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1 引言
在眾多大氣因子中， 風(fēng)場資料是分析天氣演變最直觀和最有價值的資料之一。根據(jù)風(fēng)場的演變，可以了解中小尺度等強對流天氣發(fā)生發(fā)展的某些重要物理過程。因此目前對大氣風(fēng)場的研究受到越來越多的關(guān)注。
隨著大氣探測技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外用于探測大氣風(fēng)場的設(shè)備也隨之增加。目前國內(nèi)用于探測高空大氣風(fēng)場的儀器主要有無線電探空儀、風(fēng)能梯度塔、新一代多普勒天氣雷達(dá)、風(fēng)廓線雷達(dá)以及微型探空飛機等。由于各種探測設(shè)備的工作原理、風(fēng)場反演方法都存在差異，因此測得的大氣風(fēng)場的精度必然存在差異。而高精度的大氣風(fēng)場資料將對提高短時臨近預(yù)報的準(zhǔn)確度起到非常重要的作用。因此，我們對各種測風(fēng)資料的測量精度進(jìn)行比較，了解產(chǎn)生誤差與不確定因素的某些原因，以便充分發(fā)揮風(fēng)廓線產(chǎn)品在短時天氣預(yù)報和強對流天氣臨近預(yù)警預(yù)報中的作用。
另外，根據(jù)中國氣象局未來規(guī)劃，一個計劃由400座70—120米測風(fēng)觀測塔組成的風(fēng)能資源專業(yè)觀測網(wǎng)正在興建，風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)也計劃在國內(nèi)組建，飛機探測風(fēng)場也成為一個發(fā)展趨勢。這些探測設(shè)備的建成可以真正彌補我國常規(guī)高空探測站網(wǎng)空間密度和時間密度的不足。同時，這些探測設(shè)備的探測精度如何也成為大家極為關(guān)注的問題，因此中國氣象局氣象探測中心組織本次試驗，對三種探測儀器測量精度的對比分析，不僅可以作為科學(xué)研究的依據(jù)，而且為雷達(dá)布網(wǎng)等工作提供理論支持。
2 各種探測儀器的原理
2.1 風(fēng)廓線雷達(dá)及其風(fēng)場反演方法
風(fēng)廓線雷達(dá)又稱風(fēng)廓線儀，顧名思義風(fēng)廓線雷達(dá)提供的是風(fēng)的廓線。在大氣中隨時存在著各種尺度的湍流，它們引起的折射指數(shù)的不均勻變化，對無線電波會產(chǎn)生散射作用。湍流存在于氣流之中并隨之移動，因此可以將湍流作為風(fēng)的示蹤物。風(fēng)廓線雷達(dá)就是以晴空湍流作為探測目標(biāo)，利用大氣湍流對雷達(dá)電磁波的散射作用，探測大氣風(fēng)場。
由于風(fēng)是一個矢量，要求雷達(dá)的天線具有三個或五個正交波束，通過測定每個波束方向風(fēng)速引起的多普勒頻移，在一定的假設(shè)條件下（湍流均勻、各向同性的假設(shè)下）就可計算出回波信號所在高度上的水平風(fēng)向、風(fēng)速和垂直氣流速度。在一次測量中，風(fēng)廓線雷達(dá)可以得到同一時刻不同高度層的水平風(fēng)速風(fēng)向廓線和垂直氣流廓線。
基于風(fēng)廓線雷達(dá)探測資料的風(fēng)場反演方法常用速度-方位顯示方法（Velocity Azimuth Display），稱作VAD方法。
2.2 微型探空飛機及其風(fēng)場反演方法
微型探空飛機是一種專門用于大氣探測實驗的氣象飛機。它具有自動導(dǎo)航、自動駕駛功能。它采用GPS導(dǎo)航，在自動控制系統(tǒng)控制下完成預(yù)定航線的飛行，并實時地將飛機的軌跡和其他資料傳送到地面，地面接收系統(tǒng)的微機顯示飛機的經(jīng)緯度和高度等數(shù)據(jù)。微型探空飛機的風(fēng)場反演方法有水平空速歸零測風(fēng)方法和解析測風(fēng)方法。本文采用水平空速歸零測風(fēng)方法。
