ISSN 1004-4965

CN 44-1326/P

用微信扫描二维码

分享至好友和朋友圈

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

多普勒激光雷达探测台风“利奇马”边界层风场精度分析

史文浩 汤杰 陈勇航 赵兵科 汤胜茗 杨文杰 邬贤文

史文浩, 汤杰, 陈勇航, 赵兵科, 汤胜茗, 杨文杰, 邬贤文. 多普勒激光雷达探测台风“利奇马”边界层风场精度分析[J]. 热带气象学报, 2020, 36(5): 577-589. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2020.053
引用本文: 史文浩, 汤杰, 陈勇航, 赵兵科, 汤胜茗, 杨文杰, 邬贤文. 多普勒激光雷达探测台风“利奇马”边界层风场精度分析[J]. 热带气象学报, 2020, 36(5): 577-589. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2020.053
Wen-hao SHI, Jie TANG, Yong-hang CHEN, Bing-ke ZHAO, Sheng-ming TANG, Wen-jie YANG, Xian-wen WU. STUDY ON THE ACCURACY OF DOPPLER WIND LIDAR IN MEASURING THE BOUNDARY LAYER WIND FIELD OF TYPHOON LEKIMA[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2020, 36(5): 577-589. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2020.053
Citation: Wen-hao SHI, Jie TANG, Yong-hang CHEN, Bing-ke ZHAO, Sheng-ming TANG, Wen-jie YANG, Xian-wen WU. STUDY ON THE ACCURACY OF DOPPLER WIND LIDAR IN MEASURING THE BOUNDARY LAYER WIND FIELD OF TYPHOON LEKIMA[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2020, 36(5): 577-589. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2020.053

多普勒激光雷达探测台风“利奇马”边界层风场精度分析

doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2020.053
基金项目: 

国家重点研发计划国际合作专项 2017YFE0107700

国家重点研发计划 2018YFC1506305

国家自然科学基金 41775065

国家自然科学基金 41475060

国家自然科学基金 41805088

上海市自然科学基金 18ZR1449100

上海市自然科学基金 19dz1200101

详细信息
    通讯作者:

    汤杰,男,江西省人,研究员,博士,主要从事台风边界层结构和机理研究。E-mail: tangj@typhoon.org.cn

  • 中图分类号: P444

STUDY ON THE ACCURACY OF DOPPLER WIND LIDAR IN MEASURING THE BOUNDARY LAYER WIND FIELD OF TYPHOON LEKIMA

  • 摘要: 多普勒激光雷达在台风等强天气背景下的探测能力亟待研究,为此将多普勒激光雷达与70 m测风塔超声风温仪在同址同高度探测台风“利奇马”影响期间的边界层风场数据进行对比,并分析多普勒激光雷达的误差分布以及变化情况。结果显示:在高度70 m上,两者的水平风速、风向相关系数分别为0.97和0.99,垂直风速的相关系数为0.36。以超声风温仪为参考值,激光雷达水平风速、垂直风速和风向均方根误差分别为1.06 m/s、0.46 m/s和17.10 °。深入研究表明:降水对多普勒激光雷达测量水平风速和垂直风速误差均有一定影响。当激光雷达信噪比大于2 000时,各参量的误差与信噪比呈负相关关系。研究表明多普勒激光雷达至少可以较好地刻画台风环流内的水平风场结构及演变,可应用于台风外围环流影响下(即较弱降雨条件下)边界层风场的高分辨率探测和研究。

     

