三種測風(fēng)方法的原理及其比對

黃裕文

摘要：高空測風(fēng)業(yè)務(wù)是氣象觀測的基礎(chǔ)業(yè)務(wù)之一，其數(shù)據(jù)廣泛應(yīng)于天氣預(yù)報、氣候研究、航空航天器等領(lǐng)域。L波段二次測風(fēng)雷達、GPS測風(fēng)和風(fēng)廓線雷達是目前氣象業(yè)務(wù)中最為廣泛使用的三種測風(fēng)方法。本文扼要介紹了這三種測風(fēng)方法的原理，并基于觀測數(shù)據(jù)對三種測風(fēng)方法的結(jié)果進行了比對。比對結(jié)果表明：三種測風(fēng)方法測得的水平風(fēng)向誤差在10度以內(nèi)，水平風(fēng)速誤差小于1m/s，都能滿足目前的業(yè)務(wù)要求，其中L波段二次測風(fēng)雷達和風(fēng)廓線雷達測風(fēng)的結(jié)果更為接近。

Abstract： The high-altitude wind business is one of the basic businesses of meteorological observation， whose data has been widely used in the research on weather forecast， climate， aerospace and other fields. The secondary L-band radar， GPS wind and wind profiler radar are the three most widely used methods in meteorological services. This paper briefly introduces the principle of the three wind methods， and the results of the observation data of the three wind methods are compared. The results show that errors in the horizontal direction under the three kinds of wind measurement are within 10 degrees， the horizontal wind speed error is less than 1m/s， which can meet the current business requirements， and especially the result measured by the secondary L-band radar and wind profile radar is more accurate.

關(guān)鍵詞：L波段二次測風(fēng)雷達；GPS測風(fēng)；風(fēng)廓線雷達

Key words： secongdary L-band radar；GPS wind measurment；wind profiler radar

中圖分類號：TN95 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）09-0209-03

0 引言

風(fēng)場在天氣分析和預(yù)報中有十分重要的作用，它是天氣預(yù)報中的重要參數(shù)，也是造成大氣中的風(fēng)、云、雨、露等天氣現(xiàn)象的基本要素之一[1]。無論天氣系統(tǒng)預(yù)報還是氣象要素預(yù)報，均離不開對風(fēng)場的類型、結(jié)構(gòu)和演變的認(rèn)識，能否準(zhǔn)確分析風(fēng)場的變化是預(yù)報成敗的關(guān)鍵。如何探測風(fēng)場結(jié)構(gòu)一直是氣象學(xué)的一個重要研究方向。目前我國使用的常規(guī)測風(fēng)手段有自動氣象站、光學(xué)經(jīng)緯儀、無線電經(jīng)緯儀、激光雷達、L波段二次測風(fēng)雷達、GPS測風(fēng)、風(fēng)廓線雷達等[2-7]。自動氣象站使用風(fēng)杯、風(fēng)標(biāo)式傳感器對地面風(fēng)進行探測，測得的風(fēng)不連續(xù)，且觀測高度受限；光學(xué)經(jīng)緯儀測風(fēng)需要人工通過望遠(yuǎn)鏡跟蹤升空氣球的運動軌跡進行測風(fēng)，所以其測量精度較差，且能見度低時無法操作；無線電經(jīng)緯儀雖然可以實現(xiàn)自動化操作，但其精度仍然不高且屬于有源探測，無線電隱蔽性能較差；故上述三種測風(fēng)方式在我國目前已基本淘汰或已成為備用手段。激光測風(fēng)雷達具有單色性好、定向性能好、結(jié)構(gòu)簡單、輕便、造價低等優(yōu)點，且具有極高的角分辨率、距離分辨率、速度分辨率以及較廣的測速范圍，但是，在惡劣天氣下，激光測風(fēng)的性能下降很多，使其應(yīng)用受到一定的限制。L波段二次測風(fēng)雷達和GPS測風(fēng)都基于探空氣球，通過雷達或GPS接收機獲取氣球的位置后，利用位置信息計算出不同高度的風(fēng)向和風(fēng)速。雖然這兩種是當(dāng)前氣象部門業(yè)務(wù)中普遍使用的測風(fēng)手段，但是由于探空氣球會隨大氣運動而生成漂移，這兩種方法都無法測量出本地上空的風(fēng)場，且測量時間間隔長、數(shù)據(jù)率低、消耗大。風(fēng)廓線雷達的應(yīng)用是對探空氣球測風(fēng)方法的一次革命，它是利用大氣湍流對電磁波的散射作用而進行大氣探測的一種遙測設(shè)備，通過測量三個波束或五個波束接收到的微弱后向散射回波中的多普勒頻移（即徑向速度），再通過矢量分解合成技術(shù)即可反演出水平風(fēng)場和垂直風(fēng)場結(jié)構(gòu)。與有球測風(fēng)相比，風(fēng)廓線雷達除具有可連續(xù)探測的優(yōu)點外，還具有高精度和運行可靠性，操作維護方便，其適用范圍是有球測風(fēng)無法比擬的。目前，L波段二次測風(fēng)雷達、GPS測風(fēng)和風(fēng)廓線雷達是氣象業(yè)務(wù)中主要采用的測風(fēng)方法。本文介紹了三種測風(fēng)方法的原理，并利用實測數(shù)據(jù)對這三種方法的探測結(jié)果進行了對比，結(jié)果表明，三種測風(fēng)方法測得的水平風(fēng)向誤差在10度以內(nèi)，水平風(fēng)速誤差小于1m/s，滿足業(yè)務(wù)要求，其中L波段二次測風(fēng)雷達和風(fēng)廓線雷達測風(fēng)的結(jié)果更為接近。

