Author Affiliations
Abstract
1 Aerospace Laser Technology and Systems Department, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China
2 Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
3 Shanghai Typhoon Institute, China Meteorological Administration, Shanghai 200030, China
A method of spectrum estimation based on the genetic simulated annealing (GSA) algorithm is proposed, which is applied to retrieve the three-dimensional wind field of typhoon Nangka observed by our research group. Compared to the genetic algorithm (GA), the GSA algorithm not only extends the detection range and guarantees the accuracy of retrieval results but also demonstrates a faster retrieval speed. Experimental results indicate that both the GA and GSA algorithms can enhance the detection range by 35% more than the least squares method. However, the convergence speed of the GSA algorithm is 17 times faster than that of the GA, which is more beneficial for real-time data processing.
coherent Doppler lidar three-dimensional wind field retrieval genetic simulated annealing algorithm spectrum estimation typhoon Chinese Optics Letters
2024, 22(4): 040101
光子学报
2023, 52(12): 1201001
1 巢湖学院电子工程学院， 安徽 合肥238000
2 安徽省气象台，安徽 合肥230031
风场对于天气形势的演变和预报至关重要。基于风云四号A星干涉式大气垂直探测仪（GIIRS）中波通道资料和ERA5风场资料，采用LightGBM进行大气三维风场反演研究。首先，构建模型特征变量。GIIRS通道最优选择采用二步特征选择法：（1）建立GIIRS通道黑名单；（2）采用置换特征重要性（Permutation Feature Importance，PFI）方法选择特征变量，在形成通道最优子集的基础上，构建含有时空信息的特征变量。其次，构建基于LightGBM的三维风场反演方法。最后，基于台风“利奇马”期间的GIIRS加密资料开展了LightGBM超参数优化和相关反演试验。结果表明，相对于ERA5风场资料，测试集中风场U和V分量的均方根误差（Root Mean Square Error，RMSE）分别小于1 m/s和15 m/s。本文中的二步特征选择法能够实现GIIRS通道的动态最优选择。
大气风场反演 特征选择 台风“利奇马” FY-4A/GIIRS FY-4A/GIIRS atmospheric wind field retrieval feature selection LightGBM LightGBM Typhoon “Lekima”
1 中国民用航空局 新疆空管局 气象中心,乌鲁木齐 830016
2 成都信息工程大学 大气科学学院 高原大气与环境四川省重点实验室,成都 610225
为了研究低空风切变风场结构,针对乌鲁木齐机场2021-11-26发生的风切变不安全事件,采用FC-Ⅲ型激光测风雷达产品数据,配合美国国家环境预报中心再分析资料和常规气象观测资料进行分析和验证,取得了风切变演变过程的数据。结果表明,该次风切变过程发生在特定的地形风作用下,冷锋前小尺度冷空气造成显著的风向风速变化,东南风急流底部与西北风风带形成倾斜向上的垂直切变区,并引发冷锋型低空风切变; 风切变发生前1 h,乌鲁木齐机场周边出现了风场转换; 平面位置显示模式比航空器报告提前10 min监测到风切变,为东南大风风速骤减区,且风切变区随冷空气渗透西移; 冷空气渗透过程东南大风层变薄西撤;07#跑道附近,正侧风迅速减小且进近过程中伴有风向的大角度转变;冷空气由25#跑道向07#跑道楔形渗透,渗透过程发生在08:30~10:25期间;激光雷达捕捉到该次低空小尺度冷空气活动,分析出冷空气由东北侧进入呈后倾状态的演变过程和结构,并触发了中度风切变预警。这一结果对提高气象服务保障能力是有帮助的。
激光技术 测风激光雷达 低空风切变 飞行安全 风场结构特点 laser technique wind light detection and ranging low-level wind shear flight safety structural characteristics of wind field
1 南京信息工程大学 气象灾害预警与评估协同创新中心，江苏 南京 210044
2 南京信息工程大学 大气物理学院，江苏 南京 210044
