超聲波測(cè)風(fēng)儀外場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

蔡 彤，柯莉萍，徐文隆，呂 靜，張 丹

(1.貴州省威寧縣氣象局；威寧 553100；2.貴州省大氣探測(cè)與技術(shù)保障中心，貴陽(yáng) 550081)

0 引言

測(cè)風(fēng)儀在氣象、民航、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域都發(fā)揮著重要的作用。目前在各領(lǐng)域中使用較多的是傳統(tǒng)機(jī)械式測(cè)風(fēng)儀，根據(jù)風(fēng)向標(biāo)和風(fēng)杯的轉(zhuǎn)動(dòng)判斷風(fēng)向和風(fēng)速。傳統(tǒng)測(cè)風(fēng)儀在長(zhǎng)時(shí)間使用中，機(jī)械磨損會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)部件摩擦老化，從而影響測(cè)量的準(zhǔn)確性[1]。隨著科技的發(fā)展，越來(lái)越多的先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用到了測(cè)風(fēng)儀上，超聲波就是其中之一。超聲波測(cè)風(fēng)儀是利用超聲波時(shí)差法實(shí)現(xiàn)風(fēng)速的測(cè)量，若超聲波的傳播方向與風(fēng)向相反，就會(huì)減小聲波的傳播速度，反之則增大[2]。與傳統(tǒng)機(jī)械測(cè)風(fēng)儀相比，超聲波測(cè)風(fēng)儀測(cè)風(fēng)過(guò)程中具有無(wú)機(jī)械磨損，反應(yīng)速度快、測(cè)量準(zhǔn)確度高、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，使用前景廣闊[3,4]。超聲波測(cè)風(fēng)儀在國(guó)外發(fā)展運(yùn)用已經(jīng)很多年，中國(guó)發(fā)展相對(duì)較晚。

按照中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心超聲波測(cè)風(fēng)儀測(cè)試方案及《超聲波測(cè)風(fēng)儀功能需求書(shū)》、《氣象觀(guān)測(cè)專(zhuān)用技術(shù)裝備測(cè)試方法》的要求，超聲波測(cè)風(fēng)儀應(yīng)在至少3個(gè)不同氣候特點(diǎn)的區(qū)域進(jìn)行測(cè)試，為滿(mǎn)足有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)定的可靠性要求，文章遴選了遼寧盤(pán)錦、貴州威寧、新疆達(dá)坂城、廣東博賀為風(fēng)試驗(yàn)外場(chǎng)開(kāi)展超聲波測(cè)風(fēng)儀外場(chǎng)試驗(yàn)。威寧縣位于貴州省西北部高寒山區(qū)，年均凍雨日數(shù)24 d，平均海拔高度2200 m，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，年平均風(fēng)力等級(jí)3級(jí)以上，且具有年溫差小、日溫差大的特點(diǎn)，氣候條件較為特殊[5，6]。

1 觀(guān)測(cè)儀器和資料及處理方法

1.1 觀(guān)測(cè)儀器和資料

威寧國(guó)家基準(zhǔn)站外場(chǎng)試驗(yàn)安裝了華云(HY-UWS01)、新氣象(ZQZ-TSF)、上海長(zhǎng)望(SHUW-Ⅱ)、天津(EC-01)4個(gè)廠(chǎng)家的超聲波測(cè)風(fēng)儀，1套天津的機(jī)械式風(fēng)傳感器(測(cè)風(fēng)儀風(fēng)向EL15-2D，風(fēng)速WL15-2A)，彼此間距不小于1 m。超聲波測(cè)風(fēng)儀在試驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi)與臺(tái)站現(xiàn)有觀(guān)測(cè)設(shè)備相互之間不影響，傳感器安裝于距地面水準(zhǔn)點(diǎn)1.5 m高的地面基礎(chǔ)上，保證水平，超聲波測(cè)風(fēng)儀中心點(diǎn)距其他設(shè)備及步道的距離大于2 m，超聲波測(cè)風(fēng)儀和機(jī)械式風(fēng)向、風(fēng)速傳感器布設(shè)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導(dǎo)致的風(fēng)速風(fēng)向誤差。

所用數(shù)據(jù)為2020-09-01T08：00—2020-09-30T20：00的4套超聲波測(cè)風(fēng)儀(華云、新氣象、上海長(zhǎng)望、天津)的逐分鐘觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)以及同期的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，包括：2 min平均風(fēng)向、2 min平均風(fēng)速、10 min平均風(fēng)向、10 min平均風(fēng)速、分鐘內(nèi)極大風(fēng)速和小時(shí)內(nèi)極大風(fēng)速等。