水平空速歸零測風(fēng)方法就是利用微型無人駕駛飛機可以在很小的半徑范圍盤旋飛行的特點，使飛機在水平面上盤旋飛行，盤旋飛行一圈，相對空氣而言，飛機回到了同一點，水平空速矢量之和為零，平均水平風(fēng)速等于飛機平均水平地速。飛機在空中飛行時，相對地面的運動稱為地速，相對空氣的運動稱為空速。空速（Vg）、地速（Va）和風(fēng)速（V）的關(guān)系為：
由此可以看出這種方式得出的風(fēng)速與日常業(yè)務(wù)測風(fēng)的物理意義完全一致。
3 風(fēng)廓線測量比較試驗及資料對比分析
為了對風(fēng)廓線雷達(dá)、風(fēng)能梯度塔、微型探空飛機的測量精度進(jìn)行比較分析，2008年9月24日中國氣象局氣象探測中心組織相關(guān)人員在內(nèi)蒙古錫林浩特國家氣候觀象臺進(jìn)行對比試驗。本次試驗的探測設(shè)備分別采用北京愛爾達(dá)電子設(shè)備有限公司的工作頻率為1290M移動風(fēng)廓線雷達(dá)（Airda3000型）、氣候觀象臺的100m風(fēng)能梯度塔以及由江西省氣象科學(xué)研究所研制的微型探空飛機。據(jù)天氣預(yù)報介紹，試驗當(dāng)天錫林浩特國家氣候觀象臺的天氣情況為“晴，西南風(fēng)4-5級，溫度4-12°C”，天氣系統(tǒng)相對穩(wěn)定，非常滿足試驗所需要的氣象條件。為盡量滿足探測區(qū)域天氣系統(tǒng)穩(wěn)定的試驗條件，試驗進(jìn)行時，三種探測設(shè)備的位置分布相對較近。風(fēng)廓線雷達(dá)位于116°19′49.7″E，44°08′2.4″N，海拔高度為1107m，探測高度為50m-3400m；風(fēng)能梯度塔位于116°18′44.9″E，44°08′32.4″N，海拔高度為1160m，探測高度為2m-100m；微型無人駕駛飛機指揮點位于116°19′54.8″E，44°07′42.1″N，探測高度人為控制。
3.1 風(fēng)能梯度塔與風(fēng)廓線雷達(dá)低層測風(fēng)資料對比
根據(jù)探測設(shè)備的海拔高度和其探測高度，風(fēng)能梯度塔可以分別得到海拔1162m的分鐘平均風(fēng)速、海拔1164m、 1170m、1180m、1190m、1210m、1230m、1260m的分鐘平均風(fēng)速及分鐘平均風(fēng)向；而風(fēng)廓線雷達(dá)低層高度分辨率為50m，因此僅能得到海拔1157m、1207m、1257m分鐘風(fēng)速、風(fēng)向。
本文首先對風(fēng)能梯度塔1162m分鐘平均風(fēng)速與風(fēng)廓線雷達(dá)1157m分鐘風(fēng)速進(jìn)行比較，共選取相應(yīng)時間的探測資料326組，風(fēng)速差值由風(fēng)能梯度塔測得的風(fēng)速值減去風(fēng)廓線雷達(dá)測得的風(fēng)速值得到，具體比較結(jié)果如圖1所示：
圖1 風(fēng)能梯度塔1162m分鐘平均風(fēng)速與風(fēng)廓線雷達(dá)1157m分鐘風(fēng)速差的分布圖
從圖1可以看出，兩者的風(fēng)速差分布相對比較均勻，風(fēng)能梯度塔測得的風(fēng)速值比風(fēng)廓線雷達(dá)測得的風(fēng)速值要偏大一些。經(jīng)計算，風(fēng)能梯度塔的平均風(fēng)速為8.2m/s，而風(fēng)廓線雷達(dá)的平均風(fēng)速為7m/s，兩者的風(fēng)速平均差為0.37m/s，標(biāo)準(zhǔn)差為1m/s（見表一）。
