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不同天气条件下脉冲激光风廓线仪测风性能

陈雯超 宋丽莉 王志春 刘爱君

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不同天气条件下脉冲激光风廓线仪测风性能

The Wind Measuring Performance of WINDCUBE V2 Pulse Laser Wind Profiler Under Different Weather Conditions

  • 摘要: 将2012年5月21日-8月16日广东省湛江市东海岛气象观测站内脉冲激光风廓线仪WINDCUBE V2与气象站内的100 m测风塔进行同步观测试验,在经过观测数据同步性调整、有效性检验和代表性样本筛选基础上,分大小风和有无降雨天气过程,对杯式测风仪、超声风速仪与激光风廓线仪的同步测风数据进行比较,结果显示:脉冲激光风廓线仪与杯式测风仪测量水平风参数的相关性较好,10 min平均风速、风向的线性拟合度均大于0.99,3 s阵风风速的拟合度大于0.96,湍流强度的拟合度大于0.67,风速标准差的拟合度大于0.79;大风情况下,激光风廓线仪对风参数的测量效果更佳。无降雨情况下,激光风廓线仪的测量效果较降雨时略好,10 min降水量小于15 mm的降雨对这款激光风廓线仪的风速、风向、湍流强度、3 s阵风风速的测量没有显著影响,对风速标准差有一定影响。当水平风速增大和有降雨时,激光风廓线仪对垂直速度的测量效果欠佳。该对比分析可为激光风廓线仪观测数据的可靠性提供参考。
  • 图 1  激光风廓线仪数据有效率随测量高度的变化

    Fig.1  Variation of data availability of WINDCUBE V2 Lidar with measuring height

    图 2  100 m高度层总体样本的风参数散点图及拟合线

    (a) 风速, (b) 风向

    Fig.2  Scatter plot of wind parameter and the fitting curve for all samples at 100 m height

    (a) wind speed, (b) wind direction

    图 3  100 m高度层大小风样本的风参数散点图及拟合线 (红点和实线:小风样本及拟合线;蓝点和虚线:大风样本及拟合线)

    (a) 风速, (b) 风向, (c) 湍流强度, (d) 阵风风速, (e) 风速标准差

    Fig.3  Scatter plot of wind parameters and the fitting curve of samples of weak wind and strong wind observed at 100 m height (red dot and solid line denote weak wind and the linear fitting line; blue dot and dashed line denote strong wind and linear fitting line)

    (a) wind speed, (b) wind direction, (c) turbulence intensity, (d) gust wind speed, (e) wind speed standard deviation

    图 4  100 m高度层小风 (a) 和大风 (b) 样本风速相对偏差的概率分布

    Fig.4  Probability distribution of the relative deviation of wind speed at 100 m height for samples of weak wind (a) and strong wind (b)

    图 5  100 m高度层有无降雨样本风参数散点图及拟合线 (红点和实线:降雨样本及拟合线;蓝点和虚线:无降雨样本及拟合线)

    (a) 风速, (b) 风向, (c) 湍流强度, (d) 阵风风速, (e) 风速标准差

    Fig.5  Scatter plot of wind parameters and the fitting curve of samples with and without rain at 100 m (red dot and solid line:samples with rain and the linear fitting line; blue dot and dashed line: samples without rain and linear fitting line)

    (a) wind speed, (b) wind direction, (c) turbulence intensity, (d) gust wind speed, (e) wind speed standard deviation

    图 6  100 m高度层无降雨 (a) 及有降雨样本 (b) 风速相对偏差的概率分布及其随降水量变化 (c)

    Fig.6  Probability distribution of the relative deviation of wind speed for samples without rain (a), withrain (b) and variations of the relative deviations with rainfall intensity (c) at 100 m height

    图 7  脉冲激光风廓线仪与超声风速仪测得的无降雨样本的垂直速度的拟合度随水平风速的变化

    Fig.7  Variation of vertical airflow velocity fitting degree of lidar against ultrasonic anemometer with the horizontal wind velocity for samples without rain

    图 8  1 min垂直速度、水平风速和降水量时程

    Fig.8  Time series of 1 min vertical airflow and horizontal velocity and the rainfall

    表 1  脉冲激光风廓线仪参数表

    Table 1.  Specifications of WINDCUBE V2 Lidar

    参数名称 数值
    测量高度范围 40~300 m
    数据采样频率 1 s
    采样长度 20 m
    扫描锥角度 28°
    风速分辨率 0.1 m·s-1
    环境温度范围 -45~50℃
    光波波长 1.54 μm
    发射频率 30000 Hz
    风速测量范围 0~80 m·s-1
    风向分辨率
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    表 2  脉冲激光风廓线仪与杯式测风仪总体样本的风参数拟合参数及偏差

    Table 2.  Results of regression analysis for wind parameters measured by lider and cup anemometer

