人工測定與儀器測定風(fēng)向風(fēng)速的結(jié)果對比
1 儀器差異分析
1．1人工站測量風(fēng)的儀器
人工站測量風(fēng)的儀器是采用EL型電接風(fēng)擼自身向風(fēng)速計進(jìn)行風(fēng)向風(fēng)速的連續(xù)記錄，并通過EN型測風(fēng)數(shù)據(jù)處理儀進(jìn)行風(fēng)的整理。EL型電接風(fēng)向風(fēng)速儀是由感應(yīng)器、指示器、記錄器組成的有線遙測儀器。感應(yīng)器由風(fēng)向和風(fēng)速兩部分組成：風(fēng)向部分由風(fēng)標(biāo)、風(fēng)向方位塊、導(dǎo)電環(huán)、接觸簧片等組成；風(fēng)速部分由風(fēng)杯、交流發(fā)電機(jī)、蝸輪等組成。風(fēng)向風(fēng)速儀在風(fēng)的作用下，風(fēng)向測量儀尾翼產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩使風(fēng)向標(biāo)轉(zhuǎn)動，并不斷調(diào)整指向桿指示風(fēng)向。風(fēng)向標(biāo)感應(yīng)的風(fēng)向必須傳遞到地面的指示儀表上，以觸點式最為簡單，風(fēng)向標(biāo)帶動觸點，接通代表風(fēng)向的燈泡或記錄筆電磁鐵，作出風(fēng)向的指示或記錄，但它的分辨只能做到一個方位（22．5°）。風(fēng)速測量儀在風(fēng)力作用下，風(fēng)杯繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速正比于風(fēng)速。轉(zhuǎn)速可以用電觸點、測速發(fā)電機(jī)、齒輪或光電計數(shù)器等記錄。
EN型測風(fēng)風(fēng)數(shù)據(jù)處理儀，是感應(yīng)器風(fēng)杯帶動發(fā)電機(jī)輸出的交流電壓的頻率，作為主機(jī)的風(fēng)速型號，風(fēng)向標(biāo)帶動的接觸器與方位塊組成的開關(guān)作為風(fēng)的信號。
1．2自動站測量風(fēng)的儀器
自動站測風(fēng)的儀器是采用單翼風(fēng)向傳感器和風(fēng)杯風(fēng)速傳感器進(jìn)行風(fēng)的自動觀測，自動站風(fēng)向風(fēng)速傳感器由風(fēng)向傳感器、風(fēng)速傳感器及傳感支架三部分組成。風(fēng)向EL15—12／2A是低起動風(fēng)速的光電風(fēng)向傳感器，由格雷碼、電壓、電流三種輸出方式，風(fēng)向是風(fēng)向標(biāo)擺動帶動電位器的滑臂擺動，輸出一組格雷碼編碼的數(shù)字電平信號。當(dāng)風(fēng)標(biāo)轉(zhuǎn)動時，帶動格雷碼盤，按照碼盤切槽的設(shè)計，碼盤每轉(zhuǎn)動2．8°，光電管組就會產(chǎn)生新的七位并行格雷碼輸出，風(fēng)向用度表示；風(fēng)速EL15—1／1A是響應(yīng)快、啟動風(fēng)速低的光電子風(fēng)速計，風(fēng)速傳感器采用三杯式感應(yīng)器，風(fēng)杯由碳纖維增強(qiáng)塑料制成，風(fēng)速是隨著風(fēng)杯轉(zhuǎn)動的快慢，在光電作用下，風(fēng)速傳感器輸出頻率不同的脈沖信號。當(dāng)風(fēng)杯轉(zhuǎn)動時，帶動同軸的多齒截光盤轉(zhuǎn)動，使下面的光敏三極管有時接收到上面發(fā)光二極管發(fā)射的光線而導(dǎo)通，有時接收不到上面發(fā)光二極管照射來的光線而截止。這樣就能得到與風(fēng)杯轉(zhuǎn)速成正比的脈沖信號，該脈沖信號由計數(shù)器計數(shù)，經(jīng)換算后就能得出實際風(fēng)速值。
2 資料對比分析
