三種探測(cè)設(shè)備在風(fēng)向測(cè)量中的對(duì)比分析

1 引言

在眾多大氣因子中， 風(fēng)場(chǎng)資料是分析天氣演變最直觀和最有價(jià)值的資料之一。根據(jù)風(fēng)場(chǎng)的演變，可以了解中小尺度等強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生發(fā)展的某些重要物理過程。因此目前對(duì)大氣風(fēng)場(chǎng)的研究受到越來越多的關(guān)注。

隨著大氣探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外用于探測(cè)大氣風(fēng)場(chǎng)的設(shè)備也隨之增加。目前國內(nèi)用于探測(cè)高空大氣風(fēng)場(chǎng)的儀器主要有無線電探空儀、風(fēng)能梯度塔、新一代多普勒天氣雷達(dá)、風(fēng)廓線雷達(dá)以及微型探空飛機(jī)等。由于各種探測(cè)設(shè)備的工作原理、風(fēng)場(chǎng)反演方法都存在差異，因此測(cè)得的大氣風(fēng)場(chǎng)的精度必然存在差異。而高精度的大氣風(fēng)場(chǎng)資料將對(duì)提高短時(shí)臨近預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度起到非常重要的作用。因此，我們對(duì)各種測(cè)風(fēng)資料的測(cè)量精度進(jìn)行比較，了解產(chǎn)生誤差與不確定因素的某些原因，以便充分發(fā)揮風(fēng)廓線產(chǎn)品在短時(shí)天氣預(yù)報(bào)和強(qiáng)對(duì)流天氣臨近預(yù)警預(yù)報(bào)中的作用。

另外，根據(jù)中國氣象局未來規(guī)劃，一個(gè)計(jì)劃由400座70—120米測(cè)風(fēng)觀測(cè)塔組成的風(fēng)能資源專業(yè)觀測(cè)網(wǎng)正在興建，風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)也計(jì)劃在國內(nèi)組建，飛機(jī)探測(cè)風(fēng)場(chǎng)也成為一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。這些探測(cè)設(shè)備的建成可以真正彌補(bǔ)我國常規(guī)高空探測(cè)站網(wǎng)空間密度和時(shí)間密度的不足。同時(shí)，這些探測(cè)設(shè)備的探測(cè)精度如何也成為大家極為關(guān)注的問題，因此中國氣象局氣象探測(cè)中心組織本次試驗(yàn)，對(duì)三種探測(cè)儀器測(cè)量精度的對(duì)比分析，不僅可以作為科學(xué)研究的依據(jù)，而且為雷達(dá)布網(wǎng)等工作提供理論支持。

2 各種探測(cè)儀器的原理

2.1 風(fēng)廓線雷達(dá)及其風(fēng)場(chǎng)反演方法

風(fēng)廓線雷達(dá)又稱風(fēng)廓線儀，顧名思義風(fēng)廓線雷達(dá)提供的是風(fēng)的廓線。在大氣中隨時(shí)存在著各種尺度的湍流，它們引起的折射指數(shù)的不均勻變化，對(duì)無線電波會(huì)產(chǎn)生散射作用。湍流存在于氣流之中并隨之移動(dòng)，因此可以將湍流作為風(fēng)的示蹤物。風(fēng)廓線雷達(dá)就是以晴空湍流作為探測(cè)目標(biāo)，利用大氣湍流對(duì)雷達(dá)電磁波的散射作用，探測(cè)大氣風(fēng)場(chǎng)。

由于風(fēng)是一個(gè)矢量，要求雷達(dá)的天線具有三個(gè)或五個(gè)正交波束，通過測(cè)定每個(gè)波束方向風(fēng)速引起的多普勒頻移，在一定的假設(shè)條件下（湍流均勻、各向同性的假設(shè)下）就可計(jì)算出回波信號(hào)所在高度上的水平風(fēng)向、風(fēng)速和垂直氣流速度。在一次測(cè)量中，風(fēng)廓線雷達(dá)可以得到同一時(shí)刻不同高度層的水平風(fēng)速風(fēng)向廓線和垂直氣流廓線。

基于風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)資料的風(fēng)場(chǎng)反演方法常用速度-方位顯示方法（Velocity Azimuth Display），稱作VAD方法。

2.2 微型探空飛機(jī)及其風(fēng)場(chǎng)反演方法

微型探空飛機(jī)是一種專門用于大氣探測(cè)實(shí)驗(yàn)的氣象飛機(jī)。它具有自動(dòng)導(dǎo)航、自動(dòng)駕駛功能。它采用GPS導(dǎo)航，在自動(dòng)控制系統(tǒng)控制下完成預(yù)定航線的飛行，并實(shí)時(shí)地將飛機(jī)的軌跡和其他資料傳送到地面，地面接收系統(tǒng)的微機(jī)顯示飛機(jī)的經(jīng)緯度和高度等數(shù)據(jù)。微型探空飛機(jī)的風(fēng)場(chǎng)反演方法有水平空速歸零測(cè)風(fēng)方法和解析測(cè)風(fēng)方法。本文采用水平空速歸零測(cè)風(fēng)方法。

