激光測風雷達在風場觀測領域的應用及展望

傅 軍，李 潔，吳 強

(浙江理工大學 建筑工程學院，杭州 310018)

0 引 言

風場信息的測量是氣象或空氣動力學領域的重要工作內容之一，其測量的精確性對于氣象研究尤為重要。伴隨著觀測技術的不斷進步，不同的大氣風場測量手段也相應而生。傳統的觀測方法主要有無線電探空儀、杯式風速傳感器、熱式風速傳感器、微波雷達、多普勒聲波雷達和風廓線雷達等，存在測量精度低、測量范圍小、體積大、投資高等不足[1-4]問題。激光測風雷達是相對較新的一種測風技術，在過去的幾十年中發展迅速。在風切變測量、飛機尾流測量、湍流測量、風電場性能評估、重力波分析以及大氣氣溶膠光學特性分析等方面有重要的應用價值[5]。

但由于探量應用時間較短，使得現有的數據庫不足以對平均值進行合理的統計描述，特別是在復雜的沿海地區問題突出。雖然激光測風雷達的可用性、觀測數據的可靠度得到了一定的提升，但在降雨、濃霧等特殊天氣下，激光信號減弱會使探測性能受到影響，從而使得僅依賴于單一的激光雷達進行仿真或現場探測的許多輔助控制研究也受到影響[6-7]。

激光測風雷達具有測量精度高、分辨率高、探測范圍廣、響應速度快等特點，對晴空天氣的大氣探測具有顯著的作用[8]。本文對激光測風雷達技術設備國內外研究現狀進行了總結，對存在的問題提出了改進措施。并分析了激光測風雷達在風場領域的應用情況，對沿海丘陵地區的風場進行了多維度評估分析，最后總結了激光測風雷達在風場領域的未來發展趨勢。

1 激光測風雷達設備與技術研究進展

1.1 國外激光測風雷達設備與技術進展

美國雷神公司（Raytheon Company）于1968年研制出世界上第一臺相干激光測風雷達。1970年，Huffaker成功研制脈沖式CO2相干多普勒測風雷達，能觀測35 m范圍內風速，并應用于航線晴空湍流探測[9]。2002年，報道了第一個商業可用的相干多普勒激光雷達系統—Wind Tracer脈沖相干多普勒激光雷達，該雷達測量數據可靠，能連續運作，可應用于飛機尾流、晴空湍流等探測[10-11]。NASA Goddard公司對直接探測激光多普勒測風技術也有一定研究。2001年，NASA Goddard公司利用雙邊緣直接探測技術，研制出移動式多普勒激光雷達系統GLOW，測量從地表到平流層下部的風廓線[12-13]。2009年，NASA Goddard公司又利用雙邊緣探測技術開發研制了TWILITE脈沖多普勒測風雷達，可在飛機巡航高度（約18 km）到地面的高度范圍內對對流層風進行剖面分析[14]。2015年NASA采用了創新的全光纖和模塊化收發器架構，研制了工作波長為1.545 7 μm的相干激光測風雷達WindIm-age系統，應用于現場部署的風和尾流測量[10]。

日本三菱公司（MEC）自20世紀90年代末開始一直致力于相干多普勒激光測風雷達的研究。MEC主要從事1.5 μm人眼安全波段的激光雷達研究，在光纖激光器的研發方面取得了巨大成就[15]。1998年，研制出世界上首臺基于1.5 μm人眼安全波長的相干多普勒激光測風雷達，實現了水平距離超過800 m的目標探測。2002年，MEC公司開始著手研制和開發全光纖相干多普勒激光測風雷達。2012年，MEC公司升級了Er,Yb:Glass激光器，研制出1.5 μm波長的相干多普勒激光測風雷達，可探測30 km以上范圍的風場[16-17]。2018年，首次報道了2 μm Ho:YLF CDWL，利用100 mm望遠鏡在1 s觀測時間，能獲得約15 km范圍內的風廓線[18]。