    风参数 高度/m 拟合直线斜率 拟合直线截距 拟合度 偏差平均值 偏差标准差
    50 0.990 0.000 0.994 -0.060 m·s-1 0.172 m·s-1
    10 min风速 70 1.000 -0.040 0.997 -0.041 m·s-1 0.129 m·s-1
    100 0.998 -0.074 0.997 -0.088 m·s-1 0.127 m·s-1
    50 1.012 1.152 0.997 2.810° 3.203°
    10 min风向 70 1.012 9.870 0.996 11.440° 3.741°
    100 1.003 11.156 0.997 11.678° 3.295°
    50 0.844 0.032 0.670 0.011 0.033
    湍流强度 70 1.045 0.009 0.777 0.014 0.030
    100 1.047 0.012 0.769 0.017 0.032
    50 1.039 0.055 0.968 0.347 m·s-1 0.519 m·s-1
    3 s阵风风速 70 1.035 0.110 0.967 0.378 m·s-1 0.538 m·s-1
    100 1.032 0.098 0.961 0.348 m·s-1 0.576 m·s-1
    50 1.030 0.039 0.875 0.062 m·s-1 0.120 m·s-1
    风速标准差 70 1.031 0.054 0.840 0.075 m·s-1 0.127 m·s-1
    100 1.092 0.041 0.797 0.092 m·s-1 0.136 m·s-1
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    表 3  脉冲激光风廓线仪与杯式测风仪测得的大小风样本的风参数拟合参数及偏差

    Table 3.  Results of regression analysis for wind parameters measured by lider and cup anemometer for samples of weak wind and strong wind

    风参数 高度/m 风速样本 拟合直线斜率 拟合直线截距 拟合度 偏差平均值 偏差标准差
    10 min风速 50 小风 0.947 0.173 0.975 -0.049 m·s-1 0.180 m·s-1
    大风 1.009 -0.147 0.989 -0.073 m·s-1 0.160 m·s-1
    70 小风 0.992 -0.007 0.989 -0.043 m·s-1 0.115 m·s-1
    大风 1.000 -0.041 0.993 -0.038 m·s-1 0.142 m·s-1
    100 小风 0.971 0.047 0.987 -0.080 m·s-1 0.128 m·s-1
    大风 1.009 -0.171 0.995 -0.095 m·s-1 0.125 m·s-1
    10 min风向 50 小风 1.011 1.522 0.996 3.131° 3.933°
    大风 1.012 0.861 0.999 2.390° 1.770°
    70 小风 1.010 10.193 0.994 11.656° 4.975°
    大风 1.013 9.594 0.999 11.216° 1.650°
    100 小风 1.004 11.259 0.995 11.893° 4.556°
    大风 1.003 11.155 0.999 11.501° 1.616°
    湍流强度 50 小风 0.827 0.035 0.645 0.010 0.042
    大风 0.937 0.019 0.777 0.011 0.014
    70 小风 1.035 0.014 0.749 0.018 0.038
    大风 0.992 0.011 0.829 0.010 0.014
    100 小风 1.006 0.022 0.716 0.022 0.045
    大风 1.062 0.007 0.839 0.012 0.014
    3 s阵风风速 50 小风 1.046 0.017 0.899 0.273 m·s-1 0.498 m·s-1
    大风 1.034 0.108 0.932 0.443 m·s-1 0.531 m·s-1
    70 小风 1.063 -0.024 0.877 0.326 m·s-1 0.528 m·s-1
    大风 1.048 -0.044 0.939 0.431 m·s-1 0.542 m·s-1
    100 小风 1.061 -0.022 0.837 0.314 m·s-1 0.588 m·s-1
    大风 1.057 -0.183 0.939 0.376 m·s-1 0.565 m·s-1
    风速标准差 50 小风 1.088 0.000 0.760 0.051 m·s-1 0.130 m·s-1
    大风 0.946 0.128 0.865 0.076 m·s-1 0.104 m·s-1
    70 小风 1.154 -0.002 0.746 0.076 m·s-1 0.142 m·s-1
    大风 0.983 0.087 0.862 0.073 m·s-1 0.110 m·s-1
    100 小风 1.224 -0.011 0.709 0.092 m·s-1 0.160 m·s-1
    大风 1.045 0.064 0.849 0.091 m·s-1 0.114 m·s-1
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    表 4  脉冲激光风廓线仪与杯式测风仪测得的有无降雨样本的风参数拟合参数及偏差

    Table 4.  Results of regression analysis for wind parameters measured by lider and cup anemometer for samples with and without rain

