三种测风方法的原理及其比对

黄裕文

摘要：高空测风业务是气象观测的基础业务之一，其数据广泛应于天气预报、气候研究、航空航天器等领域。L波段二次测风雷达、GPS测风和风廓线雷达是目前气象业务中最为广泛使用的三种测风方法。本文扼要介绍了这三种测风方法的原理，并基于观测数据对三种测风方法的结果进行了比对。比对结果表明：三种测风方法测得的水平风向误差在10度以内，水平风速误差小于1m/s，都能满足目前的业务要求，其中L波段二次测风雷达和风廓线雷达测风的结果更为接近。

Abstract： The high-altitude wind business is one of the basic businesses of meteorological observation， whose data has been widely used in the research on weather forecast， climate， aerospace and other fields. The secondary L-band radar， GPS wind and wind profiler radar are the three most widely used methods in meteorological services. This paper briefly introduces the principle of the three wind methods， and the results of the observation data of the three wind methods are compared. The results show that errors in the horizontal direction under the three kinds of wind measurement are within 10 degrees， the horizontal wind speed error is less than 1m/s， which can meet the current business requirements， and especially the result measured by the secondary L-band radar and wind profile radar is more accurate.

關键词：L波段二次测风雷达；GPS测风；风廓线雷达

Key words： secongdary L-band radar；GPS wind measurment；wind profiler radar

中图分类号：TN95 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）09-0209-03

0 引言

风场在天气分析和预报中有十分重要的作用，它是天气预报中的重要参数，也是造成大气中的风、云、雨、露等天气现象的基本要素之一[1]。无论天气系统预报还是气象要素预报，均离不开对风场的类型、结构和演变的认识，能否准确分析风场的变化是预报成败的关键。如何探测风场结构一直是气象学的一个重要研究方向。目前我国使用的常规测风手段有自动气象站、光学经纬仪、无线电经纬仪、激光雷达、L波段二次测风雷达、GPS测风、风廓线雷达等[2-7]。自动气象站使用风杯、风标式传感器对地面风进行探测，测得的风不连续，且观测高度受限；光学经纬仪测风需要人工通过望远镜跟踪升空气球的运动轨迹进行测风，所以其测量精度较差，且能见度低时无法操作；无线电经纬仪虽然可以实现自动化操作，但其精度仍然不高且属于有源探测，无线电隐蔽性能较差；故上述三种测风方式在我国目前已基本淘汰或已成为备用手段。激光测风雷达具有单色性好、定向性能好、结构简单、轻便、造价低等优点，且具有极高的角分辨率、距离分辨率、速度分辨率以及较广的测速范围，但是，在恶劣天气下，激光测风的性能下降很多，使其应用受到一定的限制。L波段二次测风雷达和GPS测风都基于探空气球，通过雷达或GPS接收机获取气球的位置后，利用位置信息计算出不同高度的风向和风速。虽然这两种是当前气象部门业务中普遍使用的测风手段，但是由于探空气球会随大气运动而生成漂移，这两种方法都无法测量出本地上空的风场，且测量时间间隔长、数据率低、消耗大。风廓线雷达的应用是对探空气球测风方法的一次革命，它是利用大气湍流对电磁波的散射作用而进行大气探测的一种遥测设备，通过测量三个波束或五个波束接收到的微弱后向散射回波中的多普勒频移（即径向速度），再通过矢量分解合成技术即可反演出水平风场和垂直风场结构。与有球测风相比，风廓线雷达除具有可连续探测的优点外，还具有高精度和运行可靠性，操作维护方便，其适用范围是有球测风无法比拟的。目前，L波段二次测风雷达、GPS测风和风廓线雷达是气象业务中主要采用的测风方法。本文介绍了三种测风方法的原理，并利用实测数据对这三种方法的探测结果进行了对比，结果表明，三种测风方法测得的水平风向误差在10度以内，水平风速误差小于1m/s，满足业务要求，其中L波段二次测风雷达和风廓线雷达测风的结果更为接近。

1 测风原理

1.1 L波段二次雷达测风原理

L 波段二次测风雷达的工作原理是：探空气球充入氢气或氦气，以360m/min左右的速度上升，在探空气球上悬挂一个无线电探空仪及一个雷达反射器，无线电探空仪上配有各种传感器，可用于测量温度、气压、湿度等气象要素，通过无线电波发回地面站；同时，地面雷达不停追踪着雷达反射器，每隔一定的时间测量其距离、方位及仰角，利用这些位置信息变化即可计算出不同高度的风向和风速。其工作原理如图1所示。

业务测风目前采用的计算方法是：气球施放后20分钟内，每一分钟的厚度作为一个计算层；气球施放20～40分钟，每2分钟的厚度作为一个计算层；气球施放40分钟以上，每4分钟的厚度作为一个计算层。具体的计算方法如下：

