三种测风方法的原理及其比对
时间：2020-12-08 16:01:06 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
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。
