EZC超声波测风仪和EL15-C风速风向传感器平行观测对比分析.pdf

第期气 象 水 文 海 洋 仪 器N o 年月M e t e o r o l o g i c a l,H y d r o l o g i c a l a n dM a r i n e I n s t r u m e n t sJ u n 收稿日期:基金项目:中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室指令性项目(C AMP )资助作者简介:薛筝筝(),女,硕士,工程师主要从事大气探测研究工作E Z C超声波测风仪和E L C风速风向传感器平行观测对比分析薛筝筝,肖建辉,刘青松,张磊,石菊红,(中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室,银川 ;宁夏气象防灾减灾重点实验室,银川 ;宁夏大气探测技术保障中心,银川 )摘要:文章利用 年E Z C超声波测风仪和E L C风速风向传感器平行观测资料,采用相关性、均方根偏差、一致性等统计方法,对比分析了超声波测风仪的测风性能.结果表明:)E Z C超声波测风仪与E L C风速风向传感器有较好的相关性.)风速和风向偏差分布存在明显的季节变化,其中夏季分布最集中;随着风速的增大,风向偏差分布愈趋集中.)风速和风向一致率均是夏季最高,N和S方位上风向一致率最高;小风速下风速一致率较高,随着风速的增加一致率逐渐降低.关键词:超声波测风仪;传感器;相关性;偏差;一致率中图分类号:P 文献标志码:A文章编号:X()C o m p a r a t i v ea n a l y s i so np a r a l l e l o b s e r v a t i o nb yE Z Cu l t r a s o n i cw i n dm e t e ra n dE L Cw i n ds p e e da n dd i r e c t i o ns e n s o rX u eZ h e n g z h e n g,X i a oJ i a n h u i,L i uQ i n g s o n g,Z h a n gL e i,S h i J u h o n g,(K e yL a b o r a t o r yf o rC h a r a c t e r i s t i cA g r i c u l t u r a lM e t e o r o l o g i c a lD i s a s t e rM o n i t o r i n g,E a r l yW a r n i n ga n dR i s kM a n a g e m e n t i nA r i dR e g i o n s,C h i n aM e t e o r o l o g i c a lA d m i n i s t r a t i o n,Y i n c h u a n ;N i n g x i aK e yL a b o r a t o r yf o rM e t e o r o l o g i c a lD i s a s t e rP r e v e n t i o na n dR e d u c t i o n,Y i n c h u a n ;N i n g x i aA t m o s p h e r i cD e t e c t i o nT e c h n o l o g yS u p p o r t i n gC e n t e r,Y i n c h u a n )A b s t r a c t:B yu t i l i z i n g t h ep a r a l l e l o b s e r v a t i o nd a t a f r o mE Z Cu l t r a s o n i cw i n dm e t e r a n dE L Cw i n ds p e e da n dd i r e c t i o ns e n s o r f r o m t o a n da d o p t i n gt h es t a t i s t i c a lm e t h o d ss u c ha sc o r r e l a t i o n,r o o t m e a n s q u a r ed e v i a t i o n a n d c o n s i s t e n c y,t h i s p a p e r c o m p a r