    风参数 高度/m 风速样本 拟合直线斜率 拟合直线截距 拟合度 偏差平均值 偏差标准差
    10 min风速 50 无降雨 0.992 -0.019 0.994 -0.066 m·s-1 0.166 m·s-1
    有降雨 0.971 0.219 0.993 0.032 m·s-1 0.238 m·s-1
    70 无降雨 1.001 -0.051 0.997 -0.044 m·s-1 0.122 m·s-1
    有降雨 0.984 0.143 0.995 0.034 m·s-1 0.212 m·s-1
    100 无降雨 0.999 -0.095 0.998 -0.096 m·s-1 0.118 m·s-1
    有降雨 0.987 0.075 0.996 -0.020 m·s-1 0.184 m·s-1
    10 min风向 50 无降雨 1.012 1.103 0.997 2.847° 3.085°
    有降雨 1.000 2.687 0.992 2.650° 5.451°
    70 无降雨 1.012 9.751 0.998 11.465° 2.984°
    有降雨 1.005 10.240 0.995 10.904° 4.457°
    100 无降雨 1.004 11.167 0.997 11.693° 3.238°
    有降雨 1.001 11.714 0.995 11.798° 4.658°
    湍流强度 50 无降雨 0.865 0.029 0.653 0.011 0.033
    有降雨 0.761 0.042 0.848 0.003 0.045
    70 无降雨 1.070 0.006 0.777 0.014 0.029
    有降雨 0.893 0.031 0.817 0.016 0.045
    100 无降雨 1.080 0.009 0.789 0.017 0.030
    有降雨 0.897 0.038 0.711 0.026 0.058
    3 s阵风风速 50 无降雨 1.041 0.030 0.970 0.336 m·s-1 0.505 m·s-1
    有降雨 1.021 0.392 0.941 0.573 m·s-1 0.845 m·s-1
    70 无降雨 1.036 0.093 0.970 0.365 m·s-1 0.507 m·s-1
    有降雨 1.021 0.514 0.932 0.701 m·s-1 0.931 m·s-1
    100 无降雨 1.033 0.068 0.966 0.273 m·s-1 0.498 m·s-1
    有降雨 1.000 0.816 0.908 0.443 m·s-1 0.531 m·s-1
    风速标准差 50 无降雨 1.032 0.038 0.877 0.062 m·s-1 0.118 m·s-1
    有降雨 1.002 0.063 0.847 0.065 m·s-1 0.160 m·s-1
    70 无降雨 1.035 0.051 0.846 0.073 m·s-1 0.123 m·s-1
    有降雨 0.950 0.151 0.763 0.110 m·s-1 0.196 m·s-1
    100 无降雨 1.093 0.038 0.807 0.089 m·s-1 0.130 m·s-1
    有降雨 0.985 0.178 0.679 0.167 m·s-1 0.229 m·s-1
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-10-17
  • 修回日期:  2017-02-27
  • 刊出日期:  2017-05-31

不同天气条件下脉冲激光风廓线仪测风性能

  • 1. 广东省气象防灾技术服务中心, 广州 510080
  • 2. 中国气象局公共气象服务中心, 北京 100081

摘要: 将2012年5月21日-8月16日广东省湛江市东海岛气象观测站内脉冲激光风廓线仪WINDCUBE V2与气象站内的100 m测风塔进行同步观测试验,在经过观测数据同步性调整、有效性检验和代表性样本筛选基础上,分大小风和有无降雨天气过程,对杯式测风仪、超声风速仪与激光风廓线仪的同步测风数据进行比较,结果显示:脉冲激光风廓线仪与杯式测风仪测量水平风参数的相关性较好,10 min平均风速、风向的线性拟合度均大于0.99,3 s阵风风速的拟合度大于0.96,湍流强度的拟合度大于0.67,风速标准差的拟合度大于0.79;大风情况下,激光风廓线仪对风参数的测量效果更佳。无降雨情况下,激光风廓线仪的测量效果较降雨时略好,10 min降水量小于15 mm的降雨对这款激光风廓线仪的风速、风向、湍流强度、3 s阵风风速的测量没有显著影响,对风速标准差有一定影响。当水平风速增大和有降雨时,激光风廓线仪对垂直速度的测量效果欠佳。该对比分析可为激光风廓线仪观测数据的可靠性提供参考。

English Abstract

    • 近地层风速的垂直分布即风廓线是大气边界层研究和工程设计所需的基本气象参数[1-2],也是风电场风资源评估的关键要素。目前,近地层风廓线的获取主要依靠测风塔的梯度观测[3]。测风塔稳定性和可靠性高,但由于测风塔单点的观测代表性有限,在复杂地形上可能需要布设多个测风塔,导致成本增加[4]。因此,已有一些代替测风塔的仪器研发应用在边界层风观测中[5-8],脉冲激光风廓线仪就是其中一种。

      脉冲激光风廓线仪是向大气发射激光脉冲,接收大气 (气溶胶粒子和大气分子) 的后向散射信号,通过分析发射激光的径向多普勒频移反演风速,是一种新型的测风手段。夏俊荣等[9]对北京325 m气象铁塔和激光风廓线仪WINDCUBE在63~200 m之间的6个层高度观测的10 min平均水平风速、风向进行对比,结果显示水平风速、风向相关系数分别达到0.98和0.99以上,表明该风廓线仪是一款观测结果可靠、机动性良好的低层大气风廓线测量仪器。Caadillas等[10]对海上测风平台FINO1上的脉冲激光风廓线仪WINDCUBE与该平台100 m塔上的超声风速仪、杯式风速仪的测风结果进行对比,结果显示10 min平均水平风速、风向线性拟合度均在0.99以上,但在进行数据筛选时将降雨期间的数据剔除,未分析降雨对脉冲激光风廓线仪观测的影响。Gottschall等[11]在丹麦国家实验室进行了脉冲激光风廓线仪WINDCUBE V2与杯式测风仪的对比试验,结果显示60~116 m高度层的回归斜率均小于1.5%,水平风速误差不受风向切变影响。郑启明等[12]比较激光风廓线仪与超音波风速计的风速风向发现,10 min平均风向有良好的一致性,当风速接近或大于10 m·s-1时,两种仪器的风速测量误差在10%以内,低风速的相对误差较大。