采用廣西桂林、都安、靈山、防城4個基準(zhǔn)氣候觀測站2004－2008年人工站與自動站風(fēng)的同步自動觀測資料，分別對2分鐘平均風(fēng)向風(fēng)速、10分鐘平均風(fēng)向風(fēng)速、極大風(fēng)風(fēng)向風(fēng)速作資料的差異對比分析。
2．1風(fēng)速對比差值
設(shè)Ui為第i次人工站觀測值，Ai為第i次自動站觀測值，則第i次的對比差值為：
運(yùn)用以上公式，分別統(tǒng)計出桂林、都安、靈山、防城站2004－2008年2分鐘平均風(fēng)速人工站與自動站偏差情況：桂林各月對比差值在－0．48～0．34m·s－1之間，年對比差值在－0．03～0．16m·s－1之間；都安各月對比差值在0．07～0．37m·s－1之間，年對比差值在0．20～0．27m·s－1之間；靈山各月對比差值在0．09～0．41m·s－1之間，年對比差值在0．17～0．3m·s－1之間；防城各月對比差值在0．13～0．52m·s－1之間，年對比差值在0．27～0．31m·s－1之間。用同樣方法統(tǒng)計得：10分鐘平均風(fēng)速桂林各月對比差值在－0．27～0．2m·s－1之間，年對比差值在－0．03～0．11m·s－1之間；都安各月對比差值在－0．02～0．27m·s－1之間，年對比差值在0．13～0．20m·s－1之間；靈山各月對比差值在0．07～0．35m·s－1之間，年對比差值在0．13～0．28m·s－1之間；防城各月對比差值在0．08～0．43m·s－1之間，年對比差值在0．20～0．25m·s－1之間；極大風(fēng)風(fēng)速桂林各月對比差值在－0．24～1．24m·s－1之間，年對比差值在0．43～0．93m·s－1之間；都安各月對比差值在0．05～1．13m·s－1之間，年對比差值在0．19～0．82m·s－1之間；靈山各月對比差值在0．3～1．2m·s－1之間，年對比差值在0．56～1．02m·s－1之間；防城各月對比差值在－0．07～1．22m·s－1之間，年對比差值在0．30～0．98m·s－1之間。
2．2風(fēng)速一致率
風(fēng)速一致率是表示自動站與人工觀測相一致的程度，通過以下公式：一致率的范圍，是指某要素對比差值月評估標(biāo)準(zhǔn)的2倍。
運(yùn)用以上公式，統(tǒng)計得4站共20a2min平均風(fēng)速、10min平均風(fēng)速、極大風(fēng)月、年風(fēng)速一致率為：2min平均風(fēng)速月風(fēng)速一致率在25．63％～45．97％之間，年一致率在34．58％～41．31％之間；10min平均風(fēng)速月風(fēng)速一致率在37．97％～85．59％之間，年一致率在55．86％～74．58％之間；極大風(fēng)風(fēng)速月一致率在3．23％～56．67％，年一致率在15．15％～46．09％。
2．3風(fēng)向相符率
風(fēng)向記錄分析采用風(fēng)向相符率，風(fēng)向相符率是指自動站所測風(fēng)向?qū)?yīng)下表中所給范圍時，即認(rèn)為兩者相符（人工站觀測風(fēng)速大于等于0．2m·s－1）。運(yùn)用以上公式，統(tǒng)計得4站共20a風(fēng)向相符率情況：2分鐘平均風(fēng)向月風(fēng)向相符率在52．45％～94．72％之間，年風(fēng)向相符率在59．28％～95．33％之間；10分鐘平均風(fēng)向月風(fēng)向相符率在49．37％～99．56％之間，年風(fēng)向相符率在78．13％～98．79％之間。極大風(fēng)月風(fēng)向相符率在32．26％～100．00％之間，年風(fēng)向相符率在55．48％～89．13％之間。
2．4風(fēng)向頻率分析
