三维超声风速仪观测中风向角计算方法_姜明

第３９卷第５期２０１１年１０月

气　象　科　技

ＭＥＴＥＯＲＯＬＯＧＩＣＡＬＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　　　

Ｖｏｌ．３９，Ｎｏ．５

Ｏｃｔ．２０１１

三维超声风速仪观测中风向角计算方法

２１２１

姜明１，　景元书　郭建侠　王有恒

（）南京２北京１１南京信息工程大学应用气象学院，１００４４；２中国气象局气象探测中心，０００８１

摘要　在对三维超声风速仪观测资料处理中，风向角的计算具有一定的技巧性。根据三维超声风速仪自身观测坐标系统与地理坐标系之间的差异，推导出计算地理坐标系下风向角的一种方法，为超声风观测资料的处理和应用提供借鉴。同时利用锡林浩特国家气候观象台２并与台站统计资００８年全年通量观测资料对风向角进行了计算，，结果表明两组数据无论从风向角分布趋势还是从相关性来看，均非常吻合（相关系数为０从而料进行了对比，．９７）证明了该方法的正确性及可应用性。

关键词　三维超声风速仪　风向角　计算方法

引言

Ｃａｒｒｉｅｒ和Ｃａｒｌｓｏｎ于２０世纪４０年代最早提出

声学风速仪的设想，Ｇｕｒｖｉｃｈ在５０年代末发明了一最终Ｓ个微型声学风速仪，ｕｏｍｉ使得声学风速仪与

１］

。从６温度测量成功结合［声学０年代到８０年代，

以期为同类观测测资料时风向角推导计算的过程，资料的处理提供经验。１　计算原理及方法

超声风速仪在安装过程中要保持水平，其朝向根据观测要求、环境状况而变化，一般情况下要使超声风速仪的张角正对当地的主导风方向，这样可以保证架设铁塔、支撑臂等支撑结构以及涡度相关测量中其他仪器硬件等对超声风速仪信号获取造成的影响降到最小。

根据超声风速仪的架设方位，可以确定一个独立于地理坐标系统的坐标系，我们称之为超声风速仪坐标系统。这个坐标系统不同于地理坐标系，是

７］

，以风垂直吹向超一个符合右手定则的坐标系统［

风速仪通过不断的理论技术创新，通过一系列野外观测试验及风洞对比试验观测改进，得到了长足的观测频率不断提高、由最初的一维发展到了现发展，

］１４－

。在常用的三维超声风速仪［

三维超声风速仪由１张角的三组探头组成，２０°每一组探头中的两个探头都要在其轴向上交替发射声音信号并接收对面探头的脉冲信号。由于探头轴向上的风速分量的影响，使声音到达接收器的时间随风速而变化。三维超声风速仪便利用探头之间的距离以及两次脉冲信号传播的时间差来实现对风速

］５６－

。在利用超声风速仪观测得到的的全方位观测［

声风速仪探头张角方向为＋Ｘ轴，按照右手定则确定出Ｙ轴。图１给出了两个坐标系统之间的关系，虚线标注的为地理坐标系，星号所示方向为超声风据其确定出超声风速仪坐标系速仪张角所对方向，

（，以实线表示）角α为超声风速仪方位角。

方位角作为仪器安装过程中的已知量是指由正北向仪器基准方向按顺时针方向的夹角，这个角度也就是就是超声风速仪与地理坐标系的联系角度，超声风速仪坐标系偏移地理坐标系的角度。

在观测过程中，超声风速仪记录了水平Ｘ方向

数据进行后期处理中，特别是在风向角的确定中，由于探头夹角、仪器自身坐标系、地理坐标系之间存在往往使计算者产生迷惑。且风向着许多转换关系，

角是涡度相关质量控制及风能资源应用中的重要参计算不准确将对涡度相关数据的分析和风能考量，

资源利用产生严重的影响。

本文介绍了作者在处理三维超声风速仪原始观

（）中国气象局气候变化专项项目“国家气候观象台Ｃ资助ＯＣＣＳＦ０９０７－－２浓度及通量监测与分析”：作者简介：姜明，男，硕士，主要从事边界层气象研究，１９８６年生，Ｅｍａｉｌ６３．ｃｏｍｉａｎｍｉｎ０２５＠１ｊｇｇ收稿日期：定稿日期：２０１０年５月２５日；２０１０年９月２８日

