雙經(jīng)緯儀基線測(cè)風(fēng)的原理與測(cè)風(fēng)資料的分析

呂錕 沈瑾 周兆丁 楊家偉 陳捷雄 李明華

摘要：本文首先介紹了雙經(jīng)緯儀基線測(cè)風(fēng)的原理，指出雙經(jīng)緯儀基線測(cè)風(fēng)仍將是珠江三角洲地區(qū)大氣邊界層觀測(cè)研究中一種必不可少的方法；然后簡(jiǎn)單介紹了如何使用數(shù)學(xué)軟件Matlab來(lái)分析測(cè)風(fēng)資料，并給出了2004年10月在珠江三角洲地區(qū)測(cè)風(fēng)資料的分析實(shí)例。

關(guān)鍵詞：雙經(jīng)緯儀基線測(cè)風(fēng)；原理；分析

中圖分類號(hào)：P49 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）08-0261-02

大氣邊界層是直接受地表影響最強(qiáng)烈的垂直氣層，它占有整個(gè)空氣質(zhì)量的1/10，其厚度隨緯度、時(shí)間、天氣條件和地表特征而變，其厚度低的時(shí)候只有幾十米，高的時(shí)候可達(dá)2000m以上甚至更高。大氣邊界層與人類活動(dòng)的關(guān)系最密切、最直接，人類生活在這一層，空氣污染也主要發(fā)生在這一層。在大氣邊界層和空氣污染研究課題中，大氣邊界層內(nèi)各高度上風(fēng)向、風(fēng)速的資料是不可缺少的，在科研和大氣環(huán)境環(huán)境評(píng)價(jià)中獲取這項(xiàng)資料的當(dāng)前常用手段是雙經(jīng)緯儀基線測(cè)風(fēng)和系留汽艇測(cè)風(fēng)。本文首先介紹雙經(jīng)緯儀基線測(cè)風(fēng)的原理和使用注意事項(xiàng)，然后利用中山大學(xué)2004年10月在珠江三角洲地區(qū)的大氣邊界層觀測(cè)資料簡(jiǎn)單介紹如何使用數(shù)學(xué)軟件Matlab來(lái)分析測(cè)風(fēng)資料。

1 雙經(jīng)緯儀基線測(cè)風(fēng)的原理[1-2]

雙經(jīng)緯儀基線測(cè)風(fēng)的定義是：把兩臺(tái)光學(xué)測(cè)風(fēng)經(jīng)緯儀分別安裝在已知距離的兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)上，同時(shí)觀測(cè)氣球的運(yùn)動(dòng)，讀出仰角、方位角然后利用三角法或矢量法計(jì)算氣球高度和風(fēng)向、風(fēng)速，計(jì)算方法詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)1-2。

雙經(jīng)緯儀基線測(cè)風(fēng)的基本要求是：①具備兩臺(tái)觀測(cè)精度優(yōu)于0.05o的光學(xué)測(cè)風(fēng)經(jīng)緯儀。②熟練掌握經(jīng)緯儀的調(diào)平、追蹤和讀數(shù)的觀測(cè)人員，每次觀測(cè)兩點(diǎn)各需兩人，一人觀測(cè)，一人記錄和指揮。③選擇適當(dāng)?shù)幕€。一般選擇基線與盛行風(fēng)向垂直，使計(jì)算簡(jiǎn)單；基線的長(zhǎng)度至少要大于所需測(cè)風(fēng)高度的1/5或2/5，以保證測(cè)高準(zhǔn)確度；在基線兩端之間無(wú)任何障礙物阻擋視線，能即時(shí)進(jìn)行氣球觀測(cè)。④兩點(diǎn)之間有專門(mén)的通訊聯(lián)絡(luò)（如：對(duì)講機(jī)），保證兩臺(tái)經(jīng)緯儀能同時(shí)測(cè)定氣球的仰角、方位角，這對(duì)提高測(cè)高準(zhǔn)確度極為重要。

雙經(jīng)緯儀基線測(cè)風(fēng)要求兩臺(tái)觀測(cè)精度優(yōu)于0.05o的光學(xué)測(cè)風(fēng)經(jīng)緯儀，而經(jīng)緯儀由于制造、安裝精度不夠，或維護(hù)保管不當(dāng)，年久失修會(huì)有各種儀器誤差；因此在每次使用經(jīng)緯儀前，應(yīng)對(duì)其各種儀器誤差進(jìn)行檢查，并盡量予以消除以達(dá)到精度要求。觀測(cè)者能比較方便地檢查到的兩個(gè)儀器誤差：一是水準(zhǔn)泡與底盤(pán)不平行的儀器誤差，如在水準(zhǔn)泡處于某一位置時(shí)，將水準(zhǔn)泡調(diào)平，使空泡處于管的中心，若將經(jīng)緯儀繞垂直軸旋轉(zhuǎn)180o后，水準(zhǔn)空泡偏離中心，則需調(diào)整水準(zhǔn)泡的主軸線。另一個(gè)儀器誤差是準(zhǔn)值誤差，可通過(guò)下述步驟加以確認(rèn)：先讓經(jīng)緯儀觀測(cè)一個(gè)固定目標(biāo)物，讀出它的仰角和方位角，然后將經(jīng)緯儀繞垂直軸旋轉(zhuǎn)180o，再將仰角盤(pán)繞水平軸旋轉(zhuǎn)，重新對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)物，并讀出仰角和方位角，新的仰角和方位角讀數(shù)±180o應(yīng)與原讀數(shù)相等，如有偏移，則是因?yàn)榻?jīng)緯儀垂直軸與底盤(pán)沒(méi)能保持垂直，或光學(xué)系統(tǒng)光軸沒(méi)能保持垂直所造成。

