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。