能見度激光雷達在一次瓊州海峽大霧中的應用

■ 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，數據結果合理，可為瓊州海峽大霧監測預報預警提供了很好的科學依據，助力2019年春節期間瓊州海峽航運通暢。能見度激光雷達與衛星云圖進行互補觀測，可取得更好的監測大霧動態效果，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測。提高大霧監測準確性和預報預警服務的水平，將關系到全社會經濟的發展、各行業和人民生活的安全，特別是瓊州海峽的大霧預報預警。這首先要提高大氣能見度監測能力。在我國，能見度監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，社會的發展，能見度觀測逐步實現自動化。近幾年，全國氣象部門裝設了前向散射型能見度儀，逐步實現了能見度觀測自動化，但是該能見度儀主要采用點式監測，以點代面，受測量點局地環境影響大，代表性差、設備易受干擾，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測預報預警能力。這是全國首次投入業務運行的新型裝備。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，實現了瓊州海峽水平能見度有效探測，解決了傳統能見度儀點式監測的局限性，為精細化瓊州海峽氣象監測預報預警服務提供科學依據。本文以瓊州海峽2019年春節期間為例，分析能見度激光雷達在霧監測預報預警中的應用，以提高海南省大霧特別是海霧的氣象服務水平，為建設海南國際旅游島、海南自由貿易試驗區和中國自由貿易港保駕護航。

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對能見度空間分布的測量。當能見度激光雷達發射的激光在大氣傳輸時，大氣中的各種組分會對激光產生吸收和散射，從而改變后向散射光的能量、光譜特性、偏振狀態等信息。通過接收和分析后向散射光的光學特性，即可反演出相應的氣體分子，氣溶膠粒子的相關性質以及各種大氣參數。能見度激光雷達系統結構（圖1）分為發射單元子系統、接收單元子系統、控制與信號處理子系統、產品生成與顯示子系統等，能見度激光雷達光電結構見圖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射激光經過擴束鏡之后射向大氣，大氣的回波信號通過透鏡接收，由光纖傳導信號至探測器，探測器的數據信號接入采集卡，采集卡的數據傳輸到嵌入式計算機中。嵌入式計算機控制整個系統的激光發射，信號采集探測，以及數據處理和能見度的反演。

圖2 能見度儀光電結構圖

能見度激光雷達具有高質量、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）, 可對半徑15 km范圍內的大氣360°發射水平激光束，獲取并分析掃描區域內顆粒物、水汽等粒子的后向散射數據，實現對不均勻大氣能見度的準確測量，測量結果不受團霧、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的。能見度激光雷達為戶外型全固化、模塊化結構，便于維護、操作簡單、應用廣泛，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，消光系數廓線，距離校準信號廓線，還可進行歷史數據回放，自動分析運算大氣參數立體分布數據，運行狀態實時監控、自動記錄、自動報警，具有斷電自動恢復能力及歷史數據回放功能。

2 性能分析

2.1 環境適用性

通過連續運行查驗，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，結合鄰近區域安裝的觀海臺前向散射能見度儀（目前應用于能見度業務自動觀測的儀器）進行對比分析。數據時間段為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，觀測結果如圖5所示。比對數據表現出良好的一致性。

圖3 能見度觀測設備安裝位置圖

3 瓊州海峽2019年春節大霧天氣

3.1 概況

2019年春節期間（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影響，瓊州海峽大霧天氣過程出現于2月2—7日，期間共發布瓊州海峽海上大霧橙色預警信號6次，瓊州海峽海上大霧黃色預警信號2次；累計停航時間最長約24 h，其中一次持續停航時間最長為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合的情況下，2019年瓊州海峽航運未出現擁堵和滯留現象。

3.2 能見度激光雷達應用情況

瓊州海峽地處大陸與海南島之間，海況和天氣復雜，臺風、暴雨、海霧、雷暴等災害性天氣出現概率高，直接影響海上交通的安全和航運的效率。因此，提高對海霧的監測、預報和預警能力是十分必要和迫切的。2019年1月底，在?？谛潞８?、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的大霧實況，為海南省氣象部門及時發布大霧精細預警打響了第一炮。

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、捕撈作業石油開采以及海上軍事活動。由于海霧發生具有偶然性，前向散射能見度測量設備只能獲取監測點位數據，海上船舶觀測范圍小，因此關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，并觀測其產生、移動和消散過程，準確及時對外發布大霧預警信號和災害性天氣信息等氣象服務產品。因此，春運期間能見度激光雷達觀測海峽上的大霧發揮了巨大的作用，隨時將海上觀測到的能見度傳輸到天氣預報員手里，天氣預報員第一時間對能見度演變規律、移動路徑進行研判，及時向有關部門和民眾發送大霧預警信號，決策部門和相關人員采取相應措施，保障海上航運安全和民眾生命財產安全。

2月3—7日，將能見度激光雷達測量結果與海事局停航，復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，共發生6次停航，均與能見度激光雷達測量的低能見度區相吻合。

2月2—7日，海南省氣象部門共發布瓊州海峽海上大霧預警信號8次（其中6次大霧橙色預警信號、2次大霧黃色預警信號），預警信號發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果

圖8 預警信號發布時段和瓊州海峽停航時段對應圖

2019年春節期間，經過氣象部門與政府多部門同心協力，能見度激光雷達和其他常規觀測手段相結合，密切監測瓊州海峽天氣狀況，及時發布海峽天氣信息，準確發布海峽大霧預警信號，政府部門根據氣象部門發布的天氣信息多舉措保證海峽安全通行，瓊州海峽未出現擁堵和滯留現象。此次春節期間的春運過程，能見度激光雷達在海峽通航保障中發揮了至關重要的作用。

3.3 能見度激光雷達與衛星云圖的綜合應用

根據Himawari-8可見光衛星云圖，大體判斷瓊州海峽能見度的變化，再結合能見度激光雷達監測海峽具體的能見度數據，及時發布海上大霧預警信號，提醒海上作業船只和港口的相關單位做好防范工作。

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時段的變化情況。從圖9可以看出，11時可見光衛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，此時段內瓊州海峽的能見度逐漸好轉，可視物逐漸清晰?？梢?，在業務運用中，能見度激光雷達結合衛星云圖進行綜合監測，海峽能見度監測更全面、更細致，不容易遺漏海峽大霧的預報預警。但是，衛星云圖在低云覆蓋或夜間時很難觀測到霧天氣。

4 小結

能見度激光雷達具有高質量、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，數據結果合理。

能見度激光雷達為瓊州海峽大霧監測預報預警提供了很好的科學依據，保證了2019年春節期間瓊州海峽未出現擁堵和滯留現象。能見度激光雷達與衛星云圖進行互補觀測，取得更好的監測大霧動態效果，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備較少，因此做好海霧預報預警是一項難點工作，今后將充分分析運用現代先進觀測設備（雷達、衛星）等，提前發布海霧預報預警信息，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可見光衛星云圖（a，c）、能見度激光雷達（b，d）的對比圖

深入閱讀

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