双经纬仪基线测风的原理与测风资料的分析

吕锟 沈瑾 周兆丁 杨家伟 陈捷雄 李明华

摘要：本文首先介绍了双经纬仪基线测风的原理，指出双经纬仪基线测风仍将是珠江三角洲地区大气边界层观测研究中一种必不可少的方法；然后简单介绍了如何使用数学软件Matlab来分析测风资料，并给出了2004年10月在珠江三角洲地区测风资料的分析实例。

关键词：双经纬仪基线测风；原理；分析

中图分类号：P49 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）08-0261-02

大气边界层是直接受地表影响最强烈的垂直气层，它占有整个空气质量的1/10，其厚度随纬度、时间、天气条件和地表特征而变，其厚度低的时候只有几十米，高的时候可达2000m以上甚至更高。大气边界层与人类活动的关系最密切、最直接，人类生活在这一层，空气污染也主要发生在这一层。在大气边界层和空气污染研究课题中，大气边界层内各高度上风向、风速的资料是不可缺少的，在科研和大气环境环境评价中获取这项资料的当前常用手段是双经纬仪基线测风和系留汽艇测风。本文首先介绍双经纬仪基线测风的原理和使用注意事项，然后利用中山大学2004年10月在珠江三角洲地区的大气边界层观测资料简单介绍如何使用数学软件Matlab来分析测风资料。

1 双经纬仪基线测风的原理[1-2]

双经纬仪基线测风的定义是：把两台光学测风经纬仪分别安装在已知距离的两个观测点上，同时观测气球的运动，读出仰角、方位角然后利用三角法或矢量法计算气球高度和风向、风速，计算方法详见参考文献1-2。

双经纬仪基线测风的基本要求是：①具备两台观测精度优于0.05o的光学测风经纬仪。②熟练掌握经纬仪的调平、追踪和读数的观测人员，每次观测两点各需两人，一人观测，一人记录和指挥。③选择适当的基线。一般选择基线与盛行风向垂直，使计算简单；基线的长度至少要大于所需测风高度的1/5或2/5，以保证测高准确度；在基线两端之间无任何障碍物阻挡视线，能即时进行气球观测。④两点之间有专门的通讯联络（如：对讲机），保证两台经纬仪能同时测定气球的仰角、方位角，这对提高测高准确度极为重要。

双经纬仪基线测风要求两台观测精度优于0.05o的光学测风经纬仪，而经纬仪由于制造、安装精度不够，或维护保管不当，年久失修会有各种仪器误差；因此在每次使用经纬仪前，应对其各种仪器误差进行检查，并尽量予以消除以达到精度要求。观测者能比较方便地检查到的两个仪器误差：一是水准泡与底盘不平行的仪器误差，如在水准泡处于某一位置时，将水准泡调平，使空泡处于管的中心，若将经纬仪绕垂直轴旋转180o后，水准空泡偏离中心，则需调整水准泡的主轴线。另一个仪器误差是准值误差，可通过下述步骤加以确认：先让经纬仪观测一个固定目标物，读出它的仰角和方位角，然后将经纬仪绕垂直轴旋转180o，再将仰角盘绕水平轴旋转，重新对准目标物，并读出仰角和方位角，新的仰角和方位角读数±180o应与原读数相等，如有偏移，则是因为经纬仪垂直轴与底盘没能保持垂直，或光学系统光轴没能保持垂直所造成。

在每次观测前，都应对经纬仪进行调平；在每次观测后，都要检查经纬仪是否保持水平。经纬仪包括一个水准管及三个调平螺旋，首先将水准管与仪器的竖轴保持垂直，使水准管与任意两个调平螺旋平行，转动调平螺旋使水准泡处于正中，然后将经纬仪转动120o再次调整水平。一般说来，若仪器没有问题经过两次调平后，整个经纬仪的底盘已处于水平面上，此时任意旋轉经纬仪，水准泡将始终保持在中间位置，此时经纬仪的仰角读数才是正确的。

经纬仪测风仪器小而轻便，角坐标测量精度较高，但易受到天气条件的限制，只适用于能见度好的少云天气，夜间必需配挂可见光源，阴雨天气只能在可见气球高度内测风，但天气好时观测高度则较高，能达到2000～3000m。单经纬仪测风是采用固定升速来确定高度，2004年10月和2006年7月的两次观测都发现珠江三角洲地区气球升速变化很大，单经纬仪测风误差较大，不宜采用。双经纬仪基线测风是采用气球的实测高度进行高空风的计算，准确率较高，两次观测双经纬仪测风都较好的观测到了珠江三角洲地区的风场特征，是一种较好的测风方式。系留汽艇测风优点众多，如使用方便、观测精度高、观测项目较多且资料容易处理等，目前北京和兰州等地在大气边界层研究中多采用系留汽艇测风；但系留汽艇观测高度不够高，北京[3]和兰州[4-5]的观测表明观测高度一般最高能达到800m左右，而珠江三角洲地区观测资料表明风向转换高度经常在800m以上，同时在1000m以上高空经常观测到逆温层；系留汽艇只有在风速较小时才能使用，且珠江三角洲地区机场和航线较多，使用风险较大。因此系留汽艇观测在珠江三角洲地区大气边界层观测中有其局限性，双经纬仪基线测风仍将是该地区大气边界层和大气环境研究中一个必要的手段和有益的补充。但值得提出的是，广东目前的光学经纬仪大多年久失修，能用于正常观测的较少。

