Lufft 气象站Ventus 应用案例分析.docx
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Lufft气象站Ventus应用案例分析
LufftVentus风传感器的验证研究
在瑞士汝拉山拉多尔地区的测试测量和验证
版本
日期
内容
准备
检查
1.0
8.5.2012
LufftVentus风传感器的验证研究
sm
RC31.5.2012
1.引文
测量设备的结冰问题是气象测量过程很常见的问题。
结冰造成的测量误差会对测量数据和传感器性能的产生误解。
MEFEOTEST受G.LufftGmbH委托,在结冰条件下对风传感器进行了验证研究。
2011/2012年的冬天,在海拔1670米高的瑞士汝拉山上进行了一项实验。
这个地区可能是瑞士结冰最厉害的地方。
MeteoSwiss站位于拉多尔,属于气象和气候联邦办公室的自动监测网络。
拉多尔目前装有一个可加热的MetekUSA-1超声波风力计。
根据MeteoSwiss站的说法,目前这个风力计可以提供在结冰条件下对风的参考测量。
Ventus同样安装在MeteoSwiss站,并由其操作测量。
这篇报告将收集到的Ventus测量数据与参考测量数据进行比较分析。
同时,对整个测量过程进行了一个评估。
最后例举了两个研究案例。
2.测量设备及安排
拉多尔位于瑞士汝拉山,海拔1670米(图1)。
它是附近海拔最高的,所以暴露在寒风中,易于结冰。
SwissMetNet站隶属于瑞士官方气象测量网络,位于拉多尔,并由MeteoSwiss管理。
表1给出了这个测量站的信息。
图1.拉多尔站位于瑞士西边的汝拉山,日内瓦北部
表1.拉多尔站的信息www.meteoschweiz.ch
参数
描述
世界气象组织
06702
国家站数量
8280
坐标
46.4247N/6.099478E
高度
1670mabovesealevel
开始操作
1981
参数、测量
全球辐照
相对湿度
日照时间
风速
风向
气压
温度
冰雹
表2.给出了两种风传感器的对比信息。
参考测量设备安装在一个10米高的流星桅杆的顶部,Ventus(万途仕)风传感器安装在一个东西方向的侧臂上,约比顶部矮1.5米。
侧臂的对准精度是92°。
图2是该流星桅杆的照片,照片中标出了地理方位。
2011年11月,Lufft的Ventus风传感器安装在了桅杆的西侧臂上。
图3清晰的显示了桅杆顶端安装的两个传感器。
Lufft的Ventus风传感器是第一代设备。
由于组织方面的原因(累积的冰面使得MeteoSwiss的技术员工无法到达桅杆),只能安装新版本的传感器,该版本提高了加热性能,于2012年3月15日安装在桅杆东面。
MeteoSwiss安装,操作了Ventus传感器,收集了一些数据,还提供了参考传感器的测量结果。
表2.安装的传感器
制造商
测量仪表
G.LufftMess-undRegeltechnik
GmbH
Ventus超声波风传感器(测试设备)
METEK–MeteorologischeMesstechnik
GmbH
USA-1(参考设备)
图2.位于瑞士海拔1670米的汝拉山上的流星桅杆。
红色箭头显示了地理方位。
两个传感器由红圈标出(1:
LufftVentus,2:
METEKUSA-1)
图3.桅杆顶端的风传感器:
1.LufftVentus,2.METEKUSA-1(日期:
2011年11月)
