雙經(jīng)緯儀測風(fēng)在L 波段測風(fēng)雷達遷移的數(shù)據(jù)評估應(yīng)用

韓 玲，朱彩霞，劉立輝，馬廷德

（1.甘肅省氣象局，甘肅 蘭州 730020；2.酒泉市氣象局，甘肅 酒泉 735000；3.邢臺市氣象局，河北 邢臺 054000）

榆中國家基準(zhǔn)氣候站于1954 年1 月建站至今，屬于國家基本觀測站、探空站，是國家觀測站網(wǎng)的重要站點，承擔(dān)著榆中縣氣象基礎(chǔ)數(shù)據(jù)觀測和大氣探測采集與傳輸?shù)戎匾蝿?wù)。榆中探空站每天開展02 時、08 時、20 時3 個時次的觀測任務(wù)，參與全球數(shù)據(jù)交換業(yè)務(wù)，地理位置非常重要。但是近年來，隨著榆中縣經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，城市建設(shè)規(guī)模不斷擴大，城市的發(fā)展對氣象探測環(huán)境產(chǎn)生了一定的影響，尤其是電磁波干擾嚴(yán)重影響到了榆中探空站的數(shù)據(jù)精準(zhǔn)性，為了提高改善雷達的探測環(huán)境、靈敏度和觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量，并提升氣象服務(wù)質(zhì)量，對L波段測風(fēng)雷達及臺站氣象業(yè)務(wù)進行院內(nèi)整體遷移。

1 榆中國家基準(zhǔn)氣候站L 波段測風(fēng)雷達遷移位置說明

榆中國家基準(zhǔn)氣候站原雷達平臺經(jīng)緯度為東經(jīng)104°08′36″，北緯35°52′02″，擬遷移新雷達平臺東經(jīng)104°08′32″，北緯35°52′03″；雷達天線高度由原來的1884.1m，變?yōu)?898.1m，升高14m；經(jīng)實地測量，新雷達平臺與舊雷達平臺距離90m，放球點采用原位置不變，探空站海拔高度和氣壓傳感器海拔高度均以榆中國家基準(zhǔn)氣候站地面自動氣象站為準(zhǔn)，不需改變。

2 數(shù)據(jù)比對分析的觀測方法

雙經(jīng)緯儀基線測風(fēng)是科研和大氣環(huán)境評價中常用手段之一，榆中L 波段測風(fēng)雷達的遷移數(shù)據(jù)評估就采用雙經(jīng)緯儀基線測風(fēng)方法。雙經(jīng)緯儀基線測風(fēng)就是把兩臺光學(xué)測風(fēng)經(jīng)緯儀分別安裝在已知距離的兩個觀測點上，同時觀測氣球的運動，讀出仰角、方位角然后利用三角法或矢量法計算氣球高度和風(fēng)向、風(fēng)速。雙經(jīng)緯儀基線測風(fēng)的基本要求是：具備兩臺觀測精度優(yōu)于0.05°的光學(xué)測風(fēng)經(jīng)緯儀；熟練掌握經(jīng)緯儀的調(diào)平、追蹤和讀數(shù)的觀測人員，每次觀測兩點各需倆人，一人觀測，一人記錄和指揮；選擇適當(dāng)?shù)幕€。一般選擇基線與盛行風(fēng)向垂直。本文就2020 年4 月7 日—4 月30 日14 時（施放時間13：15 分）在榆中觀測站新舊雷達地址利用雙經(jīng)緯儀小球觀測。經(jīng)緯儀測風(fēng)儀器小而輕便，方位角和仰角坐標(biāo)測量精度較高，但容易受到天氣條件的限制，只適用于能見度好的少云天氣，夜間還必須配掛可見光源，為了更好提高測量精度，榆中站選擇每天中午觀測，共觀測15 個時次。

3 雙經(jīng)緯儀基線測風(fēng)觀測準(zhǔn)備及觀測過程

在新舊地址選擇兩個四周沒有遮擋物，觀測條件最佳的位置，將經(jīng)緯儀位置固定，新址經(jīng)緯儀架設(shè)點為雷達搬移后經(jīng)緯儀固定觀測點。舊址經(jīng)緯儀觀測前進行固定目標(biāo)物的器差檢查，器差允許范圍在仰角-0.3°＜Δβ＜0.3°，方位角-0.5°≤Δα≤0.5°，即可使用。新址架設(shè)經(jīng)緯儀并進行標(biāo)定（建議用北極星法），在距離大于250m 范圍內(nèi)不同方位、距離上選取適合白天、夜間觀測時用的固定目標(biāo)物，即孤立的燈光、塔尖等體積盡量小的目標(biāo)物為固定目標(biāo)物，且讀取對應(yīng)的仰角、方位角為以后觀測時使用，同時測出放球點距離、方位角、仰角。同樣在觀測前利用固定目標(biāo)物進行經(jīng)緯儀器差檢查，器差在允許范圍內(nèi)可使用。保證兩臺經(jīng)緯儀能同時測定氣球的仰角、方位角，這對提高測高準(zhǔn)確度極為重要。在每次觀測前，都應(yīng)對經(jīng)緯儀進行調(diào)平，且讀取固定目標(biāo)物仰角、方位角數(shù)據(jù)；在每次觀測后，都要檢查經(jīng)緯儀是否保持水平，同樣讀取固定目標(biāo)物仰角、方位角數(shù)據(jù)，檢查經(jīng)緯儀器差，是否在器差允許范圍內(nèi)。

