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相干多普勒测风激光雷达在印度浦那地区的初步检验
- C. S. Devara, Y. Jaya Rao, S. M. Sonbawne, M. G. Manoj, K. K. Dani and S. K. Saha
Indian Institute of Tropical Meteorology, Physical Meteorology and Aerology Division, Pune, India
摘要：2009年7月，印度印度热带气象研究所（IITM）安装了一台连贯的多普勒风激光雷达，用于绘制日本大气边界层的三维风场图（印度，18°43N，73°51E，559m AMSL）。其目的是为了更深入地了解浦那的天气，气候和空气质量，并最终将其推广到该国其他合适的地点。该系统的优异性能使得2010年7月部署下一代（扩展）风激光雷达，具有更高的脉冲功率（~100mu;J），以探测晴空中的气流（气溶胶颗粒作为示踪剂）以及云 - 空气（云微粒作为示踪剂）高达约12公里AMSL。在本次交流中，对这两种激光雷达版本进行了简要说明，并提供了一些显着的结果，包括与共位原位技术的比较。还介绍了在一些典型的实验日获得的扩展激光雷达的样本数据，以及使用位于同一地点的AWS和GPS无线电探空仪的校准数据。这种比较在测量精度内显示出合理的一致性。数据的频谱分析揭示了短周期，大约5分钟周期的传播型重力波，在较低和较高高度之间交换能量。除了ABL演变和低空急流（LLJ）特征之外，这些数据还可用于确定卷云结构和相关循环。
关键词：多普勒激光雷达；大气风场；云；波；GPS探空仪
2012年6月8日收到；2013年5月11日修订；2013年6月23日接受。
1.引言
缺乏可靠的风数据是当前气象全球观测网的主要缺陷之一。虽然有更好的参数化方案纳入气候模型和改进的数据同化技术为数值天气预报提供更好的分析（NWP）模型，但对风廓线测量还有很大的需求。然而面层数据不提供大气廓线，单层和没有密集均匀的地理分布的多层次高空风数据。此外，从卫星探测仪器的补充观测错过规模较小的特征，特别是在低纬度地区。因此，对于大气新的观测，通过高分辨率，均匀、连续的风廓线是必不可少的（WMO，1998）。Doppler Wind Lidar（DWL）被认为是从地面到超过平流层的高度和获得风廓线的最有前途的远程传感器（Chanin 等，1989；金特里等，2000；Baumgarten，2010）。这是唯一有提供卫星全球覆盖三维风数据潜力的仪器。
一般而言，使用两类DWL：1至10mu;m波长的相干（外差）系统和短至0.3mu;m的较短波长的非相干（直接检测）干涉系统。以前的系统更有利于观测。后者系统使用原子吸收线，边缘滤波器和条纹成像技术来区分或分析激光雷达回波信号的频率或频谱（Korb 等，1992）。这些激光雷达还能够提供关于云宏观物理参数/气溶胶特性（通过反向散射）和风变率作为副产品的辅助信息。正在评估以高能脉冲激光器，低噪声探测器和高光学质量望远镜形式进行的技术改进，以便测量远距离或低气溶胶/云滴浓度的风。因此，与传统和其他遥感技术（如声发射器）相比，使用激光雷达技术进行风测量具有许多优点，主要是因为它具有超高空间和时间分辨率的高海拔覆盖率（Devara，1989; Singh and Kavaya，2004; Wandiger等，2004）。
由于多普勒技术测量的是激光雷达光束的径向速度，需要至少三个独立的视线方向（LOS）进行径向速度测量，以获得风矢量的所有三个分量（u，v和w）。因此，激光雷达从三个不同的方向（例如，天顶，南方和西方）射束到空间中的给定点。到目前为止，对大气风的激光雷达探测仅限于印度有限的几个地点，在世界范围内要更普遍（Devara，1989; 1992）。由于缺乏合适的示踪剂，没有多少测风激光雷达投入常规使用。在Pune（18°43N，73°51E，559mu;mAMSL），第一次使用便携式仪器进行三维风（U，V，W对应于纬向，经向和垂直分量）的高分辨率测量多普勒风激光雷达（Leosphere Model WindCube70）。随后，安装了类似但高功率的风力激光雷达（WindCube200），可以在全天候条件下在白天和夜间通常测量所有三个部件到更高的高度（高达~12公里）。这些系统是基于激光检测和测距技术的主动式远程传感器。
