基于相干多普勒測風(fēng)激光雷達的南極中山站低空大氣風(fēng)場應(yīng)用研究

王章軍 王睿 李輝 莊全風(fēng) 黃文濤 柳付超 班超 陳超

(1 齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院),山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所,山東 青島 266061;2 中國極地研究中心,自然資源部極地科學(xué)重點實驗室,上海 200136;3 武漢大學(xué)電子信息學(xué)院,湖北 武漢 430072;4 中國科學(xué)院大氣物理研究所,中層大氣和全球環(huán)境探測重點實驗室,北京 100029)

0 引言

低空大氣風(fēng)場探測對大氣湍流、氣溶膠運輸和霧霾擴散等大氣環(huán)境變化問題的研究十分重要。極區(qū)大氣對全球大氣環(huán)境變化十分敏感,是我們了解和監(jiān)測全球環(huán)境變化的重要區(qū)域。但南極地區(qū)的極端環(huán)境導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)稀少,因此對于南極低空大氣風(fēng)場觀測顯得尤為重要。

國內(nèi)南極大氣風(fēng)場的研究主要采用地面觀測資料、探空數(shù)據(jù)分析、衛(wèi)星數(shù)據(jù)及激光雷達觀測等手段。利用地面觀測資料和探空數(shù)據(jù)對南極風(fēng)的研究工作開展較早,例如,劉樹華和熊康[1]應(yīng)用日本南極昭和基地1982 年的探空資料,討論了從地面至20 hPa 高度之間的風(fēng)、溫、濕場及大氣環(huán)流特征的月平均年變化;胡勝利[2]利用氣象觀測資料、云圖接收和天氣圖分析,總結(jié)了中山站不同類型的大風(fēng)天氣過程;許淙等[3]利用2002 年1 月至2003 年12 月南極中山站的天氣觀測記錄和天氣形勢圖,分析了風(fēng)向、風(fēng)速的分布特征及風(fēng)向相互間的變化規(guī)律;卞林根等[4]利用南極長城站和中山站的地面氣象觀測資料,分析了長城站(1985—2008 年)和中山站(1989—2008 年)的平均風(fēng)速季節(jié)變化特征、年際變化和趨勢;徐敏等[5]基于1987—2017 年南極點的無線電探空數(shù)據(jù),研究了地面至30 km 高度的氣溫、風(fēng)向和風(fēng)速的垂直分布及變化趨勢。衛(wèi)星遙感資料具有覆蓋范圍大、可連續(xù)觀測等優(yōu)點,也被用于對南極風(fēng)場的研究。馬艷輝[6]基于散射計數(shù)據(jù)對南極周邊海域海面風(fēng)場做了統(tǒng)計特征分析;張婷等[7]利用2012年全年的ASCAT(Advanced Scatterometer)散射計風(fēng)場數(shù)據(jù),對55°S 以南的南極周邊海域海面風(fēng)場開展了時空分布特性統(tǒng)計分析。激光雷達測風(fēng)技術(shù)具有傳統(tǒng)測風(fēng)手段不可比擬的性能優(yōu)勢,如時空分辨率高、可進行三維風(fēng)場實時測量,并且具有運行可靠、無人值守、可長期連續(xù)運行的特點,使其具備在極區(qū)部署觀測的優(yōu)勢。國際上多個課題組已在極地利用激光雷達進行風(fēng)場觀測方面的研究。Kawahara 等[8]在2010 年9 月將研制的基于Nd:YAG 激光器的鈉溫/風(fēng)激光雷達部署在挪威Troms? 極區(qū),進行了風(fēng)、溫的同時測量;Chu等[9]2017—2018 年在南極McMurdo 站部署了鈉熒光多普勒測風(fēng)測溫激光雷達,可對中間層鈉原子、溫度和垂直風(fēng)進行觀測。國內(nèi)開展極區(qū)激光雷達測風(fēng)觀測研究始于中國第35 次南極科學(xué)考察(2018—2019 年),在南極中山站部署了一套鈉熒光多普勒激光雷達觀測系統(tǒng),能夠同時觀測中高層大氣溫度和三維風(fēng)場[10]。隨后,中國第36 次南極科學(xué)考察期間(2019—2020 年),在中山站建成了一套由三部激光雷達組成的中低層大氣激光雷達探測系統(tǒng),包括:純轉(zhuǎn)動拉曼激光雷達[11]、瑞利/米散射激光雷達[12]和相干多普勒測風(fēng)激光雷達,分別探測對流層大氣溫度的精細(xì)結(jié)構(gòu)、平流層-中間層大氣溫度和邊界層大氣風(fēng)場精細(xì)結(jié)構(gòu)。

