三種測風方法的原理及其比對

黃裕文

摘要：高空測風業務是氣象觀測的基礎業務之一，其數據廣泛應于天氣預報、氣候研究、航空航天器等領域。L波段二次測風雷達、GPS測風和風廓線雷達是目前氣象業務中最為廣泛使用的三種測風方法。本文扼要介紹了這三種測風方法的原理，并基于觀測數據對三種測風方法的結果進行了比對。比對結果表明：三種測風方法測得的水平風向誤差在10度以內，水平風速誤差小于1m/s，都能滿足目前的業務要求，其中L波段二次測風雷達和風廓線雷達測風的結果更為接近。

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.

關鍵詞：L波段二次測風雷達；GPS測風；風廓線雷達

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

中圖分類號：TN95 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）09-0209-03

0 引言

風場在天氣分析和預報中有十分重要的作用，它是天氣預報中的重要參數，也是造成大氣中的風、云、雨、露等天氣現象的基本要素之一[1]。無論天氣系統預報還是氣象要素預報，均離不開對風場的類型、結構和演變的認識，能否準確分析風場的變化是預報成敗的關鍵。如何探測風場結構一直是氣象學的一個重要研究方向。目前我國使用的常規測風手段有自動氣象站、光學經緯儀、無線電經緯儀、激光雷達、L波段二次測風雷達、GPS測風、風廓線雷達等[2-7]。自動氣象站使用風杯、風標式傳感器對地面風進行探測，測得的風不連續，且觀測高度受限；光學經緯儀測風需要人工通過望遠鏡跟蹤升空氣球的運動軌跡進行測風，所以其測量精度較差，且能見度低時無法操作；無線電經緯儀雖然可以實現自動化操作，但其精度仍然不高且屬于有源探測，無線電隱蔽性能較差；故上述三種測風方式在我國目前已基本淘汰或已成為備用手段。激光測風雷達具有單色性好、定向性能好、結構簡單、輕便、造價低等優點，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速范圍，但是，在惡劣天氣下，激光測風的性能下降很多，使其應用受到一定的限制。L波段二次測風雷達和GPS測風都基于探空氣球，通過雷達或GPS接收機獲取氣球的位置后，利用位置信息計算出不同高度的風向和風速。雖然這兩種是當前氣象部門業務中普遍使用的測風手段，但是由于探空氣球會隨大氣運動而生成漂移，這兩種方法都無法測量出本地上空的風場，且測量時間間隔長、數據率低、消耗大。風廓線雷達的應用是對探空氣球測風方法的一次革命，它是利用大氣湍流對電磁波的散射作用而進行大氣探測的一種遙測設備，通過測量三個波束或五個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），再通過矢量分解合成技術即可反演出水平風場和垂直風場結構。與有球測風相比，風廓線雷達除具有可連續探測的優點外，還具有高精度和運行可靠性，操作維護方便，其適用范圍是有球測風無法比擬的。目前，L波段二次測風雷達、GPS測風和風廓線雷達是氣象業務中主要采用的測風方法。本文介紹了三種測風方法的原理，并利用實測數據對這三種方法的探測結果進行了對比，結果表明，三種測風方法測得的水平風向誤差在10度以內，水平風速誤差小于1m/s，滿足業務要求，其中L波段二次測風雷達和風廓線雷達測風的結果更為接近。

1 測風原理

1.1 L波段二次雷達測風原理

L 波段二次測風雷達的工作原理是：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無線電探空儀及一個雷達反射器，無線電探空儀上配有各種傳感器，可用于測量溫度、氣壓、濕度等氣象要素，通過無線電波發回地面站；同時，地面雷達不停追蹤著雷達反射器，每隔一定的時間測量其距離、方位及仰角，利用這些位置信息變化即可計算出不同高度的風向和風速。其工作原理如圖1所示。

業務測風目前采用的計算方法是：氣球施放后20分鐘內，每一分鐘的厚度作為一個計算層；氣球施放20～40分鐘，每2分鐘的厚度作為一個計算層；氣球施放40分鐘以上，每4分鐘的厚度作為一個計算層。具體的計算方法如下：

1.2 GPS測風原理

GPS測風與L波段二次測風雷達測風的原理基本類似，兩者的區別在于GPS測風時采用GPS技術替代雷達的跟蹤。在探測過程中，無線電探空儀和地面站均裝有GPS天線，可接收最少4顆衛星發出的信號。地面站接收到GPS信號和無線電探空儀數據后，會提取出所需的資料，再加入有關衛星軌道的數據，便可計算出無線電探空儀的位置，從而計算出不同高度的風向和風速。GPS技術的應用是氣球探空技術的一個重大改進，準確度極高，且不易受閃電及雷暴等惡劣天氣影響。

