雙經緯儀基線測風的原理與測風資料的分析

呂錕 沈瑾 周兆丁 楊家偉 陳捷雄 李明華

摘要：本文首先介紹了雙經緯儀基線測風的原理，指出雙經緯儀基線測風仍將是珠江三角洲地區大氣邊界層觀測研究中一種必不可少的方法；然后簡單介紹了如何使用數學軟件Matlab來分析測風資料，并給出了2004年10月在珠江三角洲地區測風資料的分析實例。

關鍵詞：雙經緯儀基線測風；原理；分析

中圖分類號：P49 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）08-0261-02

大氣邊界層是直接受地表影響最強烈的垂直氣層，它占有整個空氣質量的1/10，其厚度隨緯度、時間、天氣條件和地表特征而變，其厚度低的時候只有幾十米，高的時候可達2000m以上甚至更高。大氣邊界層與人類活動的關系最密切、最直接，人類生活在這一層，空氣污染也主要發生在這一層。在大氣邊界層和空氣污染研究課題中，大氣邊界層內各高度上風向、風速的資料是不可缺少的，在科研和大氣環境環境評價中獲取這項資料的當前常用手段是雙經緯儀基線測風和系留汽艇測風。本文首先介紹雙經緯儀基線測風的原理和使用注意事項，然后利用中山大學2004年10月在珠江三角洲地區的大氣邊界層觀測資料簡單介紹如何使用數學軟件Matlab來分析測風資料。

1 雙經緯儀基線測風的原理[1-2]

雙經緯儀基線測風的定義是：把兩臺光學測風經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向、風速，計算方法詳見參考文獻1-2。

雙經緯儀基線測風的基本要求是：①具備兩臺觀測精度優于0.05o的光學測風經緯儀。②熟練掌握經緯儀的調平、追蹤和讀數的觀測人員，每次觀測兩點各需兩人，一人觀測，一人記錄和指揮。③選擇適當的基線。一般選擇基線與盛行風向垂直，使計算簡單；基線的長度至少要大于所需測風高度的1/5或2/5，以保證測高準確度；在基線兩端之間無任何障礙物阻擋視線，能即時進行氣球觀測。④兩點之間有專門的通訊聯絡（如：對講機），保證兩臺經緯儀能同時測定氣球的仰角、方位角，這對提高測高準確度極為重要。

雙經緯儀基線測風要求兩臺觀測精度優于0.05o的光學測風經緯儀，而經緯儀由于制造、安裝精度不夠，或維護保管不當，年久失修會有各種儀器誤差；因此在每次使用經緯儀前，應對其各種儀器誤差進行檢查，并盡量予以消除以達到精度要求。觀測者能比較方便地檢查到的兩個儀器誤差：一是水準泡與底盤不平行的儀器誤差，如在水準泡處于某一位置時，將水準泡調平，使空泡處于管的中心，若將經緯儀繞垂直軸旋轉180o后，水準空泡偏離中心，則需調整水準泡的主軸線。另一個儀器誤差是準值誤差，可通過下述步驟加以確認：先讓經緯儀觀測一個固定目標物，讀出它的仰角和方位角，然后將經緯儀繞垂直軸旋轉180o，再將仰角盤繞水平軸旋轉，重新對準目標物，并讀出仰角和方位角，新的仰角和方位角讀數±180o應與原讀數相等，如有偏移，則是因為經緯儀垂直軸與底盤沒能保持垂直，或光學系統光軸沒能保持垂直所造成。

在每次觀測前，都應對經緯儀進行調平；在每次觀測后，都要檢查經緯儀是否保持水平。經緯儀包括一個水準管及三個調平螺旋，首先將水準管與儀器的豎軸保持垂直，使水準管與任意兩個調平螺旋平行，轉動調平螺旋使水準泡處于正中，然后將經緯儀轉動120o再次調整水平。一般說來，若儀器沒有問題經過兩次調平后，整個經緯儀的底盤已處于水平面上，此時任意旋轉經緯儀，水準泡將始終保持在中間位置，此時經緯儀的仰角讀數才是正確的。

經緯儀測風儀器小而輕便，角坐標測量精度較高，但易受到天氣條件的限制，只適用于能見度好的少云天氣，夜間必需配掛可見光源，陰雨天氣只能在可見氣球高度內測風，但天氣好時觀測高度則較高，能達到2000～3000m。單經緯儀測風是采用固定升速來確定高度，2004年10月和2006年7月的兩次觀測都發現珠江三角洲地區氣球升速變化很大，單經緯儀測風誤差較大，不宜采用。雙經緯儀基線測風是采用氣球的實測高度進行高空風的計算，準確率較高，兩次觀測雙經緯儀測風都較好的觀測到了珠江三角洲地區的風場特征，是一種較好的測風方式。系留汽艇測風優點眾多，如使用方便、觀測精度高、觀測項目較多且資料容易處理等，目前北京和蘭州等地在大氣邊界層研究中多采用系留汽艇測風；但系留汽艇觀測高度不夠高，北京[3]和蘭州[4-5]的觀測表明觀測高度一般最高能達到800m左右，而珠江三角洲地區觀測資料表明風向轉換高度經常在800m以上，同時在1000m以上高空經常觀測到逆溫層；系留汽艇只有在風速較小時才能使用，且珠江三角洲地區機場和航線較多，使用風險較大。因此系留汽艇觀測在珠江三角洲地區大氣邊界層觀測中有其局限性，雙經緯儀基線測風仍將是該地區大氣邊界層和大氣環境研究中一個必要的手段和有益的補充。但值得提出的是，廣東目前的光學經緯儀大多年久失修，能用于正常觀測的較少。

