超声波技术在风速观测中应用及其对比.pdfVIP

超声波技术在风速观测中的应用及其对比 1 2 3 2 2 1 周后福 ，赵青松 ，宾荣权 ，杨开围 ，金社军 ，翟 菁 （1.安徽省气象科学研究所，安徽合肥 230031 ；2.安徽省巢湖市气象台，安徽巢湖 238000 ；3. 深圳市智翔宇仪器设备有限公司，广东深圳 518030 ） 摘 要：将超声波技术研发的超声波测风仪布设在安徽省巢湖市气象台，供气象台业务人员应用，既作为大风的观测仪器， 也成为巢湖市气象台大风预报时的重要参考工具。利用超声波测风仪的风速观测资料，与同一观测场的自动站测风仪的风速 观测资料进行对比，发现超声波测风仪的风速比自动站的风速要低 20%左右；替换前两种仪器风速的日变化为单峰型，与 气候变化规律基本一致，而替换后两种风速的日变化为双峰型；替换前风速标准差的相关系数略大于替换后的相关系数，说 明替换后超声波仪的风速变化大；替换前逐个个例的相关系数平均值、最大值以及大于0.5 的比例都超过替换后的数值，也 说明替换后超声波仪的风速变化不稳定。 关键词：大气探测；超声波；自动站；风速观测；对比分析 0 引言 超声波测风仪是直接运用超声波技术的测风仪器设施，对风速风向进行高精度的实时观测与跟踪。其 率先在国外研发成功并投入使用，在气象、电力等领域得到广泛使用，产品种类主要分为二维和三维两大 类。超声波测风仪作为一种新型的测风仪器，依靠本身所具有的良好性能，很好地克服了一般风速仪的缺 陷。目前随着它的逐步推广与应用，已经越来越受到用户的推崇与认可。 2010 年 6 月开始在安徽省巢湖市气象局观测场正式安装超声波测风仪，于 2010 年 11 月更新了超声波 测风仪，并至今一直在巢湖市气象台稳定运行。该测风仪在巢湖市气象台得到了应用，一方面作为巢湖市 [1] 气象台大风测风仪器，另一方面成为预报大风时的一种重要参考工具。针对自动站的风速观测及其对比 ， 以及自动站与人工观测的风速比较取得了很多成果[2-5] ，但是利用两种自动测风仪资料进行比较的论文不 多，涉及到超声波测风仪资料对比的论文也极少。本文拟基于巢湖市气象台观测场的超声波测风仪和自动 站测风仪，对风速进行分段的诊断分析，以此对两种自动测风仪器的风速作出比较。 1 超声波原理及其特点 超声波测风仪的工作原理为超声波时差法，依据超声波在空气中传递的时间变化量来计算出风速和风 向的。一般情况下，声波在静止空气中的传播速度是温度、气压之间的函数，要想精确测定空气中声波的 速度是很困难的。在实际应用中，通过同时测量两个方向上声波传递的时间来消去声速，这样风速只和测 量方向上的传播时间和传播距离有关。风速的测量是依赖于测风仪对称分布在同一个平面上的两对传感 器，每对传感器都可以测定一个风速矢量，此时平面上的风速就是两个矢量值的合成。 相比于传统风杯式、翼状传感器，超声波仪的主要特点体现在以下 4 个方面：⑪由于传统机械式传感 器使用的是轴承传动，机械惰性和磨损较大，需要经常派人维护；而超声波风速仪采用的要全部固件结构， 无任何运动部件，将机械损耗减到最小。无需派人维护。满足长时间野外观测的需要。大量减少维护的成 本支出。⑫相比于传统机械式的传感器，新一代超声波传感器在应对恶劣的气候环境下的使用性能有很大 的提高，比如在降雨的情况下，传统机械式传感器由于雨水的作用，使转动阻力增大，会使测量值明显偏 小。⑬由于超声波风速仪不存在机械损耗的问题，所以基本无需维护、更换等后续投入。⑭超声波风速风 向仪采用了数字通信接口，可以很方便地与主流采集设备连接，或者通过网络进行远程的数据传送，适合 野外无人值守的数据采集工作。 2 风速对比分析 2010 年 11 月 11 日替换了新的超声波仪，因此风速的对比分成替换前、替换后的两段来进行。由于 2010 年 12 月资料少，因此两段时间实际为 2010 年 6~11 月和 2011 年 1~7 月。超声波测风仪的软件运行不 稳定，导致观测时有中断，因此实际资料的对比是由若干个个例所组成的。  作者简介：周后福，安徽省气象科学研究所，合肥 2