超声风速仪与三轴风速仪测风的比较研究

　　1引言

　　风矢量是基本气象要素之一，也是大气边界层最基本的特征量之一。在微气象学研究中，超声风速仪通过风速分量对声脉冲在固定的路径上，两个相反方向的输送时间差进行风速测量〔‘一幻，是较为理想的测风仪器。超声风速仪具有工作稳定、不易损坏、较小的流场破坏以及较小的长度尺度等优点，但价格较高。低成本的风矢量仪器首推三方向螺旋桨风速仪(以上简称三轴风速仪)。Gill和Pond等讨论了Gill系列三轴风速仪在大气湍流深测中的应用〔3一5，。从测风原理上讲，超声风速仪测风是通过风速分量对声脉冲在固定的路径上，两个相反方向的输送时间差进行的‘2，。;三轴风速仪测风是利用叶片系统受到作用，产生一定的扭力矩，使叶片旋转〔7，。叶片转速n与风速u的关系有:

　　其中:沪为叶片基线的安装角，2二为叶片旋转线速度;风速测量值u与转速n成正比，与空气密度P无关。

　　三轴风速仪测量风速时，测风轴与风向之间有一定的夹角，存在余弦响应特性，尤其是垂直风速测量的误差可达25%以〕，需进行相应的余弦订正。Horst给出如下的订正公式〔8，:

　　其中，绮。、v、和二、分别为三轴风速实测值，u，、跳和w，分别为经过余弦订正后的风速值。

　　三轴风速仪常用距离常数乙来表示仪器的响应。螺旋叶片直径为23。m的三轴风速仪的距离常数约为lm即，且与风向和仪器轴之间的夹角有关，夹角越大，距离常数也越大。Garratt分析了Hicks的资料，得出:当风向与轴向夹角为0o时，距离常数为lm;当夹角增加到600时，距离常数随之增大到L4m;当夹角增加到850时，距离常数增大到3m〔10一‘。。由三轴风速仪结构可知，垂直测量轴的距离常数较大，响应较慢。尽管如此，在经过各种仪器订正后，三轴风速仪因其较低的价格广泛应用于大气扩散的实验和研究领域。

　　本文利用1990年8月中国西北戈壁地区进行的湍流仪器水平比较实验资料，对比分析了超声风速仪与三轴风速仪测风结果。

　　2资料获取和处理

　　测风仪器水平比较实验观测站位于甘肃省临泽县东北方向的戈壁地区，平均海拔高度为1480m，西南距祁连山约20km，东北和北面临泽绿洲农业区约2km，整个实验场地地势平坦，地表粗糙度仅为1.Zm(12〕。观测时间为1990年8月。超声风速仪测风使用日本海上电机公司产DAT一300超声风温仪(TR一61C)型探头，三轴风速仪测风使用美国R.M.young公司产GillUVw型三方向螺旋桨风速仪。超声风速仪和三轴风速仪架设在一个水平横杆上，距地2.gm，间隔1.sm。超声风速仪的垂直感应探头面向东南偏南方向，三轴风速仪的水平轴夹角也面向东南偏南方向。在资料分析时，选取风向为90。一120“的数据组，尽量减小仪器框架对观侧结果的影响，同时剔除了原始湍流数据取样时段内干扰信号多、风向变化大、平均风速小于。.sm/s、垂直倾角大于5o以及明显不合理的数据组。