1.2 采用方法

采用機(jī)械風(fēng)向、風(fēng)速傳感器數(shù)據(jù)作為參考，使用相應(yīng)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，將超聲波測(cè)風(fēng)儀的觀(guān)測(cè)資料與其進(jìn)行對(duì)比評(píng)估分析。

1.2.1 數(shù)據(jù)完整性

以分鐘數(shù)據(jù)為測(cè)試評(píng)估分析單位，排除由于外界干擾因素造成的數(shù)據(jù)缺測(cè)時(shí)間，對(duì)每套測(cè)風(fēng)儀輸出的數(shù)據(jù)完整性作缺測(cè)率評(píng)估。

1)計(jì)算公式：

(1)

式中，R為缺測(cè)率；M為測(cè)試期內(nèi)累積缺測(cè)次數(shù)；N為測(cè)試期內(nèi)應(yīng)觀(guān)測(cè)總次數(shù)。

2)測(cè)試評(píng)估指標(biāo)：缺測(cè)率(%)≤2%。

1.2.2 數(shù)據(jù)一致性

以機(jī)械風(fēng)傳感器測(cè)量結(jié)果為約定真值，用機(jī)械風(fēng)傳感器數(shù)據(jù)對(duì)比超聲波測(cè)風(fēng)儀觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確性的評(píng)估，分別計(jì)算兩者之間的系統(tǒng)誤差、標(biāo)準(zhǔn)偏差[7，8]。具體公式如下：

(2)

式中，xdi為超聲波觀(guān)測(cè)儀第i次測(cè)量值；xsi為機(jī)械風(fēng)傳感器第i次觀(guān)測(cè)值；n為對(duì)比觀(guān)測(cè)次數(shù)。

2)標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ)

(3)

3)測(cè)試評(píng)估指標(biāo)

風(fēng)速：σ≤0.1 m/s(≤5 m/s)；σ≤2%(>5 m/s)；

風(fēng)向：σ≤2°(≤5 m/s)；σ≤2%(>5 m/s)。

2 結(jié)果分析

2.1 數(shù)據(jù)完整性

對(duì)每套測(cè)風(fēng)儀輸出的數(shù)據(jù)完整性作缺測(cè)率評(píng)估(實(shí)驗(yàn)期間每套測(cè)風(fēng)儀應(yīng)測(cè)量42，480次)，實(shí)際測(cè)量次數(shù)以及缺測(cè)率如下，華云、新氣象、上海長(zhǎng)望、天津4套測(cè)風(fēng)儀缺測(cè)率分別為：0.00471%、0.00706%、0.00235%、0.00942%，均小于2%，符合測(cè)試評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 數(shù)據(jù)一致性

2.2.1 系統(tǒng)誤差分析

通過(guò)分析各廠(chǎng)家機(jī)械風(fēng)與超聲風(fēng)之間的系統(tǒng)誤差，可以得出：華云和新氣象的超聲波測(cè)風(fēng)儀的系統(tǒng)誤差均為負(fù)偏差，上海長(zhǎng)望的為正偏差，天津的超聲波測(cè)風(fēng)儀在風(fēng)速上為負(fù)偏差，而在風(fēng)向上為正偏差。具體系統(tǒng)誤差分析如下：1)2 min平均風(fēng)向：天津和新氣象的超聲波測(cè)風(fēng)儀系統(tǒng)誤差較小都在±0.3°以?xún)?nèi)，其次是上海長(zhǎng)望，為0.72°，華云的系統(tǒng)誤差最大，為-1.746°；2)2 min平均風(fēng)速：華云的系統(tǒng)誤差最大為-0.167 m/s，除華云外，其余3套的系統(tǒng)誤差都在±0.07 m/s以?xún)?nèi)； 3)10 min平均風(fēng)向：天津和新氣象的系統(tǒng)誤差較小，其次是上海長(zhǎng)望，為0.740°，華云的系統(tǒng)誤差最大，為-1.717°；4)10 min平均風(fēng)速：4套超聲波測(cè)風(fēng)儀的系統(tǒng)誤差差距較大，其中新氣象的系統(tǒng)誤差最小，為-0.004 m/s，華云的系統(tǒng)誤差最大，為-0.210 m/s。