      以上研究多基于对平均风速、风向的比较,对垂直气流、风的脉动特征量以及对降雨条件下激光风廓线仪的测风数据对比鲜见报道。而工程上也需要准确测量垂直速度、湍流强度、均方差等脉动特征量,同时还要考虑仪器在不同条件下的测风性能。为确定脉冲激光风廓线仪WINDCUBE V2的测风性能,针对风速、风向、湍流强度等风工程和风能资源研究关注的要素,与测风塔上杯式风速仪和超声风速仪观测结果进行了一系列的对比分析,也为确认这类遥感式测风仪的观测数据可靠性的检验方法提供参考。

    • 对比试验的场地设在广东省湛江市东海岛气象观测站,满足《地面气象观测规范》[13]要求。站内设有高度为100 m的气象观测塔,脉冲激光风廓线仪WINDCUBE V2放置于观测塔东南面5 m处。

    • 测风塔的50 m,70 m和100 m高度层安装了NRG-Symphonie型测风仪,风速量程范围为1~96 m·s-1,记录逐10 min平均风速、风向、3 s阵风风速和1 s相对10 min平均风速的标准差。测风塔65 m高度层安装了WindMaster Pro型超声波测风仪,采样频率是10 Hz,最大风速量程65 m·s-1,记录每0.1 s的u,v,w三维风速值、虚温和数据判别码。采用文献[14-15]的方法对超声测风数据进行质量控制处理。

      脉冲激光风廓线仪WINDCUBE V2的设备性能参数见表 1

      表 1  脉冲激光风廓线仪参数表

      Table 1.  Specifications of WINDCUBE V2 Lidar

      参数名称 数值
      测量高度范围 40~300 m
      数据采样频率 1 s
      采样长度 20 m
      扫描锥角度 28°
      风速分辨率 0.1 m·s-1
      环境温度范围 -45~50℃
      光波波长 1.54 μm
      发射频率 30000 Hz
      风速测量范围 0~80 m·s-1
      风向分辨率

      WINDCUBE V2脉冲激光风廓线仪向空中发射激光脉冲,并接收返回信号,比较发出和返回信号频率的变化,利用多普勒频移原理算出指定高度气流径向速度。激光风廓线仪可向4个方向进行测量,扫描锥角度为28°,通过三维坐标系投影算出风的水平和垂直分量。激光风廓线仪可同时测量输出12个任意高度层的平均风、阵风和垂直速度等要素。

    • 为确保各种仪器的观测数据代表同一空气团的运动状况,需要对数据的同步性进行精准调整。由于NRG测风仪和脉冲激光风廓线仪的10 min数据记录所代表的观测时段有10 min的时间差,即NRG风速仪在11:10(北京时,下同) 和脉冲激光风廓线仪在11:20记录的才是同一时间段的观测数据,因此,对数据进行10 min的时差调整。超声风速仪与脉冲激光风廓线仪也进行了相应的同步性调整。然后再利用转折天气过程中3种仪器测得的风速、风向的显著突变点进行一致性比对分析,确保3种仪器测量的观测数据达到完全同步。

      ① Leosphere公司.WINDCUBE V2 Lidar Remote sensor用户手册.62.

    • 为保证对比观测数据的可靠性和一致性,对数据进行检验和筛选:① 依据数据有效率筛选样本。选取脉冲激光风廓线仪50 m,65 m,70 m和100 m高度层10 min数据有效率不低于80%的样本,及相应时刻的杯式测风仪和超声风速仪的数据。② 剔除环境干扰因子。由于测风塔分别位于杯式测风仪和脉冲激光风廓线仪的西面和西北面,对这两个方位的来风有阻挡作用,因此,将激光雷达受测风塔阻挡的方位附近±10°,即240°~274°和304°~332°方位角的数据剔除。最终筛选出9204个10 min样本,进行激光风廓线仪与杯式测风仪比对,2885个10 min样本,进行激光风廓线仪与超声风速仪对比。

    • 以风能和风工程参数分析需求为主要目标,对风的主要统计特征参数进行对比。

      ① 拟合度。拟合度反映了拟合参数与实测值的吻合程度。

      ② 偏差。偏差是随机变量与标准值之差。文中用E表示激光风廓线仪与杯式测风仪测量值的偏差。由于风向在360°左右时会出现虚假突变,依据式 (1) 对脉冲激光风廓线仪的风向数据进行转换:

      (1)

      式 (1) 中,θ1为杯式测风仪的风向值,θ2θ2分别为换算前后的脉冲激光风廓线仪的风向值。

      ③ 相对偏差。相对偏差在此表征两类仪器测风数据之偏差的离散度,表达式如下:

      (2)