相干多普勒測風(fēng)激光雷達作為一種主動遙感手段,具有時空分辨率高、功耗低、體積小等優(yōu)點,能夠進行低空風(fēng)場的精細(xì)探測。目前國內(nèi)相干多普勒測風(fēng)激光雷達探測系統(tǒng)發(fā)展迅速,西南技術(shù)物理研究所馮力天等[13]報道了1.55 μm 全光纖相干多普勒測風(fēng)激光雷達系統(tǒng),實現(xiàn)了5～200 m高度范圍的風(fēng)場測量,并與測風(fēng)塔數(shù)據(jù)進行了比對;中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所Liu 等[14]報道了基于1.539 μm全光纖的相干多普勒測風(fēng)激光雷達系統(tǒng),之后Diao 等[15]對系統(tǒng)進行了升級;中國海洋大學(xué)吳松華等[16]報道了1.55 μm 全光纖相干多普勒測風(fēng)激光雷達系統(tǒng),并經(jīng)過不斷改造和升級,將系統(tǒng)用于湍流、風(fēng)切變觀測的研究[17-19];另外,中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機械研究所[20]、中國電子科技集團公司第二十七研究所[21]、北京理工大學(xué)[22]、中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所[23]等眾多高校及科研機構(gòu)也開展了相干多普勒測風(fēng)激光雷達系統(tǒng)的相關(guān)研究工作。本文介紹的相干多普勒測風(fēng)激光雷達是由中國極地研究中心牽頭、山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所研制,我國在南極大陸部署的首套低空大氣風(fēng)場測量激光雷達。本文的主要內(nèi)容包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、原理算法、觀測數(shù)據(jù)和對比分析等。

1 相干多普勒測風(fēng)激光雷達簡介

多普勒測風(fēng)激光雷達基于光的多普勒效應(yīng),通過向大氣中發(fā)射激光并檢測回波信號的多普勒頻移,從而實現(xiàn)風(fēng)速反演,獲得大氣風(fēng)場信息。相干探測技術(shù)通過大氣后向散射信號與系統(tǒng)本振光差頻獲取多普勒頻移,反演得到大氣風(fēng)場。相干多普勒測風(fēng)激光雷達工作原理如圖1 所示。本振激光器發(fā)出連續(xù)激光,頻率為f0,經(jīng)過分束后一路作為本振光源,另一路經(jīng)調(diào)制放大后輸出頻率為f0+γ的激光,經(jīng)收發(fā)一體裝置和掃描轉(zhuǎn)鏡后發(fā)射到大氣中,大氣氣溶膠粒子與激光相互作用產(chǎn)生后向散射信號,根據(jù)多普勒效應(yīng),后向散射回波的頻率相對于發(fā)射激光頻率產(chǎn)生一個與氣溶膠粒子移動速度相關(guān)的頻移,與本振光混頻,探測器響應(yīng)二者差頻,輸出頻率為γ+Δf的電信號。此電信號經(jīng)放大及預(yù)處理后,由實時信號采集處理模塊進行采集和處理,求得回波信號的頻移,然后計算出空間不同距離處的徑向風(fēng)速,重復(fù)求得多組不同角度的徑向風(fēng)速,然后對獲取的徑向風(fēng)速、角度和距離數(shù)據(jù)進行處理,即可反演出三維風(fēng)場的分布信息。

圖1 相干多普勒測風(fēng)激光雷達測風(fēng)原理圖Fig.1.Schematic diagram of wind measurement of the coherent Doppler wind lidar