1.2 GPS测风原理

GPS测风与L波段二次测风雷达测风的原理基本类似，两者的区别在于GPS测风时采用GPS技术替代雷达的跟踪。在探测过程中，无线电探空仪和地面站均装有GPS天线，可接收最少4颗卫星发出的信号。地面站接收到GPS信号和无线电探空仪数据后，会提取出所需的资料，再加入有关卫星轨道的数据，便可计算出无线电探空仪的位置，从而计算出不同高度的风向和风速。GPS技术的应用是气球探空技术的一个重大改进，准确度极高，且不易受闪电及雷暴等恶劣天气影响。

1.3 风廓线雷达测风原理

风廓线雷达是利用大气湍流对电磁波的散射作用对大气进行探测的一种遥感设备[8]。其原理是当向大气层发射一束无线电波时，由于湍流气团随风漂移，导致回波信号产生一定量的多普勒频移，通过测定回波信号的频移值计算出沿雷达波束的径向速度。实际使用中，风廓线雷达常设计为三波束或五波束轮流工作，根据这些波束的回波信号，经过一定的处理方法，就可计算出大气三维风场。风廓线雷达的工作原理如图2所示。

当雷达以三波束（假设为东、北、天顶）工作时，利用这三个波束测得的径向速度VRZ（h）、VRE（h）、VRN（h），便可以求得大气的三维风场：

其中，θ为倾斜波束的天顶角，UE（h）和UN（h）分别为水平风在东和北方向的分量，UZ（h）为大气垂直运动速度。风廓线雷达测得的径向速度均以朝向雷达方向为正速度。

当雷达以五波束工作时，先将两个对称方向的倾斜波束测得的径向速度进行平均，再按三波束边界层风廓线雷达水平风合成方法进行计算。

2 试验结果

为了验证和比较这三种测风方法性能上的差异，2013年8月13日在某机场进行了一次比对试验。在比对试验中，探空气球上同时悬挂普通探空仪和GPS探空仪，L波段二次测风雷达和GPS测风同时进行测量，在L波段二次测风雷达附近放置风廓线雷达进行测风观测。其中，GFE（L）1型L波段二次测风雷达采用GZZ9型数字式探空仪，GPS测风采用GTS1-2型探空仪，风廓线雷达的主要性能参数如表1。

图3给出了一组三种方法测得的水平风向和水平风速的比对结果。在比对过程中，分早上（8：00）、中午（12：00）、下午（16：00）和晚上（20：00）各进行一次比对，限于篇幅，此处只给出一组结果，其余比对结果基本与此类似。

分析图3可知，三种测风方法得到的水平风向和水平风速基本一致。运用统计方法对数据进一步分析，可得到三种测风方法水平风向和水平风速的分段统计结果，如表2和表3所示。表中GZZ、GPS和WPR分别表示L波段二次测风雷达、GPS测风和风廓线雷达。

从表2中的统计结果可以看出：三种测风方法测得的水平风向的误差都在10度以内，除低空数据外，L波段二次测风雷达和风廓线雷达测得的数据更为接近。从表3中的统计结果可以看出：三种测风方法测得的水平风速的误差500m以上范围都在1m/s以内，500m以下可能受地面活动的影响差异较大，同样也是L波段二次测风雷达和风廓线雷达测得的数据更为接近。

3 结束语

L波段二次测风雷达、GPS测风和风廓线雷达测风是当前气象业务中主要采用的三种测风方法。本文简要介绍了这三种测风方法的原理，并基于2013年8月13日在某机场的试验数据，对三种测风方法观测得到的水平风场进行了比对。结果表明，三种测风方法测得的水平风向误差在10度以内，水平风速误差在1m/s以内，符合这三种设备的精度要求。同时，L波段二次测风雷达和风廓线雷达测得的数据更为接近。从探测区域看，L波段二次雷达测风和GPS测风都是探测气球所处位置的水平风，风廓线雷达则是探测雷达上空的水平风；从测量精度看，GPS测风和风廓线雷达高于L波段二次测风雷达。三种测风方法各有优点和缺点，根据各自的业务应用和装备条件选择测风的方式，满足业务需求。

这需要开展进一步的研究。

参考文献：

[1]张霭琛.现代气象观测[M].北京：北京大学出版社，2000：12-14.

[2]吴蕾，陈洪滨，高玉春.国产风廓线雷达对比试验初步分析[J].现代雷达，2013，35.

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[4]王帆，田磊.基于GTS1型探空仪的GPS测风技术[J].科技信息，2009，20.

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[7]吴蕾，陈洪滨，康雪.风廓线雷达自身对比精度分析[J].氣象科技，2014，42（1）：38-41.

[8]张培昌，杜秉玉，戴铁丕.雷达气象学[M].北京：气象出版社，2000：71-78.