超聲波測風儀外場試驗數據分析

蔡 彤，柯莉萍，徐文隆，呂 靜，張 丹

(1.貴州省威寧縣氣象局；威寧 553100；2.貴州省大氣探測與技術保障中心，貴陽 550081)

0 引言

測風儀在氣象、民航、農業等領域都發揮著重要的作用。目前在各領域中使用較多的是傳統機械式測風儀，根據風向標和風杯的轉動判斷風向和風速。傳統測風儀在長時間使用中，機械磨損會導致轉動部件摩擦老化，從而影響測量的準確性[1]。隨著科技的發展，越來越多的先進技術應用到了測風儀上，超聲波就是其中之一。超聲波測風儀是利用超聲波時差法實現風速的測量，若超聲波的傳播方向與風向相反，就會減小聲波的傳播速度，反之則增大[2]。與傳統機械測風儀相比，超聲波測風儀測風過程中具有無機械磨損，反應速度快、測量準確度高、分辨率高等優點，使用前景廣闊[3,4]。超聲波測風儀在國外發展運用已經很多年，中國發展相對較晚。

按照中國氣象局氣象探測中心超聲波測風儀測試方案及《超聲波測風儀功能需求書》、《氣象觀測專用技術裝備測試方法》的要求，超聲波測風儀應在至少3個不同氣候特點的區域進行測試，為滿足有關標準或規定的可靠性要求，文章遴選了遼寧盤錦、貴州威寧、新疆達坂城、廣東博賀為風試驗外場開展超聲波測風儀外場試驗。威寧縣位于貴州省西北部高寒山區，年均凍雨日數24 d，平均海拔高度2200 m，屬亞熱帶季風性濕潤氣候，年平均風力等級3級以上，且具有年溫差小、日溫差大的特點，氣候條件較為特殊[5，6]。

1 觀測儀器和資料及處理方法

1.1 觀測儀器和資料

威寧國家基準站外場試驗安裝了華云(HY-UWS01)、新氣象(ZQZ-TSF)、上海長望(SHUW-Ⅱ)、天津(EC-01)4個廠家的超聲波測風儀，1套天津的機械式風傳感器(測風儀風向EL15-2D，風速WL15-2A)，彼此間距不小于1 m。超聲波測風儀在試驗場地內與臺站現有觀測設備相互之間不影響，傳感器安裝于距地面水準點1.5 m高的地面基礎上，保證水平，超聲波測風儀中心點距其他設備及步道的距離大于2 m，超聲波測風儀和機械式風向、風速傳感器布設在同一水平面，垂直高度差小于0.5 m，因此忽略垂直方位差導致的風速風向誤差。

所用數據為2020-09-01T08：00—2020-09-30T20：00的4套超聲波測風儀(華云、新氣象、上海長望、天津)的逐分鐘觀測數據以及同期的基準數據，包括：2 min平均風向、2 min平均風速、10 min平均風向、10 min平均風速、分鐘內極大風速和小時內極大風速等。

1.2 采用方法

采用機械風向、風速傳感器數據作為參考，使用相應軟件對數據進行采集，將超聲波測風儀的觀測資料與其進行對比評估分析。

1.2.1 數據完整性

以分鐘數據為測試評估分析單位，排除由于外界干擾因素造成的數據缺測時間，對每套測風儀輸出的數據完整性作缺測率評估。

1)計算公式：

(1)

式中，R為缺測率；M為測試期內累積缺測次數；N為測試期內應觀測總次數。

2)測試評估指標：缺測率(%)≤2%。

1.2.2 數據一致性

以機械風傳感器測量結果為約定真值，用機械風傳感器數據對比超聲波測風儀觀測數據進行準確性的評估，分別計算兩者之間的系統誤差、標準偏差[7，8]。具體公式如下：

(2)

式中，xdi為超聲波觀測儀第i次測量值；xsi為機械風傳感器第i次觀測值；n為對比觀測次數。

2)標準偏差(σ)

(3)

3)測試評估指標

風速：σ≤0.1 m/s(≤5 m/s)；σ≤2%(>5 m/s)；

風向：σ≤2°(≤5 m/s)；σ≤2%(>5 m/s)。

2 結果分析

2.1 數據完整性

對每套測風儀輸出的數據完整性作缺測率評估(實驗期間每套測風儀應測量42，480次)，實際測量次數以及缺測率如下，華云、新氣象、上海長望、天津4套測風儀缺測率分別為：0.00471%、0.00706%、0.00235%、0.00942%，均小于2%，符合測試評估標準。