在每次觀測(cè)前，都應(yīng)對(duì)經(jīng)緯儀進(jìn)行調(diào)平；在每次觀測(cè)后，都要檢查經(jīng)緯儀是否保持水平。經(jīng)緯儀包括一個(gè)水準(zhǔn)管及三個(gè)調(diào)平螺旋，首先將水準(zhǔn)管與儀器的豎軸保持垂直，使水準(zhǔn)管與任意兩個(gè)調(diào)平螺旋平行，轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)平螺旋使水準(zhǔn)泡處于正中，然后將經(jīng)緯儀轉(zhuǎn)動(dòng)120o再次調(diào)整水平。一般說(shuō)來(lái)，若儀器沒(méi)有問(wèn)題經(jīng)過(guò)兩次調(diào)平后，整個(gè)經(jīng)緯儀的底盤(pán)已處于水平面上，此時(shí)任意旋轉(zhuǎn)經(jīng)緯儀，水準(zhǔn)泡將始終保持在中間位置，此時(shí)經(jīng)緯儀的仰角讀數(shù)才是正確的。

經(jīng)緯儀測(cè)風(fēng)儀器小而輕便，角坐標(biāo)測(cè)量精度較高，但易受到天氣條件的限制，只適用于能見(jiàn)度好的少云天氣，夜間必需配掛可見(jiàn)光源，陰雨天氣只能在可見(jiàn)氣球高度內(nèi)測(cè)風(fēng)，但天氣好時(shí)觀測(cè)高度則較高，能達(dá)到2000～3000m。單經(jīng)緯儀測(cè)風(fēng)是采用固定升速來(lái)確定高度，2004年10月和2006年7月的兩次觀測(cè)都發(fā)現(xiàn)珠江三角洲地區(qū)氣球升速變化很大，單經(jīng)緯儀測(cè)風(fēng)誤差較大，不宜采用。雙經(jīng)緯儀基線測(cè)風(fēng)是采用氣球的實(shí)測(cè)高度進(jìn)行高空風(fēng)的計(jì)算，準(zhǔn)確率較高，兩次觀測(cè)雙經(jīng)緯儀測(cè)風(fēng)都較好的觀測(cè)到了珠江三角洲地區(qū)的風(fēng)場(chǎng)特征，是一種較好的測(cè)風(fēng)方式。系留汽艇測(cè)風(fēng)優(yōu)點(diǎn)眾多，如使用方便、觀測(cè)精度高、觀測(cè)項(xiàng)目較多且資料容易處理等，目前北京和蘭州等地在大氣邊界層研究中多采用系留汽艇測(cè)風(fēng)；但系留汽艇觀測(cè)高度不夠高，北京[3]和蘭州[4-5]的觀測(cè)表明觀測(cè)高度一般最高能達(dá)到800m左右，而珠江三角洲地區(qū)觀測(cè)資料表明風(fēng)向轉(zhuǎn)換高度經(jīng)常在800m以上，同時(shí)在1000m以上高空經(jīng)常觀測(cè)到逆溫層；系留汽艇只有在風(fēng)速較小時(shí)才能使用，且珠江三角洲地區(qū)機(jī)場(chǎng)和航線較多，使用風(fēng)險(xiǎn)較大。因此系留汽艇觀測(cè)在珠江三角洲地區(qū)大氣邊界層觀測(cè)中有其局限性，雙經(jīng)緯儀基線測(cè)風(fēng)仍將是該地區(qū)大氣邊界層和大氣環(huán)境研究中一個(gè)必要的手段和有益的補(bǔ)充。但值得提出的是，廣東目前的光學(xué)經(jīng)緯儀大多年久失修，能用于正常觀測(cè)的較少。

2 雙經(jīng)緯儀基線測(cè)風(fēng)資料的分析

Matlab是美國(guó)MathWorks公司推出的工程計(jì)算及數(shù)值分析軟件，功能強(qiáng)大，擁有非常豐富的資源，集數(shù)值運(yùn)算、圖像與信號(hào)處理、圖形顯示和可視化圖形用戶界面設(shè)計(jì)于一體，編譯環(huán)境友善靈活，，極易上手，此外還提供了與其他高級(jí)語(yǔ)言如C、Fortran等的接口[6]。本文利用2004年10月珠江三角洲地區(qū)的觀測(cè)資料簡(jiǎn)要介紹如何使用Matlab分析測(cè)風(fēng)資料。