e s a n d a n a l y z e s t h ew i n dm e a s u r e m e n t p e r f o r m a n c e o f u l t r a s o n i cw i n dm e t e r T h e r e s u l t s s h o wt h a t:)g o o dc o r r e l a t i o ne x i s t sb e t w e e nu l t r a s o n i cw i n dm e t e ra n dE L Cw i n ds p e e da n dd i r e c t i o ns e n s o r;)t h eo b v i o u ss e a s o n a lc h a n g e se x i s ti nt h ed i s t r i b u t i o no fw i n ds p e e da n dd i r e c t i o nd e v i a t i o n s,a n dt h ed i s t r i b u t i o ni ns u m m e ri sm o s tc o n c e n t r a t e d;a l o n gw i t ht h ei n c r e a s eo fw i n ds p e e d,t h ed i s t r i b u t i o no fw i n dd i r e c t i o nd e v i a t i o n s t e n d s t ob e c o n c e n t r a t e d;)b o t h t h e c o n s i s t e n c y r a t eo fw i n d s p e e da n dt h a t o fw i n dd i r e c t i o nc a n r e a c h t h e i rm a x i m u mi ns u m m e r a n d t h em a x i m u mc o n s i s t e n c yr a t eo fw i n dd i r e c t i o nc a nb e o b t a i n e d i nNa n dSo r i e n t a t i o n s;r e l a t i v e l yh i g h e r c o n s i s t e n c y r a t e c a nb e a c h i e v e d f o r l i g h tw i n d s p e e d a n dd o w nw i n ds p e e d;a n d t h e c o n s i s t e n c y r a t ew i l l b e c o m e r e d u c e dg r a d u a l l ya l o n gw i t h t h e i n c r e a s eo fw i n d s p e e d K e yw o r d s:u l t r a s o n i cw i n dm e t e r;s e n s o r;c o r r e l a t i o n;d e v i a t i o n;c o n s i s t e n c yr a t e气 象 水 文 海 洋 仪 器J u n 引言风是最基本的气象要素之一,也是研究大气动力学和气候变化的重要参量.风向和风速对沙尘暴、风能利用、空气污染等有重要影响 .目前被国内气象台站广泛使用的测风仪器是旋转式风杯和风向标传感器.这些仪器在业务化使用中存在一些问题,尤为突出的是:冬季气温较低,加上湿度、风速以及天气现象等气象条件的综合影响,高寒地区气象观测站及内陆高山站观测时,仪器容易出现积雪、结冰的现象,影响风观测资料的准确性和连续性.随着声学测风技术的进步,超声波测风仪取代或弥补地面风观测成为发展趋势 .检验超声波测风仪在实际应用中数据的可靠性和准确性,对超声波测风仪的业务化应用具有重要意义.王晓蕾等 对超声波测风仪和自动气象站风速风向资料进行了处理分析,以检验超声风速仪水平风观测资料质量,但研究所采用的均是短序列资料,评估工作不够全面.为此,文章采用 年E Z C超声波测风仪和E L C风速风向传感器分钟资料进行对比,研究者的差异及原因,旨在为超声波测风仪的进一步应用提供理论依据.数据简介试验 场 位 于 银 川 市 掌 政 镇 大 气 探 测 基 地(N,E),选用E L C风传感器和E Z C超声波测风仪,安装方法符合 地面气象观测规 范 要 求.