2.2 數據一致性

2.2.1 系統誤差分析

通過分析各廠家機械風與超聲風之間的系統誤差，可以得出：華云和新氣象的超聲波測風儀的系統誤差均為負偏差，上海長望的為正偏差，天津的超聲波測風儀在風速上為負偏差，而在風向上為正偏差。具體系統誤差分析如下：1)2 min平均風向：天津和新氣象的超聲波測風儀系統誤差較小都在±0.3°以內，其次是上海長望，為0.72°，華云的系統誤差最大，為-1.746°；2)2 min平均風速：華云的系統誤差最大為-0.167 m/s，除華云外，其余3套的系統誤差都在±0.07 m/s以內； 3)10 min平均風向：天津和新氣象的系統誤差較小，其次是上海長望，為0.740°，華云的系統誤差最大，為-1.717°；4)10 min平均風速：4套超聲波測風儀的系統誤差差距較大，其中新氣象的系統誤差最小，為-0.004 m/s，華云的系統誤差最大，為-0.210 m/s。

2.2.2 標準偏差分析

表1為機械風與超聲風之間的標準偏差，從表中可以看出：2 min、10 min平均風向的標準偏差都在9°以上，而風速的標準偏差都未超過0.3 m/s。除此之外，10 min平均風向、風速的標準偏差皆小于2 min平均風向、風速的標準偏差。1)2 min平均風向：4套超聲波測風儀的標準差都在20°以內，華云和新氣象的標準偏差比較接近，上海長望和天津的偏差較大，差值為1.857°；2)2 min平均風速：4套超聲波測風儀的標準差都小于0.230 m/s，其中，天津的標準偏差最小為0.185 m/s，華云的最大為0.225 m/s；3)10 min平均風向：新氣象和天津的標準偏差較小，偏差都在10°以內，其次是上海長望標準偏差為10.744°，華云的最大為11.266°；4)10 min平均風速：新氣象、上海長望和天津3套超聲波測風儀的標準偏差都相差不大，都處于0.145 m/s附近，但華云的偏差相對較大，為0.161 m/s。

表1 機械風與超聲風之間的標準偏差

2.2.3 風向頻率對比分析

由玫瑰圖可知，4種超聲風與機械風的風向變化一致，N頻率最高，W頻率最小。

3 誤差分析

4套超聲波測風儀無論是系統誤差還是標準偏差，風向偏差明顯大于風速偏差。造成這一現象的原因可能是超聲波測風儀的風向受到了風速的影響。以天津的超聲波測風儀為例進行風向偏差(超聲波測風儀風向-機械風風向)與其風速的相關性分析，分析發現：風向偏差與風速之間的相關性通過0.01水平的顯著性檢驗，2 min、10 min平均風向之間的差值與其對應風速存在負相關，且2 min、10 min平均風速范圍為0.0～3.7 m/s、0.0～3.3 m/s，故將4套超聲波測風儀的風速劃分為3個等級，分別是0.0～0.5 m/s、0.6～1.0 m/s、大于1.0 m/s，分別計算4套超聲測風儀的2 min、10 min平均風向的系統誤差與標準偏差。

從2 min、10 min超聲測風儀、機械風傳感器平均風向的系統誤差統計可以看出：整體上華云的超聲波測風儀平均風向的系統誤差最大，3個等級風速對應的平均風向系統誤差集中在-1.70°附近；天津的系統誤差最小，3個等級風速對應的平均風向系統誤差都在±0.50°以內。華云、新氣象和天津3套超聲波測風儀在3個等級風速對應的平均風速系統誤差較穩定，上海長望的在0.6～1.0 m/s等級風速上的系統誤差較大。

統計分析2 min、10 min超聲測風儀、機械風傳感器平均風向的標準偏差可以看出：除新氣象10 min平均風向的標準偏差是隨風速的增大而增大以外，其余超聲波測風儀的標準偏差都是隨著風速的增加而減小。

4 結束語

文章將4套不同型號超聲波測風儀的觀測資料與機械式風向、風速傳感器數據進行對比，主要分析了數據完整性和一致性，并通過討論得出相應結論，希望為相關工作人員在儀器選擇和儀器升級方面提供參考。