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
吴俊杰 1,2,*徐足音 1,2,3王耀辉 1,2,3杨传军 1,2,3陈明 1,2,3
1 中国民用航空飞行学院 航空气象学院, 广汉 618307
2 中国民用航空飞行学院 民机火灾科学与安全工程四川省重点实验室, 广汉 618307
3 中国民用航空飞行学院 空中交通管理学院, 广汉 618307
为了评估相干测风激光雷达在不同扫描模式下探测效能与气象要素之间的联系, 使用2020-08~2021-07期间广汉机场相干测风激光雷达探测数据进行了分析验证。结果表明, 方位角测量模式扫描方式下, 探测距离在3 km之后, 探测效能线性下降,90°扫描时, 500 m后探测效能开始线性下降; 总体探测效能在11月最高, 7月最低; 11月至次年7月呈下降趋势, 7~11月呈上升趋势; 在日落后至日出前的探测效能较低, 在午间探测效能最高; 夏秋季节, 激光雷达探测效能与PM2.5质量浓度呈现正相关, 与降雨量的对数呈负相关。该研究为机场激光雷达识别低空风切变准确度提供了重要的基础保障。
激光技术 探测效能 相干测风激光雷达 PM2.5质量浓度 降雨量 laser technique detection efficiency coherent wind light detection and ranging PM2.5 mass concentrations precipitation
1 民航宁夏空管分局, 银川 750009
2 国家气象中心, 北京 100081
3 民航新疆空中交通管理局, 乌鲁木齐 830016
为了研究动量下传大风的特征、探讨动量下传大风的预报方法, 利用美国国家环境预报中心(NCEP)再分析资料、常规气象观测资料和测风激光雷达(LiDAR)资料, 对银川机场2022-03-06动量下传大风过程进行了分析。结果表明, 银川机场位于西风急流入口左侧的辐合区, 为动量下传大风的发生提供了有利的环流背景,在晴空条件下, 测风激光雷达产品可以精准探测动量下传大风的时空演变特征; 多普勒光束摆动(DBS)模式产品中强下沉气流标志动量下传开始, 平面位置显示(PPI)模式探测范围的衰减程度和变化方位反映了沙尘天气强度和影响路径, 距离高度显示(RHI)模式500 m高度径向风分层现象的出现及被破坏是动量下传变化的预报指标; 利用测风激光雷达可提前30 min计算和预报出动量下传大风的出现时间。该研究对提高气象服务保障能力具有重要意义。
激光技术 大风预报 测风激光雷达 动量下传 温度对数压力图 laser technique gale forecast wind light detection and ranging momentum downward temperature logarithmic pressure diagram
1 盐城工学院 电气工程学院, 盐城 224051
2 盐城师范学院 物理与电子工程学院 江苏省智能光电器件与测控工程研究中心, 盐城 224007
3 江苏省大气探测激光雷达技术军民融合创新平台, 盐城 224007
传统的测风激光雷达双反射镜式2维扫描系统体积较大、结构相对复杂, 不利于系统小型一体化集成。基于旋转双圆楔形棱镜, 研究了新型2维光学扫描系统; 分析了系统的工作原理, 推导出了双圆楔形棱镜的旋转角与出射光束方位角及天顶角之间的简单正反向函数关系式, 对楔形棱镜的折射率和楔角进行了优化选取和设计。结果表明,当工作波长为532 nm、楔形棱镜材料折射率为2.03时, 最优设计楔角为19.5°; 出射光束最大天顶角不仅取决于楔形棱镜折射率和楔角, 还受光束压缩效应的制约。该系统结构紧凑、便于集成, 能实现出射光束大范围和快速高精度的扫描, 也能实现测风激光雷达以平面位置显示、距离高度显示等光束扫描模式工作。
光学设计 2维扫描系统 测风激光雷达 旋转双楔形棱镜 光束指向 正反解 optical design 2-D scanning system wind LiDAR rotational double wedge prism beam steering forward and inverse solutions