歐洲航天局（ESA）在1999年全面啟動全球第一臺星載直接探測激光多普勒測風雷達計劃，2007年開始提出研制遠程星載直接探測激光多普勒測風雷達（ALADIN）以用于全球風廓線觀測[19]。ALADIN多普勒測風紫外激光雷達，波長為355 nm，重復頻率為50 Hz，應用半導體抽運Nd:YAG激光器，用于探測全球對流層和平流層底大氣風場垂直剖面，來彌補海洋和極地風場數據的不足[20]。2018年搭載來自法屬圭亞那的Vega火箭成功升空，標志著星載激光多普勒測風雷達進入應用階段[21]。

法國LEOSPHERE公司生產的WINDCUBE系列多普勒激光測風雷達，通過測量大氣顆粒物的后向散射回波信號產生的多普勒頻移，反演風速和風向信息，以此獲得高時空分辨率、高精度的風場數據。自2004年成立起，WINDCUBE系統已被廣泛應用于各種環境條件。LEOSPHERE已推出多款多普勒激光測風雷達，可提供距系統200 m（WINDCUBE V1）、3 km（WINDCUBE 100S）、6 km（WINDCUBE 200S）和10 km（WINDCUBE 400S）范圍的風場信息[22]。WINDCUBE V1/100S/200S/400S掃描型多普勒激光測風雷達是基于激光脈沖多普勒頻移原理，圖1是WINDCUBE 200S的樣機圖。

圖1 WINDCUBE 200S設備圖Fig.1 WINDCUBE 200S

國外對激光測風雷達技術與設備進行了持續深入的研究，但多數研究集中于相干探測技術的研究。目前對于直接探測雷達多利用雙邊緣技術，主要應用于大氣氣溶膠散射、分子散射、共振熒光散射的探測。近來，美國和歐洲航天局對直接探測激光多普勒測風雷達逐漸向星載多普勒測風雷達進行應用發展。國外相干多普勒測風雷達的研究主要有以下發展趨勢：1）WindTracer、WINDCUBE 激光測風系統的不斷升級，設備的激光發射波長、測距等技術指標不斷優化；2）隨著光纖通訊技術的不斷發展，光纖測風雷達也得到了快速的發展，全光纖激光測風雷達的研究正不斷進行深化；3）對于激光測風的應用不僅僅停留在飛機風切變和湍流測量，而是朝著多功能化方向發展。

1.2 國內激光測風雷達設備與技術研究進展

我國激光測風雷達的研究相對國外起步較晚。2010年中國電子科技集團公司第二十七研究所研制出1.5 μm連續光波相干激光雷達，該雷達可對100～200 m距離內的風速、風向進行多次觀測[23]。2012年潘靜巖等[24]研發了一套全光纖多普勒測風雷達設備，并用VAD風場反演方式對測量精度進行理論分析，推導出了四波束相干激光測風雷達的水平風速精度。2013–2015年，國內研制出能夠測量800 m距離遠的全光纖相干激光測風雷達。2014年中國科學院上海光學精密機械研究所研制了1.54 μm的全光纖相干激光測風雷達，同年研制了1.54 μm全光纖機載相干激光測風雷達[25]。上述研究機構的前期研究成果整理見表1。

表1 2010-2015相干激光測風雷達數據參數[26]Table 1 Parameters of coherent laser wind radars manufactured in China between 2010 and 2015

近年來，國內對于激光測風雷達的研究正在不斷深入。2017年，中國科學技術大學王沖[27]等成功研制了世界上第一臺能同時觀測大氣退偏振比和大氣風場的相干多普勒激光測風雷達。該雷達系統可以在10 μJ單脈沖能量、60 m距離分辨率條件下，實現6 km的水平風場測量，并能給出水平風場的PPI掃描數據。同年，中國科學技術大學在國際上首次實現了基于超導納米線單光子探測器的雙頻多普勒激光測風雷達，該新型雷達采用了精簡的光學結構，提高了系統的穩定性，并增強了實用性和可靠性，一定程度上解決了多普勒測風系統存在的問題[28]。

