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探測中心氣溶膠激光雷達標校技術填補業務空白

發布時間:2022年02月09日 來源:中國氣象報社

????專家顧問:中國氣象局氣象探測中心正研級高級工程師陳玉寶、高級工程師步志超

  1月初,受生態環境部中國環境監測總站委托,中國氣象局氣象探測中心(以下簡稱“探測中心”)專家團隊以自主研發的“標準532nm偏振拉曼氣溶膠激光雷達”為比對基準,完成了中國環境監測總站冬奧會14部顆粒物監測激光雷達的標校任務,為冬奧會賽場環境監測數據的準確性提供了保障。

  從2017年啟動氣溶膠激光雷達標校體系建設至今,中國氣象局從零起步,自籌“干糧”開展激光雷達標校研發與業務應用,氣溶膠激光雷達標校技術進入國內領先行列,填補了國內激光雷達標校業務的空白。

  為什么要標校激光雷達?

  氣象激光雷達可以針對風場、溫度和濕度場以及氣溶膠、大氣痕量氣體等開展高精度測量。目前,我國氣象部門布網激光雷達近80部,但由于缺乏系統的軟硬件標校技術和設備,不同型號激光雷達的主要觀測數據及反演產品業務化水平還有待提高。

  而在激光雷達標校技術成熟的歐洲和美國等地,氣溶膠激光雷達網、測風激光雷達網已經發揮了較好的效益。以歐洲為例,其氣溶膠激光雷達網(EARLINET)已經開展了20多年的高精度標校,觀測數據產品在大氣污染監測、數值預報模式和地面衛星標校中得到充分應用。

  近年來,激光雷達在氣象、環保等領域應用越來越廣泛。但是,受其測量數據不一致、可用信不高等影響,應用效益尚未得到有效發揮。因此,開展激光雷達高精度標校迫在眉睫。

  如何標校激光雷達?

  2016年,中國氣象局啟動超大城市綜合觀測試驗項目,探測中心開始探索對多部激光雷達進行統一標校。

  2017年,中國氣象局引進并吸收EARLINET標校技術,在北京南郊觀象臺開展了為期一年的標校試驗,建立了單部雷達軟硬件標校和基于統計分析方法的多部雷達相互比對觀測標校的方法和流程。

  2018年,具有我國自主知識產權的“標準532nm偏振拉曼氣溶膠激光雷達”(以下稱“標準雷達”)研制成功。該雷達在歐洲與EARLIENT標校中心的多波長標準氣溶膠激光雷達開展了比對觀測標校,結果顯示,我國的標準雷達與EARLINET標準雷達的觀測數據一致性非常好,可作為國內量值傳遞的標準源,成為氣溶膠激光雷達在站比對觀測標校標準器。此外,由于我國的標準雷達采用了高低空數據拼接、極小重疊過渡區和收發同軸等光學設計,因此具備觀測數據動態范圍更大、低空盲區和過渡區更小,以及信噪比更高、探測距離更遠等特點。

  2019年,探測中心乘勢而上,研制出完全具有自主知識產權的氣象激光雷達光電信號發生器,可模擬晴空、薄云、輕度霾污染、重度霾污染等多種天氣條件下的回波信號,解決了在真實大氣環境中比對標校時需要等待天氣過程以及標校時間長等問題;通過建立在站標校實施、在線標校方法和技術規范,實現激光雷達在線和遠程標校功能,解決了標準雷達無法“親臨”所有雷達站標校的問題,大大提高了全國激光雷達的標校效率。

  此外,多普勒測風激光雷達標校工作也進展迅速,探測中心聯合北京、天津和深圳等地氣象局,以及國內多個大學、科研院所和國內主要生產廠家建成了多普勒激光雷達比對標校體系,并于2020年初完成20個型號的激光雷達比對試驗,其結果為北京冬奧會探測裝備選型提供了重要參考依據。

  應用效益如何?

  此前,由于數據可用性等問題,氣溶膠等激光雷達尚未得到氣象行業列裝許可和業務應用。

  隨著標校技術和體系日趨完善,改進后的氣溶膠激光雷達數據精度大大提高,達到了業務應用水平,并于2021年被列入業務裝備。按照氣象“十四五”規劃,未來160多部激光雷達將上崗“執勤”。

  同時,國內激光雷達廠家紛紛學習探測中心開展標校的經驗,在雷達出廠前加入標校環節,使激光雷達從沒有任何標準轉變為完成標校出廠,整體提升了數據精度和產品性能,推動了激光雷達產業發展。

  數據顯示,截至2021年末,激光雷達原始信號在低空范圍內平均相對偏差降低到20%以內,組網氣溶膠激光雷達探測數據相對偏差范圍從2017年標校前大于90%減少到2019年的17%以內,達到國際先進水平。

  2021年,在中國共產黨成立100周年慶?;顒又?,北京南郊的激光雷達生成的邊界層高度和水平能見度等產品,為飛行表演順利進行提供了有力的氣象保障。在國家級氣象預報決策服務中,標校后的氣溶膠激光雷達產品也得到充分應用。

  此外,激光雷達氣溶膠消光系數廓線資料用于氣溶膠數據同化,明顯改進氣溶膠同化分析場的三維結構;用同化激光雷達廓線資料得到的三維分析場作為模式的初始場,能有效改進氣溶膠模式預報效果。在參加了激光雷達成果鑒定會后,中國科學院院士龔健雅表示,中國氣象局具備占領激光雷達標校高地的技術,建議將其推向整個行業應用。

  下一步,中國氣象局雷達氣象中心將繼續強化風場、溫濕度探測激光雷達的標校能力建設,建成達到國際先進水平的氣象激光雷達標校中心,為氣象行業提供更加精準、完善的服務。

 ?。ㄗ髡撸汉喚辗?責任編輯:張林)


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