雷达和无线电探空仪测风方法的比较外文翻译资料

 2022-11-30 16:12:15

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雷达和无线电探空仪测风方法的比较

摘要：

多普勒雷达测量方法在风能研究方面已经日趋完善，并且它们的测量准确度经检验已经满足离地超过100m的大量数据的使用。然而，新一代扫描雷达拥有更大的适用范围，因而更大高度上的核实行为不大可能进行。据此，LIMECS（挪威雷达测量运动）于2013年3月到8月在斯塔万格机场开展了比较激光雷达和无线电探空测量方法的研究，这是和卑尔根大学、MET（挪威气象办公室）、CMR（基督教平台研究）和阿维诺尔联合开展的测试活动。机场的位置位于挪威西海岸，此项研究的另一个目的是对海岸风的特征和对斯塔万格机场的LES湍流的确认进行调查研究。我们在挪威两个不同的地方部署了两台V1型windcube雷达和一台扫描windcube 100s型雷达，一类靠近河床，另一类在MET的自动探头附近。Windcube 100S型雷达在小时的基础上扫描一些环境流场的截面。结合超过200m和3km的风廓线，和短暂但更频繁的无线电探空上升，我们收集了沿海大气边界层的多种风数据，第一项结果显示随着测量高度的增加（由125m到1325m），扫描雷达风廓线和无线电探空水平风速的相关性由0.95增加到了0.99。虽然雷达测量的数据随着高度的增加会减少，但是高海拔上的雷达测量似乎能与无线电探空数据更好的关联起来。

2014 Elsevier Ltd。这是一篇CC BU-NC-ND许可的开放性文章

（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/）

由SINTEF Energi AS授权筛选和评审

关键词：雷达，无线电探空测风仪，行星边界层

  1. 介绍

近几十年来雷达技术的发展最近在研究环境流场方面为大气边界层群体提供了新的仪器化方法。这项发展的一个重要驱动力是风能部门。持续发展的风力涡轮机规格推动了静态气象塔测量代替和互补需求的出现。如今可用的有着离地200m高度典型测量范围的商业激光雷达分析器,在过去的时间里，相比于颇具规模的风杯风速计，激光雷达证明了它们在准确测量风速和湍流强度的准确性，至少在不太复杂的地形勘探方面[1]。

新一代的扫描雷达不仅能够通过扫描二维垂直面或者水平横截面保证环境流场的可视化，而且能够展示一个更高的范围。二维扫描使新的测量策略成为可能，而且随着风力涡轮机的出现，打开了一种新的分析边界层结构和相互作用的方法。然而，当测量范围超过一个气象塔范围时，获取更高风力测量方法的途径要求新的可视化方法出现。因此卑尔根大学和NORCOWE、MET、LIMECS联合开展了旨在调查海岸边界层过程和比较扫描雷达和无线电风廓线探空的研究。

无线电探空仪测量是一种给上升气象气球上配备GPS天线和温湿压传感器的测量方法。无线电探空仪从20世纪起开始被使用来测量贯穿整个大气的廓线并且现在每天都被全世界的气象研究所使用。无线电探空数据由于GTS（全球电信系统）同化为天气预报模型的需要在国际上广泛分布。目前，挪威的无线电探空仪被自动探头仪器自动释放。它被布置在挪威西海岸靠近斯塔万格机场的位置（图一）。

在挪威海岸操作扫描雷达让我们能够额外的调查在海上或者陆地上形成边界层的转变过程。这些过程的其中之一，就是对沿海气候也格外重要的海陆风循环。它形成于太阳辐射以及海陆之间的热容量差异。对后者的海陆风案例研究是海洋比陆地温暖，导致海洋的暖空气上升。由于不断上升的空气压力差直接作用在陆地上，陆地上就会有下沉运动，导致了一个封闭的循环。根据Oke的案例研究，风速为1-2m/s、深度为大约300m的陆风不如各项数据为2-5m/s、1-2km的海风强[2]，海风循环随着它们离岸数十公里或者相对海岸线减小海上风速时对海上风能具有重要意义[3]。随着海风的发生和海陆之间温度梯度的存在关联在一起，它们不仅仅在空间范围内改变了风的潜能，而且引入了季节性的风速变化，这种变化理应被海上风能评估考虑在内。因此探测捕获这些事件对于更好的理解海风特征和模型验证具有很重要的作用。

Hooper和Eloranta在80年代已经比较了雷达和无线电探空仪关于边界层厚度、风和方向的测量方法并且得出了有利的结论。现在的研究是追随着他们更细节的结果，本文结构如下：第2部分对LIMECS测量运动作了一个简单的介绍，紧跟着的是第3部分通过对数据和方法的展示，第4部分展示和讨论了由Leosphere 100S扫描风雷达系统进行的风廓线测量和离地高度直达2500m的无线电探空仪比较的结果。第5部分的两个案例简短的强调了应对各种小规模边界层现象的3D扫描雷达系统的潜能。最后的第6部分给出了一个总结和对未来活动的展望。

