黃裕文

摘要：高空測(cè)風(fēng)業(yè)務(wù)是氣象觀測(cè)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(bào)、氣候研究、航空航天器等領(lǐng)域。L波段二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)、GPS測(cè)風(fēng)和風(fēng)廓線雷達(dá)是目前氣象業(yè)務(wù)中最為廣泛使用的三種測(cè)風(fēng)方法。本文扼要介紹了這三種測(cè)風(fēng)方法的原理，并基于觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)三種測(cè)風(fēng)方法的結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)。比對(duì)結(jié)果表明：三種測(cè)風(fēng)方法測(cè)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(cè)風(fēng)雷達(dá)和風(fēng)廓線雷達(dá)測(cè)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(cè)風(fēng)雷達(dá)；GPS測(cè)風(fēng)；風(fēng)廓線雷達(dá)

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

中圖分類號(hào)：TN95 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）09-0209-03

0 引言

風(fēng)場(chǎng)在天氣分析和預(yù)報(bào)中有十分重要的作用，它是天氣預(yù)報(bào)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(wú)論天氣系統(tǒng)預(yù)報(bào)還是氣象要素預(yù)報(bào)，均離不開(kāi)對(duì)風(fēng)場(chǎng)的類型、結(jié)構(gòu)和演變的認(rèn)識(shí)，能否準(zhǔn)確分析風(fēng)場(chǎng)的變化是預(yù)報(bào)成敗的關(guān)鍵。如何探測(cè)風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)一直是氣象學(xué)的一個(gè)重要研究方向。目前我國(guó)使用的常規(guī)測(cè)風(fēng)手段有自動(dòng)氣象站、光學(xué)經(jīng)緯儀、無(wú)線電經(jīng)緯儀、激光雷達(dá)、L波段二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)、GPS測(cè)風(fēng)、風(fēng)廓線雷達(dá)等[2-7]。自動(dòng)氣象站使用風(fēng)杯、風(fēng)標(biāo)式傳感器對(duì)地面風(fēng)進(jìn)行探測(cè)，測(cè)得的風(fēng)不連續(xù)，且觀測(cè)高度受限；光學(xué)經(jīng)緯儀測(cè)風(fēng)需要人工通過(guò)望遠(yuǎn)鏡跟蹤升空氣球的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行測(cè)風(fēng)，所以其測(cè)量精度較差，且能見(jiàn)度低時(shí)無(wú)法操作；無(wú)線電經(jīng)緯儀雖然可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，但其精度仍然不高且屬于有源探測(cè)，無(wú)線電隱蔽性能較差；故上述三種測(cè)風(fēng)方式在我國(guó)目前已基本淘汰或已成為備用手段。激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)具有單色性好、定向性能好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕便、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，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(cè)速范圍，但是，在惡劣天氣下，激光測(cè)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(cè)風(fēng)雷達(dá)和GPS測(cè)風(fēng)都基于探空氣球，通過(guò)雷達(dá)或GPS接收機(jī)獲取氣球的位置后，利用位置信息計(jì)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(mén)業(yè)務(wù)中普遍使用的測(cè)風(fēng)手段，但是由于探空氣球會(huì)隨大氣運(yùn)動(dòng)而生成漂移，這兩種方法都無(wú)法測(cè)量出本地上空的風(fēng)場(chǎng)，且測(cè)量時(shí)間間隔長(zhǎng)、數(shù)據(jù)率低、消耗大。風(fēng)廓線雷達(dá)的應(yīng)用是對(duì)探空氣球測(cè)風(fēng)方法的一次革命，它是利用大氣湍流對(duì)電磁波的散射作用而進(jìn)行大氣探測(cè)的一種遙測(cè)設(shè)備，通過(guò)測(cè)量三個(gè)波束或五個(gè)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(guò)矢量分解合成技術(shù)即可反演出水平風(fēng)場(chǎng)和垂直風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)。與有球測(cè)風(fēng)相比，風(fēng)廓線雷達(dá)除具有可連續(xù)探測(cè)的優(yōu)點(diǎn)外，還具有高精度和運(yùn)行可靠性，操作維護(hù)方便，其適用范圍是有球測(cè)風(fēng)無(wú)法比擬的。目前，L波段二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)、GPS測(cè)風(fēng)和風(fēng)廓線雷達(dá)是氣象業(yè)務(wù)中主要采用的測(cè)風(fēng)方法。本文介紹了三種測(cè)風(fēng)方法的原理，并利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)這三種方法的探測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明，三種測(cè)風(fēng)方法測(cè)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(cè)風(fēng)雷達(dá)和風(fēng)廓線雷達(dá)測(cè)風(fēng)的結(jié)果更為接近。

1 測(cè)風(fēng)原理

1.1 L波段二次雷達(dá)測(cè)風(fēng)原理

L 波段二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)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(gè)無(wú)線電探空儀及一個(gè)雷達(dá)反射器，無(wú)線電探空儀上配有各種傳感器，可用于測(cè)量溫度、氣壓、濕度等氣象要素，通過(guò)無(wú)線電波發(fā)回地面站；同時(shí)，地面雷達(dá)不停追蹤著雷達(dá)反射器，每隔一定的時(shí)間測(cè)量其距離、方位及仰角，利用這些位置信息變化即可計(jì)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(cè)風(fēng)目前采用的計(jì)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(gè)計(jì)算層；氣球施放20～40分鐘，每2分鐘的厚度作為一個(gè)計(jì)算層；氣球施放40分鐘以上，每4分鐘的厚度作為一個(gè)計(jì)算層。具體的計(jì)算方法如下：