另外，本文分別對風(fēng)能梯度塔1210m分鐘平均風(fēng)速、風(fēng)向與風(fēng)廓線雷達(dá)1207m分鐘風(fēng)速、風(fēng)向以及風(fēng)能梯度塔1260m分鐘平均風(fēng)速、風(fēng)向與風(fēng)廓線雷達(dá)1257m分鐘風(fēng)速、風(fēng)向進(jìn)行比較，分別選取相應(yīng)時間的探測資料193組、165組、138組、146組。圖2、4的風(fēng)速差是用風(fēng)能梯度塔測得的風(fēng)速值減去風(fēng)廓線雷達(dá)測得的風(fēng)速值得到的，而圖3、5測得的風(fēng)向差則是由風(fēng)廓線雷達(dá)測得的風(fēng)向值減去風(fēng)能梯度塔測得的風(fēng)向值，具體比較結(jié)果如圖2、3、4、5示。
圖2、4顯示，風(fēng)能梯度塔1210m、1260m平均風(fēng)速與風(fēng)廓線雷達(dá)1207m、1257m分鐘風(fēng)速的偏差分布相對比較均勻，風(fēng)能梯度塔測得的風(fēng)速值比風(fēng)廓線雷達(dá)測得的風(fēng)速值明顯偏大。經(jīng)計算，兩者的風(fēng)速平均差分別為1.85m/s、1.76m/s；標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.82m/s、0.83m/s。
而從圖3、5風(fēng)向的對比來看，風(fēng)向偏差的總體走勢趨于一致，且圖5前半段顯示，兩種測量手段的風(fēng)向相差無幾，而后半段兩者的風(fēng)向有了較大的變化，風(fēng)向差也有所增大。經(jīng)計算，兩者的風(fēng)向平均差在1210m左右時為11°，1260m左右時為6.6°；相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差分別為12.7°、11.1°（見表1）。
圖2、3 風(fēng)能梯度塔1210m平均風(fēng)速、風(fēng)向與風(fēng)廓線雷達(dá)1207m分鐘風(fēng)速、風(fēng)向的偏差分布圖
圖4、5 風(fēng)能梯度塔1260m平均風(fēng)速、風(fēng)向與風(fēng)廓線雷達(dá)1257m分鐘風(fēng)速、風(fēng)向的偏差分布圖
3.2 風(fēng)能梯度塔、風(fēng)廓線雷達(dá)、微型探空飛機三種探測設(shè)備的測風(fēng)資料對比
本節(jié)采用9月24日下午13：30-15：00飛機試驗過程中得到的微型探空飛機數(shù)據(jù)，并選取相應(yīng)時間相同高度層的風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)及風(fēng)能梯度塔數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。得到的三種探測設(shè)備的風(fēng)速、風(fēng)向?qū)Ρ冉Y(jié)果如圖6、圖7所示。本次比較共選取微型探空飛機、風(fēng)廓線雷達(dá)資料各30組，而風(fēng)能梯度塔由于受到高度限制，進(jìn)入比較的數(shù)據(jù)只有9組。計算可得，探空飛機與風(fēng)能梯度塔測得的風(fēng)速非常相近，兩者平均差僅為0.9m/s.而與風(fēng)廓線雷達(dá)測得的風(fēng)速相差偏大，平均差達(dá)3.4m/s。
由圖7并結(jié)合計算數(shù)據(jù)可知，微型探空飛機測得的風(fēng)向與風(fēng)廓線雷達(dá)測得的風(fēng)向非常吻合，兩者平均差僅為0.47°。而微型無人駕駛探空飛機與風(fēng)能梯度塔的風(fēng)向平均差為7.1°。
圖6 相同時間相同高度層三種探測設(shè)備測得的風(fēng)速資料的對比
圖7 相同時間相同高度層三種探測設(shè)備測得的風(fēng)向資料的對比
3.3 結(jié)果分析
