李昕娣，黃飛龍

（廣東省氣象探測數(shù)據(jù)中心，廣東廣州　510080）

自動氣象站風(fēng)速風(fēng)向兩種計算方法的比較

李昕娣，黃飛龍

（廣東省氣象探測數(shù)據(jù)中心，廣東廣州510080）

以廣州蘿崗觀測場同時運(yùn)行的DZZ1-2型和DZZ1-2N型2套采用不同算法的自動站為研究對象，以風(fēng)速、風(fēng)向傳感器的計算方法為例，獲得8 688組采樣數(shù)據(jù)，對比分析了新舊2種算法得出的計算結(jié)果，列出差值分布概率和相關(guān)性，得出新舊2種算法差值分布概率一致、計算結(jié)果強(qiáng)相關(guān)，且新算法采用加權(quán)平均以固定步長計算滑動平均值的方法，解決了原算法3 s滑動平均值計算的不合理性，因此可以替代原算法應(yīng)用于新型自動氣象站。

風(fēng)速；風(fēng)向；自動氣象站

李昕娣，黃飛龍.自動氣象站風(fēng)速風(fēng)向兩種計算方法的比較［J］.廣東氣象，2015，38（4）：46-48.

現(xiàn)代氣象業(yè)務(wù)對綜合氣象觀測提出了更高的要求，現(xiàn)有自動氣象站在觀測能力上存在著嚴(yán)重不足、技術(shù)落后，觀測儀器功能規(guī)格不統(tǒng)一、型號繁多。我國近十年來地面氣象觀測站網(wǎng)大量使用自動氣象站和自動氣候站考核，取得了許多成功的經(jīng)驗(yàn)，為實(shí)現(xiàn)多功能、全要素、統(tǒng)一型號的新型自動氣象（氣候）站提供基礎(chǔ)。中國氣象局綜合觀測司要求自動站生產(chǎn)廠家以《新型自動氣象（氣候）站功能需求書》（2012修訂版）為標(biāo)準(zhǔn)，組織研發(fā)、生產(chǎn)型號統(tǒng)一的自動氣象站?！兜孛鏆庀笥^測規(guī)范》（2003版）［1］和《新型自動氣象（氣候）站功能需求書》（2012修訂版）［2］中對自動氣象觀測系統(tǒng)中的風(fēng)速、風(fēng)向計算方法有不同的規(guī)定，為了對2種算法進(jìn)行比較，本研究以廣州蘿崗觀測場同時運(yùn)行的2套自動站為研究對象，獲得8 688組觀測數(shù)據(jù)，分別采用不同算法對風(fēng)速、風(fēng)向采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

1　不同算法

《地面氣象觀測規(guī)范》（2003）版（以下簡稱“舊算法”）與《新型自動氣象（氣候）站功能需求書》（2012修訂版）（以下簡稱“新算法”）中對風(fēng)速、風(fēng)向的計算方法不同，具體規(guī)定見參考文獻(xiàn)［1-2］。

1.1風(fēng)速算法

2種版本的風(fēng)速計算方法具體規(guī)定見表1。新算法較原算法在采樣頻率、3 s滑動平均值、滑動平均方法計算公式均有較大改變。

表1　自動氣象站新舊風(fēng)速計算方法對比

1.2風(fēng)向算法

1）舊算法中的規(guī)定。

風(fēng)向采用滑動平均算法，計算公式與風(fēng)速算法相同。計算：若E>180°，則從E中減去360°；若E<180°，在E上加360°。再用此E值重新計算，若新計算的>360°，則減去360°；若新計算的<0，則加上360°。

2）新算法中的規(guī)定。

其中WD為觀測時段內(nèi)的平均風(fēng)向（°）；Di為觀測時段內(nèi)第i個風(fēng)矢量的幅角（與軸的夾角）（°）；為觀測時段內(nèi)單位矢量在軸（西東方向）上的平均分量（°）；為觀測時段內(nèi)單位矢量在軸（南北方向）上的平均分量（°）；N為觀測時段內(nèi)的樣本數(shù)，由“采樣頻率”和“平均值時間區(qū)間”決定。

1.3新舊算法合理性的比較

2）新算法公式計算1 min平均風(fēng)速和2 min平均風(fēng)速時使用算術(shù)平均法，計算3 s平均風(fēng)速、10 min平均風(fēng)速時采用滑動平均法，以移動的平均樣本時間為滑動區(qū)間；風(fēng)向計算公式采用單位矢量平均法，并對平均風(fēng)向進(jìn)行修正。

2　數(shù)據(jù)對比

2.1獲取采樣數(shù)據(jù)

對比試驗(yàn)采用的方法是在同一觀測場地同時運(yùn)行分別采用新舊2種算法的兩套自動站，連續(xù)采集8 688組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)均包括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)速和分鐘內(nèi)最大瞬時風(fēng)速，將此8 688組數(shù)據(jù)作為對比觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析［4-6］。

2.2新舊算法數(shù)據(jù)的對比差值

對比差值是新算法與舊算法采集的8 688組數(shù)據(jù)觀測值之差（對比差值=新算法觀測值-舊算法觀測值），直接反映了2種算法采集數(shù)據(jù)之間的偏差［7］。2和10 min平均風(fēng)向示值新算法觀測值略大于舊算法觀測值，平均對比差值為16°；2和10 min平均風(fēng)速舊算法觀測值略大于新算法觀測值，但是2者對比差值較小，平均小于0.2 m/s（見表2）。

