風(fēng)向風(fēng)速儀中測量的風(fēng)向是指什么
來源： http://www.52lvi.cn/ 類別：實用技術(shù) 更新時間：2013-03-13 閱讀次
【本資訊由中國糧油儀器網(wǎng)提供】 風(fēng)向風(fēng)速儀是一種利用特定傳感器進行風(fēng)速和風(fēng)向測量的儀器，其測量結(jié)果直接以數(shù)字的形式變現(xiàn)出來，那么風(fēng)向風(fēng)速儀中測量的風(fēng)向是指什么呢？下面我們一起從風(fēng)向的概念及四種統(tǒng)計風(fēng)向的概念來一起了解一下。
在大氣的近地面層，由于風(fēng)場結(jié)構(gòu)的湍流性質(zhì)，使風(fēng)向風(fēng)速成為在時間和空間上都隨時間變化的量，而大氣擴散研究的動力學(xué)模式中需要相對穩(wěn)定或可比性強的數(shù)據(jù)，在關(guān)于核電站反應(yīng)堆氣態(tài)途徑釋放的核素的環(huán)境遷移模型研究中，同樣首先要保證風(fēng)向風(fēng)速等氣象要素統(tǒng)計的準(zhǔn)確性。在核安全分析和環(huán)境影響評價中，必須使用到的是小時氣象數(shù)據(jù)，而小時風(fēng)向值統(tǒng)計中分不同的計算方法和小時數(shù)據(jù)劃分方法。
目前常用的計算小時風(fēng)向值的方法有算術(shù)平均法、滑動平均法、矢量平均法和頻率最高法�，F(xiàn)有研究認為，算術(shù)平均法對經(jīng)過0°風(fēng)向的處理誤差較大，計算出的風(fēng)向偏南風(fēng)的概率變大；滑動平均法也為算術(shù)平均法的范疇，多用于風(fēng)向風(fēng)速儀風(fēng)要素的采集中，同樣對過零風(fēng)向的處理誤差較大；矢量平均法結(jié)果更符合實際情況；頻率最高法一般在人工氣象站中采用。而現(xiàn)有的對過零風(fēng)向的修正方法不多，且計算復(fù)雜，不便應(yīng)用。同時，小時數(shù)據(jù)劃分方法中，中國《地面氣象觀測規(guī)范》中對風(fēng)向風(fēng)速儀的風(fēng)向取為整點前10min的最多風(fēng)向，同時，核島主要采用美國核管會(NRC)、國家核安全管理委員會(NNSA)以及國際原子能委員會頒布的法規(guī)和導(dǎo)則�？紤]中國核環(huán)境評價中相關(guān)法規(guī)和導(dǎo)則與以上委員會所頒布的是一致的，而美國核管會RG1.23中對小時數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法分為：取整個小時內(nèi)采樣數(shù)據(jù)的平均；取一個15min的平均值；取小時中4個15min值平均的平均。因此，本文提出新的過零風(fēng)向修正方法，同時對4種風(fēng)向計算方法進行比較，并用實測資料對不同小時值劃分方法進行對比分析，以期研究風(fēng)向計算各方法的適用性，并對中國導(dǎo)則中小時數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法提出建議。
小時風(fēng)向值統(tǒng)計包括兩方面內(nèi)容：風(fēng)向計算方法和小時數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法。針對目前不同的統(tǒng)計方法，下面分別展開具體討論。風(fēng)向常用的計算方法有算術(shù)平均法、滑動平均法、矢量平均法和頻率最高法等。4種算法中，算術(shù)平均法和滑動平均法需要修正過零風(fēng)向，而現(xiàn)有的修正方法判斷復(fù)雜，因此文中提出新的過零風(fēng)向修正方法。滑動平均法為按一種特定的方式變形后的算術(shù)平均�，F(xiàn)有修正方法將風(fēng)向圓圖在平面直角坐標(biāo)上按旋輪線參變方程連續(xù)展開，并對采樣角度值總和引入補償系數(shù)。該方法補償系數(shù)的確定計算復(fù)雜，難以簡便應(yīng)用。修正方法通過比較風(fēng)向前后觀測值，對經(jīng)過0°的風(fēng)向進行處理。其中，風(fēng)向正或反的旋轉(zhuǎn)時，設(shè)順時針方向為正向，過零時稱為正向過零，反之稱為反向及反向過零。該方法判斷簡便，并解決了風(fēng)向過零時直接平均使得偏南風(fēng)概率變大的誤差。風(fēng)向值經(jīng)修正后，每次變化的增量小于180°。這種情況下，在平均區(qū)間內(nèi)表示同一風(fēng)向就可能出現(xiàn)兩個數(shù)值，即D和與它相差360°的兩個數(shù)值，導(dǎo)致統(tǒng)計結(jié)果不正確。矢量平均法需要同期的風(fēng)速資料，能表征風(fēng)向和風(fēng)速的密切關(guān)系。由于風(fēng)向在0°—360°變化，因此風(fēng)向需依據(jù)風(fēng)速分量的不同方向進行判斷，規(guī)定南北分量氣流向北為正值，東西分量氣流向東為正值。頻率最高法《地面氣象觀測規(guī)范》規(guī)定，對人工觀測站10min風(fēng)向數(shù)據(jù)的選取方法應(yīng)當(dāng)采用頻率最高法，對風(fēng)向風(fēng)速儀的風(fēng)向平均方法則沒有明確說明。