1 測風(fēng)原理

1.1 L波段二次雷達測風(fēng)原理

L 波段二次測風(fēng)雷達的工作原理是：探空氣球充入氫氣或氦氣，以360m/min左右的速度上升，在探空氣球上懸掛一個無線電探空儀及一個雷達反射器，無線電探空儀上配有各種傳感器，可用于測量溫度、氣壓、濕度等氣象要素，通過無線電波發(fā)回地面站；同時，地面雷達不停追蹤著雷達反射器，每隔一定的時間測量其距離、方位及仰角，利用這些位置信息變化即可計算出不同高度的風(fēng)向和風(fēng)速。其工作原理如圖1所示。

業(yè)務(wù)測風(fēng)目前采用的計算方法是：氣球施放后20分鐘內(nèi)，每一分鐘的厚度作為一個計算層；氣球施放20～40分鐘，每2分鐘的厚度作為一個計算層；氣球施放40分鐘以上，每4分鐘的厚度作為一個計算層。具體的計算方法如下：

1.2 GPS測風(fēng)原理

GPS測風(fēng)與L波段二次測風(fēng)雷達測風(fēng)的原理基本類似，兩者的區(qū)別在于GPS測風(fēng)時采用GPS技術(shù)替代雷達的跟蹤。在探測過程中，無線電探空儀和地面站均裝有GPS天線，可接收最少4顆衛(wèi)星發(fā)出的信號。地面站接收到GPS信號和無線電探空儀數(shù)據(jù)后，會提取出所需的資料，再加入有關(guān)衛(wèi)星軌道的數(shù)據(jù)，便可計算出無線電探空儀的位置，從而計算出不同高度的風(fēng)向和風(fēng)速。GPS技術(shù)的應(yīng)用是氣球探空技術(shù)的一個重大改進，準(zhǔn)確度極高，且不易受閃電及雷暴等惡劣天氣影響。

1.3 風(fēng)廓線雷達測風(fēng)原理

風(fēng)廓線雷達是利用大氣湍流對電磁波的散射作用對大氣進行探測的一種遙感設(shè)備[8]。其原理是當(dāng)向大氣層發(fā)射一束無線電波時，由于湍流氣團隨風(fēng)漂移，導(dǎo)致回波信號產(chǎn)生一定量的多普勒頻移，通過測定回波信號的頻移值計算出沿雷達波束的徑向速度。實際使用中，風(fēng)廓線雷達常設(shè)計為三波束或五波束輪流工作，根據(jù)這些波束的回波信號，經(jīng)過一定的處理方法，就可計算出大氣三維風(fēng)場。風(fēng)廓線雷達的工作原理如圖2所示。

