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在北京冬奥会期间，当大家都在关注运动员的精彩比赛时，有一群人却将关注点放在了赛场上的风。他们就是中国海洋大学激光雷达团队。 ; H H7 i; X8 {; E4 k) F1 y
传统气象观测手段难以满足冬奥会保障需求 ) T( s! G1 C; [- r8 {
作为中国海洋大学激光雷达团队成员，王琪超博士很自豪自己能参与北京冬奥会气象保障工作。
: k1 `7 ]" V8 I7 ^/ n g" D 2020年初，中国海洋大学信息科学与工程学部海洋技术学院教授吴松华带领的激光雷达团队接到气象部门委托，执行北京冬奥会三维风场激光雷达观测保障任务。
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9 b2 h4 Y( I6 w* ] x$ X 三维扫描型测风激光雷达在赛场开展气象保障服务 中国海洋大学 供图 8 {8 j, U/ w% A
滑雪项目在户外进行。比赛时，风力大小、雪面状态如何……这些因素直接影响运动员的比赛成绩，甚至安全。
- @ d! c" F) I, p" Q: p$ Z 以高山滑雪项目为例，参赛运动员沿高山赛道进行滑降和快速回转，一般比赛用时仅一两分钟。比赛期间，运动员滑行的最高时速接近140公里，危险系数大。按照比赛要求，一旦赛场上风速超过每秒18米，相关竞赛项目就要暂停。
1 g( b1 ]4 R& B3 d- P z, ^ 为此，北京冬奥组委对于气象保障的要求是“一场一策、一项一策”，并且在时间上要精确到分钟级，在空间上精准到百米级。
! |, F2 I# v/ u4 M “传统气象观测手段很难覆盖雪山赛道的整体和复杂地形，由于点位限制，存在较大盲区。”吴松华介绍，地面自动气象站是传统观测风的主要手段，但只能观测单一点位的风速和风向信息，无法实现廓线观测，也不能实现不同垂直高度上的气象观测。因此，传统观测手段难以满足北京冬奥会保障需求。
$ W4 m7 }: w5 z4 \4 y+ _" h 自主研发激光雷达 精确测量三维风场 9 C3 k w' C+ L0 n. P
中国海洋大学激光雷达团队自主研发的三维扫描型测风激光雷达，通过测量发射与空气中微粒反射回来的激光的频率差——利用多普勒效应来观测空气的流动情况，能够实现对40米~6000米范围内风廓线的实时探测，获取高时空分辨率的大气风场。该方法是公认的精确测量三维风场的有效手段。 % d- x4 p# w; @; X% Q- E) P2 U/ r
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+ A6 u0 O* E: G' @/ w7 V7 @9 F* R 王琪超说：“激光雷达能够实现地面到高空的三维风场观测，提供各个垂直高度上的风场信息。相较传统观测方式，三维风场可以做到有效补充，实现更大范围、更精细化的观测。” 8 [% x: i0 T8 K7 \1 q. m
吴松华表示，三维扫描型测风激光雷达可以提供一种覆盖整个雪山赛道的风场和湍流场的高时空分辨率的数据，这对于气象保障是至关重要的。同时，这些数据也为气象部门提供了数据支撑，保障了雪上项目的顺利安全进行。 7 W) S+ d" @( X4 P' f: o
除了激光雷达设备可靠，观测模式也非常重要。“激光雷达是通过发射激光并接收回波信号，进而得到激光方向上的风场数据。三维扫描型测风激光雷达可以通过控制激光的发射和扫描方向，实现在复杂地形下的三维风场反演。北京冬奥会的比赛场地复杂，团队根据具体地形信息设计了针对性的扫描模式，并开发了相应的数据反演算法，为北京冬奥会提供了强有力的气象保障。”王琪超说。 6 P# h- E# N( O0 C) n2 B" ^ a0 ]1 {" u
新技术广泛应用我国海洋领域 , k/ e6 t5 I0 [2 g2 ` h8 Z
除了保障北京冬奥会，多普勒激光雷达技术已广泛应用于我国海洋大气观测中。目前，该团队研发的相关产品已搭载于多艘科考船，在黄渤海海域以及印度洋、太平洋开展了海气边界层观测及反演，参与了自然资源部第一海洋研究所、青岛海洋科学与技术试点国家实验室、中国科学院南海海洋研究所等组织的科学考察航次，助力我国海洋气象科学研究。
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王琪超表示，该技术在海上风电开发领域也具有广泛应用前景。当前，在“碳达峰”“碳中和”目标引领下，海上风电产业得到快速发展。开发海上风电，首先要对风资源进行勘测。传统风资源勘测方式是建设海上固定测风塔，但这种方法建设周期长、成本高，单次建设费用约1500万元，再加上这种测风塔多为一次性设施，一建一拆，费时费钱，对海洋生态环境也会造成影响。 # q5 H r! N+ G
王琪超表示，相比较而言，中国海洋大学激光雷达团队研发的浮标测风激光雷达更加便捷，不仅可以有效节约风资源勘测时间，还能降低三分之二的经济成本，并能重复使用。
$ l0 i% c$ @! h k# P 此外，浮标测风激光雷达具备在特定海域开展长时间、连续无人值守观测的优势，相关观测数据在海洋环境监测、船舶航行保障、海洋气象灾害预报等方面也都有广泛的应用前景。
1 m5 k/ p' h. j2 P 原标题：《视角 | 冰雪赛场 “听风”护航——中国海洋大学激光雷达团队为北京冬奥会提供气象服务》
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