2.1数据测量
Ventus是在2011年11月安装的。
从2011年12月1日起可以得到测量数据。
每秒采集一次数据,持续10分钟,这样构成一个样本。
样本报告中包含最大值、最小值、标准差和每个10分钟样本中有效数据的个数。
在风速数据中,最大值与二级阵风的峰值相一致。
3.数据分析
3.1大体的气象情况
2011年12月的天气潮湿,多风。
西风吹来温和湿润的空气。
12月16日,暴风雨“Joachim”穿过瑞士,强风最高时速175km/h。
紧接着,山上下起了大雪。
(发布:
Meteoswiss2011年:
2011年12月气候公报,苏黎世)
1月初,再次刮起强劲西风。
2012年1月5日,暴风雨——“安德里亚”到达瑞士汝拉山,风速达到170km/h,同时下起了大雪。
1月底,冷空气到来,整个瑞士的温度都降到冰点以下。
(发布:
Meteoswiss2011年:
2012年1月气候公报,苏黎世)
2012年2月的前半个月很冷,平原温度降到零下20°,小点的内陆湖都结冰了,东风从俄罗斯到中欧吹来冷空气。
到2月中旬,气温回升到了冰点以上。
(发布:
Meteoswiss2011年:
2012年2月气候公报,苏黎世)
3月份有一个温暖晴朗的开始,但此后低洼区域再次下起了雪(类似的天气变化发生在18/19年的3月)。
否则,即使在高海拔地区,3月份也是很温和的,温度都在零度以上。
(发布:
Meteoswiss2011年:
2012年3月气候公报,苏黎世)
4月有个温暖的开端,随后低压的环境带来了凉爽潮湿的天气,只有在月底才又变得阳光明媚。
(发布:
Meteoswiss2011年:
2012年4月气候公报,苏黎世)
图4显示的是从在拉多尔Swissmetnet站上的测量到的数据。
上文描述的大致的天气情况从该测量结果也可以显示出来。
图上清晰地显示着,气压的下降是由两场暴风雨(Joachim和Andrea)引起的。
在同一时间段,有最强劲的风;在强降雨阶段,风向是由西向东;在2月份零下20°时,风向转为由东向西。
在零度以下,雨水以雪的形式降落,这就是为什么积雪深度增加。
当温度高于零度,积雪又融化。
图4:
拉多尔站的测量数据,涵盖整个冬天
3.2数据的有效性
为了验证数据的有效性,将每月样本数可能的最大值(每秒钟一个样本)作为样本数。
就样本数据而言,在整个测量阶段,Ventus传感器展现了良好的性能。
表3:
数据样本的数量,100%对应于在每秒一个样本速据率
下获得的完整数据。
ff代表风速,dd代表风向。
3.3风的测量数据
乍一看,图5所示的风速测量结果表明两种传感器有很好的相关性。
然而,Ventus显示的东风速度比参考传感器显示的速度低。
这在图6和图7的散点图上也清晰可见。
除了东风,这两种传感器测量的其他所有方向的风速都很相近,东风测量的显著偏差是有规律的出现。
这表明存在由于桅杆遮蔽的系统误差而不是测量误差。
从图上还可以看出,遮蔽的影响不是一直很大。
这表明其他因素,比如结冰,会对测量造成一定的影响。
图8显示的数据信息也很类似。
总体而言,两种测量是非常相近的。
然而,在东风情况下,在某些时间段内风向测量变化剧烈。
为了不至于扭曲实验结果,在接下来的数据分析中(表4和表5),不应该考虑东风情况下(或者2012.3.15传感器换过后的西风)潜在的系统误差。
所以忽略90°部分asectorof90°openingwasdisregarded.
