激光雷達和毫米波雷達探測海霧回波的對比分析

馬 強，陶 法，茆佳佳，胡樹貞，楊 玲，金黎斌

(1.成都信息工程大學電子工程學院，成都 610225；2.南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協同創新中心，南京 210044；3.中國氣象局氣象探測中心，北京 100081；4.內蒙古烏蘭察布市氣象局，烏蘭察布 012000；5.上海市寶山氣象局，上海 201900)

0 引言

海霧是海上主要的災害性天氣之一。司繼賢[1]等在青島利用713測雨雷達做未來24 h的海霧預報，預報雨霧成功率在95%以上；康曉華[2]等使用能見度激光雷達在機場開展了6個月的觀測對比實驗，結果表明激光雷達與人工觀測的能見度相關系數均高于0.85，符合國際標準組織的技術要求以及國家民航有關標準的要求；Julien Delano?[3]等設計了新型大氣探測雙機毫米波雷達(BASTA)，用于在12.5 m垂直分辨率模式探測霧和低云。由于海霧季節性逆溫層出現于距離地面200～300 m左右的高度上，厚度為300～400 m，所以地基雷達在探測海霧時比星載雷達更有優勢。文章在現有研究的基礎上，結合上海地區霧的物理特征，進行激光雷達和毫米波雷達探測海霧能力的對比分析。

1 觀測場地與設備

此次實驗觀測時間為2019-01-16—2019-02-27，所使用的毫米波雷達和激光雷達被安置在上海市崇明區橫沙島(31.30°N，121.86°E，儀器海拔高度53.36 m)。兩種設備并排放置，相距30 m，毫米波雷達采用低仰角扇掃觀測模式，激光雷達采用PPI掃描觀測模式。為了驗證激光雷達能見度的準確性，實驗選擇與地面觀測的能見度儀和雨滴譜儀記錄進行數值比較。能見度儀和雨滴譜儀被安置在上海市寶山區橫沙島上，與激光雷達距離14 km。各儀器參量如表1所示。

表1 激光雷達、毫米波雷達、能見度儀和雨滴譜儀的關鍵技術指標

2 數據分析

按照《地面氣象觀測規范》[4]對霧的定義：水平能見度距離在1～10 km的稱為輕霧，水平能見度距離低于1 km的稱為霧。文章在數據分析時，按晴空、霧和輕霧3種天氣情況進行分析。

2.1 晴空條件下激光雷達與能見度儀比較

實驗選取以能見度儀的方向為方位角，14 km為觀測距離的激光雷達數據與能見度儀進行對比。根據地球曲率計算得到能見度儀垂直方向較激光雷達水平體掃面低約17.66 m，根據張奉公[5]等對長江口海霧的統計和傅剛[6]等對青島海霧的研究，由于海霧厚度一般距地面高度為幾百米，所以此次實驗認為兩類設備觀測高度近似為同一高度。為降低激光雷達點數據可能產生的極值，選擇被觀測點半徑100 m范圍內均值代替點值。經過3倍標準差剔除異常值的數據后，激光雷達與能見度儀全樣本數據對比如圖1所示。

圖1 激光雷達與能見度儀全樣本數據對比

由圖1可以看出，激光雷達與能見度儀全樣本數據的一致性趨勢較為接近，相關系數為0.639，相關性一般。原因是在發生霧的過程中存在霧分布不均勻情況和光學探測原理的限制[7]。為減小失真數據產生的影響，在全樣本中，選擇激光雷達能見度為14 km以上數據作為新樣本，確保激光雷達和能見度儀兩者在直線距離內數據有效。對比結果如圖2所示。

由圖2可知，在能見度較好的情況下，激光雷達與能見度儀線性擬合后的回歸系數為1.08，表明在有效觀測距離內兩者受氣溶膠影響時的一致性很好，相關系數為0.8167，擬合效果較好。新樣本進行Lilliefors正態分布檢驗后的值為0.266，大于0.05，表明新樣本符合正態分布。在此基礎上，通過進行單因素方差分析對比兩種設備的顯著性差異。分析結果如表2所示。

