǒng)觀測(cè)精度

4.2.1 概率分布

采用自動(dòng)站能見(jiàn)度儀的觀測(cè)結(jié)果，評(píng)估漳州沿海區(qū)域LoRa海霧系統(tǒng)的觀測(cè)精度，本文僅分析2021年6—8月整點(diǎn)自動(dòng)站能見(jiàn)度有值的情況下，LoRa海霧系統(tǒng)的表現(xiàn)情況。研究采用最近鄰插值法將LoRa海霧系統(tǒng)網(wǎng)格資料插值到與其距離最近且小于500m的自動(dòng)站站點(diǎn)上進(jìn)行空間匹配，總計(jì)獲得9267個(gè)有效樣本數(shù)。

海霧強(qiáng)度的不同對(duì)人們生活的影響程度不同，因此，詳細(xì)了解不同海霧等級(jí)，尤其是較強(qiáng)海霧等級(jí)下LoRa海霧系統(tǒng)的觀測(cè)精度是非常必要的。圖5為自動(dòng)站能見(jiàn)度觀測(cè)值分別為輕霧、霧、大霧、濃霧和強(qiáng)濃霧時(shí)，對(duì)應(yīng)區(qū)域和時(shí)刻LoRa海霧系統(tǒng)觀測(cè)到的海霧等級(jí)的概率分布情況。從圖5可以看出，當(dāng)自動(dòng)站能見(jiàn)度等級(jí)為輕霧時(shí)，對(duì)應(yīng)LoRa海霧系統(tǒng)海霧觀測(cè)結(jié)果98.5%為輕霧，一致率較高；當(dāng)自動(dòng)站能見(jiàn)度等級(jí)為霧時(shí)，LoRa海霧系統(tǒng)海霧觀測(cè)結(jié)果與之相符的僅有33.3%，低估占比38.3%，其余28.4%為高估，高估1～2個(gè)能見(jiàn)度等級(jí)；當(dāng)自動(dòng)站能見(jiàn)度等級(jí)為大霧時(shí)，LoRa海霧系統(tǒng)觀測(cè)準(zhǔn)確的概率為50.8%，低估和高估能見(jiàn)度等級(jí)分別占比30.8%和18.4%；當(dāng)自動(dòng)站能見(jiàn)度等級(jí)為濃霧時(shí)，LoRa海霧系統(tǒng)海霧觀測(cè)準(zhǔn)確率為74.0%，低估占比28%，高估占比3.1%；當(dāng)自動(dòng)站能見(jiàn)度等級(jí)為強(qiáng)濃霧時(shí)，LoRa海霧系統(tǒng)觀測(cè)結(jié)果與自動(dòng)站一致的概率為86.4%，其余情況均為低估。綜合來(lái)看，LoRa海霧系統(tǒng)觀測(cè)海霧在輕霧時(shí)準(zhǔn)確率最高，其后依次為強(qiáng)濃霧、濃霧、大霧，觀測(cè)準(zhǔn)確率最低的為霧等級(jí)。

圖5 LoRa海霧系統(tǒng)觀測(cè)結(jié)果的概率分布圖

4.2.2 時(shí)間變化

進(jìn)一步了解LoRa海霧系統(tǒng)與自動(dòng)站海霧等級(jí)隨時(shí)間變化的情況。圖6給出了將軍澳2021年8月2—4日海霧的逐小時(shí)變化過(guò)程，由于自動(dòng)站能見(jiàn)度觀測(cè)值的缺失，圖6中時(shí)間偶爾會(huì)有間隔，可以看出，此次海霧過(guò)程中，LoRa海霧系統(tǒng)觀測(cè)海霧等級(jí)與自動(dòng)站能見(jiàn)度等級(jí)隨時(shí)間變化的曲線趨勢(shì)較為相似，在2021年8月2日22時(shí)至3日13時(shí)期間差異較為明顯，但偏差基本為一個(gè)海霧等級(jí)，2021年8月3日17時(shí)及之后，LoRa海霧系統(tǒng)觀測(cè)海霧等級(jí)與自動(dòng)站能見(jiàn)度等級(jí)表現(xiàn)出較高的一致性?？傮w來(lái)看，LoRa海霧系統(tǒng)觀測(cè)海霧等級(jí)與自動(dòng)站能見(jiàn)度等級(jí)變化趨勢(shì)比較一致，但細(xì)節(jié)上還存在一些差異。

圖6 2021年8月2—4日將軍澳海霧過(guò)程的時(shí)序變化

5 結(jié)論

本文采用海霧實(shí)景觀測(cè)站，以及沿海27個(gè)自動(dòng)氣象站的能見(jiàn)度觀測(cè)結(jié)果，對(duì)比分析了LoRa海霧系統(tǒng)在漳州市沿海區(qū)域的海霧等級(jí)觀測(cè)精度。結(jié)果表明：

①LoRa海霧系統(tǒng)能夠較好地觀測(cè)到東山站的海霧變化過(guò)程。實(shí)景觀測(cè)站對(duì)比顯示，2020年7月至2021年7月共計(jì)107次海霧過(guò)程，兩者海霧觀測(cè)等級(jí)基本一致的概率為85.05%。

②LoRa海霧系統(tǒng)觀測(cè)海霧在輕霧等級(jí)時(shí)準(zhǔn)確率最高。采用自動(dòng)站能見(jiàn)度儀評(píng)估2021年6—8月LoRa海霧系統(tǒng)的海霧觀測(cè)精度，輕霧、霧、大霧、濃霧和強(qiáng)濃霧的觀測(cè)準(zhǔn)確率分別為98.5%、33.3%、50.8%、74.0%和86.4%。

③在將軍澳2021年8月2—4日的海霧過(guò)程中，LoRa海霧系統(tǒng)觀測(cè)海霧等級(jí)與自動(dòng)站能見(jiàn)度等級(jí)在時(shí)間上的變化趨勢(shì)比較一致，但還存在一些細(xì)節(jié)差異。