表2　新舊算法觀測數(shù)據(jù)的對比差值

2.3新舊算法對比差值概率分布

由新舊算法觀測數(shù)據(jù)的對比差值在不同數(shù)據(jù)段的概率分布可以看出，2和10 min平均風(fēng)向?qū)Ρ炔钪翟?0°以內(nèi)的概率達(dá)到88%、在30°以內(nèi)的概率為98%（見表3）；2和10 min平均風(fēng)速和分鐘內(nèi)最大瞬時風(fēng)速的對比差值在0.1 m/s的概率分別為40%、37%和38%；在0.4 m/s以內(nèi)的概率達(dá)到92%、93%和93%（見表4）。

表3　風(fēng)向差值在不同數(shù)據(jù)段的概率分布　　　%

表4　風(fēng)速差值在不同數(shù)據(jù)段的概率分布%

2.4新舊算法數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析和顯著性檢驗(yàn)

將廣州蘿崗平行對比觀測期間由新舊2種算法采集到的風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到8 688組對比觀測數(shù)據(jù)，其中2、10 min平均風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)為0.97，2、10 min平均風(fēng)向的相關(guān)系數(shù)為0.99，說明新舊2種算法的觀測數(shù)據(jù)強(qiáng)相關(guān)［8-9］。

對新舊算法采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行F-檢驗(yàn)雙樣本方差分析［10］可得除10 min平均風(fēng)向新舊算法F值超出臨界值外，2 min平均風(fēng)向、風(fēng)速、10 min平均風(fēng)速和分鐘內(nèi)最大瞬時風(fēng)速均不存在顯著性差異。

3　同組數(shù)據(jù)不同算法的比較

為了對2種算法直觀的比較，選取蘿崗觀測場新型站2015年5月10日09：01—11：00 2 h內(nèi)的瞬時數(shù)據(jù)作為采樣數(shù)據(jù)。新算法采樣頻率為4次/s，每分鐘共得240個數(shù)據(jù)；舊算法采樣頻率為1次/s，將上述采樣數(shù)據(jù)的每整秒數(shù)據(jù)作為舊算法參考采樣數(shù)據(jù)，每分鐘共計60個。

選取其中的10組數(shù)據(jù)（10 m/s以下），計算結(jié)果如表5。

表5　（1～10 m/s）風(fēng)速新舊算法誤差m/s

由上面一組從1～10 m/s變化區(qū)間的平均風(fēng)速數(shù)據(jù)可知，1、2和10 min平均風(fēng)速新舊2種算法結(jié)果一致；分鐘內(nèi)3 s極大風(fēng)速有較大差異，差異原因在于新算法采樣頻率為4次/s且算法以0.25 s為步長計算3 s滑動平均值；舊算法采樣頻率為1次/s，以1 s為步長計算3 s滑動平均值。新算法較舊算法采樣數(shù)據(jù)多3倍，采樣頻率的增大和步長的減小可以將采樣值平滑計算，既保留實(shí)際風(fēng)速中極大值出現(xiàn)的可能，又避免因?yàn)闃O大值引發(fā)的數(shù)值突變。風(fēng)向采集數(shù)據(jù)分析結(jié)果同上。新算法更合理、更有效地實(shí)現(xiàn)了真實(shí)數(shù)據(jù)的采集。

4　結(jié)論

該次對比試驗(yàn)采用連續(xù)采集的8 688組采樣數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分析表明，盡管存在一定偏差，但整個研究時段內(nèi)新舊2種算法觀測數(shù)據(jù)序列的相關(guān)性在2和10 min平均值均表現(xiàn)顯著。

1）該次對比試驗(yàn)在同一觀測場安裝兩套檢定合格的風(fēng)速風(fēng)向傳感器，采集器分別為使用舊算法的DZZ1-2型和使用新算法的DZZ1-2N型。鑒于傳感器本身存在性能誤差，依據(jù)氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QX/T1-2000的要求，選取最大誤差均為2°的2支風(fēng)向傳感器作為試驗(yàn)用風(fēng)向傳感器；在儀器檢定合格后對風(fēng)速檢定點(diǎn)的散點(diǎn)數(shù)據(jù)擬合，選取生成的線性回歸方程一致的兩支風(fēng)速傳感器作為試驗(yàn)用風(fēng)速傳感器，以降低傳感器本身存在的誤差對試驗(yàn)結(jié)果的影響。

2）2和10 min平均風(fēng)向均出現(xiàn)超過100°的極大差值，分析出現(xiàn)的原因有以下幾方面：（1）風(fēng)向傳感器安裝在風(fēng)桿上時是根據(jù)指北針的方向定位，但是由于人工安裝，會出現(xiàn)人工操作3°～5°的安裝誤差，導(dǎo)致風(fēng)向有偏差，根據(jù)氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QX/T1-2000的要求，5°以內(nèi)的風(fēng)向誤差是允許的；（2）風(fēng)向角度在0°/360°左右擺動時會出現(xiàn)大于300°的差異，這是由于風(fēng)向過零時采樣數(shù)據(jù)示值造成的，本次對比數(shù)據(jù)在計算公式中加入判斷條件以避免這種誤差值。

3）新算法以0.25 s為步長計算3 s滑動平均值，整數(shù)倍增加了原算法的采樣頻率，可得到更有效的結(jié)果，計算公式拋棄了原算法的迭代計算方法，而采用加權(quán)平均以固定步長計算滑動平均值的方法，解決了原算法3 s滑動平均值計算的不合理性。

新型站風(fēng)向風(fēng)速計算可用新算法全面替代原算法，以提高觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)可靠的量值傳遞。

［1］中國氣象局.地面氣象觀測規(guī)范［S］.北京：氣象出版社，2003.

［2］中國氣象局.新型自動氣象（氣候）站功能需求書［S］.北京：中國氣象局，2012.

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A

10.3969/j.issn.1007-6190.2016.04.011

2015-10-15

李昕娣（1982年生），女，碩士，工程師，從事氣象儀器計量檢定工作。E-mail：cinderella_lee106@126.com