方向为０角，其他角度按顺时针依次增加。由于利°之间的，用风速求得的初始角是在［因此要从０］

２

角开始顺时针旋转到刚才分配的角度位置，才能０°

使初始角通过增加不同的角度成为超声风速仪坐标系统内风向角并和风的来向一致。１．４　整体旋转

现在得到的风向角是固定在超声风速仪坐标系因不同的观测地点，超声风速仪的朝向不中的角度，

同，确定的风向角也就缺乏了可比性。因此我们需

图１　超声风速仪坐标系统示意

要根据超声风速仪坐标系和地理坐标系之间联系的进行角度的整体调整。通常规定正北方向方位角，

，为地理坐标系的０角度按顺时针方向依次变换。°这就需要使超声风速仪坐标系的－Ｘ轴调整到地理坐标系的正北轴，使两个坐标系重合。需要注意的是，两个坐标系进行调整要保证所有的角度变换］后均在［之间，以符合地理坐标系的规定。０，２π

通过以上的角度变化和旋转之后，我们就能得到在地理坐标系中的真实风向角。２　实例分析

现以锡林浩特国家气候观象台２００８年湍流数据分析为例，介绍风向角的确定过程。锡林浩特国家气候观象台超声风速仪架设在与正北按顺时针方向的夹角为３的方向，距地面４ｍ高，进行分析１５°的数据为２００８年逐日高频原始观测数据。

根据以上说明，超声风速仪张角朝向西北方，方，位角α为３如图

２所示，星号标注为超声风速仪１５°所对方向。

和Ｙ方向的两个风速分量ｕ，而这两个风速分量ｖ，是在超声风速仪坐标系统中的“南北”和“东西”向。两者的合成风速为Ｕ＝风向角为θ＝＋ｖ，

２

２

ａｒｃｔａｎ

ｖ

［８］

。利用这些条件来便能确定出在真实地

理坐标系中的风向角。

１．１　确定超声风速仪坐标系风向角

在超声风速仪坐标系统中的风向角等于风速比由正切值域可知，这使得风向角被限制的反正切值，

在－到之间，并不能真实反映在超声风速仪中２２确定风向角的第一步就是要把风向的风向。因此，

角度还原到超声风速仪坐标系的各个象限中。我们把“风向角”不妨再缩小风向角的值域，θ限制在０

，到之间，利用θ＝ａ来求得风向角，并ｒｃｔａｎ

ｖ２称这一角度为初始角。这样，我们只需根据Ｘ和Ｙ两个方向上的风速便能确定象限，再通过角度旋转来还原各个象限的角度。

１．２　利用风速确定象限并调整角度

在超声风速仪坐标系中的水平风速有正负之分，通过它们之间的组合可以确定出初始角所在的象限。这样ｕ＞０，ｖ＞０在第Ⅰ象限，ｕ＞０，ｖ＜０在第Ⅱ象限，ｕ＜０，ｖ＜０在第Ⅲ象限，ｕ＜０，ｖ＞０在第根据风速的组合，把初始角度θ调整到了不Ⅳ象限，

同的象限中。由于风向是风吹来的方向，在第Ⅰ象限的风向角实际上风是从第Ⅲ象限吹来的，我们还要进一步把角度旋转到所在象限的对面象限，以使风向角和风向吻合。

角并旋转１．３　确定０°

我们规定，超声风速仪所对的方向也就是－Ｘ

图２　超声风速仪方位角

如图３所示，利用前面的规定，先把超声风速仪张角所对的位置定义为０角，风从西北方吹向东南°

中θ此时的风应该由第Ⅲ象１。而根据风向的定义，

限吹向第Ⅰ象限，实际风向角应该落在第Ⅲ象限，也就是θ３的位置。因此在超声风速仪坐标系下的风

角顺时针转到θ向角应为由０°３得到的角度。同理，其他象限的风向角也经过旋转确定出真实的风向我们也要考虑当角度落在坐角。除了４个象限外，

标轴上的情况，如当ｕ＞０，角度落在＋Ｘｖ＝０时，上，而此时风是由－Ｘ轴向＋Ｘ吹的，因此实际风向角应落在－Ｘ轴上。从０度角开始旋转到－Ｘ，轴为３就为真实的风向角度。根据以上分析，６０°，我们可以得到所有情况的旋转角度θ如表１所示。′

