雙經緯儀測風在L 波段測風雷達遷移的數據評估應用

韓 玲，朱彩霞，劉立輝，馬廷德

（1.甘肅省氣象局，甘肅 蘭州 730020；2.酒泉市氣象局，甘肅 酒泉 735000；3.邢臺市氣象局，河北 邢臺 054000）

榆中國家基準氣候站于1954 年1 月建站至今，屬于國家基本觀測站、探空站，是國家觀測站網的重要站點，承擔著榆中縣氣象基礎數據觀測和大氣探測采集與傳輸等重要任務。榆中探空站每天開展02 時、08 時、20 時3 個時次的觀測任務，參與全球數據交換業務，地理位置非常重要。但是近年來，隨著榆中縣經濟社會的快速發展，城市建設規模不斷擴大，城市的發展對氣象探測環境產生了一定的影響，尤其是電磁波干擾嚴重影響到了榆中探空站的數據精準性，為了提高改善雷達的探測環境、靈敏度和觀測數據的質量，并提升氣象服務質量，對L波段測風雷達及臺站氣象業務進行院內整體遷移。

1 榆中國家基準氣候站L 波段測風雷達遷移位置說明

榆中國家基準氣候站原雷達平臺經緯度為東經104°08′36″，北緯35°52′02″，擬遷移新雷達平臺東經104°08′32″，北緯35°52′03″；雷達天線高度由原來的1884.1m，變為1898.1m，升高14m；經實地測量，新雷達平臺與舊雷達平臺距離90m，放球點采用原位置不變，探空站海拔高度和氣壓傳感器海拔高度均以榆中國家基準氣候站地面自動氣象站為準，不需改變。

2 數據比對分析的觀測方法

雙經緯儀基線測風是科研和大氣環境評價中常用手段之一，榆中L 波段測風雷達的遷移數據評估就采用雙經緯儀基線測風方法。雙經緯儀基線測風就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。雙經緯儀基線測風的基本要求是：具備兩臺觀測精度優于0.05°的光學測風經緯儀；熟練掌握經緯儀的調平、追蹤和讀數的觀測人員，每次觀測兩點各需倆人，一人觀測，一人記錄和指揮；選擇適當的基線。一般選擇基線與盛行風向垂直。本文就2020 年4 月7 日—4 月30 日14 時（施放時間13：15 分）在榆中觀測站新舊雷達地址利用雙經緯儀小球觀測。經緯儀測風儀器小而輕便，方位角和仰角坐標測量精度較高，但容易受到天氣條件的限制，只適用于能見度好的少云天氣，夜間還必須配掛可見光源，為了更好提高測量精度，榆中站選擇每天中午觀測，共觀測15 個時次。

3 雙經緯儀基線測風觀測準備及觀測過程

在新舊地址選擇兩個四周沒有遮擋物，觀測條件最佳的位置，將經緯儀位置固定，新址經緯儀架設點為雷達搬移后經緯儀固定觀測點。舊址經緯儀觀測前進行固定目標物的器差檢查，器差允許范圍在仰角-0.3°＜Δβ＜0.3°，方位角-0.5°≤Δα≤0.5°，即可使用。新址架設經緯儀并進行標定（建議用北極星法），在距離大于250m 范圍內不同方位、距離上選取適合白天、夜間觀測時用的固定目標物，即孤立的燈光、塔尖等體積盡量小的目標物為固定目標物，且讀取對應的仰角、方位角為以后觀測時使用，同時測出放球點距離、方位角、仰角。同樣在觀測前利用固定目標物進行經緯儀器差檢查，器差在允許范圍內可使用。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。在每次觀測前，都應對經緯儀進行調平，且讀取固定目標物仰角、方位角數據；在每次觀測后，都要檢查經緯儀是否保持水平，同樣讀取固定目標物仰角、方位角數據，檢查經緯儀器差，是否在器差允許范圍內。

每時次觀測前準備對講機、報分鐘（秒表）歸零上發條，確定一人發令施放并及時啟動報分鐘，觀測員同時在新舊址跟蹤目標物，發令者利用對講機55s 發出預備指令，觀測員將球影調至十字線附近，60s 發出讀數訊號，觀測員將球影調至十字線中間，并準確讀出仰角、方位角，讀數精確到小數點后一位，至觀測結束。將觀測的仰角、方位角數據輸入L波段（Ⅰ型）數據處理軟件計算出該時次各高度間的平均風向、風速即量得風層風向、風速資料。

為保證資料的精確性，每時次觀測時間不得小于30min，如遇天氣狀況不良觀測時間不足，順延下一日觀測，確保數據達到15 個時次，在放球前需向軍方和民航部門申請空域。

4 數據統計分析

依據榆中站2020 年4 月7 日—30 日15 個時次雙經緯儀小球測風在新、舊址觀測獲取仰角、方位角數據計算所得量得風層的風向、風速進行統計、分析。本文選擇具有代表性的4 月13 日13 時觀測數據如圖1—4 所示:

圖1 2020 年4 月13 日新舊址仰角對比

圖2 2020 年4 月13 日新舊址方位角對比

圖3 2020 年4 月13 日新舊址風向對比

圖4 2020 年4 月13 日新舊址風速對比

仰角、方位角1～10 分對比差值較大，可能是新舊址經緯儀讀數時間有誤差造成或舊址觀測員讀數錯誤造成偏差大，因此影響到各高度量得風層風向、風速的計算，致使 8.5 分量得風層風向差值達166°，在數據評估是在超差同范圍內，可以剔除，但風速影響不大。

通過15 個時次新、舊址仰角、方位角、量得風層風向、風速依次進行的數據比對分析得出結論：

（1）仰角1～5min 對比數據誤差較大，10min 后對比數據較穩定，在計算各時次平均值時以數值較穩定為主計算，這在平時的雷達、經緯儀對比觀測中屬正常現象。

（2）方位角1～10min 對比數據誤差較大，在計算各時次平均值時也有較大取舍，同樣在平時的雷達、經緯儀對比觀測中屬正常現象。

（3）量得風層風向、風速對比數據的平均值計算，主要對應仰角、方位角取舍數據計算。故15 時次平均數據較穩定。

5 結論

（1）雙經緯儀基線測風仍將是大氣邊界層和大氣環境研究中一個必要的手段，在榆中國家基準氣候站L 波段測風雷達遷移的數據評估中提供精準數據資料。

（2）通過榆中國家基準站2020 年4 月7 日—30日經過15 個時次的經緯儀觀測數據的比對，除個別數據誤差較大剔除外，仰角平均值為-0.6°、方位角平均值為-2.0°、量得風層風向平均值為-1°、量得風層風速平均值為0m/s，故新址雷達搬移后對觀測數據基本無影響。

（3）新址與舊址距離較近，對站網布局影響較小；新址與舊址地處同一氣候區，下墊面基本一致，高空風基本一致；榆中站探空觀測資料完整性、均一性較好。