由表2可知：對比數據的顯著性水平(P-value)明顯大于0.05，檢驗統計量(F)小于檢驗臨界值(F crit)，說明在α=0.05的情況下，兩類設備顯著性差異很弱，具有較強的相關性。

2.2 霧天氣下激光雷達與毫米波雷達比較

2019-02-25夜間，上海近海區域開始出現霧天氣，26日00：00—03：00能見度儀觀測到的平均能見度為2534 m，最小能見度1923 m，激光雷達觀測到的平均能見度為336 m。

根據激光雷達信息，26日02：43起，激光雷達附近能見度小于1 km，最遠探測距離為5 km。根據毫米波雷達信息，7 km內的回波約為-30～-15 dBz。為了解此次霧的完整過程，選取方位角方向為較少地物雜波的74°，以20：00—04：00進行時間序列的統計。

經統計得出，霧從25日20：00開始發展，至23：30，霧的反射率約為-30～-20 dBz。23：30后，霧的過程逐漸增強，至次日02：30，霧的反射率上升為-25～-15 dBz，反射率較發展階段增強了約3倍。02：30后，霧逐漸消退。整個過程中，探測距離隨回波強度增大而增大，最大探測距離約6 km。

2.3 雨霧天氣下激光雷達與毫米波雷達比較

2019-02-13夜間，上海地區出現輕霧天氣。21：00—24：00，能見度儀觀測到的平均能見度為5890 m，最小能見度為4606 m，人工觀測最小能見度為5 km，激光雷達觀測到的平均能見度為3934 m。

輕霧天氣下，激光雷達與毫米波雷達的最遠探測距離均為15 km。對比26日的激光雷達結果，13日的海霧能見度較高，理論上霧滴的直徑數濃度相對偏小，海霧反射率因子應該更弱。但毫米波雷達的觀測結果卻出現了非常強的回波。為了解此次霧的完整過程，選取74°方位角，以19：00至次日13：00進行時間序列的統計。

經統計得出：在輕霧持續的夜間，雷達反射率大部分處于20 dBz以下，偶見30 dBz的相對較強回波。為了驗證毫米波雷達的準確性，對毫米波雷達西14 km處的雨滴譜儀進行同時段統計后得到圖雨滴分布信息，根據Ka波段米散射計算得到反射率，統計結果如圖3所示。

根據圖3(a)可以看出：13日20：00至14日05：00，雨滴譜記錄的降水粒子直徑分布于0.5～3 mm，峰值為0.6 mm，在計算雷達反射率時使用米散射計算。經對比發現，13日20：00至次日05：00，毫米波雷達位置的反射率與雨滴譜計算的反射率趨勢相近，表明兩個地區均發生了較長時間降水，驗證了此次輕霧過程為雨霧天氣。由于雨滴譜儀在毫米波雷達的探測范圍外，該結果僅說明在較大范圍的雨霧過程中兩者的一致性較高。

圖3 13日19：00—14日13：00雨滴譜信息：(a)粒子分布；(b)反射率

3 結束語

文章根據激光雷達和毫米波雷達2019年冬季在上海近海區域的海霧實驗進行了探測能力對比。晴空條件下，激光雷達與在較遠距離的能見度儀一致性好，相關系數可達0.8167，顯著性水平為0.46，檢驗統計量為0.53，小于檢驗臨界值3.91，兩類設備呈現弱顯著性差異；霧條件下，激光雷達探測能力強但有效距離很短，毫米波雷達接收到的反射率很弱；輕霧條件下，激光雷達探測能力隨能見度升高逐漸增強，但不能反映霧中的其他天氣過程，毫米波雷達可以接收除霧反射率外的強反射率，例如雨霧天氣中的雨回波。兩類設備在探測海霧觀測中可以從不同角度描述霧的物理結構和特點，共同促進海霧的觀測能力。