相干多普勒測風(fēng)激光雷達的總體設(shè)計方案如圖2 所示,包括高穩(wěn)定性的發(fā)射系統(tǒng)、高效率接收系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)和三維掃描裝置四個主要功能單元。采用窄線寬光纖激光器作為發(fā)射光源,利用聲光移頻器使激光頻率產(chǎn)生120 MHz的頻率差,確保極區(qū)大風(fēng)條件下可正常測量;之后經(jīng)過保偏光纖放大器,出射具有較高能量的激光,保證該系統(tǒng)在極區(qū)特殊大氣環(huán)境下具有較大的探測距離。光環(huán)行器既可實現(xiàn)收發(fā)光路同軸,減小測量盲區(qū),又可防止發(fā)射光的后向反射光對激光器造成損傷。平衡探測器可將大氣氣溶膠后向散射信號光與本振光進行拍頻,信號采集卡將平衡探測器得到的幅值信號進行采樣,并通過快速傅立葉變換方法,解析得到多普勒頻移,最終反演得到徑向風(fēng)速。為了獲得大氣水平風(fēng)速和風(fēng)向,通過收發(fā)一體掃描裝置,改變激光發(fā)射方向,采用多波束掃描模式反演大氣風(fēng)廓線。為確保多普勒測風(fēng)激光雷達在南極惡劣環(huán)境下長期、穩(wěn)定工作,激光雷達放置在定制的觀測艙中,觀測艙內(nèi)溫度維持在20℃左右,激光束通過觀測艙上方定制的直徑為300 mm 玻璃窗片發(fā)射到大氣中,實現(xiàn)大氣風(fēng)場的實時觀測。系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。

圖2 相干多普勒測風(fēng)激光雷達結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2.Structure diagram of the coherent Doppler wind lidar

表1 相干多普勒測風(fēng)激光雷達系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)Table 1.Technology parameters of the coherent Doppler wind lidar

系統(tǒng)利用多普勒光束定向擺動掃描技術(shù)(DBS,Doppler-Beam-Swinging)測量風(fēng)廓線。假設(shè)測量的三維風(fēng)場在同一高度上大氣狀態(tài)均勻不變,激光分別在垂直方向和以一定的仰角在東、南、西、北方向進行測量得到徑向風(fēng)速,分別表示為VlosZ、VlosE、VlosS、VlosW、VlosN。徑向風(fēng)速是風(fēng)場中垂直風(fēng)速和水平風(fēng)速在各個徑向方向的矢量合成,將大氣風(fēng)場看作一個u-v-w坐標(biāo)系,激光束與水平面的夾角為θ,則對大氣風(fēng)場進行矢量分解,可表示為[24]:

通過計算式(1),可以得到大氣風(fēng)場的水平分量u、v和垂直分量w的表達式為:

合成風(fēng)矢量方向可表示為:

需要注意,由于風(fēng)矢量方向α是在0°到360°之間變化的,需根據(jù)矢量所在的象限判斷風(fēng)向:若u≥0,v≥0,則α的值不變;u＜0,v＞0,則α=180°–α;u＜0,v＜0,則α=180°+α;u＞0,v＜0,則α=360°–α。另外,由于習(xí)慣上風(fēng)向是風(fēng)吹來的方向,因此真實的風(fēng)向Dir和風(fēng)矢量α的方向相差180°,在處理過程中要加180°,即:

2 觀測和分析結(jié)果

2.1 實驗標(biāo)定測試

相干多普勒測風(fēng)激光雷達研發(fā)完成后,針對系統(tǒng)調(diào)試與優(yōu)化進行了大量實驗,包括對光路的反復(fù)校準(zhǔn)和對系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化。為進一步對激光雷達觀測結(jié)果進行數(shù)據(jù)比對驗證,課題組于2019 年8 月30 日—9 月2 日期間在中國氣象局氣象探測中心國家氣象計量站進行了數(shù)據(jù)質(zhì)量對比測試(如圖3 所示)。