水平空速歸零測(cè)風(fēng)方法就是利用微型無人駕駛飛機(jī)可以在很小的半徑范圍盤旋飛行的特點(diǎn)，使飛機(jī)在水平面上盤旋飛行，盤旋飛行一圈，相對(duì)空氣而言，飛機(jī)回到了同一點(diǎn)，水平空速矢量之和為零，平均水平風(fēng)速等于飛機(jī)平均水平地速。飛機(jī)在空中飛行時(shí)，相對(duì)地面的運(yùn)動(dòng)稱為地速，相對(duì)空氣的運(yùn)動(dòng)稱為空速?？账伲╒g）、地速（Va）和風(fēng)速（V）的關(guān)系為：

由此可以看出這種方式得出的風(fēng)速與日常業(yè)務(wù)測(cè)風(fēng)的物理意義完全一致。

3 風(fēng)廓線測(cè)量比較試驗(yàn)及資料對(duì)比分析

為了對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)、風(fēng)能梯度塔、微型探空飛機(jī)的測(cè)量精度進(jìn)行比較分析，2008年9月24日中國氣象局氣象探測(cè)中心組織相關(guān)人員在內(nèi)蒙古錫林浩特國家氣候觀象臺(tái)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。本次試驗(yàn)的探測(cè)設(shè)備分別采用北京愛爾達(dá)電子設(shè)備有限公司的工作頻率為1290M移動(dòng)風(fēng)廓線雷達(dá)（Airda3000型）、氣候觀象臺(tái)的100m風(fēng)能梯度塔以及由江西省氣象科學(xué)研究所研制的微型探空飛機(jī)。據(jù)天氣預(yù)報(bào)介紹，試驗(yàn)當(dāng)天錫林浩特國家氣候觀象臺(tái)的天氣情況為“晴，西南風(fēng)4-5級(jí)，溫度4-12°C”，天氣系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定，非常滿足試驗(yàn)所需要的氣象條件。為盡量滿足探測(cè)區(qū)域天氣系統(tǒng)穩(wěn)定的試驗(yàn)條件，試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，三種探測(cè)設(shè)備的位置分布相對(duì)較近。風(fēng)廓線雷達(dá)位于116°19′49.7″E，44°08′2.4″N，海拔高度為1107m，探測(cè)高度為50m-3400m；風(fēng)能梯度塔位于116°18′44.9″E，44°08′32.4″N，海拔高度為1160m，探測(cè)高度為2m-100m；微型無人駕駛飛機(jī)指揮點(diǎn)位于116°19′54.8″E，44°07′42.1″N，探測(cè)高度人為控制。

3.1 風(fēng)能梯度塔與風(fēng)廓線雷達(dá)低層測(cè)風(fēng)資料對(duì)比

根據(jù)探測(cè)設(shè)備的海拔高度和其探測(cè)高度，風(fēng)能梯度塔可以分別得到海拔1162m的分鐘平均風(fēng)速、海拔1164m、 1170m、1180m、1190m、1210m、1230m、1260m的分鐘平均風(fēng)速及分鐘平均風(fēng)向；而風(fēng)廓線雷達(dá)低層高度分辨率為50m，因此僅能得到海拔1157m、1207m、1257m分鐘風(fēng)速、風(fēng)向。

本文首先對(duì)風(fēng)能梯度塔1162m分鐘平均風(fēng)速與風(fēng)廓線雷達(dá)1157m分鐘風(fēng)速進(jìn)行比較，共選取相應(yīng)時(shí)間的探測(cè)資料326組，風(fēng)速差值由風(fēng)能梯度塔測(cè)得的風(fēng)速值減去風(fēng)廓線雷達(dá)測(cè)得的風(fēng)速值得到，具體比較結(jié)果如圖1所示：

圖1 風(fēng)能梯度塔1162m分鐘平均風(fēng)速與風(fēng)廓線雷達(dá)1157m分鐘風(fēng)速差的分布圖

從圖1可以看出，兩者的風(fēng)速差分布相對(duì)比較均勻，風(fēng)能梯度塔測(cè)得的風(fēng)速值比風(fēng)廓線雷達(dá)測(cè)得的風(fēng)速值要偏大一些。經(jīng)計(jì)算，風(fēng)能梯度塔的平均風(fēng)速為8.2m/s，而風(fēng)廓線雷達(dá)的平均風(fēng)速為7m/s，兩者的風(fēng)速平均差為0.37m/s，標(biāo)準(zhǔn)差為1m/s（見表一）。