1.2 GPS測(cè)風(fēng)原理

GPS測(cè)風(fēng)與L波段二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)測(cè)風(fēng)的原理基本類似，兩者的區(qū)別在于GPS測(cè)風(fēng)時(shí)采用GPS技術(shù)替代雷達(dá)的跟蹤。在探測(cè)過(guò)程中，無(wú)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(hào)。地面站接收到GPS信號(hào)和無(wú)線電探空儀數(shù)據(jù)后，會(huì)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(jì)算出無(wú)線電探空儀的位置，從而計(jì)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(gè)重大改進(jìn)，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(dá)測(cè)風(fēng)原理

風(fēng)廓線雷達(dá)是利用大氣湍流對(duì)電磁波的散射作用對(duì)大氣進(jìn)行探測(cè)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(wú)線電波時(shí)，由于湍流氣團(tuán)隨風(fēng)漂移，導(dǎo)致回波信號(hào)產(chǎn)生一定量的多普勒頻移，通過(guò)測(cè)定回波信號(hào)的頻移值計(jì)算出沿雷達(dá)波束的徑向速度。實(shí)際使用中，風(fēng)廓線雷達(dá)常設(shè)計(jì)為三波束或五波束輪流工作，根據(jù)這些波束的回波信號(hào)，經(jīng)過(guò)一定的處理方法，就可計(jì)算出大氣三維風(fēng)場(chǎng)。風(fēng)廓線雷達(dá)的工作原理如圖2所示。

當(dāng)雷達(dá)以三波束（假設(shè)為東、北、天頂）工作時(shí)，利用這三個(gè)波束測(cè)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(chǎng)：

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(yùn)動(dòng)速度。風(fēng)廓線雷達(dá)測(cè)得的徑向速度均以朝向雷達(dá)方向?yàn)檎俣取?/p>

當(dāng)雷達(dá)以五波束工作時(shí)，先將兩個(gè)對(duì)稱方向的傾斜波束測(cè)得的徑向速度進(jìn)行平均，再按三波束邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)合成方法進(jìn)行計(jì)算。

2 試驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證和比較這三種測(cè)風(fēng)方法性能上的差異，2013年8月13日在某機(jī)場(chǎng)進(jìn)行了一次比對(duì)試驗(yàn)。在比對(duì)試驗(yàn)中，探空氣球上同時(shí)懸掛普通探空儀和GPS探空儀，L波段二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)和GPS測(cè)風(fēng)同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，在L波段二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)附近放置風(fēng)廓線雷達(dá)進(jìn)行測(cè)風(fēng)觀測(cè)。其中，GFE（L）1型L波段二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)采用GZZ9型數(shù)字式探空儀，GPS測(cè)風(fēng)采用GTS1-2型探空儀，風(fēng)廓線雷達(dá)的主要性能參數(shù)如表1。

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

分析圖3可知，三種測(cè)風(fēng)方法得到的水平風(fēng)向和水平風(fēng)速基本一致。運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析，可得到三種測(cè)風(fēng)方法水平風(fēng)向和水平風(fēng)速的分段統(tǒng)計(jì)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(cè)風(fēng)雷達(dá)、GPS測(cè)風(fēng)和風(fēng)廓線雷達(dá)。

從表2中的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出：三種測(cè)風(fēng)方法測(cè)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(cè)風(fēng)雷達(dá)和風(fēng)廓線雷達(dá)測(cè)得的數(shù)據(jù)更為接近。從表3中的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出：三種測(cè)風(fēng)方法測(cè)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(dòng)的影響差異較大，同樣也是L波段二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)和風(fēng)廓線雷達(dá)測(cè)得的數(shù)據(jù)更為接近。

3 結(jié)束語(yǔ)

L波段二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)、GPS測(cè)風(fēng)和風(fēng)廓線雷達(dá)測(cè)風(fēng)是當(dāng)前氣象業(yè)務(wù)中主要采用的三種測(cè)風(fēng)方法。本文簡(jiǎn)要介紹了這三種測(cè)風(fēng)方法的原理，并基于2013年8月13日在某機(jī)場(chǎng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)三種測(cè)風(fēng)方法觀測(cè)得到的水平風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了比對(duì)。結(jié)果表明，三種測(cè)風(fēng)方法測(cè)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(shí)，L波段二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)和風(fēng)廓線雷達(dá)測(cè)得的數(shù)據(jù)更為接近。從探測(cè)區(qū)域看，L波段二次雷達(dá)測(cè)風(fēng)和GPS測(cè)風(fēng)都是探測(cè)氣球所處位置的水平風(fēng)，風(fēng)廓線雷達(dá)則是探測(cè)雷達(dá)上空的水平風(fēng)；從測(cè)量精度看，GPS測(cè)風(fēng)和風(fēng)廓線雷達(dá)高于L波段二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)。三種測(cè)風(fēng)方法各有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，根據(jù)各自的業(yè)務(wù)應(yīng)用和裝備條件選擇測(cè)風(fēng)的方式，滿足業(yè)務(wù)需求。

這需要開(kāi)展進(jìn)一步的研究。

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