圖3 數(shù)據(jù)質(zhì)量對比測試。a)相干多普勒測風(fēng)激光雷達實驗現(xiàn)場;b) L 波段探空儀實驗現(xiàn)場Fig.3.Data quality assessment.a)field observation photo of the coherent Doppler wind lidar;b)field observation photo of the L-band sounding radar

用于比對測試的L 波段GTS1 型數(shù)字探空儀風(fēng)速測量精度(RMS)為1 m·s–1(風(fēng)速<10 m·s–1)、10%(風(fēng)速>10 m·s–1),風(fēng)向精度為 5°(風(fēng)速>25 m·s–1)、10°(風(fēng)速<25 m·s–1)。在觀測期間,數(shù)據(jù)比對分析考慮了時間、高度的匹配。取氣球釋放10 min 后的數(shù)據(jù)進行累計平均,高度匹配選取與相干多普勒測風(fēng)激光雷達高度距離庫相鄰最近的對應(yīng)L波段探空儀高度處的數(shù)據(jù),且距離差≤10 m。

經(jīng)統(tǒng)計,共有風(fēng)速、風(fēng)向可對比統(tǒng)計點678 對,風(fēng)速比對結(jié)果如圖4 所示,風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)為0.907,標(biāo)準(zhǔn)差為0.565 m·s–1,圖中數(shù)據(jù)結(jié)果在縱向呈現(xiàn)條帶狀分布,是由于L 波段探空儀風(fēng)速的測量分辨率為1 m·s–1,而激光雷達的風(fēng)速數(shù)據(jù)分辨率更高。圖5 所示為風(fēng)向比對結(jié)果,在比對過程中已經(jīng)考慮了兩組風(fēng)向差值大于180°的情況,并對其進行 360°補償,因此風(fēng)向坐標(biāo)刻度會出現(xiàn)大于 360°的情況,計算獲得風(fēng)向的相關(guān)系數(shù)為0.832,標(biāo)準(zhǔn)差為6.02°。對比結(jié)果表明,相干多普勒測風(fēng)激光雷達系統(tǒng)數(shù)據(jù)質(zhì)量較好,滿足設(shè)計要求。

圖4 相干多普勒測風(fēng)激光雷達與L 波段探空儀風(fēng)速比對數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果圖Fig.4.Statistical results of wind speed data acquired by the coherent Doppler wind lidar and the L-band sounding radar

圖5 相干多普勒測風(fēng)激光雷達與L 波段探空儀風(fēng)向比對數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果圖Fig.5.Statistical results of wind direction data acquired by the coherent Doppler wind lidar and the L-band sounding radar

2.2 相干多普勒測風(fēng)激光雷達南極中山站觀測數(shù)據(jù)

2019 年10 月22 日,相干多普勒測風(fēng)激光雷達于上海裝船,搭乘“雪龍”號前往南極中山站,系統(tǒng)經(jīng)現(xiàn)場安裝、調(diào)試和優(yōu)化后,于2020 年1 月8 日正式開展常規(guī)觀測,截至2021 年3 月1 日共獲得1000 余小時現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)。圖6 和圖7 為相干多普勒測風(fēng)激光雷達在南極觀測期間一次典型的連續(xù)觀測結(jié)果。

圖6 2020 年04 月15 日測風(fēng)激光雷達在中山站連續(xù)20 小時風(fēng)速觀測結(jié)果圖Fig.6.Wind speed observation results with wind lidar at Zhongshan Station for 201 h on 15 April,2020

圖7 2020 年04 月15 日測風(fēng)激光雷達在中山站連續(xù)20 小時風(fēng)向觀測結(jié)果圖Fig.7.Wind direction observation results of wind lidar at Zhongshan Station for 20 h on 15 April,2020