外差激光雷达原理依赖于测量由空气中的粒子（例如灰尘，云雾和水雾，污染气溶胶，盐晶体，生物质燃烧气溶胶）反向散射的激光辐射的多普勒频移。本文按照如下结构展开：第二节描述DWL的主要技术规格，第三节给出测量原理和技术分析在，第四节强调DWL在气候变化研究中的应用，第五节给出行星边界层动力学和云结构，最后在第6节给出了一个简短的总结。
2.windcube70 / 200规格
激光雷达采用1.54微米的人眼安全脉冲光纤激光辐射，这种规格使整个系统具有高度的便携性，便于在不同的平台和不同环境条件下的操作。IP65防水防尘外壳在天气恶劣条件下保护系统。该系统的准确性已在雨，雪和寒冷的天气条件下被证明。与传统系统不同的是，这些激光雷达配备了窗式除冰装置和一个自动雨刷组件，可以使系统在雨雪天气下运行。 表1列出了WindCube70和200的性能和功能参数。可以注意到，系统的范围能力取决于脉冲长度，激光功率和
天气状况。
在IITM运行的系统的功能包括：（1）测量超高时间间隔（高达1秒），距离分辨率约为20米的风力;（2）自动数据过滤器通过采用阈值载波噪声比（CNR）的标准，可以根据实验要求来指定。噪声级随着平均脉冲数的平方根而下降。它是一款即插即用，自动化的系统。图1说明了功能图并解释了操作原理。激光器向大气中发射的激光脉冲信号，在脉冲传播的时遇到在大气中运动悬浮的颗粒物，并且产生了多普勒频移现象，而产生的频移量和颗粒物的径向风速成正比。即使在多雨和多尘的条件下，刮水器组件也便于DWL的操作。过去开发的连续波（CW）多普勒激光雷达系统可提供更好的CNR，并可用于较高边界层高度的风速测量（Devara，1989）。此外，它们已被广泛应用于电信研究（例如Karlsson等，2000）。本系统中使用的脉冲激光源允许在任何高度以类似的分辨率和精度进行同时测量。扩展系统在1秒内提供10个垂直风廓线。该系统还配备了实时数据处理软件，为每个光束位置提供最终产品。 DWL观测的描述，分析方法和风的初步结果，以及它们与原位测量的比较，在2009年和2010年在印度浦那的IITM校园进行将在下一节中介绍。
3.测量分析原理
激光雷达系统的基本原理是多普勒频移，其中多普勒频移被测量为相对于静止的粒子相对于辐射的源或接收器移动的粒子感知或发射的辐射的表观频率变化。 在检测过程中遵循外差（相干）技术。 矢量风速的计算基于感测体积上风场水平均匀性的假设，扫描激光雷达技术，如速度 - 方位角显示，VAD（固定仰角的锥形扫描激光雷达波束），DopplerBeam-Swinging ，DBS（将激光雷达光束指向垂直，倾斜北，东，南和西方向）。 在VAD的情况下，多普勒频率f直接确定风向量的LOS分量（V LOS）为：
其中r是从雷达到目标的大气范围，lambda;L是径向LOS分量V取决于风矢量，u（纬向），V（经），和W（垂直）；
whetheta;是方位角，从北顺时针旋转，gamma;是仰角，和Z（r sin gamma;）是在观测点的高度。因此，观测到的不同波束位置的多普勒频移被用来推导纬向（或东向西）、经向（或北向南）和垂直风的三个分量。
在本研究中，采用了改进的DBS技术进行数据存档和分析。通过将激光雷达波束指向垂直、北、东和西方向进行观测。分析技术的示意图如图2所示。如图所示，瞄准四线（指向激光束垂直和东南西北倾斜的方向，即znezsw），通过顺序扫描实现，允许三维风矢量元件几何计算（水平和垂直风的速度和方向）。让phi;从天顶角。径向风速（即在雷达波束方向）在东（RE）、西（RW）、北（RN）、南（RS）和垂直（RZ）方向：
从上述方程（3）-（7），纬向（U）、经（v）和垂直（w）风分量可以写成：
在中层大气中，W一般小于1米每秒，径向风速误差为1米每秒。因此，忽略垂直风对非天顶径向风的贡献是合理的。因此，方程（3）-（7）可以简化如下：
4.应用
近年来，由于越来越多的证据表明人类活动可能极大地改变了地球未来的气候，因此气候变化问题受到了广泛关注。全球气候分析的改进、变化、可预测性和变化，都需要进行大气风场测量。数值天气预报（NWP）模型和相关的参数和数据同化方案也依靠精确的风速测量。世界气象组织（WMO）在其用户需求和卫星的能力的条件下判断，对全球气象的分析而言，风廓线测量仍然是最具挑战性和最重要的（WMO，1998）。因此，不仅要大力发展网络模式下的地面测风系统，而且要大力发展地基测风系统。
5.结果与讨论
5.1. DWL和AWS风比较
