基于激光遥感技术的硬靶相干测速试验

随着光纤激光技术的快速发展,全光纤相干多普勒激光雷达已逐步应用于大气风场探测业务中。为了更好地发挥相干多普勒激光雷达的效益,必须使激光雷达保障和使用人员更好地了解其基本原理及结构。基于多普勒效应和激光相干原理,以迈克耳逊干涉仪结构为原型,在实验室中搭建了基于532nm可见激光的空间多普勒测速系统,利用频谱处理技术,准确地测得了漫反射转轮的切向速度,直观地展示了激光相干多普勒测速系统的原理、结构及速度反演方法。此外,在532nm相干测速试验的基础上,搭建了基于1550nm激光的全光纤硬靶相干测速实验系统,开展了大量对比观测试验,在转轮速度分别为2.9m/s和4.8m/s时,试验系统与实测转轮速度之间的系统差分别为-0.01m/s和0.04m/s,标准差分别为0.08m/s和0.1m/s,说明了激光测速系统测量数据的可信性。     

二等皮托管测风误差分析及偏差模拟计算

皮托管是组成风速检定装置的主要计量标准设备,其测量精度对检定质量具有重要影响.从皮托管测风原理出发,详细介绍了影响皮托管测风误差的相关因素,模拟计算了各因素对风速测量产生的影响,分析了影响皮托管测风误差的主要因子.结果表明：温度和阻塞系数是影响二等皮托管测风误差的主要因素.当环境温度偏差为±8℃时,可引起二等皮托管风速测量误差为干0.44 m/s（v=30 m/s）.当阻塞修正系数偏差±0.02时,可引起二等皮托管风速测量误差±o.6 m/s（v=30 m/s）;皮托管系数、大气压力和湿度经修正后对二等皮托管测风精度影响相对较小.     

基于互相关的小型化低功耗超声波风速风向仪设计

超声波风速风向仪具有无转动部件,响应快,精度高的优点,但体积大、功耗高、成本高成为限制超声波风速风向仪广泛使用的主要因素。为了便于超声波风速风向仪的推广和使用,本文采用国产FPGA(Field Programmable Gate Array)并结合FIR(Finite Impulse Respond)滤波器以及互相关检测算法设计了一款超声波风速风向仪,探头之间的距离仅为80 mm,感风面积仅为传统超声波风的1/10,使得省级风洞均可计量检定。整机经过风洞实测,每秒钟可完成50次风速风向测量,在0～5 m/s时风速最大测量误差为±0.3 m/s, 5～20 m/s时风速最大测量误差为±0.5 m/s, 20～30 m/s风速测量最大误差为±5%,稳定风速下风向测量最大误差为±1°以内,总功耗为0.2 W(仅为传统超声波风功耗的1/20)。通过实测数据发现,FPGA结合数字滤波及互相关检测算法相比于传统的DSP(Digital Signal Processor)超声波风速风向仪能明显缩小体积,降低成本功耗。     

利用TMI资料估计西北太平洋热带气旋强度的客观方法

利用2007—2009年热带降雨测量卫星(TRMM)微波成像仪(TMI)观测的亮温资料,建立一种西北太平洋热带气旋强度(Tropical Cyclone,TC)的估计模型,对2010年热带气旋进行独立估计试验,并对估计误差进行分析。结果表明:该模型对强度小于强台风TC的拟合效果较好,均方根误差约为5 m/s,平均绝对误差约为4 m/s;对强台风和超强台风TC的拟合误差较大,均方根误差分别为9.65和6.60 m/s,平均绝对误差分别为7.76和5.49 m/s;对强台风及以上强度的TC,模型的拟合误差在日(夜)间减小(增大),误差最小(大)值为6.00 m/s(11.96 m/s),说明估计值在日(夜)间偏大(小)。     

星载GPS数据及高精度轨道模型在极轨卫星轨道计算中的应用

利用GPS测量的卫星位置数据, 计算出卫星的瞬时位置和速度, 并以此为初值, 用基于数值积分的高精度轨道模型对卫星轨道进行预报。将这种方法分别用于Terra/MODIS和Aqua/MODIS的轨道计算, 并与GPS测量的卫星轨道进行比较。结果表明:由此方法计算出的卫星在某一时刻瞬时速度矢量与GPS测量的卫星速度偏差不超过±0.1 m/s; 再以此为初值计算卫星位置和速度, 与GPS测量值进行比较, 在Terra/MODIS和Aqua/MODIS一条时长约10 min的轨道数据中卫星位置偏差不超过±40 m, 速度偏差不超过±0.2 m/s。因此该方法基本适用于FY-3卫星轨道计算, 且根据数值方法计算结果的连续稳定性, 还可以用于检验GPS测量数据的可靠性。     

