三种测风设备测量精度的对比分析

1 引言

　　在众多大气因子中, 风场资料是分析天气演变最直观和最有价值的资料之一。根据风场的演变,可以了解中小尺度等强对流天气发生发展的某些重要物理过程。因此目前对大气风场的研究受到越来越多的关注。

　　随着大气探测技术的发展，国内外用于探测大气风场的设备也随之增加。目前国内用于探测高空大气风场的仪器主要有无线电探空仪、风能梯度塔、新一代多普勒天气雷达、风廓线雷达以及微型探空飞机等。由于各种探测设备的工作原理、风场反演方法都存在差异，因此测得的大气风场的精度必然存在差异。而高精度的大气风场资料将对提高短时临近预报的准确度起到非常重要的作用.因此，我们对各种测风资料的测量精度进行比较，了解产生误差与不确定因素的某些原因,以便充分发挥风廓线产品在短时天气预报和强对流天气临近预警预报中的作用.

　　另外，根据中国气象局未来规划，一个计划由400座70-120米测风观测塔组成的风能资源专业观测网正在兴建，风廓线雷达网络也计划在国内组建，飞机探测风场也成为一个发展趋势。这些探测设备的建成可以真正弥补我国常规高空探测站网空间密度和时间密度的不足。同时，这些探测设备的探测精度如何也成为大家极为关注的问题，因此中国气象局气象探测中心组织本次试验，对三种探测仪器测量精度的对比分析，不仅可以作为科学研究的依据，而且为雷达布网等工作提供理论支持。

2 各种探测仪器的原理

2.1 风廓线雷达及其风场反演方法

　　风廓线雷达又称风廓线仪，顾名思义风廓线雷达提供的是风的廓线。在大气中随时存在着各种尺度的湍流，它们引起的折射指数的不均匀变化，对无线电波会产生散射作用。湍流存在于气流之中并随之移动，因此可以将湍流作为风的示踪物。风廓线雷达就是以晴空湍流作为探测目标，利用大气湍流对雷达电磁波的散射作用，探测大气风场。

　　由于风是一个矢量，要求雷达的天线具有三个或五个正交波束，通过测定每个波束方向风速引起的多普勒频移，在一定的假设条件下（湍流均匀、各向同性的假设下）就可计算出回波信号所在高度上的水平风向、风速和垂直气流速度。在一次测量中，风廓线雷达可以得到同一时刻不同高度层的水平风速风向廓线和垂直气流廓线。

　　基于风廓线雷达探测资料的风场反演方法常用速度-方位显示方法（Velocity Azimuth Display），称作VAD方法。

2.2 微型探空飞机及其风场反演方法

　　微型探空飞机是一种专门用于大气探测实验的气象飞机。它具有自动导航、自动驾驶功能.它采用GPS导航，在自动控制系统控制下完成预定航线的飞行，并实时地将飞机的轨迹和其他资料传送到地面，地面接收系统的微机显示飞机的经纬度和高度等数据。微型探空飞机的风场反演方法有水平空速归零测风方法和解析测风方法.本文采用水平空速归零测风方法。

　　水平空速归零测风方法就是利用微型无人驾驶飞机可以在很小的半径范围盘旋飞行的特点，使飞机在水平面上盘旋飞行，盘旋飞行一圈，相对空气而言，飞机回到了同一点，水平空速矢量之和为零，平均水平风速等于飞机平均水平地速。飞机在空中飞行时，相对地面的运动称为地速，相对空气的运动称为空速。空速(Vg)、地速(Va)和风速(V)的关系为:

　 由此可以看出这种方式得出的风速与日常业务测风的物理意义完全一致。

3 风廓线测量比较试验及资料对比分析

　　为了对风廓线雷达、风能梯度塔、微型探空飞机的测量精度进行比较分析，2008年9月24日中国气象局气象探测中心组织相关人员在内蒙古锡林浩特国家气候观象台进行对比试验。本次试验的探测设备分别采用北京爱尔达电子设备有限公司的工作频率为1290M移动风廓线雷达（Airda3000型）、气候观象台的100m风能梯度塔以及由江西省气象科学研究所研制的微型探空飞机。据天气预报介绍，试验当天锡林浩特国家气候观象台的天气情况为"晴，西南风4-5级，温度4-12°C",天气系统相对稳定，非常满足试验所需要的气象条件。为尽量满足探测区域天气系统稳定的试验条件，试验进行时，三种探测设备的位置分布相对较近。风廓线雷达位于116°19′49.7″E，44°08′2.4″N，海拔高度为1107m，探测高度为50m-3400m；风能梯度塔位于116°18′44.9″E，44°08′32.4″N，海拔高度为1160m，探测高度为2m-100m；微型无人驾驶飞机指挥点位于116°19′54.8″E，44°07′42.1″N，探测高度人为控制。

3.1 风能梯度塔与风廓线雷达低层测风资料对比

根据探测