超声波测风仪外场试验数据分析

2021-12-11柯莉萍徐文隆

气象水文海洋仪器 2021年4期

蔡彤，柯莉萍，徐文隆，吕静，张丹

(1.贵州省威宁县气象局；威宁 553100；2.贵州省大气探测与技术保障中心，贵阳 550081)

0 引言

测风仪在气象、民航、农业等领域都发挥着重要的作用。目前在各领域中使用较多的是传统机械式测风仪，根据风向标和风杯的转动判断风向和风速。传统测风仪在长时间使用中，机械磨损会导致转动部件摩擦老化，从而影响测量的准确性[1]。随着科技的发展，越来越多的先进技术应用到了测风仪上，超声波就是其中之一。超声波测风仪是利用超声波时差法实现风速的测量，若超声波的传播方向与风向相反，就会减小声波的传播速度，反之则增大[2]。与传统机械测风仪相比，超声波测风仪测风过程中具有无机械磨损，反应速度快、测量准确度高、分辨率高等优点，使用前景广阔[3,4]。超声波测风仪在国外发展运用已经很多年，中国发展相对较晚。

按照中国气象局气象探测中心超声波测风仪测试方案及《超声波测风仪功能需求书》、《气象观测专用技术装备测试方法》的要求，超声波测风仪应在至少3个不同气候特点的区域进行测试，为满足有关标准或规定的可靠性要求，文章遴选了辽宁盘锦、贵州威宁、新疆达坂城、广东博贺为风试验外场开展超声波测风仪外场试验。威宁县位于贵州省西北部高寒山区，年均冻雨日数24 d，平均海拔高度2200 m，属亚热带季风性湿润气候，年平均风力等级3级以上，且具有年温差小、日温差大的特点，气候条件较为特殊[5，6]。

1 观测仪器和资料及处理方法

1.1 观测仪器和资料

威宁国家基准站外场试验安装了华云(HY-UWS01)、新气象(ZQZ-TSF)、上海长望(SHUW-Ⅱ)、天津(EC-01)4个厂家的超声波测风仪，1套天津的机械式风传感器(测风仪风向EL15-2D，风速WL15-2A)，彼此间距不小于1 m。超声波测风仪在试验场地内与台站现有观测设备相互之间不影响，传感器安装于距地面水准点1.5 m高的地面基础上，保证水平，超声波测风仪中心点距其他设备及步道的距离大于2 m，超声波测风仪和机械式风向、风速传感器布设在同一水平面，垂直高度差小于0.5 m，因此忽略垂直方位差导致的风速风向误差。

所用数据为2020-09-01T08：00—2020-09-30T20：00的4套超声波测风仪(华云、新气象、上海长望、天津)的逐分钟观测数据以及同期的基准数据，包括：2 min平均风向、2 min平均风速、10 min平均风向、10 min平均风速、分钟内极大风速和小时内极大风速等。

1.2 采用方法

采用机械风向、风速传感器数据作为参考，使用相应软件对数据进行采集，将超声波测风仪的观测资料与其进行对比评估分析。

1.2.1 数据完整性

以分钟数据为测试评估分析单位，排除由于外界干扰因素造成的数据缺测时间，对每套测风仪输出的数据完整性作缺测率评估。

1)计算公式：

(1)

式中，R为缺测率；M为测试期内累积缺测次数；N为测试期内应观测总次数。

2)测试评估指标：缺测率(%)≤2%。

1.2.2 数据一致性

以机械风传感器测量结果为约定真值，用机械风传感器数据对比超声波测风仪观测数据进行准确性的评估，分别计算两者之间的系统误差、标准偏差[7，8]。具体公式如下：

(2)

式中，xdi为超声波观测仪第i次测量值；xsi为机械风传感器第i次观测值；n为对比观测次数。

2)标准偏差(σ)

(3)