2 雙經緯儀基線測風資料的分析

Matlab是美國MathWorks公司推出的工程計算及數值分析軟件，功能強大，擁有非常豐富的資源，集數值運算、圖像與信號處理、圖形顯示和可視化圖形用戶界面設計于一體，編譯環境友善靈活，，極易上手，此外還提供了與其他高級語言如C、Fortran等的接口[6]。本文利用2004年10月珠江三角洲地區的觀測資料簡要介紹如何使用Matlab分析測風資料。

本文采用矢量法算出各高度上的風向和風速，為分析方便，將觀測資料線性插值平均處理到50m的分辨率，圖1給出了插值前后的對比，線性插值反映了原始資料的變化趨勢，便于資料的分析和處理。單站點的風觀測資料可以繪制風廓線隨時間變化圖，首先將各觀測時刻不同高度的風資料按時間和高度順序處理成以下格式，文件名為Wind，文件格式為.txt：

0200 50 277 1.6 1.6 -.2

0200 100 287 1.2 1.1 -.3

……

2300 50 178 4.0 -.1 4.0

2300 100 167 4.4 -1.0 4.3

……

Matlab程序為：

Windday=load（文件地址＼Wind.txt）； %命名，文件地址中可以含有中文

Time=Windday（：，1）； %賦值，第1列為時間

Height=Windday （：，2）； %賦值，第2列為高度

WV= Windday （：，3）； %賦值，第3列為風速

WD= Windday （：，4）； %賦值，第4列為風向

U=Windday（：，5）； %賦值，U風，此處也可寫成U=-WV.*sin（WD.*pi/180）

V=Windday（：，6）； %賦值，V風，此處也可寫成V=-WV.*cos（WD.*pi/180）

quiver（Time，Height，U，V，1，k）； %繪圖命令，二維矢量圖

axis equal； %保持縱坐標與橫坐標一致，即圖形顯示風向為風的實際風向

axis（[0，2500，0，3000]）； %縱坐標與橫坐標的范圍

set（gca，Xtick，[200，600，800，1000，1400，1800，2000，2300]，Ytick，[0：200：3000]）；

set（gca，XTickLabel，{ 02；06；08；10；14；18；20；23}）； %指定縱坐標與橫坐標的顯示方式

print（-dtiff，[ AA]）； %圖片的自動輸出和保存，圖片名稱為AA，圖片格式為tif

其中quiver為程序的核心，可在Command Window中輸入help quiver了解更多詳情。運行該程序，則得到2004年10月16日廣州市番禺區新墾風廓線圖（圖1）。由圖1可知，16日新墾系統風為東北風，02～14時在600m以下為東北風且風速較小，17～23時低層為偏南風且風速較大，偏南風環流高度隨時間逐步抬升，23時達到最高700m左右。多站點風觀測資料則可以采用對比分析，圖2給出了2004年10月15日珠江三角洲地區清遠、番禺和新墾三地大氣邊界層風速和風向觀測資料的對比，由圖可知，08時和14時三地風向一致，都為東北風，20時三地風向有明顯差異，番禺和新墾兩地在低層都有明顯風向切變。

3 小結

本文簡單介紹了雙經緯儀基線測風的原理，指出雙經緯儀基線測風仍將是珠江三角洲地區大氣邊界層觀測研究中一種必不可少的方法；然后簡單介紹了如何使用數學軟件Matlab來分析測風資料，給出了2004年10月在珠江三角洲地區測風資料的分析實例，為以后大氣邊界層風觀測資料的處理與分析提供了一種簡單、可行的方法。Matlab功能強大且編寫程序簡單，若得到充分利用則將在氣象科研、預報和科技服務上發揮更大的作用[6-8]。

參考文獻：

[1]林曄，王慶安，顧松山，林國安.大氣探測學教程[M].北京：氣象出版社，1993：286-326.

[2]張藹琛.現代氣象觀測[M].北京：北京大學出版社，2000：228-299.

[3]卞林根，程彥杰，王欣，等. 北京大氣邊界層中風和溫度廓線的觀測研究[J]. 應用氣象學報，2002 ，13 （特刊） ：13-25.

[4]張強，呂世華，張廣庶.山谷城市大氣邊界層結構及輸送能力[J].高原氣象，2003，22（4）：346-353.

[5]張裕芬，陳長和.冬季蘭州城市上空層結特征的分析研究[J].蘭州大學學報（自然科學版），1998，34（2）：104-110.

[6]張志涌，等.精通MATLAB6.5版[M].北京：北京航空航天大學出版社，2003：234-275，310-359.

[7]蘇金明，阮沈勇，王永利. MATLAB工程數學[M]. 北京：電子工業出版社，2005.

[8]黃嘉佑.氣象統計分析與預報方法（第二版）[M].北京：氣象出版社，2000：1-302.

【通聯編輯：梁書】