2020年國產首臺海上漂浮式激光測風雷達（WindMast 350-MB），如圖2所示，其探測高度范圍為20～350 m，激光波長為1 550 nm，風速精度≤0.1 m/s，掃描方式為多波束掃描/VAD。WindMast 350-MB系統在嚴苛海洋環境條件下具有可靠性、穩定性和準確的激光雷達數據分析處理能力。隨著激光測風技術的不斷發展，國產商用雷達也得到了一定的發展，生產商主要有南京牧雷激光有限公司和北京厚力德儀器設備有限公司。牧鐳激光經過十余年技術的積累與進步、數代樣機的研發與迭代，形成1 550 nm全光纖結構、激光相干多普勒原理的技術原型，主要的商用激光雷達有地基式激光測風雷達Molas B300和機艙式激光測風雷達Molas NL。

圖2 WindMast 350-MB設備圖Fig.2 WindMast 350-MB

綜上所述，國內對于激光測風雷達的研究起步較晚，但經過科研人員的不懈努力，國內測風雷達的軟硬件設施都得到了提升，縮小了與國外的差距。

但國內雷達商用化程度低，大多數還停留在實驗室研究階段。所以增加商用測風雷達的投入是目前需要著重研究的方向。雖然國內設備的測量范圍和精度都在逐漸提升，但仍與國外存在一定的差距，需要對激光測風雷達的數據算法處理等方面進行進一步的研究。

2 激光測風雷達在風場觀測領域應用

2.1 高空風場領域中的應用

激光測風雷達在高空風場領域的應用包括對機場風切變和湍流的測量。風切變是一種大氣現象，反映風矢量（風向、風速）在空中水平及垂直距離上的變化。減輕風切變對機場飛行安全和營運效率的不利影響至關重要。以香港國際機場為例，機場附近地形復雜，熱帶氣旋橫向經過復雜地形時所產生的強風切變，可能與雷暴所產生的微暴一樣強烈。為檢測機場的低空切變和湍流，在機場設有一臺終端多普勒天氣雷達（TDWR）和激光雷達系統用于實時探測[29]。TDWR是C波段單極化雷達，發射頻率為5.625 GHz，發射脈沖寬度為1.0 μs，其峰值功率為250 kW，平均功率為500 W[30]。香港天文臺研究了GLYGA（滑行路徑掃描風切變預警算法）用于預測低級別風切變，利用大渦模擬對邊界參數化方案進行評估，直接輸出預報EDR對低空湍流進行預測。Hon等[31]提出CIDV新算法，該算法能使用徑向分辨率為30 m的短距離激光自動掃描湍流特征。應用激光雷達和AVMGLYGA模式可以給出垂直速度、垂直橫截面的風切變數據特征，提供更多的風場信息。