在2009年7月的一些典型的日子里，进行了连续的风速测量，覆盖了100米到1000米的高度，同时利用自动气象站（AWS）对地面进行了同步观测。2009年7月23日，100米水平DWL的风速测量和AWS表面值相比，图3中的两个时期，1100–1659 h（实线和虚线AWS系列DWL时间序列）和0500–1059 h（实线和虚线AWS系列DWL时间序列）。这两个测量系列在测量精度上显示出相当高的一致性，除了小偏差（在空间和时间上），这主要是由于两种实验技术的测量高度和灵敏度不同所致。此外，两个时间序列都表现出明显的变异性和短周期波浪结构。
5.2. 总风分量的时间变化
图4 - 6显示了风总量和方向的时间序列，纬向（U），经（V）和垂直（w）分量的风计算，如前一节解释，分别在2009年7月17日，22日和23日。图中的五个面板显示了风速、风向和风的三个分量在1700～1800期间的变化。从这些数字可以看出，激光雷达信号对风分量的测量很敏感。在本系统中CNR低于某一阈值即 12分贝，垂直速度的大小是不可靠的。此外，在研究期间此组件的大小之间变化（上升）和阴性阳性（下沉。在这三个试验日中，纬向风分量的大小相比经向风分量更强大，这主要是由于地球自转偏向力。此外，总风的方向是180和360◦之间，这是一致的。
5.3. 风谱分析
在所有气象尺度中大气重力波是大气动力学的重要组成部分（nappo，2002）。由于这些波在大气中的所有高度都存在，它们可以把能量和动量从一个区域传送到另一个区域。罗奇（1976）报告了与重力波相关的10 - 15分钟的风速振荡。为了研究这些方面，功率谱分析已被应用于激光超高时间分辨率的测量。分析表明了将特征周期延长至5分钟的小型重力波的优势。如图7所示，在100米600米和700米三个高度处获得的光谱。所以三个高度的光谱在统计学上从1.5到5分钟表现出显著的周期。这个特性进一步揭示了这些波的垂直传播，在较低和更高的高度之间交换能量。这种振荡受稳定的大气背景条件的影响。研究由风湍流引起的短周期波在陆面相互作用过程中的能量交换机制中起着关键作用。Figure 7. Multi-altitude amplitude spectra of zonal wind variations observed on 23 July 2009. Note the shifting of Y-axis by 0.5 for each spectrum, for clarity
5.4. windcube200样本对比结果
图8描述了纬向和经向结合获得的风分量之间的比较，同时于2010年9月15日配置文件数据归档与扩展DWL和GPS探空仪。这两种风的高度分布之间的一致性似乎相当不错，特别是在海拔高度（分别为u和v分量的800和1000米），风速大的地方。在这两种技术之间的垂直位移小峰被认为是由于缺乏准确的时间同步和灵敏度激光和GPS技术形成的。与地面水平风一样，纬向分量（U）与经向（v）相比较，显示出更大的分量。此外可以从图中发现由传感器捕获的800和1000米之间的低空急流（LLJ）。在试验站研究期间低空急流对ABL的混合过程和高空云活动相关的强化/稀释（西南季风）有极大的影响。
2010年7月15日观测到的CNR和水平风的高度时间演变分别在图9和图10中示出。这些数字清楚地表明了低空急流以ABL的强上升气流为特征在对流层上部区域，对流层上部地区 ABL诱导的云团和高层卷云结构日变化。此外，在图9中，强CNR值高达约1500米表示混合边界层直到1330 IST，浅边界层延拓至1700。我们还注意到，在整个研究期间，背景残留层持续约3000米。此外，在一天的不同时间中具有中等CNR值的下降云结构在6000至12米000米的高度范围变化内是显而易见的。同样，在图10中，等级在中度到强烈的风在边界层以及6000到10 500米之间的云形成处较为明显，在这个图中可以看到的特征是，云内风较强，在垂直范围内表现出很大的可变性。只有这些类型的超灵敏的主动遥感传感器如DWLs才可能测量这样的风场变化的内部云
图 9. 2010年7月15日观测到的载波噪声比的高度时间剖面（CNR分贝）。可以从图上观测0到12公里边界层的演化和云内的风结构。
图10。2010年7月15日水平风速（m s-1）高度时间剖面。低空急流的存在（LLJ）涉及强上升气流是明显的高达1000米，从图中可以看到6到11公里内的卷云特征和风场。
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