本文共采用兩種方式對三種探測設(shè)備的獲得的測風(fēng)資料進(jìn)行對比分析，分析結(jié)果表明風(fēng)廓線雷達(dá)最低層與風(fēng)能梯度塔最低層數(shù)據(jù)比較風(fēng)速差別較小，僅為0.37m/s。而風(fēng)廓線雷達(dá)第二層、第三層數(shù)據(jù)與風(fēng)能梯度塔相應(yīng)層數(shù)據(jù)比較差別稍微偏大一些。另外，如圖6所示，1200m—1400m之間三種探測設(shè)備的探測數(shù)據(jù)比較結(jié)果表明微型探空飛機測得的風(fēng)速與風(fēng)能梯度塔測得的風(fēng)速差別甚微，而與風(fēng)廓線雷達(dá)測得的風(fēng)速差別較大，平均差為3.4m/s，主要原因是進(jìn)入比較的風(fēng)能梯度塔數(shù)據(jù)偏少，另外，兩者的測風(fēng)原理與風(fēng)場反演方法差異太大也是造成這一結(jié)果的一個重要原因。圖7的風(fēng)向比較顯示微型探空飛機與風(fēng)廓線雷達(dá)、風(fēng)能梯度塔測得的風(fēng)向均有較好的一致性。
綜合上述比較結(jié)果，引起對比出現(xiàn)差異的主要因素有：（1）觀測方法的差異，即各種探測設(shè)備的探測原理各不相同，探測的目標(biāo)也存在一定的差異，探測數(shù)據(jù)必然存在誤差；（2）數(shù)據(jù)處理方法的差異，即各種風(fēng)場反演的方法存在很大不同。風(fēng)廓線雷達(dá)測風(fēng)是對其上空一定高度層及探測范圍內(nèi)風(fēng)的平均值；而風(fēng)能梯度塔是對特定位置的風(fēng)的測量，是對分鐘風(fēng)的一個平均；飛機測量的是飛行周期內(nèi)飛機經(jīng)過軌跡點的風(fēng)的平均；（3）有效數(shù)據(jù)的數(shù)量與質(zhì)量，本文選取的數(shù)據(jù)均是經(jīng)過剔除最大誤差后的數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)質(zhì)量可以得到保證，但由于受到條件限制，能同時用于三種探測設(shè)備比較的數(shù)據(jù)量偏少，這也在一定程度上影響了比較結(jié)果的準(zhǔn)確性；（4）資料的同時性和同地性，資料的同時性和同地性越好，得到的對比結(jié)果越具有參考價值，由于本次試驗過程中天氣系統(tǒng)相對穩(wěn)定，探測設(shè)備間距很近，且各探測設(shè)備的時間分辨率均不大，因此本次實驗條件基本滿足同時性和同地性原則。
4 結(jié)論
通過對本次實驗獲取數(shù)據(jù)的比較分析，我們可以得出以下結(jié)論：
（1）風(fēng)能梯度塔與其它兩種探測設(shè)備相比，它的優(yōu)點是測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠、耗資低，缺點是探測高度低，范圍小。
（2）與其它兩種探測設(shè)備相比，風(fēng)廓線雷達(dá)探測不僅具有實時性的特點，而且探測高度高，范圍大，因此風(fēng)廓線雷達(dá)的使用和布網(wǎng)可以改善我國探空資料站點不足的缺點，并且可以獲得實時風(fēng)數(shù)據(jù)，為天氣預(yù)報提供更及時，更有價值的參考依據(jù)。從比較分析可知，風(fēng)廓線雷達(dá)得到的數(shù)據(jù)較其它兩種探測設(shè)備明顯偏小，主要因為風(fēng)廓線雷達(dá)得到的是一定范圍內(nèi)風(fēng)的平均值。
（3）微型探空飛機探測資料與其它兩種探測設(shè)備相比，其最大的優(yōu)點是可人為控制飛機航線，探測方式靈活。從比較分析可知，微型探空飛機的探測數(shù)據(jù)與風(fēng)能梯度塔的觀測數(shù)據(jù)相差不大，在誤差允許范圍之內(nèi)。所以，微型探空飛機有較大的應(yīng)用空間，不僅可以用于對人煙稀少的偏遠(yuǎn)地區(qū)進(jìn)行高空探測，而且可以用于特殊氣象條件或突發(fā)氣象事件的高空探測等工作。微型無人駕駛飛機可成為一種方便、經(jīng)濟(jì)、靈活的低空探測工具。
責(zé)任編輯：gt
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