凉山州气象局西昌气象站 四川省西昌市 615000
摘要：针对高空气象探测雷达测风传统计算方式存有数据运用率较低、算法误差大、测量精度低、风速为零时风向不定与风向过北无法及时进行处理等缺陷，提出了将风矢量在规定时间内进行矢量平均求取风向与风速值的新计算方法，并针对高空气象探测传统雷达采样低，在求取规定高度层的风向风速值时就需要运用到内插的实际状况，提出用曲线拟合内插代替传统的现行内插法的新观念。通过计算可以表明，算法的改进与创新提升的数据的运用率，同时解决了风速为零风向不定等技术难点，以下就是对高空气象探测侧风计算方法展开的分析与阐述。
关键词：高空气象 测风 计算方法
Abstract: Aiming at the high-altitude meteorological radar wind data are calculated by using the traditional algorithm error rate is low, and the measurement accuracy is low and the speed is zero shifting processing defects such as not timely and north wind, put forward a new method of calculating wind vector vector within the specified time calculating average wind direction and wind speed value, and for the traditional low altitude meteorological exploring radar sampling, while calculating the prescribed wind level value needs to use the actual condition of interpolation, curve fitting interpolation is proposed to replace the traditional current interpolation method of the new concept. The calculation shows that the improved algorithm, and the innovative use of data rate, and solves the zero wind speed variable wind etc, and analyzes the calculating method of the following is the crosswind high-altitude meteorological detection.
Key words: high altitude meteorological wind calculation method
0前言
通过运用探空高度的计算方式与采用相邻高度内插的计算方式，计算高空综合探测测风记录5分钟以内的模拟斜距失测方面的量得风层，并同时比较这两种计算方式可能出现的误差，分析运用测风高度内插计算斜距失测部分的量得风层的可行性。
1雷达综合测风的简单概述
高空气象探测雷达测风是当前大气常规探测主要的测风途径之一。这个办法自上个世纪发明与使用以来，经过了人类不断的研究，终于在方法与雷达的设计、制造等多方面取得了极大的进步[1]。但是，由于市场经济的快速发展与科学技术的不断进步，使得设备的更新换代速度加剧，尤其是气象仪器设备的更新换代。其中雷达收集速率逐步提高，造成收集的原始信息量增加过快，而雷达测风传统的计算方法却无法对其进行合理有效的运用，进而对收集回来的原始数据信息造成极大的浪费；另一方面，当在进行规定高度风的求取时，因为传统雷达对目标采集、定位的间隔大约为1分钟，故用线性内插方式处理结构时结果误差同样的也比较大，也不可以较好的反映出那一个时间段的变化趋势，这就需要更能表现当时情况的方式来处理计算。除此之外，因为原有传统的方法还不能适应新的仪器设备，这个时候就可能就会因为方法不恰当而带来算法上的误差，就会削减仪器设备的精确度。因而，为了可以避免或者是减少因算法带来的误差，就必须要强化相关算法的研究，促使设备和算法达到协调统一，并最大程度发挥出设备的运用能力[2]。
2雷达测风的基本原理与测风计算
2.1雷达测风的基本原理
雷达测风明确的说应该是为雷达进行综合的探测，依照测风雷达探测出的各时刻的仰角、方位、斜距计算出此时此刻气球的投影与位移，并得到高空各层间的风向与风速，换句话说就是测量风层；与此同时，在探空气球上悬挂的探空仪遥测出大气层每个高度上的温、压以及湿三个气象因素，可以通过回答器发回地面，并由雷达接收紧接着输出温、压、湿探空信号到计算机进行处理，最后计算出每个时刻的探空高度、温度、气压与湿度等气象因素[3]。