當(dāng)雷達以三波束（假設(shè)為東、北、天頂）工作時，利用這三個波束測得的徑向速度VRZ（h）、VRE（h）、VRN（h），便可以求得大氣的三維風(fēng)場：

其中，θ為傾斜波束的天頂角，UE（h）和UN（h）分別為水平風(fēng)在東和北方向的分量，UZ（h）為大氣垂直運動速度。風(fēng)廓線雷達測得的徑向速度均以朝向雷達方向為正速度。

當(dāng)雷達以五波束工作時，先將兩個對稱方向的傾斜波束測得的徑向速度進行平均，再按三波束邊界層風(fēng)廓線雷達水平風(fēng)合成方法進行計算。

2 試驗結(jié)果

為了驗證和比較這三種測風(fēng)方法性能上的差異，2013年8月13日在某機場進行了一次比對試驗。在比對試驗中，探空氣球上同時懸掛普通探空儀和GPS探空儀，L波段二次測風(fēng)雷達和GPS測風(fēng)同時進行測量，在L波段二次測風(fēng)雷達附近放置風(fēng)廓線雷達進行測風(fēng)觀測。其中，GFE（L）1型L波段二次測風(fēng)雷達采用GZZ9型數(shù)字式探空儀，GPS測風(fēng)采用GTS1-2型探空儀，風(fēng)廓線雷達的主要性能參數(shù)如表1。

圖3給出了一組三種方法測得的水平風(fēng)向和水平風(fēng)速的比對結(jié)果。在比對過程中，分早上（8：00）、中午（12：00）、下午（16：00）和晚上（20：00）各進行一次比對，限于篇幅，此處只給出一組結(jié)果，其余比對結(jié)果基本與此類似。

分析圖3可知，三種測風(fēng)方法得到的水平風(fēng)向和水平風(fēng)速基本一致。運用統(tǒng)計方法對數(shù)據(jù)進一步分析，可得到三種測風(fēng)方法水平風(fēng)向和水平風(fēng)速的分段統(tǒng)計結(jié)果，如表2和表3所示。表中GZZ、GPS和WPR分別表示L波段二次測風(fēng)雷達、GPS測風(fēng)和風(fēng)廓線雷達。

從表2中的統(tǒng)計結(jié)果可以看出：三種測風(fēng)方法測得的水平風(fēng)向的誤差都在10度以內(nèi)，除低空數(shù)據(jù)外，L波段二次測風(fēng)雷達和風(fēng)廓線雷達測得的數(shù)據(jù)更為接近。從表3中的統(tǒng)計結(jié)果可以看出：三種測風(fēng)方法測得的水平風(fēng)速的誤差500m以上范圍都在1m/s以內(nèi)，500m以下可能受地面活動的影響差異較大，同樣也是L波段二次測風(fēng)雷達和風(fēng)廓線雷達測得的數(shù)據(jù)更為接近。

3 結(jié)束語

L波段二次測風(fēng)雷達、GPS測風(fēng)和風(fēng)廓線雷達測風(fēng)是當(dāng)前氣象業(yè)務(wù)中主要采用的三種測風(fēng)方法。本文簡要介紹了這三種測風(fēng)方法的原理，并基于2013年8月13日在某機場的試驗數(shù)據(jù)，對三種測風(fēng)方法觀測得到的水平風(fēng)場進行了比對。結(jié)果表明，三種測風(fēng)方法測得的水平風(fēng)向誤差在10度以內(nèi)，水平風(fēng)速誤差在1m/s以內(nèi)，符合這三種設(shè)備的精度要求。同時，L波段二次測風(fēng)雷達和風(fēng)廓線雷達測得的數(shù)據(jù)更為接近。從探測區(qū)域看，L波段二次雷達測風(fēng)和GPS測風(fēng)都是探測氣球所處位置的水平風(fēng)，風(fēng)廓線雷達則是探測雷達上空的水平風(fēng)；從測量精度看，GPS測風(fēng)和風(fēng)廓線雷達高于L波段二次測風(fēng)雷達。三種測風(fēng)方法各有優(yōu)點和缺點，根據(jù)各自的業(yè)務(wù)應(yīng)用和裝備條件選擇測風(fēng)的方式，滿足業(yè)務(wù)需求。

這需要開展進一步的研究。

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