另外，本文分別對(duì)風(fēng)能梯度塔1210m分鐘平均風(fēng)速、風(fēng)向與風(fēng)廓線雷達(dá)1207m分鐘風(fēng)速、風(fēng)向以及風(fēng)能梯度塔1260m分鐘平均風(fēng)速、風(fēng)向與風(fēng)廓線雷達(dá)1257m分鐘風(fēng)速、風(fēng)向進(jìn)行比較，分別選取相應(yīng)時(shí)間的探測(cè)資料193組、165組、138組、146組。圖2、4的風(fēng)速差是用風(fēng)能梯度塔測(cè)得的風(fēng)速值減去風(fēng)廓線雷達(dá)測(cè)得的風(fēng)速值得到的，而圖3、5測(cè)得的風(fēng)向差則是由風(fēng)廓線雷達(dá)測(cè)得的風(fēng)向值減去風(fēng)能梯度塔測(cè)得的風(fēng)向值，具體比較結(jié)果如圖2、3、4、5示。

圖2、4顯示，風(fēng)能梯度塔1210m、1260m平均風(fēng)速與風(fēng)廓線雷達(dá)1207m、1257m分鐘風(fēng)速的偏差分布相對(duì)比較均勻，風(fēng)能梯度塔測(cè)得的風(fēng)速值比風(fēng)廓線雷達(dá)測(cè)得的風(fēng)速值明顯偏大。經(jīng)計(jì)算，兩者的風(fēng)速平均差分別為1.85m/s、1.76m/s；標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.82m/s、0.83m/s。

而從圖3、5風(fēng)向的對(duì)比來看，風(fēng)向偏差的總體走勢(shì)趨于一致，且圖5前半段顯示，兩種測(cè)量手段的風(fēng)向相差無幾，而后半段兩者的風(fēng)向有了較大的變化，風(fēng)向差也有所增大。經(jīng)計(jì)算，兩者的風(fēng)向平均差在1210m左右時(shí)為11°，1260m左右時(shí)為6.6°；相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差分別為12.7°、11.1°（見表1）。

圖2、3 風(fēng)能梯度塔1210m平均風(fēng)速、風(fēng)向與風(fēng)廓線雷達(dá)1207m分鐘風(fēng)速、風(fēng)向的偏差分布圖

圖4、5 風(fēng)能梯度塔1260m平均風(fēng)速、風(fēng)向與風(fēng)廓線雷達(dá)1257m分鐘風(fēng)速、風(fēng)向的偏差分布圖

3.2 風(fēng)能梯度塔、風(fēng)廓線雷達(dá)、微型探空飛機(jī)三種探測(cè)設(shè)備的測(cè)風(fēng)資料對(duì)比

本節(jié)采用9月24日下午13：30-15：00飛機(jī)試驗(yàn)過程中得到的微型探空飛機(jī)數(shù)據(jù)，并選取相應(yīng)時(shí)間相同高度層的風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)及風(fēng)能梯度塔數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。得到的三種探測(cè)設(shè)備的風(fēng)速、風(fēng)向?qū)Ρ冉Y(jié)果如圖6、圖7所示。本次比較共選取微型探空飛機(jī)、風(fēng)廓線雷達(dá)資料各30組，而風(fēng)能梯度塔由于受到高度限制，進(jìn)入比較的數(shù)據(jù)只有9組。計(jì)算可得，探空飛機(jī)與風(fēng)能梯度塔測(cè)得的風(fēng)速非常相近，兩者平均差僅為0.9m/s.而與風(fēng)廓線雷達(dá)測(cè)得的風(fēng)速相差偏大，平均差達(dá)3.4m/s。

由圖7并結(jié)合計(jì)算數(shù)據(jù)可知，微型探空飛機(jī)測(cè)得的風(fēng)向與風(fēng)廓線雷達(dá)測(cè)得的風(fēng)向非常吻合，兩者平均差僅為0.47°。而微型無人駕駛探空飛機(jī)與風(fēng)能梯度塔的風(fēng)向平均差為7.1°。