本文采用矢量法算出各高度上的風(fēng)向和風(fēng)速，為分析方便，將觀測(cè)資料線性插值平均處理到50m的分辨率，圖1給出了插值前后的對(duì)比，線性插值反映了原始資料的變化趨勢(shì)，便于資料的分析和處理。單站點(diǎn)的風(fēng)觀測(cè)資料可以繪制風(fēng)廓線隨時(shí)間變化圖，首先將各觀測(cè)時(shí)刻不同高度的風(fēng)資料按時(shí)間和高度順序處理成以下格式，文件名為Wind，文件格式為.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?yàn)椋?/p>

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

Time=Windday（：，1）； %賦值，第1列為時(shí)間

Height=Windday （：，2）； %賦值，第2列為高度

WV= Windday （：，3）； %賦值，第3列為風(fēng)速

WD= Windday （：，4）； %賦值，第4列為風(fēng)向

U=Windday（：，5）； %賦值，U風(fēng)，此處也可寫(xiě)成U=-WV.*sin（WD.*pi/180）

V=Windday（：，6）； %賦值，V風(fēng)，此處也可寫(xiě)成V=-WV.*cos（WD.*pi/180）

quiver（Time，Height，U，V，1，k）； %繪圖命令，二維矢量圖

axis equal； %保持縱坐標(biāo)與橫坐標(biāo)一致，即圖形顯示風(fēng)向?yàn)轱L(fēng)的實(shí)際風(fēng)向

axis（[0，2500，0，3000]）； %縱坐標(biāo)與橫坐標(biāo)的范圍

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}）； %指定縱坐標(biāo)與橫坐標(biāo)的顯示方式

print（-dtiff，[ AA]）； %圖片的自動(dòng)輸出和保存，圖片名稱為AA，圖片格式為tif

其中quiver為程序的核心，可在Command Window中輸入help quiver了解更多詳情。運(yùn)行該程序，則得到2004年10月16日廣州市番禺區(qū)新墾風(fēng)廓線圖（圖1）。由圖1可知，16日新墾系統(tǒng)風(fēng)為東北風(fēng)，02～14時(shí)在600m以下為東北風(fēng)且風(fēng)速較小，17～23時(shí)低層為偏南風(fēng)且風(fēng)速較大，偏南風(fēng)環(huán)流高度隨時(shí)間逐步抬升，23時(shí)達(dá)到最高700m左右。多站點(diǎn)風(fēng)觀測(cè)資料則可以采用對(duì)比分析，圖2給出了2004年10月15日珠江三角洲地區(qū)清遠(yuǎn)、番禺和新墾三地大氣邊界層風(fēng)速和風(fēng)向觀測(cè)資料的對(duì)比，由圖可知，08時(shí)和14時(shí)三地風(fēng)向一致，都為東北風(fēng)，20時(shí)三地風(fēng)向有明顯差異，番禺和新墾兩地在低層都有明顯風(fēng)向切變。

3 小結(jié)

本文簡(jiǎn)單介紹了雙經(jīng)緯儀基線測(cè)風(fēng)的原理，指出雙經(jīng)緯儀基線測(cè)風(fēng)仍將是珠江三角洲地區(qū)大氣邊界層觀測(cè)研究中一種必不可少的方法；然后簡(jiǎn)單介紹了如何使用數(shù)學(xué)軟件Matlab來(lái)分析測(cè)風(fēng)資料，給出了2004年10月在珠江三角洲地區(qū)測(cè)風(fēng)資料的分析實(shí)例，為以后大氣邊界層風(fēng)觀測(cè)資料的處理與分析提供了一種簡(jiǎn)單、可行的方法。Matlab功能強(qiáng)大且編寫(xiě)程序簡(jiǎn)單，若得到充分利用則將在氣象科研、預(yù)報(bào)和科技服務(wù)上發(fā)揮更大的作用[6-8]。

參考文獻(xiàn)：

[1]林曄，王慶安，顧松山，林國(guó)安.大氣探測(cè)學(xué)教程[M].北京：氣象出版社，1993：286-326.

[2]張?zhí)@琛.現(xiàn)代氣象觀測(cè)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2000：228-299.

[3]卞林根，程彥杰，王欣，等. 北京大氣邊界層中風(fēng)和溫度廓線的觀測(cè)研究[J]. 應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2002 ，13 （特刊） ：13-25.

[4]張強(qiáng)，呂世華，張廣庶.山谷城市大氣邊界層結(jié)構(gòu)及輸送能力[J].高原氣象，2003，22（4）：346-353.

[5]張?jiān)７?，陳長(zhǎng)和.冬季蘭州城市上空層結(jié)特征的分析研究[J].蘭州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1998，34（2）：104-110.

[6]張志涌，等.精通MATLAB6.5版[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003：234-275，310-359.

[7]蘇金明，阮沈勇，王永利. MATLAB工程數(shù)學(xué)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[8]黃嘉佑.氣象統(tǒng)計(jì)分析與預(yù)報(bào)方法（第二版）[M].北京：氣象出版社，2000：1-302.

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