再根据超声风速仪与正北之间的方位角α，进行坐标轴整体旋转。由本例图２可知超声风速仪在正北，因此要把所有的风向角减去４还原到原偏西４５°５°始地理坐标系中。若相减后角度小于零度，应再加，］上３以保证所有角度都落在［的区间内。６０°０°３６０°

图３　风向角旋转

方经过超声风速仪为＋Ｘ方向，从西南方向到东北方向为＋Ｙ方向。通过超声风速仪获得风速进行判，当ｕ＞象限，设为图３断，０ｖ＞０时，风向角应在第Ⅰ

表１　风向角旋转角度

水平风速组合

角度所在象限第Ⅰ象限第Ⅳ象限第Ⅱ象限第Ⅲ象限

旋转到象限第Ⅲ象限第Ⅱ象限第Ⅳ象限第Ⅰ象限

旋转后角度θ′／３２＋πθ／２＋πθ／３２－πθ／２＋πθ／３２π／２π２ππ

旋转后角度大于调整结果４５°／′－π４θ／′－π４θ／′－π４θ／′－π４θ／′－π４θ／′－π４θ／′－π４θ／′－π４θ

旋转后角度小于调整结果４５°／′－π４＋２θπ／′－π４＋２θπ／′－π４＋２θπ／′－π４＋２θπ／′－π４＋２θπ／′－π４＋２θπ／′－π４＋２θπ／′－π４＋２θπ

ｕ＞０，ｖ＞０ｕ＞０，ｖ＜０ｕ＜０，ｖ＞０ｕ＜０，ｖ＜０ｕ＝０，ｖ＞０ｕ＝０，ｖ＜０ｕ＜０，ｖ＝０ｕ＜０，ｖ＝０

Ｙ轴正Ｙ轴负Ｘ轴正Ｘ轴负

Ｙ轴负Ｙ轴正Ｘ轴负Ｘ轴正

至此，我们完成了所有的角度旋转，计算后的风向角在理论上能够反应真实风向。为进一步说明风

９］

向角的正确性，我们按相关文献［中的方差分析原

据此可以确定本文计算风向角的方法是正确的

。

理对数据中的奇异点进行了剔除，并将计算得到的风向角和经过二次旋转后的合成水平风速绘制成风向频率图可以方便的看出锡林浩特２００８年全年的。为了检验本文计算的主导风向为西南方向（图４）风向角，我们给出了观象台统计资料绘制的风玫瑰），图（图５可见，二者吻合非常好。

进一步对比，图６给出了本文计算得到的风向角与观象台统计资料风向角按每２区间进行统计０°得到频率分布直方图，由图可见，两种数据得到的直方图走势和分布吻合，不同风向角所占的比例相当一致。二者的相关分析显示相关系数达到了０．９７。

图４　风向角旋转算法绘制风玫瑰图

方位角、方向角、初　　在风向角计算中几个角度（

始角、旋转角等）的关系和概念容易混淆，需要在计算中特别注意，确保风向角的正确计算。本文所述在实际计算中可以根据工计算步骤只是一个参考，

作的方便编排顺序。除此之外还有多种方法可确定如在高空探测①中根据实际观测计算得出风向角，

到的东风和北风分量计算方位角，再由东、北风分量关系推导出实际风向角。由于本文风速分量为超声风速仪直接观测得到，因仪器自身坐标与实际风向坐标的差别，需进行前期调整再按高空探测方法进都是在已知行计算。上述两种方法基本原理类似，

方位角的前提下进行风速求解，读者可根据实际情况选择具体计算方法进行应用。参考文献

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／ＡｎｅｍｏｍｅｔｅｒＴｈｅｒｍｏｍｅｔｅｒＳｓｔｅｍＦｏｒＧｅｎｅｒａｌＭｉｃｒｏｍｅｔｅｏｒ　　　　－ｙ］，ｏｌｏｉｃａｌＲｅｓｅａｒｃｈ［Ｊ．ＢｏｕｎｄａｒａｅｒＭｅｔｅｏｒｏｌｏ１９８３，２７　－Ｌ　ｇｙｙｇｙ（）：１２７４２．－