2.2雷达测风传统计算方式
雷达测风传统计算方式也被称为平面坐标定位法，就是指每一分钟的气球空中坐标垂直投影都以观测点作为原点的站心坐标（X,Y）平面上[4]。不管是哪种测风方式，都必须要得到每一分钟气球在（X,Y）平面上的坐标（X1,Y1）。并在规定X轴指向正北，Y轴指向正东，假设某个计算层相邻的两个投影点的坐标分别为D（X1,Y1）与D（Xi+1,YI+1），可以用公式计算出风速值。V= /t公式中的V表示的是某一层的风速值，m/s；X为气球投影点的坐标在南北方向上的变量，X=Xi+1-Xi，m；Y为气球投影点的坐标在东西方向上的变量，Y=YI+1-YI,m；t为两次观测的间隔时间S。风向的计算，应先由公式D= 然后进行判断得到实际的风向D。从公式中可以看出，X与Y的测量误差会直接影响风速的值。所以在雷达测风时，X与Y的误差大小就取决于测角与测距的误差[5]。
3风的矢量平均与曲线拟合内插法
3.1风的矢量平均法
风即有风向也有大下，它是个矢量。假设风的方向为θ，速度大小为V，那么风的矢量则可以表示为F（V,θ）。风矢量平均法是指将规定时段内的多组矢量进行矢量平均，可得出F（V,θ）=1/n 其中i=1,2,3,n。N为规定时段内运用的次数。V为矢量平均之后风速的大小。Θ为矢量平均之后的风向值。这项矢量平均法的可取之处就在于始终保持着风向与风速之间的密切关系，可以避免传统计算方法对风速为零风向值无法处理，必须舍掉而使在平均时段内采样间隔与次数不符合需求的状况下。与此同时，在平均过程中也不会再出现风向过零的问题[6]。
3.2曲线拟合内插法
下图所示细实线是某一次雷达测风时风速随时间变化的真实曲线图，A，B两点之间为采样速度1分钟的测风雷达所计算得到的相邻2点，虚线处就为依照若干个类似A,B的点经过4个阶多项式拟合得到的风速随时间变化的曲线图，点划线连接的线段AB为传统线性内插线。其具体方法为：在需要进行内插处理的时段用已知的若干个点采用数学模型进行曲线拟合，拟合之后再按照时间对应关系得到风速值。通过下图可知，经4阶多项式拟合得到的风速随时间变化的曲线已经更加接近真实的风速随时间变化曲线，关于A,B两点中间点的值，曲线拟合内插结果较为明显的要比线性内插的结果更加靠近当时的真实值。
4比较分析
老型号雷达采样时间间隔比较大，一般情况下为每分钟采样1次左右。伴随着科学技术的发展与进步，测风雷达的采用速率已逐步得到提升，当前研制成功的测风雷达采样速率已达到每秒一次的水平了。这个时候如果还是运用传统雷达方法计算空中风时，就需要将中间的数据全部舍弃，只能选取整分钟的数据，这时新研制的依照1秒间隔录取数据的设备，1分钟就需要扔掉59组观测结果，它的数据运用率仅仅只有1.8%，然而新的算法数据运用率却可以达到99%，这就失去了推广新型测风雷达设备的意义；另外一方面，在一分钟内假如发生紧急事情的话，传统方式就有可能会将重要的信息扔掉，且不可以反映真实的状况。总而言之，运用传统算法做的结果只会造成大量数据的浪费；二是结果和实际相差较大，无法满足高、新、尖端设备的试验要求。
总结
综上所述，通过以上算法的比较分析，可知后者优于前者，且风的矢量平均分更加适合新型雷达的运用；而对于曲线拟合内插只适合在采样较低的雷达设备上运用，并成为老旧设备软件算法的改进化运用。关于当前研发成功的新型号雷达，因为采样速率大幅度的上调，因而直接运用测量数据计算出来的风矢量可以满足相关的要求，但是不允许运用内插法完成，这是为了有效的避免二次误差的出现。
参考文献：
[1]李辉城,陈华,黎洁波,阎勇. 高空气象探测测风计算方法的分析[J]. 气象研究与应用,2013（02）:78-80+103.
[2]王烨芳,齐久成,王威. 高空气象探测测风计算方法[J]. 气象水文海洋仪器,2013（02）:26-28.
[3]邱高林,郭斌. 用数据模拟方法分析探空仪慢转对高空气象探测记录结果的影响[J]. 四川气象,2015（03）:36-39.
[4]李树碧. 高空气象探测中的数据类型分析及处理方法[J]. 科技风,2015（06）:118.
[5]仇丽凤,李雷茹. 就L波段高空气象探测资料审读分析探讨[J]. 科技创新导报,2011（07）:136.
[6]梁建平,李宇中,黎洁波,韦丽英,覃晓玲,刘旭,梁科炎. L波段高空气象探测系统测风算法改进探讨[J]. 气象科技,2014（05）:753-758.
作者简介:尤德荣（1969—），毕业于成都信息工程学院，主要从事天气预报、地面气象观测、高空气象探测、酸雨观测、雷达机务工作，工作单位:凉山州气象局西昌气象站，管理工作。研究方向:气象探测。
论文作者:尤德荣,曾庆华
论文发表刊物:《基层建设》2017年5期
论文发表时间:2017/6/16
标签：气象论文; 风速论文; 内插论文; 矢量论文; 高空论文; 风向论文; 算法论文; 《基层建设》2017年5期论文;