因此這里將頻率最高法(對風(fēng)向風(fēng)速儀數(shù)據(jù))也作為一種方法進行分析。小時數(shù)據(jù)不同劃分法為：中國《地面氣象觀測規(guī)范》中數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法為整點前10min數(shù)據(jù)。RG1.23中各時風(fēng)向分3種方法統(tǒng)計：取整個小時內(nèi)采樣數(shù)據(jù)的平均；取一個15min的平均值；取小時中4個15min平均值的平均(說明：文中對該劃分法的理解為，對算術(shù)和矢量均值而言，按照各自計算方法對小時中的4個15min分別取平均值，然后對計算出的4個平均值再做平均，最終結(jié)果作為小時風(fēng)向值；對頻率最高法而言，仍為在小時的60個分鐘數(shù)據(jù)中找頻率最高的風(fēng)向作為小時風(fēng)向值)�？紤]目前許多測風(fēng)儀器采用的為小時中10min的觀測數(shù)據(jù)，且應(yīng)用廣泛，因此此處劃分法中包括小時中6個10min的數(shù)據(jù)，即6個10min平均值的平均。
文中對過零風(fēng)向的修正方法簡便，修正后的計算結(jié)果準(zhǔn)確。該修正方法提高了在風(fēng)向變換期，在小尺度湍流的作用下，風(fēng)向在短時間內(nèi)頻繁變化情況下的計算準(zhǔn)確性。在小時值取整點前10min數(shù)據(jù)平均的結(jié)果時，風(fēng)向的4種計算方法中，修正算術(shù)平均法準(zhǔn)確度高于其余3種計算方法，推薦使用。但在小風(fēng)、靜風(fēng)占比例較高的地方，矢量平均法更為適用，但風(fēng)速值大小對小時風(fēng)向統(tǒng)計結(jié)果影響有待進一步研究。不同的風(fēng)向小時值數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法中，對修正算術(shù)平均法而言，取整點前或其他時段的10min和15min的數(shù)據(jù)進行平均的結(jié)果無明顯差異；取4個15min平均值的平均或6個10min數(shù)據(jù)平均值的平均作為小時值也無明顯差異，但這兩者統(tǒng)計方法與取10min和15min的結(jié)果的相關(guān)性較差；取60min時段的平均值作為小時值則與其余方法差別最大。同時，隨著參與統(tǒng)計數(shù)據(jù)量差別增大，結(jié)果差別增大，因此，建議中國盡快頒布相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)則，明確地面風(fēng)向風(fēng)速儀小時風(fēng)向值統(tǒng)計中的小時數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法以及小時風(fēng)向值計算方法。
在大氣的近地面層，由于風(fēng)場結(jié)構(gòu)的湍流性質(zhì)，使風(fēng)向風(fēng)速成為在時間和空間上都隨時間變化的量，而大氣擴散研究的動力學(xué)模式中需要相對穩(wěn)定或可比性強的數(shù)據(jù)，在關(guān)于核電站反應(yīng)堆氣態(tài)途徑釋放的核素的環(huán)境遷移模型研究中，同樣首先要保證風(fēng)向風(fēng)速等氣象要素統(tǒng)計的準(zhǔn)確性。在核安全分析和環(huán)境影響評價中，必須使用到的是小時氣象數(shù)據(jù)，而小時風(fēng)向值統(tǒng)計中分不同的計算方法和小時數(shù)據(jù)劃分方法。
目前常用的計算小時風(fēng)向值的方法有算術(shù)平均法、滑動平均法、矢量平均法和頻率最高法�，F(xiàn)有研究認為，算術(shù)平均法對經(jīng)過0°風(fēng)向的處理誤差較大，計算出的風(fēng)向偏南風(fēng)的概率變大；滑動平均法也為算術(shù)平均法的范疇，多用于風(fēng)向風(fēng)速儀風(fēng)要素的采集中，同樣對過零風(fēng)向的處理誤差較大；矢量平均法結(jié)果更符合實際情況；頻率最高法一般在人工氣象站中采用。而現(xiàn)有的對過零風(fēng)向的修正方法不多，且計算復(fù)雜，不便應(yīng)用。同時，小時數(shù)據(jù)劃分方法中，中國《地面氣象觀測規(guī)范》中對風(fēng)向風(fēng)速儀的風(fēng)向取為整點前10min的最多風(fēng)向，同時，核島主要采用美國核管會(NRC)、國家核安全管理委員會(NNSA)以及國際原子能委員會頒布的法規(guī)和導(dǎo)則�？紤]中國核環(huán)境評價中相關(guān)法規(guī)和導(dǎo)則與以上委員會所頒布的是一致的，而美國核管會RG1.23中對小時數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法分為：取整個小時內(nèi)采樣數(shù)據(jù)的平均；取一個15min的平均值；取小時中4個15min值平均的平均。因此，本文提出新的過零風(fēng)向修正方法，同時對4種風(fēng)向計算方法進行比較，并用實測資料對不同小時值劃分方法進行對比分析，以期研究風(fēng)向計算各方法的適用性，并對中國導(dǎo)則中小時數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法提出建議。