3)测试评估指标

风速：σ≤0.1 m/s(≤5 m/s)；σ≤2%(>5 m/s)；

风向：σ≤2°(≤5 m/s)；σ≤2%(>5 m/s)。

2 结果分析

2.1 数据完整性

对每套测风仪输出的数据完整性作缺测率评估(实验期间每套测风仪应测量42，480次)，实际测量次数以及缺测率如下，华云、新气象、上海长望、天津4套测风仪缺测率分别为：0.00471%、0.00706%、0.00235%、0.00942%，均小于2%，符合测试评估标准。

2.2 数据一致性

2.2.1 系统误差分析

通过分析各厂家机械风与超声风之间的系统误差，可以得出：华云和新气象的超声波测风仪的系统误差均为负偏差，上海长望的为正偏差，天津的超声波测风仪在风速上为负偏差，而在风向上为正偏差。具体系统误差分析如下：1)2 min平均风向：天津和新气象的超声波测风仪系统误差较小都在±0.3°以内，其次是上海长望，为0.72°，华云的系统误差最大，为-1.746°；2)2 min平均风速：华云的系统误差最大为-0.167 m/s，除华云外，其余3套的系统误差都在±0.07 m/s以内； 3)10 min平均风向：天津和新气象的系统误差较小，其次是上海长望，为0.740°，华云的系统误差最大，为-1.717°；4)10 min平均风速：4套超声波测风仪的系统误差差距较大，其中新气象的系统误差最小，为-0.004 m/s，华云的系统误差最大，为-0.210 m/s。

2.2.2 标准偏差分析

表1为机械风与超声风之间的标准偏差，从表中可以看出：2 min、10 min平均风向的标准偏差都在9°以上，而风速的标准偏差都未超过0.3 m/s。除此之外，10 min平均风向、风速的标准偏差皆小于2 min平均风向、风速的标准偏差。1)2 min平均风向：4套超声波测风仪的标准差都在20°以内，华云和新气象的标准偏差比较接近，上海长望和天津的偏差较大，差值为1.857°；2)2 min平均风速：4套超声波测风仪的标准差都小于0.230 m/s，其中，天津的标准偏差最小为0.185 m/s，华云的最大为0.225 m/s；3)10 min平均风向：新气象和天津的标准偏差较小，偏差都在10°以内，其次是上海长望标准偏差为10.744°，华云的最大为11.266°；4)10 min平均风速：新气象、上海长望和天津3套超声波测风仪的标准偏差都相差不大，都处于0.145 m/s附近，但华云的偏差相对较大，为0.161 m/s。

表1 机械风与超声风之间的标准偏差

2.2.3 风向频率对比分析

由玫瑰图可知，4种超声风与机械风的风向变化一致，N频率最高，W频率最小。

3 误差分析

4套超声波测风仪无论是系统误差还是标准偏差，风向偏差明显大于风速偏差。造成这一现象的原因可能是超声波测风仪的风向受到了风速的影响。以天津的超声波测风仪为例进行风向偏差(超声波测风仪风向-机械风风向)与其风速的相关性分析，分析发现：风向偏差与风速之间的相关性通过0.01水平的显著性检验，2 min、10 min平均风向之间的差值与其对应风速存在负相关，且2 min、10 min平均风速范围为0.0～3.7 m/s、0.0～3.3 m/s，故将4套超声波测风仪的风速划分为3个等级，分别是0.0～0.5 m/s、0.6～1.0 m/s、大于1.0 m/s，分别计算4套超声测风仪的2 min、10 min平均风向的系统误差与标准偏差。

从2 min、10 min超声测风仪、机械风传感器平均风向的系统误差统计可以看出：整体上华云的超声波测风仪平均风向的系统误差最大，3个等级风速对应的平均风向系统误差集中在-1.70°附近；天津的系统误差最小，3个等级风速对应的平均风向系统误差都在±0.50°以内。华云、新气象和天津3套超声波测风仪在3个等级风速对应的平均风速系统误差较稳定，上海长望的在0.6～1.0 m/s等级风速上的系统误差较大。

统计分析2 min、10 min超声测风仪、机械风传感器平均风向的标准偏差可以看出：除新气象10 min平均风向的标准偏差是随风速的增大而增大以外，其余超声波测风仪的标准偏差都是随着风速的增加而减小。