      式 (2) 中,xy分别为杯式测风仪与脉冲激光风廓线仪的测量值。

      ④ 湍流强度。湍流强度反映了风的脉动强度,是确定结构脉动风荷载的关键参数,定义湍流强度为10 min时距的脉动风速标准差与水平平均风速的比值[16]

      ⑤ 风廓线幂指数。风廓线用于描述风随高度的变化情况。工程应用中常以幂指数或对数率来量化拟合描述风廓线,目前,国内外大部分相关规范推荐幂指数形式[17-20]

    • 杯式测风仪与脉冲激光风廓线仪的同步观测日期为2012年5月21日-8月16日。超声风速仪与脉冲激光风廓线仪的同步观测日期为2012年7月6-29日。对比观测期间,最大风速出现在5月21日,100 m高度层测得10 min平均最大风速为15.8 m·s-1,风向为83°;最大降水强度出现在8月5日,10 min降水量达15.5 mm,100 m高度层的风速为11.9 m·s-1,风向为225°。

      本次试验中,激光风廓线仪先后对40~300 m范围内的16个高度进行观测,图 1给出激光风廓线仪测得的总体样本和降雨样本的数据有效率随高度的变化,总体样本有效率在40~155 m高度层大于97%,155 m以上随高度增加,样本有效率减小,275 m高度处为56.2%。降雨情况下数据有效率下降趋势略大一些。

      图  1  激光风廓线仪数据有效率随测量高度的变化

      Figure 1.  Variation of data availability of WINDCUBE V2 Lidar with measuring height

    • 基于式 (3),对激光风廓线仪和杯式测风仪测量的风速、风向、湍流强度、3 s阵风风速和风速标准差进行线性拟合, 并在表 2中给出拟合参数及偏差。图 2给出100 m高度层的风速、风向散点图。

      图  2  100 m高度层总体样本的风参数散点图及拟合线

      Figure 2.  Scatter plot of wind parameter and the fitting curve for all samples at 100 m height

      (3)

      表 2  脉冲激光风廓线仪与杯式测风仪总体样本的风参数拟合参数及偏差

      Table 2.  Results of regression analysis for wind parameters measured by lider and cup anemometer

      风参数 高度/m 拟合直线斜率 拟合直线截距 拟合度 偏差平均值 偏差标准差
      50 0.990 0.000 0.994 -0.060 m·s-1 0.172 m·s-1
      10 min风速 70 1.000 -0.040 0.997 -0.041 m·s-1 0.129 m·s-1
      100 0.998 -0.074 0.997 -0.088 m·s-1 0.127 m·s-1
      50 1.012 1.152 0.997 2.810° 3.203°
      10 min风向 70 1.012 9.870 0.996 11.440° 3.741°
      100 1.003 11.156 0.997 11.678° 3.295°
      50 0.844 0.032 0.670 0.011 0.033
      湍流强度 70 1.045 0.009 0.777 0.014 0.030
      100 1.047 0.012 0.769 0.017 0.032
      50 1.039 0.055 0.968 0.347 m·s-1 0.519 m·s-1
      3 s阵风风速 70 1.035 0.110 0.967 0.378 m·s-1 0.538 m·s-1
      100 1.032 0.098 0.961 0.348 m·s-1 0.576 m·s-1
      50 1.030 0.039 0.875 0.062 m·s-1 0.120 m·s-1
      风速标准差 70 1.031 0.054 0.840 0.075 m·s-1 0.127 m·s-1
      100 1.092 0.041 0.797 0.092 m·s-1 0.136 m·s-1

      式 (3) 中,xy分别为杯式测风仪与脉冲激光风廓线仪的测量值,ab分别为拟合直线的斜率和截距。下文拟合均基于式 (3)。

      图 2显示,两种仪器测量的风参数具有很好的一致性。由表 2可见,风参数的拟合关系式的斜率均接近1,风速、风向的拟合度均在0.99以上。脉冲激光风廓线仪的水平风速较杯式测风仪的测量值略小0.041~0.088 m·s-1。两种仪器测得的风向具有一定的固定差,且50 m和70 m,100 m显示的风向偏差值差异较大,原因可能是由于测风塔上的测风仪和激光风廓线仪在人工安装的过程中,使用指南针进行方向调整时存在一定的人为偏差。湍流强度的拟合度大于0.67,脉冲激光风廓线仪的湍流强度偏大约0.01。3 s阵风风速的拟合度大于0.96,脉冲激光风廓线仪的阵风风速偏大约0.3 m·s-1。风速标准差的拟合度大于0.79,随着高度的增加,拟合度有降低的趋势,同时偏差增大。

    • 脉冲激光风廓线仪的风速测量范围为0~80 m·s-1,但否在各个风速量程均具有较好的探测性能需要进一步讨论,以确定该仪器在强风天气下的适用性。依据不同风速条件下边界层风特性参数的不同特征表现,将测风数据分为大风速和小风速两类。以杯式测风仪10 min平均风速为基础,将1~6 m·s-1的数据定为小风样本,将不低于6 m·s-1的数据定为大风样本数据进行比对分析。