大气风场是气象中十分关键的要素之一，星载多普勒测风激光雷达能够实现大范围、高精度、不间断的风场测量，对于数值天气预报精度提升、气候研究和环境保护都有重要的意义。星载测风激光雷达的研究自20世纪至今已经有近30余年，在这个过程中，Aeolus是目前唯一成功发射的星载测风卫星。文中从Aeolus计划的提出开始，回顾了Aeolus的有效载荷ALADIN原理样机的地面试验，机载原型研发和机载试验的过程；对卫星发射至今的主要数据验证活动以及结果进行了总结，阐述了Aeolus产品出现误差的原因；针对Aeolus数据产品的实际应用，总结了星载测风数据对于气象研究的重要性和必要性；结合Aeolus的方案进行优化和模拟仿真，展示了仿真的结果。最后分析了Aeolus的数据特点，结合我国星载测风研究进程和气象领域的测风需求，提出了几点可以参考的内容和需要提高的技术，同时分析了三种不同的星载测风体制，其中混合体制的星载测风激光雷达具有优势，可作为我国未来研制星载测风卫星的主要方向。
星载 Aeolus 风场测量 多普勒测风激光雷达 spaceborne Aeolus wind field measurement Doppler wind lidar 红外与激光工程
2023, 52(5): 20220691
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学重点实验室，安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学 研究生院科学岛分院，安徽 合肥 230026
3 先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037
为了实现高精度连续探测对流层和平流层大气风场，搭建了一台直接测风激光雷达系统对对流层和平流层大气风场进行探测。该系统基于双边缘法布里-珀罗标准具的瑞利散射多普勒测风原理，使用转台式探测结构，通过频率跟踪的手段对频率漂移进行跟踪，确保测风的精度。实验结果表明，该系统对对流层和平流层大气风场探测效果良好，频率跟踪的范围为±50 MHz，可以大大减小频率漂移带来的风速误差。经过系统的稳定运行和长时间的观测，在40 km处测得的径向风速随机误差为8 m/s。径向风速合成为水平风速后，随机误差在38 km处最大为10 m/s左右。该系统白天探测高度为25 km，夜晚探测高度为38 km。与探空数据对比，风速误差均小于10 m/s，其中风速误差在±5 m/s的范围内的数据量约占75.8%，探测的风向误差与探空气球的趋势基本一致，误差范围在10°~20°之间，在15°范围内的数据量约占58.6%。将实测数据与探空数据进行统计分析，结果具有良好的一致性。该系统可以为对流层和平流层大气风场的探测提供数据支撑。
直接测风激光雷达 大气风场 法布里-珀罗干涉仪 瑞利散射 direct wind lidar atmosphere wind field Fabry-Perot interferometer Rayleigh scattering 红外与激光工程
2023, 52(2): 20220412
1 中国科学院西安光学精密机械研究所光谱成像技术重点实验室，陕西 西安 710119
2 中国科学院大学，北京 100049
3 北京应用气象研究所，北京 100029
4 国家卫星气象中心（国家空间天气监测预警中心）中国气象局空间天气重点开放实验室，北京 100081
5 中国地质大学（武汉）地球物理与空间信息学院，湖北 武汉 430074
6 国防科技大学气象海洋学院，湖南 长沙 410073
7 中国科学院国家空间科学中心空间天气学国家重点实验室，北京 100088
大气风场是表征整个地球大气系统动力学特征的重要参数，也是气象预报、空间天气、气候学等领域业务工作和科学研究必需的基础数据。被动光学遥感是大气风场测量领域的主要技术手段之一。本文综述了基于大气移动目标监测和大气光谱多普勒频移探测的两类天基被动光学大气风场测量技术的研究进展，主要介绍了云导风、红外高光谱水汽示踪、测风干涉仪和多普勒调制气体相关4种风场测量技术的基础物理原理和风速反演基本方法，根据每种星载被动光学测风技术体制分类及特点，介绍了代表性风场探测载荷技术研究进展及应用情况，探讨了星载被动光学大气风场探测技术的未来发展趋势。
大气光学 大气风场 云导风 红外高光谱 测风干涉仪 多普勒调制气体相关
1 中国科学院西安光学精密机械研究所光谱成像技术重点实验室，陕西 西安 710119
2 中国科学院大学，北京 100049
3 烟台大学光电信息科学技术学院，山东 烟台 264003
多普勒差分干涉仪基于一种新型中高层大气风场探测系统，通过计算干涉图相位变化量反演观测目标源光谱的多普勒频移，实现大气风场测量。基准相位作为确定风场多普勒频移量的必要参数，其稳定性是保证风速测量精度的核心指标之一。针对非对称量相位漂移、相位斜率漂移和干涉图相位漂移这三项影响干涉仪基准相位的因素开展研究，基于多普勒差分干涉原理对其相位热漂移开展了理论分析，提出了各项因素相位漂移量的分离测试方法，并基于近红外多普勒差分干涉仪开展了实验测试。环境温度波动为0.27 ℃时，相位斜率变化量为670 mrad/m，干涉图相位漂移波动范围为8.9 mrad；修正干涉图相位漂移后，非对称量相位漂移约为4.7 mrad，均方根为0.98 mrad，等效风速测量误差为0.81 m/s。通过温度拉偏实验，得到非对称量相位漂移随温度的变化率为-493 mrad/℃的结论。
大气光学 中高层大气风场探测 多普勒差分干涉仪 相位稳定性 测试与分析 光学学报
2022, 42(18): 1801003
探测和研究大气风场是认知中高层大气结构的最重要的手段之一，其中流星雷达是一种非常好的观测大气风场的手段。为了更好地了解中纬中间层-低热层(MLT)区域大气风场的特征，本文利用 2016年北京流星雷达反演的风场数据进行研究。首先研究了大气平均风场随时间和高度的变化特征，得出 1~3月北京上空 MLT区域的纬向风均以西风为主，经向风南风与北风交替显著，但仍以北风为主导的结论。继而对于 90 km处的大气潮汐波进行研究，通过 Lomb-Scargle功率谱方法和谐波拟合得出了大气潮汐随时间的变动规律，即中纬地区大气水平风场受到的潮汐波影响以半日潮汐为主、周日潮汐次之。
流星雷达 大气风场 大气潮汐 Lomb-Scargle功率谱方法 谐波拟合 meteor radar atmospheric wind field atmospheric tide Lomb-Scargle power spectrum method harmonic fitting 太赫兹科学与电子信息学报
2022, 20(7): 653