人工站與和自動站年平均風(fēng)向頻率有很大差別，由4站共20a資料統(tǒng)計得：自動站靜風(fēng)出現(xiàn)次數(shù)為544次，人工站靜風(fēng)出現(xiàn)次數(shù)為4076次。自動站靜風(fēng)出現(xiàn)的頻率明顯小于人工站，其原因在于自動站采用低慣性輕金屬的風(fēng)傳感器，其啟動風(fēng)速僅為0．3m·s－1，與人工站風(fēng)感應(yīng)相比，具有慣性小、啟動快、感應(yīng)靈敏的特點，這些差異屬于儀器自身原因［3］。
3 資料差異分析評估
3．1資料差異分析
由資料分析結(jié)果可知，各月風(fēng)速對比差值2min平均風(fēng)速比10min平均風(fēng)速大，且各月對比差值表現(xiàn)為：防城＞靈山＞都安＞桂林，說明防城靠海風(fēng)比較大，也就是風(fēng)大時，人工站的觀測數(shù)據(jù)比自動站大；10min平均風(fēng)速各月風(fēng)速一致率和風(fēng)向相符率均比2min平均風(fēng)速的大，說明10min平均風(fēng)向風(fēng)速人工站與自動站比較接近；極大風(fēng)風(fēng)速一致率比較低，從4站共20a資料統(tǒng)計出各月風(fēng)速一致率最高為59．26％，最低為3．23％；說明瞬時風(fēng)人工站與自動站差異很大；10min平均風(fēng)向各月風(fēng)向相符率比2min平均風(fēng)向的大，且大部分達(dá)到90以上�？梢�，10min平均風(fēng)向人工站與自動站差異不大，說明10min平均風(fēng)向人工站與自動站比較接近。但極大風(fēng)風(fēng)向相符率極不穩(wěn)定，波動比較大，防城站上下波動值達(dá)67．78％。
3．2資料差異評估
根據(jù)對比觀測期間監(jiān)測資料分析評估技術(shù)原則，風(fēng)速對比差值規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)值為0．2m·s－1；風(fēng)速一致率規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)值為80％；風(fēng)向相符率規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)值為70％［5］。由4站5a共240個月的資料統(tǒng)計結(jié)果，2分鐘平均風(fēng)速各月對比差值未超標(biāo)的有100個月，占資料總數(shù)的41．67％；風(fēng)速一致率無1達(dá)標(biāo)；風(fēng)向相符率達(dá)標(biāo)的有187個月，占資料總數(shù)的77．92％；10分鐘風(fēng)對比差值未超標(biāo)的有157個月，占資料總數(shù)的65．42％；風(fēng)速一致率達(dá)標(biāo)的僅有6個月，占資料總數(shù)的2．5％；；風(fēng)向相符率達(dá)標(biāo)的有235個月，占資料總數(shù)的97．92％；極大風(fēng)對比差值達(dá)標(biāo)的僅有11個月，占資料總數(shù)的4．58％；風(fēng)速一致率無1達(dá)標(biāo)；風(fēng)向相符率達(dá)標(biāo)的有109個月，占資料總數(shù)的45．42％。4站20a2分鐘風(fēng)年對比差值未超標(biāo)的有7a；風(fēng)速一致率無1達(dá)標(biāo)；風(fēng)向相符率達(dá)標(biāo)的有16a；10分鐘風(fēng)對比差值超標(biāo)的有7a，風(fēng)速一致率無1達(dá)標(biāo)；風(fēng)向相符率100％達(dá)標(biāo)。極大風(fēng)對比差值未超標(biāo)的僅有1a；風(fēng)速一致率無1達(dá)標(biāo)；風(fēng)向相符率達(dá)標(biāo)的有8a。由以上所有的統(tǒng)計數(shù)據(jù)說明，說明短時風(fēng)人工站與自動站差異比較大，平均風(fēng)時間越長風(fēng)速差異率就減少，風(fēng)向相符率越大。
