赛什腾山GPS测风与L波段雷达测风对比分析

余培林 相守贵

摘要：主要对茫崖气象局L波段雷达、赛什腾山顶GPS探空、西宁市气象局L波段雷达及GPS探空风向、风速数据进行对比分析。使用2020年7月30日20时西宁气象局同时释放的两种探空手段（GPS、L波段），8月13日08时、20时赛什腾山顶GPS探空和茫崖气象局L波段探空的三次数据主要分析风向、风速变化。结果表明：高空风较大时风速相关性较高，但风速大导致探空气球飘移较远，因此L波段雷达和GPS测风的风向数据的风向数据相关性较低;高空风较小时，风速数据的相关性较低，但探空气球飘移的距离较近，两种测风方法的风向数据相关性较高。

关键词：赛什腾山、GPS探空、L波段雷达探空、风向、风速。

引言

高空探测是气象基础业务之一，当前我国气象台站所进行的高空探测业务是指通过升空气球携带仪器称为探空仪，气球在飞升的过程中，仪器能感应出周围环境中的气压，温度，湿度。并以无线电信号方式发往地面。地面工作人员经过计算整理，可得到测站上空气象要素的垂直分布情况。以作为天气预报，气候分析，科学研究和国际交换等用。测风，主要是借助于气球在空气浮力的作用下上升来获得不同高度上的风向风速，同时借助于所携带的气象要素传感器和无线电遥测技术，来获得风向、风速。长期以来，已在全球形成了一个观测规范、组织严密的高空探测网络^[1]。

赛什腾山目前采用的常规测风为GPS测风。GPS测风在探空中，主要是以提供探空气球的高精度三维位置信息，推断出不同高度的风向风速，这就实现了高空测风。配合携带的温度、湿度、气压传感器，能够得到不同高度层的温度、湿度气压数据从而实现气象探空^[2]。

截止目前，茫崖气象局工作人员已在赛什腾山顶进行3次GPS探空并得到相关数据。本文主要对比西宁、茫崖L波段探空数据开展论述。

1资料与方法

1.1资料来源

本文利用赛什腾山顶释放的3次GPS探空活动和茫崖市气象局、西宁市气象局L波段探空数据比较。赛什腾山顶释放时间分别为：2020.7.30.20时；2020.8.13.08、20时；赛什腾山顶释放气球海拔高度3301米，N：38.58639，E：93.83586。

2测风原理

2.1 L波段雷达测风原理

L波段雷达为二次测风雷达，采用探空气球作为示踪物，通过对搭载探空仪的探空气球进行连续的空间三维坐标定位获得目标的斜距、仰角、方位角和时间，再根据时间相关性计算出探空气球的水平移动速度和方向，等效为相应高度上的大气水平风速和风向，从而得到风速、风向垂直分布、由于气球的平飘，L波段雷达获取的廓线不是严格的局地垂直廓线。斜距的测量对测风精度影响大，低仰角下测风精度低，雷达定位精度与探空仪与测站距离关系很大^[1]。

2.2 GPS测风原理

GPS测风与L波段二次测风雷达测风的原理基本类似，两者的区别在于GPS测风时采用GPS技术来替代雷达的跟踪。GPS系统采用扩频通信技术，测量GPS卫星到接收机的距离(伪距) ，卫星位置(即轨道) 是已知的，只要有3颗卫星就能计算出接收机所在的位置。但在实际应用中，由于接收机时钟与卫星上时钟的偏差，常常用4颗或4颗以上卫星资料计算探空仪在特定坐标系中的坐标，即定位，然后通过探空仪位置的变化计算风向风速。相比于L波段雷达，GPS测风的定位精度与探空仪与测站距离关系较小^[2]。

3对比分析

3.1 8 月13日08时探空层结资料

8月13日08时赛什腾山顶地面气压676.1hPa，地面风速3.0m/s，风向290；茫崖气象站地面气压713.2hPa,地面风速2m/s,风向114。选取第一层结为669hPa，赛什腾山GPS探空气球于191.9hPa球炸，具体数据如下图1，2：

根据两种探测方法风向、风速的散点图可以看出两种探测方法的测得的风向相关性较好，在500hPa后两种测风的结果趋于相近，200hPa时两种测风结果基本一致。

由于GPS探空气球于191.9hPa球炸，根据已有数据可以得出：两种探测手段下风速都是随着高度升高而增加，并且两者斜率一致。其原因是二者的测风原理类似，均通过对搭载探空仪的探空气球进行定位来计算出风向风速。

3.2 8 月13日20时探空层结资料

8月13日20时赛什腾山顶地面气压670hPa，地面风速2.0m/s，风向180；茫崖气象站地面气压710.1hPa,地面风速4.1m/s,风向217。选取第一层结为670hPa，赛什腾山GPS探空气球于13.2hPa球炸，具体数据如下图3，4：

风向变化类似8月13日08时，在400hPa至200hPa之间风向相关性一致，当气球高度上升至70hPa时两者相差较大。

风速变化率从地面至球炸相关性都较好。500hPa以下两种探测方法风速都呈增大趋势，300hPa至100hPa两者探测方法都呈现风速减小趋势，之后又逐渐增大。

根据图3，4可以看出：GPS探空和L波段探空风向相关性在500hPa至100hPa之间较好，虽然在100hPa后短暂出现差别，但在高空阶段两者相关性又趋于一致。两种探测手段得出的风速变化率一致，但在低空阶段有略微差别。

3.3 7 月30日20时，西宁L波段、GPS探空层结资料

本次L波段探空和GPS探空两种探测手段地面气象要素一致。地面气压760.1hPa，地面风速5.0m/s，风向92；选取第一层结为760hPa，GPS探空气球于15.4hPa球炸，具体数据如下图5，6：

由于两种探测方法地面气象要素一致，所以根据图6可以得出：自地面点（760.1hPa）至球炸（15.4hPa）风速变化率都出奇的一直，甚至在有些层结两种探测方法得出的风速值一致。且风向变化相关性在300hPa之后也很好（0-360）。

4结论

对茫崖L波段雷达和赛什腾山顶GPS测风数据进行对比分析，得出以下结论：

高空风较大。风速相关性较高，但风速大导致探空气球飘移较远，因此L波段雷达和GPS测风的风向数据的风向数据相关性较低;高空风较小，风速数据的相关性较低，但探空气球飘移的距离较近，两种测风方法的风向数据相关性较高。

在风速较小的情况下，风向相关性较高，但两种探测方法的风速相关性较低，原因是探测场地与目标物距离影响，气球漂移的距离影响。

参考文献

[1]袁阅，杨本湘等.西昌发射场L波段雷达、风廓线雷达与 GPS测风对比分析[J].高原山地气象研究 ,2018,6(2).

[2]郭启云，李峰新等.型GPS探空仪与业务GTS1-2探空仪对比分析[J]. 气象科技，2015，2（1）.

[3]姚雯 马.颖等利用GPS定位资料分析L波段雷达测风性能[J].应用气象学报,2009,4(2).

青海省重大科技专项（2019-ZJ-A10）

作者简介：余培林，男，1993年生，助理工程师，主要从事综合气象观测和专业气象服务工作。

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