      图 3给出激光风廓线仪和杯式测风仪测量的大小风样本风参数的散点图及拟合线,拟合参数及偏差在表 3中给出。结合图 3表 3可见,大风样本的风速相关较高,水平风速拟合度均在0.98以上,比小风样本的风速拟合度略大0.004~0.015。风向的拟合度均在0.99以上,大风样本的风向相关较高,且风向偏差稍小。小风和大风样本的湍流强度拟合度分别为0.60~0.75和0.76~0.84。大风样本的阵风风速拟合度大于0.93,较小风样本的拟合度偏大0.033~0.102。大风样本的风速标准差的相关较高,拟合度均在0.84以上,较小风样本的拟合度偏大0.1左右。总体而言,两种仪器测得的大风样本的风参数相关更好。

      图  3  100 m高度层大小风样本的风参数散点图及拟合线 (红点和实线:小风样本及拟合线;蓝点和虚线:大风样本及拟合线)

      Figure 3.  Scatter plot of wind parameters and the fitting curve of samples of weak wind and strong wind observed at 100 m height (red dot and solid line denote weak wind and the linear fitting line; blue dot and dashed line denote strong wind and linear fitting line)

      表 3  脉冲激光风廓线仪与杯式测风仪测得的大小风样本的风参数拟合参数及偏差

      Table 3.  Results of regression analysis for wind parameters measured by lider and cup anemometer for samples of weak wind and strong wind

      风参数 高度/m 风速样本 拟合直线斜率 拟合直线截距 拟合度 偏差平均值 偏差标准差
      10 min风速 50 小风 0.947 0.173 0.975 -0.049 m·s-1 0.180 m·s-1
      大风 1.009 -0.147 0.989 -0.073 m·s-1 0.160 m·s-1
      70 小风 0.992 -0.007 0.989 -0.043 m·s-1 0.115 m·s-1
      大风 1.000 -0.041 0.993 -0.038 m·s-1 0.142 m·s-1
      100 小风 0.971 0.047 0.987 -0.080 m·s-1 0.128 m·s-1
      大风 1.009 -0.171 0.995 -0.095 m·s-1 0.125 m·s-1
      10 min风向 50 小风 1.011 1.522 0.996 3.131° 3.933°
      大风 1.012 0.861 0.999 2.390° 1.770°
      70 小风 1.010 10.193 0.994 11.656° 4.975°
      大风 1.013 9.594 0.999 11.216° 1.650°
      100 小风 1.004 11.259 0.995 11.893° 4.556°
      大风 1.003 11.155 0.999 11.501° 1.616°
      湍流强度 50 小风 0.827 0.035 0.645 0.010 0.042
      大风 0.937 0.019 0.777 0.011 0.014
      70 小风 1.035 0.014 0.749 0.018 0.038
      大风 0.992 0.011 0.829 0.010 0.014
      100 小风 1.006 0.022 0.716 0.022 0.045
      大风 1.062 0.007 0.839 0.012 0.014
      3 s阵风风速 50 小风 1.046 0.017 0.899 0.273 m·s-1 0.498 m·s-1
      大风 1.034 0.108 0.932 0.443 m·s-1 0.531 m·s-1
      70 小风 1.063 -0.024 0.877 0.326 m·s-1 0.528 m·s-1
      大风 1.048 -0.044 0.939 0.431 m·s-1 0.542 m·s-1
      100 小风 1.061 -0.022 0.837 0.314 m·s-1 0.588 m·s-1
      大风 1.057 -0.183 0.939 0.376 m·s-1 0.565 m·s-1
      风速标准差 50 小风 1.088 0.000 0.760 0.051 m·s-1 0.130 m·s-1
      大风 0.946 0.128 0.865 0.076 m·s-1 0.104 m·s-1
      70 小风 1.154 -0.002 0.746 0.076 m·s-1 0.142 m·s-1
      大风 0.983 0.087 0.862 0.073 m·s-1 0.110 m·s-1
      100 小风 1.224 -0.011 0.709 0.092 m·s-1 0.160 m·s-1
      大风 1.045 0.064 0.849 0.091 m·s-1 0.114 m·s-1

      基于50 m,70 m和100 m的测风数据,计算两种仪器测得的大风 (50 m水平风速不低于6 m·s-1) 和小风 (50 m水平风速在1~6 m·s-1) 样本的平均风廓线,并根据幂指数律进行拟合,结果显示大风和小风情况下两种仪器测得的平均风廓线幂指数值均一致。

      图 4给出两种仪器观测的10 min 100 m高度平均风速相对偏差的概率分布。其中,概率分布的统计区间间隔均为1,[-0.5, 0.5]为1个区间,图 4中标示的[-6.5%, 3.5%], p=90.5%表示有90.5%的相对偏差集中在-6.5%到3.5%的范围内 (下同)。由图 4可见,大风样本水平风速相对偏差的波动范围显著较小。综合50 m,70 m和100 m 3个高度层的样本来看,90%以上的风速相对偏差值在-4.5%到2.5%之间,而90%以上小风样本的水平风速相对偏差在-11.5%到5.5%之间,大风情况下脉冲激光风廓线仪对平均风速的测量效果更好。