每時次觀測前準(zhǔn)備對講機、報分鐘（秒表）歸零上發(fā)條，確定一人發(fā)令施放并及時啟動報分鐘，觀測員同時在新舊址跟蹤目標(biāo)物，發(fā)令者利用對講機55s 發(fā)出預(yù)備指令，觀測員將球影調(diào)至十字線附近，60s 發(fā)出讀數(shù)訊號，觀測員將球影調(diào)至十字線中間，并準(zhǔn)確讀出仰角、方位角，讀數(shù)精確到小數(shù)點后一位，至觀測結(jié)束。將觀測的仰角、方位角數(shù)據(jù)輸入L波段（Ⅰ型）數(shù)據(jù)處理軟件計算出該時次各高度間的平均風(fēng)向、風(fēng)速即量得風(fēng)層風(fēng)向、風(fēng)速資料。

為保證資料的精確性，每時次觀測時間不得小于30min，如遇天氣狀況不良觀測時間不足，順延下一日觀測，確保數(shù)據(jù)達到15 個時次，在放球前需向軍方和民航部門申請空域。

4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

依據(jù)榆中站2020 年4 月7 日—30 日15 個時次雙經(jīng)緯儀小球測風(fēng)在新、舊址觀測獲取仰角、方位角數(shù)據(jù)計算所得量得風(fēng)層的風(fēng)向、風(fēng)速進行統(tǒng)計、分析。本文選擇具有代表性的4 月13 日13 時觀測數(shù)據(jù)如圖1—4 所示:

圖1 2020 年4 月13 日新舊址仰角對比

圖2 2020 年4 月13 日新舊址方位角對比

圖3 2020 年4 月13 日新舊址風(fēng)向?qū)Ρ?/p>

圖4 2020 年4 月13 日新舊址風(fēng)速對比

仰角、方位角1～10 分對比差值較大，可能是新舊址經(jīng)緯儀讀數(shù)時間有誤差造成或舊址觀測員讀數(shù)錯誤造成偏差大，因此影響到各高度量得風(fēng)層風(fēng)向、風(fēng)速的計算，致使 8.5 分量得風(fēng)層風(fēng)向差值達166°，在數(shù)據(jù)評估是在超差同范圍內(nèi)，可以剔除，但風(fēng)速影響不大。

通過15 個時次新、舊址仰角、方位角、量得風(fēng)層風(fēng)向、風(fēng)速依次進行的數(shù)據(jù)比對分析得出結(jié)論：

（1）仰角1～5min 對比數(shù)據(jù)誤差較大，10min 后對比數(shù)據(jù)較穩(wěn)定，在計算各時次平均值時以數(shù)值較穩(wěn)定為主計算，這在平時的雷達、經(jīng)緯儀對比觀測中屬正?，F(xiàn)象。

（2）方位角1～10min 對比數(shù)據(jù)誤差較大，在計算各時次平均值時也有較大取舍，同樣在平時的雷達、經(jīng)緯儀對比觀測中屬正常現(xiàn)象。

（3）量得風(fēng)層風(fēng)向、風(fēng)速對比數(shù)據(jù)的平均值計算，主要對應(yīng)仰角、方位角取舍數(shù)據(jù)計算。故15 時次平均數(shù)據(jù)較穩(wěn)定。

5 結(jié)論

（1）雙經(jīng)緯儀基線測風(fēng)仍將是大氣邊界層和大氣環(huán)境研究中一個必要的手段，在榆中國家基準(zhǔn)氣候站L 波段測風(fēng)雷達遷移的數(shù)據(jù)評估中提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)資料。

（2）通過榆中國家基準(zhǔn)站2020 年4 月7 日—30日經(jīng)過15 個時次的經(jīng)緯儀觀測數(shù)據(jù)的比對，除個別數(shù)據(jù)誤差較大剔除外，仰角平均值為-0.6°、方位角平均值為-2.0°、量得風(fēng)層風(fēng)向平均值為-1°、量得風(fēng)層風(fēng)速平均值為0m/s，故新址雷達搬移后對觀測數(shù)據(jù)基本無影響。

（3）新址與舊址距離較近，對站網(wǎng)布局影響較??；新址與舊址地處同一氣候區(qū)，下墊面基本一致，高空風(fēng)基本一致；榆中站探空觀測資料完整性、均一性較好。