1.3 風廓線雷達測風原理

風廓線雷達是利用大氣湍流對電磁波的散射作用對大氣進行探測的一種遙感設備[8]。其原理是當向大氣層發射一束無線電波時，由于湍流氣團隨風漂移，導致回波信號產生一定量的多普勒頻移，通過測定回波信號的頻移值計算出沿雷達波束的徑向速度。實際使用中，風廓線雷達常設計為三波束或五波束輪流工作，根據這些波束的回波信號，經過一定的處理方法，就可計算出大氣三維風場。風廓線雷達的工作原理如圖2所示。

當雷達以三波束（假設為東、北、天頂）工作時，利用這三個波束測得的徑向速度VRZ（h）、VRE（h）、VRN（h），便可以求得大氣的三維風場：

其中，θ為傾斜波束的天頂角，UE（h）和UN（h）分別為水平風在東和北方向的分量，UZ（h）為大氣垂直運動速度。風廓線雷達測得的徑向速度均以朝向雷達方向為正速度。

當雷達以五波束工作時，先將兩個對稱方向的傾斜波束測得的徑向速度進行平均，再按三波束邊界層風廓線雷達水平風合成方法進行計算。

2 試驗結果

為了驗證和比較這三種測風方法性能上的差異，2013年8月13日在某機場進行了一次比對試驗。在比對試驗中，探空氣球上同時懸掛普通探空儀和GPS探空儀，L波段二次測風雷達和GPS測風同時進行測量，在L波段二次測風雷達附近放置風廓線雷達進行測風觀測。其中，GFE（L）1型L波段二次測風雷達采用GZZ9型數字式探空儀，GPS測風采用GTS1-2型探空儀，風廓線雷達的主要性能參數如表1。

圖3給出了一組三種方法測得的水平風向和水平風速的比對結果。在比對過程中，分早上（8：00）、中午（12：00）、下午（16：00）和晚上（20：00）各進行一次比對，限于篇幅，此處只給出一組結果，其余比對結果基本與此類似。

分析圖3可知，三種測風方法得到的水平風向和水平風速基本一致。運用統計方法對數據進一步分析，可得到三種測風方法水平風向和水平風速的分段統計結果，如表2和表3所示。表中GZZ、GPS和WPR分別表示L波段二次測風雷達、GPS測風和風廓線雷達。

從表2中的統計結果可以看出：三種測風方法測得的水平風向的誤差都在10度以內，除低空數據外，L波段二次測風雷達和風廓線雷達測得的數據更為接近。從表3中的統計結果可以看出：三種測風方法測得的水平風速的誤差500m以上范圍都在1m/s以內，500m以下可能受地面活動的影響差異較大，同樣也是L波段二次測風雷達和風廓線雷達測得的數據更為接近。

3 結束語

L波段二次測風雷達、GPS測風和風廓線雷達測風是當前氣象業務中主要采用的三種測風方法。本文簡要介紹了這三種測風方法的原理，并基于2013年8月13日在某機場的試驗數據，對三種測風方法觀測得到的水平風場進行了比對。結果表明，三種測風方法測得的水平風向誤差在10度以內，水平風速誤差在1m/s以內，符合這三種設備的精度要求。同時，L波段二次測風雷達和風廓線雷達測得的數據更為接近。從探測區域看，L波段二次雷達測風和GPS測風都是探測氣球所處位置的水平風，風廓線雷達則是探測雷達上空的水平風；從測量精度看，GPS測風和風廓線雷達高于L波段二次測風雷達。三種測風方法各有優點和缺點，根據各自的業務應用和裝備條件選擇測風的方式，滿足業務需求。

這需要開展進一步的研究。

參考文獻：

[1]張靄琛.現代氣象觀測[M].北京：北京大學出版社，2000：12-14.

[2]吳蕾，陳洪濱，高玉春.國產風廓線雷達對比試驗初步分析[J].現代雷達，2013，35.

[3]謝從剛.大氣風場測量技術簡介[J].湖北氣象，2006，1.

[4]王帆，田磊.基于GTS1型探空儀的GPS測風技術[J].科技信息，2009，20.

[5]董德保，張統明，芮斌.風廓線雷達大氣風場觀測誤差分析[J].氣象科技，2014，42（1）：48-53.

[6]王天義，朱克云，張杰，等.風廓線雷達與多普勒天氣雷達風矢產品對比及相關分析[J].氣象科技，2014，42（2）：231-239.

[7]吳蕾，陳洪濱，康雪.風廓線雷達自身對比精度分析[J].氣象科技，2014，42（1）：38-41.

[8]張培昌，杜秉玉，戴鐵丕.雷達氣象學[M].北京：氣象出版社，2000：71-78.