2.2.2 標(biāo)準(zhǔn)偏差分析

表1為機(jī)械風(fēng)與超聲風(fēng)之間的標(biāo)準(zhǔn)偏差，從表中可以看出：2 min、10 min平均風(fēng)向的標(biāo)準(zhǔn)偏差都在9°以上，而風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)偏差都未超過(guò)0.3 m/s。除此之外，10 min平均風(fēng)向、風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)偏差皆小于2 min平均風(fēng)向、風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)偏差。1)2 min平均風(fēng)向：4套超聲波測(cè)風(fēng)儀的標(biāo)準(zhǔn)差都在20°以?xún)?nèi)，華云和新氣象的標(biāo)準(zhǔn)偏差比較接近，上海長(zhǎng)望和天津的偏差較大，差值為1.857°；2)2 min平均風(fēng)速：4套超聲波測(cè)風(fēng)儀的標(biāo)準(zhǔn)差都小于0.230 m/s，其中，天津的標(biāo)準(zhǔn)偏差最小為0.185 m/s，華云的最大為0.225 m/s；3)10 min平均風(fēng)向：新氣象和天津的標(biāo)準(zhǔn)偏差較小，偏差都在10°以?xún)?nèi)，其次是上海長(zhǎng)望標(biāo)準(zhǔn)偏差為10.744°，華云的最大為11.266°；4)10 min平均風(fēng)速：新氣象、上海長(zhǎng)望和天津3套超聲波測(cè)風(fēng)儀的標(biāo)準(zhǔn)偏差都相差不大，都處于0.145 m/s附近，但華云的偏差相對(duì)較大，為0.161 m/s。

表1 機(jī)械風(fēng)與超聲風(fēng)之間的標(biāo)準(zhǔn)偏差

2.2.3 風(fēng)向頻率對(duì)比分析

由玫瑰圖可知，4種超聲風(fēng)與機(jī)械風(fēng)的風(fēng)向變化一致，N頻率最高，W頻率最小。

3 誤差分析

4套超聲波測(cè)風(fēng)儀無(wú)論是系統(tǒng)誤差還是標(biāo)準(zhǔn)偏差，風(fēng)向偏差明顯大于風(fēng)速偏差。造成這一現(xiàn)象的原因可能是超聲波測(cè)風(fēng)儀的風(fēng)向受到了風(fēng)速的影響。以天津的超聲波測(cè)風(fēng)儀為例進(jìn)行風(fēng)向偏差(超聲波測(cè)風(fēng)儀風(fēng)向-機(jī)械風(fēng)風(fēng)向)與其風(fēng)速的相關(guān)性分析，分析發(fā)現(xiàn)：風(fēng)向偏差與風(fēng)速之間的相關(guān)性通過(guò)0.01水平的顯著性檢驗(yàn)，2 min、10 min平均風(fēng)向之間的差值與其對(duì)應(yīng)風(fēng)速存在負(fù)相關(guān)，且2 min、10 min平均風(fēng)速范圍為0.0～3.7 m/s、0.0～3.3 m/s，故將4套超聲波測(cè)風(fēng)儀的風(fēng)速劃分為3個(gè)等級(jí)，分別是0.0～0.5 m/s、0.6～1.0 m/s、大于1.0 m/s，分別計(jì)算4套超聲測(cè)風(fēng)儀的2 min、10 min平均風(fēng)向的系統(tǒng)誤差與標(biāo)準(zhǔn)偏差。

從2 min、10 min超聲測(cè)風(fēng)儀、機(jī)械風(fēng)傳感器平均風(fēng)向的系統(tǒng)誤差統(tǒng)計(jì)可以看出：整體上華云的超聲波測(cè)風(fēng)儀平均風(fēng)向的系統(tǒng)誤差最大，3個(gè)等級(jí)風(fēng)速對(duì)應(yīng)的平均風(fēng)向系統(tǒng)誤差集中在-1.70°附近；天津的系統(tǒng)誤差最小，3個(gè)等級(jí)風(fēng)速對(duì)應(yīng)的平均風(fēng)向系統(tǒng)誤差都在±0.50°以?xún)?nèi)。華云、新氣象和天津3套超聲波測(cè)風(fēng)儀在3個(gè)等級(jí)風(fēng)速對(duì)應(yīng)的平均風(fēng)速系統(tǒng)誤差較穩(wěn)定，上海長(zhǎng)望的在0.6～1.0 m/s等級(jí)風(fēng)速上的系統(tǒng)誤差較大。

統(tǒng)計(jì)分析2 min、10 min超聲測(cè)風(fēng)儀、機(jī)械風(fēng)傳感器平均風(fēng)向的標(biāo)準(zhǔn)偏差可以看出：除新氣象10 min平均風(fēng)向的標(biāo)準(zhǔn)偏差是隨風(fēng)速的增大而增大以外，其余超聲波測(cè)風(fēng)儀的標(biāo)準(zhǔn)偏差都是隨著風(fēng)速的增加而減小。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章將4套不同型號(hào)超聲波測(cè)風(fēng)儀的觀(guān)測(cè)資料與機(jī)械式風(fēng)向、風(fēng)速傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，主要分析了數(shù)據(jù)完整性和一致性，并通過(guò)討論得出相應(yīng)結(jié)論，希望為相關(guān)工作人員在儀器選擇和儀器升級(jí)方面提供參考。