2、活动设置

LIMECS设置在挪威斯塔万格机场的两个地点，从2013.3.1持续了4个多月直到2013.8.24。扫描WindCube（WLS100S-8）和一个WindCube v1（WLS7-67）分别测量斯塔万格机场的风场和消防队建筑的屋顶之上的廓线（第一个地点），消防队建筑位于挪威海岸线1.7km处。在那样的情况下，测量一般发生在海上边界层之间的过渡区和陆地上空。更深的内陆和第一个地址东南方2.3km处，WindCube v1（WLS7-65）测量的风廓线靠近MET操纵的自动探头（图1的第二个地址）。在这项测量活动期间，我们为了关注天气条件每天临时增放了2-4个无线电探空仪，这一举措在图2中用更高浓度的灰线表现出来。

Fig.1：

设置在挪威的斯塔万格机场附近的LIMECS的地图。黑点代表两个测量地的位置。

  1. 资料和方法

由Vaisala公司制造并由挪威的MET操纵的自动探头被布置在苏拉（图2位置）。自动探头每天释放两个无线电探空仪。每个气球的上升速度大约为6m/s并配备有一个RS92-SGP的无线电探空仪，这也是由Vaisala公司制造的。无线电探空仪上有压力传感器、大气温度传感器和相对湿度传感器，甲板上也有GPS装置，它使用GPS技术计算地平线风速和无线电探空仪位置方向的相关代码，它相对卫星运动的方位是由探测到的多普勒频率决定的。制造商关于这种方法计算风速和风向的准确性情况被列在表1中[6]。无线电探空仪的原始数据的采样频率为2s，这导致垂直测量的分辨率大约为11m。

表1：制造商给出的测量准确性

两台WindCube v1雷达测量三维风矢量是按照从40m到200m的高度，每20m测量一次，独立采样率为4s的方式进行的。和WindCube v1相比，WindCube 100S可以测量从150m到3000m的更高高度，它的探头长度约为75m。除了两种风廓线之外，WindCube 100S也测量三个360°PPI和五个180°RHI重复扫描模式径向风场的垂直和水平截面。制造商的风速和风向的准确性可以在表1中被找到[7],[8]。

根据雷达测量方法取决于小颗粒物的存在作为后向散射目标物这一事实，雷达数据的有效性就会因为低层大气中的低气溶胶浓度而改变。因此，测量方法就对行星边界层的高度和特定的天气条件很敏感。图2举例说明了将WindCube 100S的载波信噪比（CNR）作为一种后期分析高度的方法。低于-27dB的CNR数据是废弃数据并且不会被储存到通用数据文件中去。值得注意的是，通常情况下，信号大约在1.5km处出现减弱。这个高度可以和该地的平均行星边界层高度联系在一起。测量方法的变化会随着边界层厚度的变化而改变。然而，对边界层高度研究和弹性后向散射之间已经存在良好相关性的雷达而言，用多普勒雷达分析边界层高度仍然处在发展阶段[9]。在大气条件之后，技术问题也可能导致数据有效性很低的情况，因为我们在3月期间发现了软件问题，在春季出现了能量供应问题。（图2）

自动探头在工作时，为了比较雷达和无线电探空资料，最合适检测算法会寻找最接近的雷达资料和对于雷达高度来说关闭的自动探头的测量高度。在那之后，合适的时间平均为10分钟，合适的空间平均为75m，这是一系列对本研究极为核心的资料。我们计算了风向以及Tuner讨论的Yamartino方法标准差。

Fig 2：（a）整个测量期间WLS100S和无线电探空仪的数据有效性。蓝线代表最大的有效测量高度；（b）平常分析期间雷达CNR的高度函数值，蓝线代表平均廓线，灰线代表编程CNR阈值

4、结果

将以前讨论的方法应用到WindCube 100S和2013.3.1至8.20期间的自动探头数据中，揭示了两种不同的测量方法之间整体极高的相关度（Rgt;0.95）。相关性并非一成不变，而是依赖于测量高度。为了使这个依赖关系形象化，我们画出了相关系数的函数图像（图3右手边）。

Fig 3：由无线电探空仪和WindCube 100S测得的水平面上风速散点图（a）和风向散点图（b）。不同的颜色代表不同的测量高度；水平面上的风速（c）和风向（d）的相关系数是蓝色的，WindCube 100S样本数据是绿色的，图像是高度的函数。亮色代表最好的曲线，暗色是时间和空间平均数据