选 取 (夏)、(秋),(冬)、(春)共个月作为对比分析时段,采用的风速风向数据是m i n滑动平均值(分钟数据),样本量为 ,对.观测资料符合时间和空间一致性要求.E L C风速风向传感器经过检定,计量性能符合要求.将E L C观测数据作为标准,求者的风速风向观测值偏差.对于每一个样本利用式()求取风速偏差Sw:SwSw Sw()式中,Sw 为E Z C超声波测风仪风速;Sw 为E L I C风速风向传感器风速.风向偏差Dw规定范围为 ,将机械风作为标准,当Dw Dw 时,利用式()求取Dw;当Dw Dw 时,利用式()求取Dw:DwDwDw ()DwDwDw ()式中,Dw 和Dw 分别为E Z C超 声 波 测 风 仪 和E L C风速风向传感器风向.风速平均偏差和风速均方根偏差分别为B和Er m s,则有:BniSwn()Er m sni(Sw)n()式中,n为种测风传感器有效样本量.风向平均偏差和均方根偏差与风速统计方法相同.对比分析 相关性分析图为种测风传感器风速风向对比分析散点图,横、纵坐标分别表示E L C风速风向传感器、E Z C超声波测风仪风速风向值.从图(a)可以看出,者风速相关性较高,相关系数为 ,通过了 的显著性检验,但是对角线右侧的样本略多于左侧;者的平均风速偏差为 m/s,均方根偏差为 m/s.种测风传感器风向样本主要集中在对角线附近,部分样本集中在左上角和右下角区域,统计结果显示者相关系数为 (图 b),通过了 的显著性检验,平均风向偏差为 ,均方根偏差为 .为了进一步分析E L C风速风向传感器与E Z C超声波测风仪的相关性随季节的变化特征,分别计算了不同季节者的相关系数、平均偏差和均方根偏差(表).不同季节者风速相关系数较高,为 ;者风向相关系数在春季和冬季最小,均为 ,夏季最大,秋季其次;不同季节者风速和风向平均偏差均为负值;夏季者风速和风向均方根偏差最小,秋季其次.因此得出,种测风传感器在不同季节风速相关系数高于风向,风速和风向相关系数均是夏季最高,整体上不同季节E Z C超声波测风仪风速和风向数据均偏小于E L C风速风向传感器.第期薛筝筝,等:E Z C超声波测风仪和E L C风速风向传感器平行观测对比分析图种测风传感器风速风向对比分析表不同季节E L C风速风向传感器与E Z C超声波测风仪风速和风向相关性对比季节 风速相关系数风速平均偏差/(m/s)风速均方根偏差/(m/s)风向相关系数风向平均偏差/()风向均方根偏差/()春季 夏季 秋季 冬季 偏差分析分析种测风传感器不同季节风速偏差分布情况可知,风速偏差分布存在明显的季节变化,其中夏季风速偏差分布最集中,秋季其次,春季和冬季较分散,春、夏、秋和冬季分别有 ,和 的风速偏差分布在 m/s.夏季和秋季风速偏差最大样本比例出现在 m/s处,分别达 和 ;秋季和冬季风速偏差样本比例均在 以内.不同季节风速偏差均是负偏差概率大于正偏差,其中夏季大多数样本为负偏差,负偏差占 ,零偏差占 ,正偏差占 .分析种测风传感器不同季节风向偏差分布情况可知,夏季负偏差频率大于正偏差,其他个季节正、负偏差比例基本一致,且风向偏差分布比例均在 以内;各季节的风向零偏差样本量都很少,比例均在 左右;春、夏、秋和冬季分别有 ,和 的风向偏差分布在 .综上分析可知,夏季风速偏差和风向偏差分布最集中,秋季其次,春季和冬季最分散.分析种测风传感器风速和风向偏差日变化情况可知,种测风传感器风速偏差各时次均为负值,日分布呈先减小后增加趋势,:风速偏差达到负值极值,为 m/s.风向偏差日分布呈双峰型,:和:达到峰值,除:和:外,其他时间平均风向偏差均为正值.综上对比说明种测风传感器平均风速和风向偏差在午后差异最大.进一步分析不同风速下种测风传感器风速偏差和风向偏差分布情况发现,风速偏差负偏差分布范围随着风速的增大而增大,正偏差相反,随着风速的增大,E L C风速风向传感器的“过高效应”越发明显,这与王晓蕾等的研究结论一致.原因可能是在大风速下E L C风速风向传感器转动惯性较大,当风速减小时,E L C风速风向传感器对风速变化的响应较慢,导致风速偏高.当风速小于m/s时,风向偏差分布较广,在 ,风向均方根偏差为 ;随着风速的增大,风向偏差分布越来越集中,当风速大于m/s时,风向偏差主要集中在 ,风向均方根偏差下降到 .从样本量分析,风速小于m/s的样本占总样本量的 ,当风速大于m/s时,均方根偏差明显降低,说明小风速下的风向是影响风向整体精度的主要因素之一.