      图  4  100 m高度层小风 (a) 和大风 (b) 样本风速相对偏差的概率分布

      Figure 4.  Probability distribution of the relative deviation of wind speed at 100 m height for samples of weak wind (a) and strong wind (b)

      另外,两种仪器观测的大风样本的风向偏差更集中在较小范围内。90%以上的大风样本的风向偏差为8.5°~14.5°,而90%以上小风样本的风向偏差集中在5.5°~18.5°。

    • 有降雨发生时,由于脉冲激光风廓线仪会同时接收到大气湍流回波和降水粒子的散射回波,降水粒子的垂直下落速度往往会使信号谱发生明显变化,从而造成测量误差[21-23],因此,降水往往是影响风廓线仪测风精度的重要因素之一。为了了解WINDCUBE V2在降雨情况下的观测效果,本文根据试验基地内国家气象站 (区站号为59751) 的降雨资料,选出观测期间有降雨的10 min测风样本350个、无降雨的10 min测风样本8545个进行对比分析。

      图 5给出脉冲激光风廓线仪和杯式测风仪测量的有无降雨样本的风参数散点图及其拟合线,拟合参数及偏差在表 4中给出。由图 5表 4可见,在10 min降水量小于15 mm的降雨情况下,降雨对脉冲激光风廓线仪的平均风速、风向的测量没有显著影响,线性拟合的斜率均接近于1,降雨样本的拟合度要略低于无降雨样本,但均大于0.99。降雨情况下,脉冲激光风廓线仪的偏差波动较大。降雨对脉冲激光风廓线仪湍流强度的观测没有影响,降雨情况下50 m高度层湍流强度的拟合度相对更高。降雨样本阵风风速的拟合度要较无降雨样本的拟合度略减小约3%~6%。降雨样本的风速标准差拟合度要较无降雨样本的拟合度显著减少10%以上。降雨情况下风速标准差的偏差及其波动也较大。可见,降雨对脉冲激光风廓线仪风速标准差的测量有一定影响。

      图  5  100 m高度层有无降雨样本风参数散点图及拟合线 (红点和实线:降雨样本及拟合线;蓝点和虚线:无降雨样本及拟合线)

      Figure 5.  Scatter plot of wind parameters and the fitting curve of samples with and without rain at 100 m (red dot and solid line:samples with rain and the linear fitting line; blue dot and dashed line: samples without rain and linear fitting line)

      表 4  脉冲激光风廓线仪与杯式测风仪测得的有无降雨样本的风参数拟合参数及偏差

      Table 4.  Results of regression analysis for wind parameters measured by lider and cup anemometer for samples with and without rain

      风参数 高度/m 风速样本 拟合直线斜率 拟合直线截距 拟合度 偏差平均值 偏差标准差
      10 min风速 50 无降雨 0.992 -0.019 0.994 -0.066 m·s-1 0.166 m·s-1
      有降雨 0.971 0.219 0.993 0.032 m·s-1 0.238 m·s-1
      70 无降雨 1.001 -0.051 0.997 -0.044 m·s-1 0.122 m·s-1
      有降雨 0.984 0.143 0.995 0.034 m·s-1 0.212 m·s-1
      100 无降雨 0.999 -0.095 0.998 -0.096 m·s-1 0.118 m·s-1
      有降雨 0.987 0.075 0.996 -0.020 m·s-1 0.184 m·s-1
      10 min风向 50 无降雨 1.012 1.103 0.997 2.847° 3.085°
      有降雨 1.000 2.687 0.992 2.650° 5.451°
      70 无降雨 1.012 9.751 0.998 11.465° 2.984°
      有降雨 1.005 10.240 0.995 10.904° 4.457°
      100 无降雨 1.004 11.167 0.997 11.693° 3.238°
      有降雨 1.001 11.714 0.995 11.798° 4.658°
      湍流强度 50 无降雨 0.865 0.029 0.653 0.011 0.033
      有降雨 0.761 0.042 0.848 0.003 0.045
      70 无降雨 1.070 0.006 0.777 0.014 0.029
      有降雨 0.893 0.031 0.817 0.016 0.045
      100 无降雨 1.080 0.009 0.789 0.017 0.030
      有降雨 0.897 0.038 0.711 0.026 0.058
      3 s阵风风速 50 无降雨 1.041 0.030 0.970 0.336 m·s-1 0.505 m·s-1
      有降雨 1.021 0.392 0.941 0.573 m·s-1 0.845 m·s-1
      70 无降雨 1.036 0.093 0.970 0.365 m·s-1 0.507 m·s-1
      有降雨 1.021 0.514 0.932 0.701 m·s-1 0.931 m·s-1
      100 无降雨 1.033 0.068 0.966 0.273 m·s-1 0.498 m·s-1
      有降雨 1.000 0.816 0.908 0.443 m·s-1 0.531 m·s-1
      风速标准差 50 无降雨 1.032 0.038 0.877 0.062 m·s-1 0.118 m·s-1
      有降雨 1.002 0.063 0.847 0.065 m·s-1 0.160 m·s-1
      70 无降雨 1.035 0.051 0.846 0.073 m·s-1 0.123 m·s-1
      有降雨 0.950 0.151 0.763 0.110 m·s-1 0.196 m·s-1
      100 无降雨 1.093 0.038 0.807 0.089 m·s-1 0.130 m·s-1
      有降雨 0.985 0.178 0.679 0.167 m·s-1 0.229 m·s-1