相关系数在150m到500m之间增加的很明显，R从0.93增加到了0.99。在那之后，R几乎维持在0.99附近不变，即使是在比较中减少的样本数据也是如此（3c）。当计算五分钟前后最接近的雷达剖面的概要文件的平均值时，样本数据和相关性在大部分测量高度上都增加了。计算风向的均值甚至更有效。1.6km处相关系数减小的一个原因可以归结为第一种雷达测量方法是在有云的情况下进行的，云的光学厚度影响了激光的强度和雷达的CNR（信噪比）。和WindCube 100S相比，来自WindCube v1（图4）和无线电探空仪测量方法的数据的相关性变得更糟。事实上，这样的相关系数比WindCube 100S和自动探头之间的相关系数低了大约五分之一。然而，当测量高度位于70m到210m之间时，自动探头中WLS7-67 和WLS7-65的相关系数仍然分别从0.7增加到了0.9和从0.6增加到了0.7。值得注意的是比较样本中相关系数的值，WLS7-65几乎是两倍于WindCube 100S。限制应用在WLS 100S上的WLS7-65的概要文件，我们至少可以比较230m高度处的风速测量方法（图4）。0.842的相关系数高于WLS7-65和自动探头之间的相关性。然而，230m处WindCube 100S和WLS7-65之间的相关性仍然要比同样高度处WindCube 100S和自动探头之间的相关系数低十分之一。除了两台雷达装置之间增加了2.3km的距离这一不同地域的影响，WLS7-65的数据质量看起来不会被一个受影响的激光放大器所干扰。

Fig 4：（a）WindCube v1和无线电探空仪之间关于水平面风速的相关系数，样本数据绘制成为测量高度的函数，分别显示为蓝色和绿色。亮色代表最好的结果曲线，暗色代表时间和空间平均数据。方块代表WindCube WLS7-65，星型代表WindCube WLS7-67。散点图为230m处WindCube 100S和WindCube WLS7-65的水平面风速

两台雷达之间相关性的增加都更加证实了这个理论，以至于除了WLS7-65数据集的不同长度之外，气球的运动也会影响相关性。如果出现了更强的风，一旦进入大气，悬挂有自动探头的气球将得到动力。因此绑有自动探头的绳索就会在上升的时候时不时地开始摇晃。当观察自动探头上升趋势时，运动时的出现的摇摆甚至可以用人眼观察到。这一运动会导致低层风测量不太准确。Vaisala尝试着在他提供的软件中解释这一影响。

4.1案例研究

为了调查地表附近出现的较低相关性的现象，我们列举了两个风速和风向廓线作为第一个案例研究，这个空间平均无线电探空仪数据得来的最高标准偏差是在第一个测量高度上得来的（图5）。和这个空间变化相比，WindCube测量方法的标准偏差代表十分钟时间间隔的变化。在这个案例中，时间上的标准偏差比空间上的标准偏差更高。不仅体现在时间间隔的规格上，也体现在天气条件决定的风向风速变化的大小上。在我们的案例中，关于2013年5月6日出现在冰岛东部的低气压系统和它的暖锋气流，导致了地表风向的变化和风速的变大（图5）。在2013.5.6暖锋过境后，10分钟平均风速和风向的雷达标准偏差值明显变大。这是由于湍流和垂直混合加强了风切变或者导致了表面热通量的增加。后者随着低压系统中的冷锋的接近显著地增加了。随着垂直混合的增强，行星边界层的厚度也会变大，这会被来自UTC 06到12的WindCube 100S测量方法的变化反映出来。因为这个情况，我们使用的雷达数据的有效性会被以前的雷达测量高度与载波噪声比高于-23分贝反映出来，这样可以探测大气边界层的高度。以无线电探空测量方法估计大气边界层高度主要是考虑浮力，还有基于潜在的温度廓线梯度。我们研究中的两种由浮力估计边界层高度的差异可以由上面的垂直风切变层解释，这也会产生湍流，导致更高的雷达测量范围。两种不同探测方法在中午将会变得更接近，它们在边界层高度估计方面的差异将会减小一半。

Fig 5：由三种WindCube雷达和无线电探空仪测量的风速和风向的垂直廓线，（a）为05:19 UTC,（b）为11:19 UTC，二者均为2013年5月6日。阴影区域代表十分钟平均雷达数据曲线的标准差，空白的表示平均无线电探空仪平均曲线。更低的测量高度在额外的方框中被扩大。灰色虚线代表由无线电探空仪测得的位温曲线估计的边界层高度

Fig 6：（a）来自东西方位的陆风的180°RHI扫描，（b）2013.3.12 08:30 UTC的360°PPI扫描。红色代表朝着仪器的径向风速，蓝色代表远离仪器径向风速。

第二个案例研究是关于WindCube 100S扫面雷达于2013.3.12捕获的陆风环流。和海风相比，陆风不太常见，在冬季出现的最为频繁。在2013.3.12，斯堪的纳维亚上方的低气

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