4 資料差異原因分析
4．1觀測儀器制作材料不一致
自動站風(fēng)的采集資料與人工站的采集資料差異的主要原因是：制作材料不同，造成分辨率和準(zhǔn)確率差別較大，其次，儀器性能的敏感性不同，也是導(dǎo)致自動站和人工站觀測數(shù)據(jù)差異的原因之一。
自動站的風(fēng)杯、風(fēng)向標(biāo)與人工站的風(fēng)杯、風(fēng)向標(biāo)不是同一種材料制成，所以測得的風(fēng)向風(fēng)速就有一定的差別，由于自動站風(fēng)杯是用碳纖維增強(qiáng)塑料制成，其材料較輕便，則靈敏性較高。自動站采用低慣性輕金屬的風(fēng)傳感器，與人工站風(fēng)感應(yīng)相比，具有慣性小、啟動快、感應(yīng)靈敏的特點。其次，風(fēng)杯不一樣大，自動站的風(fēng)杯比人工站的風(fēng)杯小。當(dāng)風(fēng)速較小時，自動站風(fēng)速明顯大于人工站，由于自動站的風(fēng)杯小，慣性也小，此時自動站的風(fēng)速比人工站的風(fēng)速大，當(dāng)風(fēng)較大時，由于人工站的風(fēng)杯大，慣性也大，此時，人工站的風(fēng)速比自動站的風(fēng)速大，特別是出現(xiàn)大風(fēng)時，人工站已達(dá)到大風(fēng)的標(biāo)準(zhǔn)，而自動站卻未達(dá)到，像這種情況，常有發(fā)生。
4．2觀測方法不一致
自動站與人工站存在的偏差，原因除儀器的系統(tǒng)偏差外，由于儀器的工作原理不同，采樣方式和算法不同，造成了自動站與人工站觀測數(shù)據(jù)之間的差異。人工站觀測的風(fēng)向是16個方位，風(fēng)速2～40m·s－1，起動風(fēng)速：1．5m·s－1。并通過EN型測風(fēng)風(fēng)數(shù)據(jù)處理儀，每個正點打印輸出2min、10min平均風(fēng)向風(fēng)速，每天20時打印輸出日極大風(fēng)速、最大風(fēng)速及相應(yīng)的風(fēng)向、出現(xiàn)時間，日合計、日平均，并可隨時顯示各種瞬時值和平均值，存儲24h風(fēng)向風(fēng)速記錄。每天抄錄到月報表的有：2min、10min平均風(fēng)向風(fēng)速和最多風(fēng)向、最大風(fēng)速、極大風(fēng)速。自動站觀測的風(fēng)向是36個方位，以度（°）為單位，其啟動風(fēng)速僅為0．3m·s－1。風(fēng)向、風(fēng)速采用滑動平均方法風(fēng)速以1s為步長，求3s的滑動平均值；以1s為步長，求1min和2min滑動平均風(fēng)速；以1min為步長，求10min滑動平均風(fēng)速。
每月數(shù)據(jù)文件有2min或10min滑動平均風(fēng)向風(fēng)速的分鐘數(shù)據(jù)，整理出每小時的2min、10min平均風(fēng)向風(fēng)速、最大風(fēng)向風(fēng)速、極大風(fēng)向風(fēng)速。
5 結(jié)語
風(fēng)是一種自然力，既可以利用，也可能造成災(zāi)害。在天氣預(yù)報中有重要作用，風(fēng)常作為良好的預(yù)報指標(biāo)而廣泛應(yīng)用；防災(zāi)減災(zāi)需要應(yīng)用風(fēng)的資料；風(fēng)能資源的開發(fā)與利用，更必須風(fēng)資料的支持。本文過對廣西4個國家基準(zhǔn)氣候觀測站5a的人工站與自動站風(fēng)的同步自動觀測資料對比分析，讓大家基本了解測風(fēng)儀器性能，掌握了人工站與自動站風(fēng)的觀測資料差異原因及差異程度，在今后使用過程中應(yīng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行均一性訂正，使其在風(fēng)能源開發(fā)利用中真正起到指導(dǎo)性的作用。