［］４ｃｈｏｔａｎｕｓｉｅｕｗｓｔａｄｔｅＢｒｕｉｎ　Ｓ　Ｐ，Ｎ　Ｆ　Ｔ　Ｍ，Ｄ　Ｈ　Ａ　Ｒ．

Ｔｅｍｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｗｉｔｈａｓｏｎｉｃａｎｅｍｏｍｅｔｅｒａｎｄｉｔｓ　　　　　　　ｐ］ａｌｉｃａｔｉｏｎｔｏｈｅａｔａｎｄｍｏｉｓｔｕｒｅｆｌｕｘｅｓ［Ｊ．Ｂｏｕｎｄａｒａｅｒ　　　　　－Ｌｐｐｙｙ，（）：Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏ１９８３，２６１８１９３．－ｇｙ

３　小结与讨论

三维超声风速仪观测直接获得的数据是在仪器实际应用中需定义坐标系下３个方向的脉动风速，

要对实际的风向角进行推导计算，计算过程具有一定的技巧性。本文介绍了作者利用超声风观测结果计算风向角的推导过程和步骤，并用锡林浩特国家气候观象台相关的统计资料进行了检验，证明本文所述计算方法和过程的正确性。

风向角是湍流数据分析的基本环节，在湍流数据前期质量控制、湍流特征等数据分析中均需要借

］９１１－

。因此需要正确助风向角对数据进行定性说明［

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，，ＣａｍｂｅｌｌＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＩｎｃ２００９．　ｐ

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理解风向角的含义并对真实地理坐标系下的风向进本文推导的计算方法具有其实际用途。行求算，

——常规高空气象探测规范，中国气象局，２００３年１月１日试行。　　①中国气象局气象业务规章制度—

ＭｅｔｈｏｄｆｏｒＣａｌｃｕｌａｔｉｎＷｉｎｄＤｉｒｅｃｔｉｏｎｉｎＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　　　　　ｇ　Ｕｓｉｎ３ＤＳｏｎｉｃＡｎｅｍｏｍｅｔｅｒ　ｇ　

１２１２１

ＪｉａｎＭｉｎＪｉｎＹｕａｎｓｈｕｕｏＪｉａｎｘｉａａｎＹｏｕｈｅｎ　Ｇ　　Ｗｇｇ　ｇｇｇ　　　

，

，Ｎ（１ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｌｉｅｄＭｅｔｅｏｒｏｌｏｏｆＮａｎｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏａｎｉｎ２１００４４；　　　　　　　　ｐｐｇｙｊｇｙｇｙｊｇ　　　　

）２ＭｅｔｅｏｒｏｌｏｉｃａｌＯｂｓｅｒｖａｔｉｏｎＣｅｎｔｅｒｏｆＣＭＡ，Ｂｅｉｉｎ１０００８１　　　　ｇｊｇ　

，Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｈｉｌｅｔｈｅｄａｔａｏｂｔａｉｎｅｄｂｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｏｎｉｃａｎｅｍｏｍｅｔｅｒｓｉｔｉｓｓｋｉｌｌｆｕｌｔｏｒｏｃｅｓｓｉｎ　　　　　　　　　　ｙｐｇ　　ｃａｌｃｕｌａｔｅｔｈｅｗｉｎｄｄｉｒｅｃｔｉｏｎ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｓｔｅｍｏｆａｎｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｎｄ　　　　　　　　　　　　　　ｙ

ｔｈｅｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｓｔｅｍ，ａｍｅｔｈｏｄｆｏｒｃａｌｃｕｌａｔｉｎｗｉｎｄｄｉｒｅｃｔｉｏｎｉｓｄａｔａｃｏｌｌｅｃｔｅｄｅｏｒａｈｉｃｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ　　　　　　　　　　　ｙｇｇｇｐｐ　ｆｒｏｍｔｈｅＸｉｎｌｉｎｈｏｔｆｌｕｘｔｏｗｅｒｉｓｕｓｅｄｔｏｖａｌｉｄａｔｅｔｈｅｍｅｔｈｏｄ．Ｃｏｍａｒｉｎｔｈｅｗｉｎｄｄｉｒｅｃｔｉｏｎｃａｌｃｕｌａｔｅｄｂ　　　　　　　　　　　　　　ｐｇｙ　

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《”气象科技》入选“中国科技论文统计源期刊（中国科技核心期刊）

经过多项学术指标综合评定及《专家评议，气象科技》２０１０年度入选“中国科技论文统计源期刊（中国”，科技核心期刊）进入中国科技类期中国科技核心期刊较高层次行列。“

刊”评定工作由中国科学技术信息研学科范畴主要为自然科究所组织，

学，是目前国内比较公认的科技统计源期刊目录。