從圖6 和圖7 可以看出,2020 年4 月15 日進行了全天候連續(xù)測風(fēng)觀測實驗,觀測期間連續(xù)20個小時內(nèi)系統(tǒng)穩(wěn)定運行,觀測的風(fēng)速結(jié)果顯示,在04:00至14:00(UTC)時間段(當(dāng)?shù)匕滋鞎r間),約1～2 km 高度范圍內(nèi),出現(xiàn)風(fēng)速值較大的分布,風(fēng)速值在10 m·s–1以上,甚至達到20 m·s–1;而低空風(fēng)速相對較低,在10 m·s–1以下,白天極區(qū)大氣熱量的不均勻分布導(dǎo)致了風(fēng)速顯著分層分布。而14:00(UTC)以后,風(fēng)速在有效探測高度內(nèi)呈現(xiàn)較均勻的分布,在15 m·s–1以下,這與晚間大氣環(huán)境相對穩(wěn)定吻合。從圖7 風(fēng)向分布來看,風(fēng)向基本在0～90°范圍內(nèi),顯示為東北風(fēng)。

2.3 相干多普勒測風(fēng)激光雷達與南極中山站地面氣象臺數(shù)據(jù)比對

南極中山站地面氣象臺位于南極洲東南極大陸拉斯曼丘陵(69°22′S,76°22′E),與相干多普勒測風(fēng)激光雷達觀測地點水平距離約150 m,設(shè)備分布如圖8 所示,其中左上角五星標(biāo)注的位置是南極中山站地面氣象臺,右下角方形標(biāo)注的為相干多普勒測風(fēng)激光雷達觀測地點。氣象臺采用XFY3-1 型風(fēng)速風(fēng)向傳感器(強風(fēng)計)對風(fēng)速等要素進行觀測,該設(shè)備具有抗強風(fēng)、測風(fēng)范圍寬、空氣動力性能好、工作穩(wěn)定可靠、使用方便等特點,其風(fēng)速測量范圍在1～95 m·s–1;風(fēng)速在0～10 m·s–1時,風(fēng)速準(zhǔn)確度≤±0.5 m·s–1;風(fēng)速在10～95 m·s–1時,風(fēng)速準(zhǔn)確度≤±5%×測量值;風(fēng)向準(zhǔn)確度為±5°。

圖8 南極中山站地面氣象臺與相干多普勒測風(fēng)激光雷達觀測點分布圖Fig.8.Locations of the meteorological station and coherent Doppler wind lidar at Zhongshan Station

為驗證相干多普勒測風(fēng)激光雷達在南極測風(fēng)結(jié)果的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性,選取2020年3月2日06:00—10:00(UTC)期間,測風(fēng)激光雷達與地面站提供的測風(fēng)數(shù)據(jù)進行對比。由于近地面同一高度內(nèi)風(fēng)速相對穩(wěn)定,本文忽略兩者因海拔高度引起的差異。將對比期間的數(shù)據(jù)繪制風(fēng)速時間序列圖(圖9)和風(fēng)向時間序列圖(圖10),可以看出在該時段內(nèi)兩者的測風(fēng)觀測結(jié)果具有很好的一致性。

圖9 2020 年3 月2 日測風(fēng)激光雷達與XFY3-1 型風(fēng)速風(fēng)向傳感器風(fēng)速對比時序圖Fig.9.Comparison of wind speed measured by wind lidar and XFY3-1 on 2 March,2020

圖10 2020 年3 月2 日測風(fēng)激光雷達與 XFY3-1 型風(fēng)速風(fēng)向傳感器風(fēng)向?qū)Ρ葧r序圖Fig.10.Comparison of wind direction measured by wind lidar and XFY3-1 on 2 March,2020

3 結(jié)論

本文介紹了一臺自主研發(fā)的相干多普勒測風(fēng)激光雷達系統(tǒng),該系統(tǒng)已在南極中山站成功進行安裝部署并獲得了良好的連續(xù)觀測數(shù)據(jù),為南極低空大氣探測提供了全新的觀測手段,填補了我國對南極大陸低空大氣風(fēng)場探測的空白。由于系統(tǒng)測風(fēng)高度受限于相干測風(fēng)技術(shù),未來將考慮研發(fā)非相干多普勒測風(fēng)激光雷達用于獲取更高探測高度和測量精度的風(fēng)場數(shù)據(jù)。