2.2 近地面風場領域中的應用

與高空風場不同，近地面風不僅受水平氣壓梯度力、地轉偏向力影響，還受摩擦力影響。近地面風場的觀測是一種應用更為廣泛的實測手段，主要利用測風塔和激光測風雷達兩種方式[32]。對近地面風場領域的評估主要針對臺風近地層風場的時空變化特征展開。蔡彥楓等[33]采用國產WindPrint S4000型激光測風雷達（如圖3所示）對1604號強臺風“妮妲”登陸期間的局地風場進行了觀測。該雷達技術參數：激光波長為1 550 nm，探測距離為120～4 000 m，徑向風速測量精度 ＜ ±0.1 m/s。激光測風雷達風廓線掃描所獲取的現場觀測結果，反映了臺風“妮妲”局地風場的時間變化特征。激光測風雷達低仰角水平方位掃描所獲取的現場觀測數據，清晰捕捉了臺風“妮妲”局地風場的空間分布特征。史文浩等[34]也利用該雷達設備對臺風“利奇馬”邊界層風場精度進行了分析。將激光測風雷達與70 m測風塔，在相同高度探測臺風“利奇馬”影響期間的邊界層風場數據對比分析，研究多普勒激光雷達的誤差分布以及變化。結果表明，在該高度下兩者的水平風速、風向相關系數分別為0.97和0.99，垂直風速的相關系數為0.36。Tsai等[35]利用WINDCUBE V2脈沖激光雷達對兩個超級臺風內部240 m高度的臺風邊界層進行觀測。該雷達的探測范圍在40～290 m，具有良好的時間分辨率和恒定的空間分辨率。將WINDCUBE系統和超聲波風速表觀測數據進行對比，在50 m和70 m處誤差均為3%。結果表明，應用激光測風雷達可以較好反映臺風環流內的水平風場結構及演變，有利于對臺風邊界層風場的高分辨率研究和探測。將激光測風雷達應用于低空風場領域，在一定程度上有助于提高對風場數據分析水平。

圖3 WindPrint S4000激光測風雷達Fig.3 WindPrint S4000

3 雷達中尺度數據和CFD的結合應用

目前多普勒雷達三維風場反演技術能從根本上了解中小尺度天氣系統的三維風場結構，進而分析災害性天氣發生的條件及其演變規律。中尺度數據被廣泛應用于風資源的開發、提高風資源評估的精確度，并通常用雷達和衛星等遙感探測、數值分析等方式對其進行分析。中尺度數值模擬的方法主要有：WRF模式、CMAQ模式、風場參數化模式。WRF模式是由美國國家大氣研究中心（NCAR）、美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）等多個機構聯合開發的中尺度數值模擬系統[36]。目前，有兩個不同的WRF求解器模型，用于科學研究的WRF-ARW模型和用于業務的WRF-NMM模型[37]。對比發現，中尺度數據和雷達觀測數據在主風向上的具有一定相關性，中尺度插補訂正后的數據與實測數據的月平均值誤差、標準偏差誤差較小，利用中尺度數據插補后的完整數據能準確地反映風場的實際情況[38]。

中尺度模擬結果在微尺度和細觀尺度耦合中具有重要意義。CFD數值模擬方法可對實體建筑或復雜地形下的風場進行小尺度精細化模擬，其模擬方法主要有直接模擬（DNS）、大渦模擬（LES）及雷諾平均（RANS）[39]。

中尺度數值模擬能擬合出較大區域內氣流、氣壓、風場等特征，但不能夠精確評估風場內局部風流動狀況，而微尺度CFD數值模擬能夠獲得精確的風場內部區域狀況。但由于CFD模型建立時采用假定的入流風廓線，因此無法評估實際的大氣邊界入流條件下風場的流動。中尺度模擬結果可作為微尺度CFD模擬的邊界條件輸入。目前常基于中尺度WRF模式和微尺度CFD模式建立中微尺度耦合模式對風資源進行評估。中尺度模擬可以有效對微尺度CFD模型邊界進行校正。對于風場評估，可將激光測風雷達所觀測的數據和數值模擬的結果進行結合，進而提高評估的準確性，并反映真實的風場情況[40-41]。

4 多維度風場評估案例分析

復雜地形風況變化較大，風切變相對較小。相對傳統測風設備，激光測風雷達易于安裝、低空無盲區、時空分辨率高，可測量地面50 m以上的風場。但激光測風雷達存在精度依賴儀器固有的測量精度的問題。對于這個問題，國內外學者將激光測風雷達與CFD模擬結合來獲取更為精準的風場信息，如圖4所示。

