超大城市综合气象观测试验之测风激光雷达数据评估

张志坚; 张静; 伍光胜; 高瑞泉

doi:10.16032/j.issn.1004-4965.2022.023

超大城市综合气象观测试验之测风激光雷达数据评估

doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2022.023

1.
广州市突发事件预警信息发布中心，广东广州 511430
2.
广州市气象台，广东广州 511430
3.
深圳市国家气候观象台，广东深圳 518040

基金项目:

广东省科技计划项目 2019B121201002

国家重点研发计划“重大自然灾害监测与防范”重点专项 2017YFC1501700

广州市科技计划项目 201803030014

广东省气象局科学技术研究项目 GRMC2019M29

详细信息

通讯作者:
伍光胜，男，广东省人，研究员级高级工程师，主要从事大气探测、资料应用领域研究。E-mail：596424966@qq.com

中图分类号: P413
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出版历程
- 收稿日期: 2020-12-14
- 修回日期: 2021-11-28
- 网络出版日期: 2022-06-11
- 刊出日期: 2022-04-20

EVALUATION OF WIND LIDAR DATA INMEGACITIES EXPERIMENT ON INTEGRATED METEOROLOGICAL OBSERVATION

1.
Guangzhou Emergency Early Warning Release Center, Guangzhou 511430, China
2.
Guangzhou Meteorological Observatory, Guangzhou 511430, China
3.
Shenzhen National Climate Observatory, Shenzhen 518040, China

摘要

摘要: 为评估用于超大城市综合气象观测试验的测风激光雷达，从最大有效探测高度和数据获取率两方面对测风激光雷达的探测能力进行分析，同时使用测风激光雷达与深圳气象梯度观测塔的测风资料从不同观测高度、不同观测值等方面进行对比分析，结果表明：测风激光雷达与深圳气象梯度观测塔的风速、风向一致性较好，相关系数分别为0.96、0.99，平均绝对误差分别为0.54 m/s、9.95 °，且不同高度层的测风结果也较为一致，但雨天和雾天条件对测风激光雷达的最大有效探测高度和数据获取率影响较大，设备探测能力受到一定的限制。
- 测风激光雷达 /
- 探测能力分析 /
- 综合气象观测试验 /
- 超大城市 /
- 数据评估
Abstract: To evaluate the wind lidar used inmegacities experiment on integrated meteorological observation, the present study analyzes the detection capacity of the wind lidar by assessing the maximum effective detection height and the data acquisition rate. The wind data from wind lidar and Shenzhen meteorological gradient tower is compared at different heights and in different measurement ranges. The results show that the wind speed and direction detected by wind lidar are quite consistent with those observed by the meteorological gradient tower. The wind speed and direction correlation coefficients are 0.96 and 0.99, and the average absolute errors are 0.54 m / s and 9.95°. The results of wind lidar and meteorological gradient tower at different altitudes are consistent with each other. Nonetheless, rainy and foggy weather conditions have significant impact on the maximum effective detection height and data acquisition rate of wind lidar, so the detection capacity of wind lidaris relatively restricted.
- wind lidar /
- detection capacity analysis /
- experiment on integrated meteorological observation /
- megacity /
- data evaluation

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图 1 晴天(a)、阴天(b)、降水(c)、雾天(d)下的测风激光雷达半小时风廓线产品

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图 2 晴天(a)、阴天(b)、降水(c)、雾天(d)下的测风激光雷达最大有效探测高度频率分布图

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图 3 5 min雨强(a)、能见度(b)与最大有效探测高度关系

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图 4 阴天条件下最低云层平均高度随时间分布图

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图 5 不同天气现象下测风激光雷达数据获取率随高度分布

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图 6 剔除异常样本前风速(a)、风向(b)散点图

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图 7 高度300 m的风向(a)、风速(b)时序散点图

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图 8 剔除异常样本后风速(a)、风向(b)散点图

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图 9 高度50 m(a)、100 m(b)、150 m(c)、200 m(d)、250 m(e)、300 m(f)、350 m(g)上的风速散点图

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图 10 高度50 m(a)、100 m(b)、150 m(c)、200 m(d)、250 m(e)、300 m(f)、350 m(g)上的风向散点图

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图 11 不同风向范围的相关系数(a)、平均绝对误差(b)、绝对误差标准差(c)、平均相对误差(d)分布图

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表 1 WindPrint S4000型相干多普勒测风激光雷达主要观测参数

观测参数	性能指标
激光波长	1 550 nm
脉冲宽度	100~400 ns
单脉冲能量	≥ 100 μJ
径向数据更新速率	0.1~10 Hz
风速测量范围	0~75 m/s
风速测量精度	≤ 0.1 m/s
风向测量精度	≤ 3 °(风速> 2 m/s)
探测距离	50~6 000 m
距离分辨率(径向)	15 m/30 m/60 m
扫描精度	±0.1 °
扫描方式	PPI/RHI/DBS/CAPPI

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表 2 剔除异常样本前风速和风向误差对比

平均绝对误差		绝对误差标准差		平均相对误差
风速/(m/s)	风向/°	风速/(m/s)	风向/°	风速/%	风向/%
0.64	12.67	0.59	19.49	28.57	29.71

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表 3 剔除异常样本后的风速和风向误差对比

平均绝对误差		绝对误差标准差		平均相对误差
风速/(m/s)	风向/°	风速/(m/s)	风向/°	风速/%	风向/%
0.54	9.95	0.41	8.6	17.46	25.55

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表 4 不同高度的风速误差对比

高度/m	样本数/组	平均绝对误差/(m/s)	绝对误差标准差/(m/s)	平均相对误差/%
50	44 335	0.61	0.57	28.94
100	44 413	0.6	0.56	27.17
150	44 406	0.6	0.57	27.23
200	44 401	0.65	0.6	28.57
250	44 246	0.71	0.61	33.92
300	44 231	0.67	0.62	29.65
350	44 216	0.63	0.6	24.52

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表 5 不同高度的风向偏差对比

高度/m	样本数/组	平均绝对误差/°	绝对误差标准差/°	平均相对误差/%
50	44 335	11.16	22.8	28.51
100	44 413	14.19	19.32	34.86
150	44 406	14.56	18.11	33.67
200	44 401	12.23	18.92	28.23
250	44 246	13.02	18.85	31.05
300	44 231	12.52	19	27.7
350	44 216	10.98	18.75	23.89

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表 6 不同风速值范围的误差分析

风速范围/(m/s)	样本数/组	相关系数	平均绝对误差/(m/s)	标准差/(m/s)	平均相对误差/%
0≤ s < 4	148 155	0.7	0.61	0.66	47.65
4≤ s < 8	136 674	0.86	0.63	0.5	11.37
8≤ s < 12	24 575	0.85	0.89	0.52	9.83
s ≥ 12	844	0.62	1.07	0.43	8.5

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