  • 图  1  多普勒激光雷达与超声风温仪装置图

    a.激光雷达;b.测风塔上的Windmaster pro三维超声风温仪。

    图  2  DBS-5扫描原理图

    图  3  激光雷达与测风塔位置关系图

    五角星标记为激光雷达所在位置,三角标记为测风塔所在位置。

    图  4  台风“利奇马”路径分布示意图

    红色标记处为观测点位置,黑色标记处为台风登陆点。

    图  5  15分钟累积降水量(蓝色实线)和激光雷达信噪比(红色实线)随时间的变化

    两个虚线之间为台风影响期。

    图  6  激光雷达(蓝色实线)与测风塔70 m超声风温仪(红色实线)探测的水平风速随时间的变化

    图  7  激光雷达(蓝色)与测风塔70 m超声风温仪(红色)测得的风向随时间的变化

    图  8  激光雷达(蓝色实线)与测风塔70 m超声风温仪(红色实线)测得的垂直风速随时间的变化

    图  9  激光雷达(纵坐标)与超声风温仪(横坐标)的水平风速线性拟合

    蓝色实线为理想曲线,红色实线为塔风速和雷达风速的线性拟合曲线。

    图  10  水平风速误差随区间水平风速的变化

    图  11  水平风速误差与降水量、信噪比的散点图及箱线图

    a.水平风速误差与降水量的散点图;b.水平风速误差与降水量的箱线图;c.水平风速误差与信噪比的散点图;d.水平风速误差与信噪比的箱线图。

    图  12  激光雷达(纵坐标)与超声风温仪(横坐标)的水平风向线性拟合图

    图  13  水平风向误差随区间水平风向的变化图

    图  14  图 11,但为水平风向误差

    图  15  激光雷达(纵坐标)与超声风温仪(横坐标)的垂直风速线性拟合图

    图  16  垂直风速误差随区间垂直风速的变化图

    图  17  图 11,但为垂直风速误差

    表  1  WindPrint S4000多普勒激光雷达性能参数

    主要指标 参数
    最大探测距离 4 000 m
    微光波长 1 550 nm, 人眼安全不可见
    数据更新速率 1 Hz
    常规环境风速测量精度 < 0.1 m/s
    常规环境风向测量精度 < 3 °
    扫描方式 DBS
    重量 < 100 kg
    平均功率 800 W, 常温下 < 300 W
    下载: 导出CSV

    表  2  不同时段观测误差统计结果

    时间段 R与RMSE 水平风速观测 水平风向观测 垂直风速观测
    影响前期 R 0.84 1.00 0.13
    RMSE 1.04 5.27 0.62
    影响期 R 0.95 1.00 0.59
    RMSE 1.71 7.47 0.44
    影响后期 R 0.95 0.97 0.33
    RMSE 0.52 23.87 0.32
    注:R为相关系数,RMSE为均方根误差。其中水平风速与垂直风速的RMSE单位是:m/s,水平风向的RMSE单位是:°。
    下载: 导出CSV