圖4 激光測風雷達和CFD結合應用Fig.4 A combined application of wind lidar and CFD

作者所在團隊自2013年以來對某沿海山地丘陵地區低矮建筑群的風場特征進行了持續研究。一些主要工作內容及結論包括：

1）以奉化市裘村鎮黃賢村山體地形（圖5）為研究對象，以45°間隔進行CFD數值模擬。結果表明：風向與峽谷之間的夾角越小，峽谷內風速增強作用越明顯。氣流受到地形變化趨勢不同的山脈的干擾，氣流速度有不同程度的增加。當氣流進入開闊區域時，風速降低并且湍流強度變化趨于平穩。在風速較低且湍流變化穩定的區域，可作為建筑選址的最佳區域[42]。

圖5 黃賢村山體地形圖Fig.5 A topographic map of Huangxian village

2）采用電子風速儀和熱式風速儀對黃賢村取點進行現場觀測，分析結果表明：峽谷兩側地形特征對平均風速和湍流產生顯著影響，且山體越高對風速的影響越小；山體的迎風側風速隨山高的增加而增加，坡度越陡對風速的影響越明顯[41]。在此基礎上，采用CFD數值模擬方法研究該地區山體粗糙度對風環境產生的影響，結果表明：在相同坡度下，山體地形粗糙程度對風速產生一定的影響，風速一般隨粗糙度的增加而增加[43]。最后提出了風環境下選址及建筑布局的最優方案，詳見文獻[44]。

3）采用新型LWR2500激光測風雷達及手持自動氣象站（杭州佐格通信設備有限公司產品，圖6），在2020年進行了設點氣象觀測，并對采集的風速、風向數據進行了統計與分析[45]。該雷達支持50～2 500 m高度范圍內風速風向測量，其具體技術參數見表2。

圖6 現場測量照片（左為手持氣象站，右為激光測風雷達）Fig.6 A photo of field measurements (the hand-held weather station and laser wind radar are respectively on the left and right)

表2 LWR2500激光測風雷達技術參數Table 2 Technical parameters of LWR2500

首先，對已有的雷達和測風塔的同步觀測數據進行了數理統計及對比分析，結果顯示該設備測風數據可信度高，適用于低空領域的三維風場。在此前提下，基于黃賢村各處8個測點的雷達及手持氣象站數據，分析了當地風速、風向隨時間及地勢變化的規律。結果表明，該地區沿海地帶風速變化具有日周期性（圖7）。測量期間主導風向分別為東北風和東南風，風向變化規律受海陸風影響較大（圖8）。丘陵地帶風速、風向受風速等級和地形的影響較大。

圖7 沿海地帶風速與標準偏差對比Fig.7 The coastal wind velocity and its standard deviation

圖8 沿海地帶風速風向玫瑰圖Fig.8 Wind directions and velocities

4）綜合各階段對案例地區風場特性的研究，對峽谷主來流風沿峽谷的風剖面規律進行了總結。風速儀觀測范圍在1.2～2 m之間，手持氣象站觀測的范圍在2 m以下，而激光測風雷達能夠觀測50 m以上的風場（圖9）。

圖9 不同測風設備風剖面規律Fig.9 Wind profiles measured by different equipments

5 結 論

本文對國內外激光測風雷達的技術及設備研發現狀、在風場觀測領域的應用情況等進行了綜述。激光測風雷達可同時測得不同高度的水平風速、垂直風速、風向數據、入流角等風場信息，具有測量精度高、分辨率高、探測范圍廣、響應速度快等優勢。對于復雜地形情況，采用激光測風雷達和CFD數值模擬相結合，對獲取準確的風場信息有重要意義。

針對目前激光測風雷達存在的數據可靠度受環境影響、雷達設備重量較大、移動工作能力較差等缺陷，通過總結與實踐，做出如下展望：1）通過開發新的修正算法，可自動修正風向輸出；2）根據不同的應用需求，將原有結構材料進行調整，以獲取更輕更結實的外殼，比如使用碳纖維材料；3）提高測風雷達移動工作能力等，開發朝小型化、集成化、低成本等方向邁進；4）利用激光測風雷達三維風場反演，結合中尺度數據模擬和CFD微尺度數值模擬，能提高風場評估的準確度。