使用这种方式调整后的数据,每月Ventus测量到的风速平均值比参考测量值低0.5米/秒。
5个月中有3个月的Ventus测量到的平均峰值比参考测量略高一点。
两种传感器对风速测量结果的相关性良好,相关指数超过0.95。
风向的相关性略低些。
但有4个月的相关系数超过0.8,只有1月降到0.61。
表4:
月平均风速测量值(FF)和平均峰值(FX),不包括系统的阴影影响
表5:
风速(ff),峰值风速(fx)和风向的相关系数(dd),不包括系统的遮蔽影响
图5:
Ventus(红色)和参考设备(黑色)测量的风速。
受桅杆阴影影响的区间用粉色标出。
按照规律,Ventus所示的值小于参考测量的值。
图6:
两种传感器测量的风速(左)和峰值风速(右)的散点图。
受桅杆遮挡影响的的测量值用蓝色标出。
其余的测量值用绿色标出。
图7:
两种测量结果的风速相对于风向的系数。
显著的测量偏差出现
在传感器处于桅杆的遮蔽下。
图8:
Ventus(红色)和参考设备(黑)的风向测量值。
4案例研究
4.1案例一:
2012年1月10日
图9显示了在2012年1月10日早晨桅杆顶部严重结冰的照片。
桅杆西侧有大量冰雪。
参考传感器从冰雪中突出来,而西侧臂的Ventus传感器被包裹在冰雪中。
尽管现实中传感器是没有结冰的,但它已非常接近侧臂上的冰。
当风从东面刮来,传感器处于冰雪的遮蔽下,而西、北、南方向上是不受冰雪影响的。
图9:
左:
2012年1月10日经历严重结冰的桅杆顶部;
右:
Ventus传感器周围放大。
图9显示的是2012年1月10日上午桅杆的状态。
图10显示了这次结冰事件前后的整体气象情况。
我们发现,在1月8日(①),风向是西北风,空气潮湿,温度在零度以下,这足以开始结冰。
阶段②中东风吹来,两个传感器测量的风度不同。
阶段③中,空气寒冷潮湿,两个传感测量的数据相近。
阶段④到了1月10号,此时参考传感器测量的东风风速为10-15m/s,然而在冰雪遮蔽下的Ventus测量值仅为2m/s。
此阶段的最后,风向转为西风,且Ventus测量的风速再次回到参考测量的水平。
在阶段⑤,温度上升到+5°,这时冰都开始融化。
此阶段的最后,冰冷潮湿的空气再次从北方吹来,又导致新一轮的结冰。
阶段⑥中东风刮起,Ventus传感器所示的风速只有参考测量的一半。
但此时,风向是一致的。
随着风向改变,测量结果的差异终止(⑦)。
图10:
2012年1月10日前后的气象状况。
Ventus的测量结果由红色标出,参考测量结果由黑色标出。
受东风影响的阶段由粉色标出(桅杆遮蔽的影响)。
4.2案例二:
2012年4月21日
图11显示的是从2012年4月16日至2012年4月28日的一系列测量结果。
起先,风是从西北刮过来的(①)。
空气寒冷潮湿,预计桅杆上会结冰。
然而,当传感器不在桅杆的遮蔽下时,就不会受到负面影响。
在4月17日(②),两种传感器的测量的风速偏差显著。
然而在偏差开始之前,东北风已经变成了西风。
当风向是270°(正西风),偏差最明显。
这可能是完全由桅杆的遮蔽造成。
阶段③和⑤中,空气湿冷,大部分是西风,且Ventus测量的风速远低于参考测量值。
在过渡阶段,风向是西南风。
阶段⑤过后,随着温度上升,冰雪逐渐消融,风向从南到南到西转变。
因为没有光学图像可用,无法对结冰的程度及其影响进行直接的评估。
图11:
2012年4月21日之前和之后的气象情况。
Ventus的测量结果由红色标出,参考测量结果由黑色标出。
受西风影响的阶段由粉色标出(桅杆遮蔽的影响)。
5.结论
在测量期间,Ventus的测量数据有效性良好,并且与参考传感器的测量结果相关性极好。
微小的偏差归因于Ventus相对于参考传感器的安装位置的差异。
在特定的风向下,两种传感器由小到大的测量偏差都可以观测到。
这些偏差主要是由于Ventus处于桅杆的遮蔽下。
因为这种影响不总是强烈,所以可以假定,在某些情况下,结冰会测量有部分影响。
在案例1中,照片清楚地表明了这一点:
尽管周围环境结冰严重,但Ventus周围没有结冰,因为受冰雪的遮蔽,测量结果受到了严重的的影响。
不幸的是,缺乏结冰事件的进一步图像资料,会使得测量结果的差异更难以解释。
但通过测量其他的气象参数,可以得到相应的气象条件,基于此,可以解释测量结果的差异,案例2中的分析正是这样做的。
但是,对比参考设备的测量,结冰的不规则影响仍然处于假定阶段。
为了得到更多在结冰条件下的传感器性能信息,建议对传感器进行更深入的测试,并提供能够明确反映设备所处环境的照片。
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