从种测风传感器在不同风向上风速和风向平均偏差、均方根偏差分布可知,种测风传感器平均风速偏差在S和S S E方位上接近,其他风向上平均风速偏差均为负值,主要集中在 m/s,其中E N E方位上平均风速偏差最大.不同风 向 上 风 速 均 方 根 偏 差 主 要 集 中 在 m/s,S E方位上风速均方根偏差最小,SWS方位上最大.种测风传感器风向平均偏差在西北和东南气 象 水 文 海 洋 仪 器J u n 到东方向上为正值,且在 以内;其他风向上均为负 值,平 均 风 向 偏 差 在S W方 位 上 最 大,为 ,S S W和W S W方位上次之,其他风向平均偏差均在 以内.风向均方根偏差主要集中在 ,W S W和W方向上风向均方根偏差最大,达到 ;风向均方根偏差在S方位上最小.一致性分析根据 自动气象站现场校准方法 可知,风速最大允许误差为(v)m/s,其中v为风速值,定义种测风传感器风速偏差在最大允许误差范围内,者一致;定义种测风传感器风向偏差在 ,者一致.一致率Rc可表示为:Rcnnt ()式中,n为种测风传感器风观测资料一致的样本量;nt为参与对比分析的总样本量.统计不同季节风速和风向一致率如表所示,由表可知,夏季风速一致率最高,达 ,秋季和冬季次之,春季最低;各季节风向一致率明显低于风速,其中夏季最高,达 ,春季和秋季次之,冬季最低.表种测风传感器风速和风向一致率季节总样本量风速一致样本量风速一致率/风向一致样本量风向一致率/春季,夏季,秋季,冬季,进一步对不同风速和风向下种测风传感器风速、风向一致率进行统计分析,风向一致率呈南北向长条形分布,在N和S方位上风向一致率最高,达到 ,SW方向上风向一致率最低.值得注意的是,超声波测风仪探测结果以S风为主,SW风出现的概率明显偏小,而E L C风速风向传感器各风向出现的频率差异不大,其原因需要进一步深入研究,这是导致种测风传感器一致率偏低的主要原因;其他方向上风向一致率在 .小风速下风速一致率较高,随着风速的增加,者风速一致率逐渐降低.结束语文章对比分析E Z C超声波测风仪和E L C风速风向传感器观测数据后得出结论:)E Z C型超声波测风仪和E L C风速风向传感器风速相关性较高,相关系数为 ,平均风速偏差为 m/s,均方根偏差为 m/s;风向相关系数为 ,平均风向偏差为 ,均方根偏差为 .整体上E Z C超声波测风仪各季节风速和风向数据均偏小于E L C风速风向传感器.)风速偏差分布存在明显的季节变化,其中夏季风速偏差分布最集中,秋季其次,春季和冬季较分散.小风速下的风向是影响风向整体精度的主要因素之一.)风速和风向一致率均是夏季最高,分别为 和 ;N和S方位上风向一致率最高,达到 ;小风速下风速一致率较高,随着风速的增加,者风速一致率逐渐降低.此次对比分析因观测仪器数量少,只是初步分析,还需积累的大量数据以做进一步的研究.参考文献:胡毅泓,龚道溢,毛睿,等北方农牧交错带春季风速年际变化的影响因子分析J高原气象,():冯婧,林润生,王冀,等京津冀地区 年逐日风速序列的均一化J气象科技,():敖雪,翟晴飞,崔妍,等城市化对辽宁省近地面风速的影响分析J气象,():涂满红,曹云昌,詹国伟,等超声波测风仪风速的不同算法误差分析J气象与环境科学,():K a i m a lJ C,G a y n o rJ EA n o t h e rl o o k a ts o n i ct h e r m o m e t r yJ B o u n d a r y L a y e rM e t e o r o l o g y,():H a n a f u s aT,F u j i t a n iT,K o b o r iY,e t a l An e wt y p e s o n i ca n e m o m e t e r t h e r m o m e t e r f o r f i e l do p e r a t i o nJ P a p e r s i nM e t e o r o l o g y&G e o p h y s i c s,():王晓蕾,郭俊,陈晓颖,等两种测风仪的动态比对试验及分析J解放军理工大学学报(自然科学版),():邓诗茹,解震华 C S A T 三维超声风速仪观测资料质量检验J气象与减灾研究,():林辉阳,王珊珊,杨庆波超声波测风仪对比观测试验研究J福建电脑,():中国气象局地面气象观测规范M北京:气象出版社,王秋香,刘卫平,刘叶,等吐鲁番气象站迁移前后资料的差异分析J干旱区地理,():