2 双经纬仪基线测风资料的分析

Matlab是美国MathWorks公司推出的工程计算及数值分析软件，功能强大，拥有非常丰富的资源，集数值运算、图像与信号处理、图形显示和可视化图形用户界面设计于一体，编译环境友善灵活，，极易上手，此外还提供了与其他高级语言如C、Fortran等的接口[6]。本文利用2004年10月珠江三角洲地区的观测资料简要介绍如何使用Matlab分析测风资料。

本文采用矢量法算出各高度上的风向和风速，为分析方便，将观测资料线性插值平均处理到50m的分辨率，图1给出了插值前后的对比，线性插值反映了原始资料的变化趋势，便于资料的分析和处理。单站点的风观测资料可以绘制风廓线随时间变化图，首先将各观测时刻不同高度的风资料按时间和高度顺序处理成以下格式，文件名为Wind，文件格式为.txt：

0200 50 277 1.6 1.6 -.2

0200 100 287 1.2 1.1 -.3

……

2300 50 178 4.0 -.1 4.0

2300 100 167 4.4 -1.0 4.3

……

Matlab程序为：

Windday=load（文件地址＼Wind.txt）； %命名，文件地址中可以含有中文

Time=Windday（：，1）； %赋值，第1列为时间

Height=Windday （：，2）； %赋值，第2列为高度

WV= Windday （：，3）； %赋值，第3列为风速

WD= Windday （：，4）； %赋值，第4列为风向

U=Windday（：，5）； %赋值，U风，此处也可写成U=-WV.*sin（WD.*pi/180）

V=Windday（：，6）； %赋值，V风，此处也可写成V=-WV.*cos（WD.*pi/180）

quiver（Time，Height，U，V，1，k）； %绘图命令，二维矢量图

axis equal； %保持纵坐标与横坐标一致，即图形显示风向为风的实际风向

axis（[0，2500，0，3000]）； %纵坐标与横坐标的范围

set（gca，Xtick，[200，600，800，1000，1400，1800，2000，2300]，Ytick，[0：200：3000]）；

set（gca，XTickLabel，{ 02；06；08；10；14；18；20；23}）； %指定纵坐标与横坐标的显示方式

print（-dtiff，[ AA]）； %图片的自动输出和保存，图片名称为AA，图片格式为tif

其中quiver为程序的核心，可在Command Window中输入help quiver了解更多详情。运行该程序，则得到2004年10月16日广州市番禺区新垦风廓线图（图1）。由图1可知，16日新垦系统风为东北风，02～14时在600m以下为东北风且风速较小，17～23时低层为偏南风且风速较大，偏南风环流高度随时间逐步抬升，23时达到最高700m左右。多站点风观测资料则可以采用对比分析，图2给出了2004年10月15日珠江三角洲地区清远、番禺和新垦三地大气边界层风速和风向观测资料的对比，由图可知，08时和14时三地风向一致，都为东北风，20时三地风向有明显差异，番禺和新垦两地在低层都有明显风向切变。

3 小结

本文简单介绍了双经纬仪基线测风的原理，指出双经纬仪基线测风仍将是珠江三角洲地区大气边界层观测研究中一种必不可少的方法；然后简单介绍了如何使用数学软件Matlab来分析测风资料，给出了2004年10月在珠江三角洲地区测风资料的分析实例，为以后大气边界层风观测资料的处理与分析提供了一种简单、可行的方法。Matlab功能强大且编写程序简单，若得到充分利用则将在气象科研、预报和科技服务上发挥更大的作用[6-8]。

参考文献：

[1]林晔，王庆安，顾松山，林国安.大气探测学教程[M].北京：气象出版社，1993：286-326.

[2]张蔼琛.现代气象观测[M].北京：北京大学出版社，2000：228-299.

[3]卞林根，程彦杰，王欣，等. 北京大气边界层中风和温度廓线的观测研究[J]. 应用气象学报，2002 ，13 （特刊） ：13-25.

[4]张强，吕世华，张广庶.山谷城市大气边界层结构及输送能力[J].高原气象，2003，22（4）：346-353.

[5]张裕芬，陈长和.冬季兰州城市上空层结特征的分析研究[J].兰州大学学报（自然科学版），1998，34（2）：104-110.

[6]张志涌，等.精通MATLAB6.5版[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003：234-275，310-359.

[7]苏金明，阮沈勇，王永利. MATLAB工程數学[M]. 北京：电子工业出版社，2005.

[8]黄嘉佑.气象统计分析与预报方法（第二版）[M].北京：气象出版社，2000：1-302.

【通联编辑：梁书】