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(tài)環(huán)境部中國環(huán)境監(jiān)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(fā)的“標(biāo)準(zhǔn)532nm偏振拉曼氣溶膠激光雷達”為比對基準(zhǔn)，完成了中國環(huán)境監(jiān)測總站冬奧會14部顆粒物監(jiān)測激光雷達的標(biāo)校任務(wù)，為冬奧會賽場環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性提供了保障。

從2017年啟動氣溶膠激光雷達標(biāo)校體系建設(shè)至今，中國氣象局從零起步，自籌“干糧”開展激光雷達標(biāo)校研發(fā)與業(yè)務(wù)應(yīng)用，氣溶膠激光雷達標(biāo)校技術(shù)進入國內(nèi)領(lǐng)先行列，填補了國內(nèi)激光雷達標(biāo)校業(yè)務(wù)的空白。

為什么要標(biāo)校激光雷達？

氣象激光雷達可以針對風(fēng)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(wǎng)激光雷達近80部，但由于缺乏系統(tǒng)的軟硬件標(biāo)校技術(shù)和設(shè)備，不同型號激光雷達的主要觀測數(shù)據(jù)及反演產(chǎn)品業(yè)務(wù)化水平還有待提高。

而在激光雷達標(biāo)校技術(shù)成熟的歐洲和美國等地，氣溶膠激光雷達網(wǎng)、測風(fēng)激光雷達網(wǎng)已經(jīng)發(fā)揮了較好的效益。以歐洲為例，其氣溶膠激光雷達網(wǎng)（EARLINET）已經(jīng)開展了20多年的高精度標(biāo)校，觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)品在大氣污染監(jiān)測、數(shù)值預(yù)報模式和地面衛(wèi)星標(biāo)校中得到充分應(yīng)用。

近年來，激光雷達在氣象、環(huán)保等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。但是，受其測量數(shù)據(jù)不一致、可用信不高等影響，應(yīng)用效益尚未得到有效發(fā)揮。因此，開展激光雷達高精度標(biāo)校迫在眉睫。

如何標(biāo)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(tǒng)一標(biāo)校。

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

2018年，具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的“標(biāo)準(zhǔn)532nm偏振拉曼氣溶膠激光雷達”（以下稱“標(biāo)準(zhǔn)雷達”）研制成功。該雷達在歐洲與EARLIENT標(biāo)校中心的多波長標(biāo)準(zhǔn)氣溶膠激光雷達開展了比對觀測標(biāo)校，結(jié)果顯示，我國的標(biāo)準(zhǔn)雷達與EARLINET標(biāo)準(zhǔn)雷達的觀測數(shù)據(jù)一致性非常好，可作為國內(nèi)量值傳遞的標(biāo)準(zhǔn)源，成為氣溶膠激光雷達在站比對觀測標(biāo)校標(biāo)準(zhǔn)器。此外，由于我國的標(biāo)準(zhǔn)雷達采用了高低空數(shù)據(jù)拼接、極小重疊過渡區(qū)和收發(fā)同軸等光學(xué)設(shè)計，因此具備觀測數(shù)據(jù)動態(tài)范圍更大、低空盲區(qū)和過渡區(qū)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(chǎn)權(quán)的氣象激光雷達光電信號發(fā)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(huán)境中比對標(biāo)校時需要等待天氣過程以及標(biāo)校時間長等問題；通過建立在站標(biāo)校實施、在線標(biāo)校方法和技術(shù)規(guī)范，實現(xiàn)激光雷達在線和遠程標(biāo)校功能，解決了標(biāo)準(zhǔn)雷達無法“親臨”所有雷達站標(biāo)校的問題，大大提高了全國激光雷達的標(biāo)校效率。

此外，多普勒測風(fēng)激光雷達標(biāo)校工作也進展迅速，探測中心聯(lián)合北京、天津和深圳等地氣象局，以及國內(nèi)多個大學(xué)、科研院所和國內(nèi)主要生產(chǎn)廠家建成了多普勒激光雷達比對標(biāo)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(jié)果為北京冬奧會探測裝備選型提供了重要參考依據(jù)。

應(yīng)用效益如何？

此前，由于數(shù)據(jù)可用性等問題，氣溶膠等激光雷達尚未得到氣象行業(yè)列裝許可和業(yè)務(wù)應(yīng)用。

隨著標(biāo)校技術(shù)和體系日趨完善，改進后的氣溶膠激光雷達數(shù)據(jù)精度大大提高，達到了業(yè)務(wù)應(yīng)用水平，并于2021年被列入業(yè)務(wù)裝備。按照氣象“十四五”規(guī)劃，未來160多部激光雷達將上崗“執(zhí)勤”。

同時，國內(nèi)激光雷達廠家紛紛學(xué)習(xí)探測中心開展標(biāo)校的經(jīng)驗，在雷達出廠前加入標(biāo)校環(huán)節(jié)，使激光雷達從沒有任何標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)變?yōu)橥瓿蓸?biāo)校出廠，整體提升了數(shù)據(jù)精度和產(chǎn)品性能，推動了激光雷達產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

數(shù)據(jù)顯示，截至2021年末，激光雷達原始信號在低空范圍內(nèi)平均相對偏差降低到20%以內(nèi)，組網(wǎng)氣溶膠激光雷達探測數(shù)據(jù)相對偏差范圍從2017年標(biāo)校前大于90%減少到2019年的17%以內(nèi)，達到國際先進水平。

2021年，在中國共產(chǎn)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(chǎn)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(yù)報決策服務(wù)中，標(biāo)校后的氣溶膠激光雷達產(chǎn)品也得到充分應(yīng)用。

此外，激光雷達氣溶膠消光系數(shù)廓線資料用于氣溶膠數(shù)據(jù)同化，明顯改進氣溶膠同化分析場的三維結(jié)構(gòu)；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(yù)報效果。在參加了激光雷達成果鑒定會后，中國科學(xué)院院士龔健雅表示，中國氣象局具備占領(lǐng)激光雷達標(biāo)校高地的技術(shù)，建議將其推向整個行業(yè)應(yīng)用。

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

（作者：簡菊芳 責(zé)任編輯：張林）