    表  3  降水与非降水条件下误差统计结果

    不同条件 R与RMSE 水平风速观测 水平风向观测 垂直风速观测
    非降水 R 0.97 0.99 0.27
    RMSE 0.94 17.55 0.45
    降水 R 0.94 1.00 0.48
    RMSE 2.08 10.32 0.59
    总体 R 0.97 0.99 0.36
    RMSE 1.06 17.10 0.46
    下载: 导出CSV
  • [1] 史双瑾, 邱琪, 廖云.多普勒激光雷达在风场测量中的应用[C]//中国通信学会.中国通信学会第五届学术年会论文集. 2008: 728-733.
    [2] 黄晨.捕捉风的信息: 测风激光雷达[C].风能产业, 2017: 78-79.
    [3] 马福民, 陈涌, 杨泽后, 等.激光多普勒测风技术最新进展[J].激光与光电子学进展, 2019, 56(18): 31-42.
    [4] HUFFAKER R M. Laser Doppler detection systems for gas velocity measurements[J]. Applied Optics, 1970, 9(5): 1 026-1 039.
    [5] 张小雯, 郑永光, 吴蕾, 等.风廓线雷达资料在天气业务中的应用现状与展望[J].气象科技, 2017, 45(2): 285-297.
    [6] COURTNEY M, WANGER R, LINDELOW P. Testing and comparison of lidars for profile and turbulence measurements in wind energy[C]// IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2008, 1 (1): 12-21.
    [7] SHU Z R, LI Q S, HE Y C, et al. Observations of offshore wind characteristics by Doppler-LiDAR for wind energy applications[J]. Applied Energy, 2016, 169: 150-163.
    [8] 李程, 李欢, 王慧, 等. 1509号台风灿鸿期间"朱家尖-嵊山"高频地波雷达数据分析[J].海洋学研究, 2017, 35(1): 41-46.
    [9] ZHANG J, ATLAS R, EMMITT G, et al. Airborne Doppler wind lidar observations of the tropical cyclone boundary layer[J]. Remote Sensing, 2018, 10(6): 825.
    [10] 陈涌, 周秉直, 谭锦, 等.机载激光多普勒测风雷达技术及其应用[J].激光技术, 2011, 35(6): 795-799.
    [11] 周艳宗, 王冲, 刘燕平, 等.相干测风激光雷达研究进展和应用[J].激光与光电子学进展, 2019, 56(2): 9-26.
    [12] 范琪, 朱克云, 郑佳锋, 等.不同天气类型下全光纤相干激光测风雷达探测性能分析[J].中国激光, 2017, 44(2): 326-335.
    [13] 周安然, 韩於利, 孙东松, 等.高光学效率相干多普勒激光雷达的测风性能分析与测试[J].红外与激光工程, 2019, 48(11): 76-82.
    [14] 李志刚, 孙泽中, 赵增亮, 等.机载光纤多普勒测风激光雷达风场反演及实验验证[J].应用光学, 2016, 37(5): 765-771.
    [15] 唐磊, 董吉辉, 吴海滨.多普勒测风激光雷达风场探测结果分析[J].强激光与粒子束, 2012, 24(9): 2 037-2 042.
    [16] SMITH D A, MICHAEL H, COFFEY A S, et al. Wind lidar evaluation at the Danish wind test site in Hovsore[J]. Wind Energy, 2006, 9(1- 2) : 87-93.
    [17] PEFIA A, HASAGER C B, GRYNING S E, et al. Offshore wind profiling using light detection and ranging measurements[J]. Wind Energy, 2009, 12(2): 105-124.
    [18] PU Z X, ZHANG L, EMMITT G D. Impact of airborne Doppler wind lidar profiles on numerical simulations of a tropical cyclone[J]. Geophys Res Lett, 2010, 37(5): 137-147.
    [19] WEISSMANN M, LANGLAND R H, CARDINALI C, et al. Influence of airborne Doppler wind lidar profiles near Typhoon Sinlaku on ECMWF and NOGAPS forecasts[J]. Quart J R Meteor Soc, 138(662): 118-30.
    [20] BUCCI L R, O'HANDLEY C, EMMITT G D, et al. Validation of an airborne Doppler wind lidar in tropical cyclones[J]. Sensors, 2018, 18 (12): 14.
    [21] 赵林, 杨绪南, 方根深, 等.超强台风山竹近地层外围风速剖面演变特性现场实测[J].空气动力学学报, 2019, 37(1): 43-54.
    [22] 宋小全, 王芳涵, 尹嘉萍, 等.多普勒测风激光雷达三波束反演方法与实验[J].中国海洋大学学报(自然科学版), 2020, 50(4): 136-144.
    [23] 刁伟峰, 刘继桥, 竹孝鹏, 等.全光纤相干多普勒激光雷达非线性最小二乘风速反演方法及实验研究[J].中国激光, 2015, 42(9): 338- 343.
    [24] 陈玉宝, 高玉春, 刘秉义, 等.基于切比雪夫方法的多普勒激光雷达高空风场垂直探测精度的评估分析[J].热带气象学报, 2014, 30(2): 327-344.
    [25] TANG J, BYRNE D, ZHANG J A, et al. Horizontal transition of turbulent cascade in the near-surface layer of tropical cyclones[J]. J Atmos Sci, 2015, 72(12): 4 915-4 925.
    [26] FANG P Z, ZHAO B K, ZENG Z H, et al. Effects of wind direction on variations in friction velocity with wind speed under conditions of strong onshore wind[J]. J Geophys Res Atmos, 2018, 123(14): 7 340-7 353.
    [27] 邱传涛, 李丁华.平均风向的计算方法及其比较[J].高原气象, 1997, 16(1): 95-99.
  • 加载中
图(17) / 表(3)
计量
  • 文章访问数:  364
  • HTML全文浏览量:  46
  • PDF下载量:  47
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2020-03-14
  • 修回日期:  2020-06-18
  • 刊出日期:  2021-01-11

目录

    /

    返回文章
    返回