圖6 相同時(shí)間相同高度層三種探測(cè)設(shè)備測(cè)得的風(fēng)速資料的對(duì)比

圖7 相同時(shí)間相同高度層三種探測(cè)設(shè)備測(cè)得的風(fēng)向資料的對(duì)比

3.3 結(jié)果分析

本文共采用兩種方式對(duì)三種探測(cè)設(shè)備的獲得的測(cè)風(fēng)資料進(jìn)行對(duì)比分析，分析結(jié)果表明風(fēng)廓線雷達(dá)最低層與風(fēng)能梯度塔最低層數(shù)據(jù)比較風(fēng)速差別較小，僅為0.37m/s。而風(fēng)廓線雷達(dá)第二層、第三層數(shù)據(jù)與風(fēng)能梯度塔相應(yīng)層數(shù)據(jù)比較差別稍微偏大一些。另外，如圖6所示，1200m—1400m之間三種探測(cè)設(shè)備的探測(cè)數(shù)據(jù)比較結(jié)果表明微型探空飛機(jī)測(cè)得的風(fēng)速與風(fēng)能梯度塔測(cè)得的風(fēng)速差別甚微，而與風(fēng)廓線雷達(dá)測(cè)得的風(fēng)速差別較大，平均差為3.4m/s，主要原因是進(jìn)入比較的風(fēng)能梯度塔數(shù)據(jù)偏少，另外，兩者的測(cè)風(fēng)原理與風(fēng)場(chǎng)反演方法差異太大也是造成這一結(jié)果的一個(gè)重要原因。圖7的風(fēng)向比較顯示微型探空飛機(jī)與風(fēng)廓線雷達(dá)、風(fēng)能梯度塔測(cè)得的風(fēng)向均有較好的一致性。

綜合上述比較結(jié)果，引起對(duì)比出現(xiàn)差異的主要因素有：（1）觀測(cè)方法的差異，即各種探測(cè)設(shè)備的探測(cè)原理各不相同，探測(cè)的目標(biāo)也存在一定的差異，探測(cè)數(shù)據(jù)必然存在誤差；（2）數(shù)據(jù)處理方法的差異，即各種風(fēng)場(chǎng)反演的方法存在很大不同。風(fēng)廓線雷達(dá)測(cè)風(fēng)是對(duì)其上空一定高度層及探測(cè)范圍內(nèi)風(fēng)的平均值；而風(fēng)能梯度塔是對(duì)特定位置的風(fēng)的測(cè)量，是對(duì)分鐘風(fēng)的一個(gè)平均；飛機(jī)測(cè)量的是飛行周期內(nèi)飛機(jī)經(jīng)過軌跡點(diǎn)的風(fēng)的平均；（3）有效數(shù)據(jù)的數(shù)量與質(zhì)量，本文選取的數(shù)據(jù)均是經(jīng)過剔除最大誤差后的數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)質(zhì)量可以得到保證，但由于受到條件限制，能同時(shí)用于三種探測(cè)設(shè)備比較的數(shù)據(jù)量偏少，這也在一定程度上影響了比較結(jié)果的準(zhǔn)確性；（4）資料的同時(shí)性和同地性，資料的同時(shí)性和同地性越好，得到的對(duì)比結(jié)果越具有參考價(jià)值，由于本次試驗(yàn)過程中天氣系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定，探測(cè)設(shè)備間距很近，且各探測(cè)設(shè)備的時(shí)間分辨率均不大，因此本次實(shí)驗(yàn)條件基本滿足同時(shí)性和同地性原則。

4 結(jié)論

通過對(duì)本次實(shí)驗(yàn)獲取數(shù)據(jù)的比較分析，我們可以得出以下結(jié)論：

（1）風(fēng)能梯度塔與其它兩種探測(cè)設(shè)備相比，它的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠、耗資低，缺點(diǎn)是探測(cè)高度低，范圍小。

（2）與其它兩種探測(cè)設(shè)備相比，風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)不僅具有實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，而且探測(cè)高度高，范圍大，因此風(fēng)廓線雷達(dá)的使用和布網(wǎng)可以改善我國探空資料站點(diǎn)不足的缺點(diǎn)，并且可以獲得實(shí)時(shí)風(fēng)數(shù)據(jù)，為天氣預(yù)報(bào)提供更及時(shí)，更有價(jià)值的參考依據(jù)。從比較分析可知，風(fēng)廓線雷達(dá)得到的數(shù)據(jù)較其它兩種探測(cè)設(shè)備明顯偏小，主要因?yàn)轱L(fēng)廓線雷達(dá)得到的是一定范圍內(nèi)風(fēng)的平均值。

（3）微型探空飛機(jī)探測(cè)資料與其它兩種探測(cè)設(shè)備相比，其最大的優(yōu)點(diǎn)是可人為控制飛機(jī)航線，探測(cè)方式靈活。從比較分析可知，微型探空飛機(jī)的探測(cè)數(shù)據(jù)與風(fēng)能梯度塔的觀測(cè)數(shù)據(jù)相差不大，在誤差允許范圍之內(nèi)。所以，微型探空飛機(jī)有較大的應(yīng)用空間，不僅可以用于對(duì)人煙稀少的偏遠(yuǎn)地區(qū)進(jìn)行高空探測(cè)，而且可以用于特殊氣象條件或突發(fā)氣象事件的高空探測(cè)等工作。微型無人駕駛飛機(jī)可成為一種方便、經(jīng)濟(jì)、靈活的低空探測(cè)工具。

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