中国空间技术研究院 北京空间机电研究所，北京 100194
三通道355 nm光学鉴频器广泛应用在星载测风激光雷达回波信号鉴频过程中，是实现双边缘风速多普勒鉴频的核心元件，其指标与可靠性决定了系统的探测精度。研制了基于压电换能器(piezo-electric transducer, PZT)调谐的355 nm三通道标准具鉴频模块，模块有效口径35 mm，峰值透过率75%，自由光谱范围12.5 GHz，半高宽1.7 GHz。通过三通道测试系统对自由光谱范围、半高宽、峰值透过率、调谐系数等指标进行了测试。结果表明：当外部驱动电压为75 V时，峰值透过率分别为0.859、0.878和0.735，半高全宽分别为1.843 GHz、1.882 GHz和1.611 GHz，调谐系数为1.96 GHz/V、1.93 GHz/V和1.88 GHz/V。针对光学鉴频模块3个通道PZT调谐系数不一致的情况，分析出对风速误差的影响范围为±0.1 m/s。通过对闭环控制系统进行测试，该系统可实现对355 nm激光发射频率的实时锁定，解决了光学鉴频模块每次工作状态初始位置不一致带来的问题，提高了风速鉴频精度，可实现锁定时间长达30 min以上，满足了星载测风激光雷达的应用需求。另外，仿真研究表明：当三通道光学鉴频模块间隔变化0.08 nm时，引起的风速误差为1 m/s。
测风激光雷达 光学鉴频器 自由光谱范围 峰值透过率 闭环反馈控制 wind lidar optical frequency discriminator free spectral range peak transmittance closed-loop feedback control
1 国防科技大学电子科学学院CEMEE国家重点实验室，湖南 长沙 410073
2 西北核技术研究所，陕西 西安 710024
为探索可靠的激光雷达回波处理方式及研究大气对回波相位的影响，进行了激光雷达回波相干性分析。首先通过建立激光雷达时域模型及搭建实验系统获取仿真和实验大气回波。为排除系统误差的干扰对实验回波提取相位并脉间对齐，再基于归一化协方差函数计算仿真回波和对齐后实验回波的相关系数，发现回波脉间不相干。在证明出射脉冲的高相干性的基础上，硬目标回波的脉间积累可以实现本征频率的增强，而对齐后的风场回波脉间积累的效果远差于非相干平均，表明硬目标的漫反射能保留本征信号的相干性，而风场这类软目标严重破坏回波的相干性。
测风激光雷达 数字信号处理 相干积累 非相干平均 软目标 硬目标 激光与光电子学进展
2023, 60(14): 1428003
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 北京城市气象研究院, 北京 100089
2 北京市气象探测中心, 北京 100176
利用北京国家基本气象站内多普勒测风激光雷达和 L 波段探空系统在 2020 年 1 月 1 日至 5 月 31 日期间进行了同步观测试验, 在经过观测数据时间和空间匹配的基础上, 以后者测风数据为参照标准, 从探测风廓线的高度、风向和风速三个方面的一致性分析了激光雷达的测风数据质量。结果显示: 在观测试验期间, 激光雷达 56.5% 的观测时间里最大探测高度不低于 2000 m, 2.9% 的观测时间最大探测高度不足 1000 m; 激光雷达探测获取的水平风向、风速与 L 波段探空系统具有较好的一致性, 针对匹配得到的 8491 组对比观测数据, 其风向和风速数据拟合总相关系数分别为 0.965 和 0.986; 总体风向、风速的平均偏差和均方根误差分别为 -1.3° 和 16.1°、0.21 m·s-1 和 1.06 m·s-1; 在 2000 m 以上高度, 由于激光雷达观测数据的信噪比偏弱, 获得可信的观测数据量减少, 会对风向、风速一致性比对造成不利影响。
多普勒测风激光雷达 L 波段探空 风速 风向 Doppler wind lidar L-band radiosonde wind speed wind direction 大气与环境光学学报
2022, 17(5): 494