      图 6给出两种仪器测得的风速相对偏差的概率分布及其随雨强的变化。由图 6可见,无降雨样本的风速相对偏差更为集中在较小的范围内。另外,随观测高度的增加,风速相对偏差也越小。当降雨增强时风速的相对偏差也有减小趋势,对降雨时段的测风样本分析发现,降雨增强往往伴随的风速也增大。

      图  6  100 m高度层无降雨 (a) 及有降雨样本 (b) 风速相对偏差的概率分布及其随降水量变化 (c)

      Figure 6.  Probability distribution of the relative deviation of wind speed for samples without rain (a), withrain (b) and variations of the relative deviations with rainfall intensity (c) at 100 m height

      两种仪器测得的90%以上的风向偏差集中在6.5°~15.5°范围内,与无降雨样本的分布差异很小。可见10 min降水量小于15 mm的降雨对脉冲激光风廓线仪的风向测量几乎没有影响,这一现象仍可能与强降雨往往伴随较大的风速有关。另外,当降水增强时,风向偏差有减小的趋势。

    • 气流的垂直速度是大气风场结构研究的重要参数,潘乃先等[24]研究发现,横向风对多普勒天气雷达的垂直速度测量会造成误差。另外,有降雨时,雨滴的散射也是主要散射机制,可能对激光有较强的衰减作用,因此,本节基于脉冲激光风廓线仪与超声风速仪的对比观测资料,分析水平风速大小和降雨对脉冲激光风廓线仪WINDCUBE V2的垂直速度测量的影响。

      本文的垂直速度,正值表示上升气流,负值表示下沉气流。图 7给出无降雨时,两种仪器测得的垂直速度根据式 (3) 进行线性拟合得到的拟合度随水平风速范围的变化。由图 7可见,当水平风速范围增加时,拟合度有显著降低的趋势,当水平风速为0~1.5 m·s-1时,拟合度为0.872,而当水平风速范围增大为0~6 m·s-1时,拟合度下降为0.25。可见,水平风速对脉冲激光风廓线仪的垂直速度测量有显著影响。

      图  7  脉冲激光风廓线仪与超声风速仪测得的无降雨样本的垂直速度的拟合度随水平风速的变化

      Figure 7.  Variation of vertical airflow velocity fitting degree of lidar against ultrasonic anemometer with the horizontal wind velocity for samples without rain

      降雨情况下,当雨强增加时,激光风廓线仪测得的垂直速度显著小于超声风速仪的测量值,显示较大的下沉气流,当10 min降水量在2 mm以上时,垂直速度的偏差基本集中在-3.2~-1.4 m·s-1

      为了进一步细化分析降雨的影响,计算两种仪器的1 min平均水平风速和垂直速度,并结合气象站的5 min降水量计算的1 min降水量 (假设5 min内降水量平均分布),给出观测期间测得的2个较强降雨过程的1 min水平风速、垂直速度和1 min降水量的时程变化图 (图 8)。由图 8可见,在降雨前后,两种仪器的垂直速度均具有较好的一致性,但当降雨出现时,激光风廓线仪测得的垂直速度显著减小,降水越强,垂直速度下降越明显,当1 min降水量达到0.5 mm时,激光风廓线仪的垂直速度较超声风速仪的测量值最大下降4 m·s-1左右,而此时对应的水平风速则受降雨影响不大。降雨时,风廓线仪测得的下沉垂直速度是大气垂直运动和降水粒子下降速度的合成,激光风廓线仪对垂直速度的测量效果欠佳。

      图  8  1 min垂直速度、水平风速和降水量时程

      Figure 8.  Time series of 1 min vertical airflow and horizontal velocity and the rainfall

    • 研究表明:

      1) 脉冲激光风廓线仪与杯式测风仪测量的10 min平均风速、风向的拟合度均大于0.99,3 s阵风风速的拟合度大于0.96,相关性高。100 m高度的平均风速、风向的偏差平均值分别为-0.088 m·s-1和11.7°,激光风廓线仪测得的3 s阵风风速要较杯式测风仪的测量值略大0.347~0.378 m·s-1

      2) 脉冲激光风廓线仪与杯式测风仪测得的湍流强度的拟合度为0.67~0.78,风速标准差的拟合度为0.79~0.87。

      3) 大风情况下脉冲激光风廓线仪的测量效果更佳。在10 min降水量小于15 mm的情况下,降雨对激光风廓线仪的风速、风向、湍流强度和3 s阵风风速的测量没有显著影响,但降雨对风速标准差有一定影响。

      4) 当水平风速增大和有降雨时,脉冲激光风廓线仪对垂直速度的测量效果欠佳。降雨时,受降雨粒子散射回波的影响,激光风廓线仪测得显著向下的垂直速度。

参考文献 (24)

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