小時風(fēng)向值統(tǒng)計包括兩方面內(nèi)容：風(fēng)向計算方法和小時數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法。針對目前不同的統(tǒng)計方法，下面分別展開具體討論。風(fēng)向常用的計算方法有算術(shù)平均法、滑動平均法、矢量平均法和頻率最高法等。4種算法中，算術(shù)平均法和滑動平均法需要修正過零風(fēng)向，而現(xiàn)有的修正方法判斷復(fù)雜，因此文中提出新的過零風(fēng)向修正方法。滑動平均法為按一種特定的方式變形后的算術(shù)平均�，F(xiàn)有修正方法將風(fēng)向圓圖在平面直角坐標(biāo)上按旋輪線參變方程連續(xù)展開，并對采樣角度值總和引入補償系數(shù)。該方法補償系數(shù)的確定計算復(fù)雜，難以簡便應(yīng)用。修正方法通過比較風(fēng)向前后觀測值，對經(jīng)過0°的風(fēng)向進行處理。其中，風(fēng)向正或反的旋轉(zhuǎn)時，設(shè)順時針方向為正向，過零時稱為正向過零，反之稱為反向及反向過零。該方法判斷簡便，并解決了風(fēng)向過零時直接平均使得偏南風(fēng)概率變大的誤差。風(fēng)向值經(jīng)修正后，每次變化的增量小于180°。這種情況下，在平均區(qū)間內(nèi)表示同一風(fēng)向就可能出現(xiàn)兩個數(shù)值，即D和與它相差360°的兩個數(shù)值，導(dǎo)致統(tǒng)計結(jié)果不正確。矢量平均法需要同期的風(fēng)速資料，能表征風(fēng)向和風(fēng)速的密切關(guān)系。由于風(fēng)向在0°—360°變化，因此風(fēng)向需依據(jù)風(fēng)速分量的不同方向進行判斷，規(guī)定南北分量氣流向北為正值，東西分量氣流向東為正值。頻率最高法《地面氣象觀測規(guī)范》規(guī)定，對人工觀測站10min風(fēng)向數(shù)據(jù)的選取方法應(yīng)當(dāng)采用頻率最高法，對風(fēng)向風(fēng)速儀的風(fēng)向平均方法則沒有明確說明。因此這里將頻率最高法(對風(fēng)向風(fēng)速儀數(shù)據(jù))也作為一種方法進行分析。小時數(shù)據(jù)不同劃分法為：中國《地面氣象觀測規(guī)范》中數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法為整點前10min數(shù)據(jù)。RG1.23中各時風(fēng)向分3種方法統(tǒng)計：取整個小時內(nèi)采樣數(shù)據(jù)的平均；取一個15min的平均值；取小時中4個15min平均值的平均(說明：文中對該劃分法的理解為，對算術(shù)和矢量均值而言，按照各自計算方法對小時中的4個15min分別取平均值，然后對計算出的4個平均值再做平均，最終結(jié)果作為小時風(fēng)向值；對頻率最高法而言，仍為在小時的60個分鐘數(shù)據(jù)中找頻率最高的風(fēng)向作為小時風(fēng)向值)�？紤]目前許多測風(fēng)儀器采用的為小時中10min的觀測數(shù)據(jù)，且應(yīng)用廣泛，因此此處劃分法中包括小時中6個10min的數(shù)據(jù)，即6個10min平均值的平均。
文中對過零風(fēng)向的修正方法簡便，修正后的計算結(jié)果準(zhǔn)確。該修正方法提高了在風(fēng)向變換期，在小尺度湍流的作用下，風(fēng)向在短時間內(nèi)頻繁變化情況下的計算準(zhǔn)確性。在小時值取整點前10min數(shù)據(jù)平均的結(jié)果時，風(fēng)向的4種計算方法中，修正算術(shù)平均法準(zhǔn)確度高于其余3種計算方法，推薦使用。但在小風(fēng)、靜風(fēng)占比例較高的地方，矢量平均法更為適用，但風(fēng)速值大小對小時風(fēng)向統(tǒng)計結(jié)果影響有待進一步研究。不同的風(fēng)向小時值數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法中，對修正算術(shù)平均法而言，取整點前或其他時段的10min和15min的數(shù)據(jù)進行平均的結(jié)果無明顯差異；取4個15min平均值的平均或6個10min數(shù)據(jù)平均值的平均作為小時值也無明顯差異，但這兩者統(tǒng)計方法與取10min和15min的結(jié)果的相關(guān)性較差；取60min時段的平均值作為小時值則與其余方法差別最大。同時，隨著參與統(tǒng)計數(shù)據(jù)量差別增大，結(jié)果差別增大，因此，建議中國盡快頒布相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)則，明確地面風(fēng)向風(fēng)速儀小時風(fēng)向值統(tǒng)計中的小時數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法以及小時風(fēng)向值計算方法。
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