城市化对石家庄站近地面风速趋势的影响

利用1972—2012年石家庄城市站和4个乡村站地面风速资料,采用城乡对比方法,对石家庄城市站地面风速序列中的城市化影响进行分析,结果表明,石家庄站年和季节平均地面风速和平均10 min最大风速的长期下降趋势,主要是由城市化因素引起。具体结论如下：(1)石家庄站年和四季平均风速、平均10 min最大风速和大风日数均呈极显著的减少趋势,年平均减少速率分别为-0.15 (m/s)/10a、-1.05 (m/s)/10a和-2.90 d/10a;乡村站年平均风速呈微弱下降趋势,年平均10 min最大风速减少较为明显,年大风日数减少趋势非常显著,减少速率分别为-0.02 (m/s)/10a、-0.21 (m/s)/10a和-2.19 d/10a。(2)石家庄站年平均风速下降趋势中的城市化影响为-0.13 (m/s)/10a,城市化影响非常显著,城市化贡献率达到86.0%。该站春、夏、秋、冬季平均风速变化的城市化影响分别为-0.16 (m/s)/10a、-0.10 (m/s)/10a、-0.13 (m/s)/10a和-0.15 (m/s)/10a,城市化贡献率分别为82.8%、87.6%、88.6%和85.4%。(3)石家庄站年平均10 min最大风速变化趋势中的城市化影响为-0.84 (m/s)/10a,城市化贡献率为79.7%;春、夏、秋、冬季平均10 min最大风速变化趋势中的城市化影响分别为-0.94 (m/s)/10a、-0.80 (m/s)/10a、-0.60 (m/s)/10a和-1.01 (m/s)/10a,城市化贡献率分别达到90.4%、78.6%、64.9%和79.1%。(4)城市化对石家庄站年大风日数减少的影响不显著,但冬季大风日数减少仍明显与城市化过程有关。     

空气动力学阻抗的测量研究

利用涡旋相关方法和蒸发皿方法分别测量了裸地和玉米田的空气动力学阻抗, 分析了空气动力学阻抗的日变化特征, 同时对两种测量方法进行了比较。结果表明:实测空气动力学阻抗的日变化比较明显, 但变化幅度不大 (0~200 s/m)。两种方法得到的空气动力学阻抗具有可比性, 但蒸发皿方法测量的空气动力学阻抗普遍小于涡旋相关方法的测量值。     

利用春季黄渤海沿海大风观测资料评估CFSR风场再分析数据

利用2008—2010年春季(3—5月)黄渤海沿海地区34个站点的地面观测风场资料,对CFSR(Climate Forecast System Reanalysis)10m风场再分析数据进行对比分析和检验评估。结果表明:CFSR对逐时风速的平均误差以及平均绝对误差大都在1~2m/s之间,对6级以上大风的平均误差大都在-1~-3m/s,而A平台、成山头、西连岛站为-3~-4m/s。CFSR对逐日风速的平均误差基本在-2~2m/s之间,成山头站最大为-3m/s,对6级以上大风的平均误差基本在-4m/s以内,但西连岛站为-4.7m/s。CFSR对更接近海上的站点以及6级以上大风的评估更加偏小,此外逐日误差比逐时偏大1m/s左右。由北方气旋造成的7级以上大风站点最多,平均误差大都为-4~-5m/s。成山头站在南方气旋和低槽冷锋天气类型下的平均误差都在-5m/s以上。CFSR对各种天气系统产生的西北以及偏北大风的次数及其风向的评估均较好,对北方气旋和东高西低产生的偏南大风评估也比较准确,但对南方气旋产生的东北以及偏东大风评估略差。     

新型人工引雷专用火箭及其首次引雷实验结果

成功研制了一种新型的人工引雷专用火箭, 火箭箭体结构采用了新型复合材料, 质量轻, 并具有空中抛伞和放线功能。利用新型火箭和全新的雷电流及同步电磁场测量技术, 在2009年的山东人工引雷实验 (SHATLE2009) 中成功引发负极性云对地放电过程3次, 共包括6次大电流回击过程, 采用0.5 mΩ的大功率同轴分流器和宽带光纤传输技术测量到了0.1 μs时间分辨率的雷电流波形、以及距雷电通道30 m、60 m和480 m处的电磁场和6000 f/s的高速摄像观测资料。6次回击的电流峰值分布范围为11.2～16.3 kA, 几何平均值12.8 kA; 半峰值宽度为7.4～34.9 μs, 几何平均值21.6 μs; 10%～90%峰值的上升时间为0.5～1.4 μs, 几何平均值1.0 μs。成功的人工引发雷电实验证明新型引雷火箭安全性能好、可靠性高, 其成功研制为雷电物理过程和效应的研究, 以及雷电流波形资料的积累提供了重要的技术手段, 对制定具有我国自主知识产权的雷电防护标准等具有重要的应用价值。     

移动式激光雷达边界层风廓线系统

研制了一种坚固的移动式激光测距气球跟踪系统来测量边界层的风廓线。这种移动式激光测距系统提供数字输出,并可由一名技术不太熟练的人员操作。需要另一名工作人员施放测风气球。测风间隔为50m,准确度为0.25m/s。在晴空条件下,系统的标称作用距离为3000m。     

长江下游百年一遇的极值风速分布

利用2000-2006年长江下游沿江8个风速、风向观测点与邻近气象站同步对比观测资料和1971—2006年长江下游40个气象站风资料, 依据具99%置信水平的数理重构方案和极值Ⅰ型计算方法, 详细给出长江下游百年一遇风速分布状况。结果表明:长江下游沿江地区百年一遇极值风速为25~38 m/s, 较一般方法上限高3 m/s, 下限低2 m/s; 长江南京—镇江段和南通—崇明段, 是长江下游沿江地区的两个大风区, 百年一遇极值风速不低于29 m/s, 其在入海口附近可达34 m/s以上; 在长江常州—江阴段, 江南、江北对称分布两个风速相对低值区, 百年一遇极值风速为23~24 m/s。该结果充分考虑气象站风速资料和局地风速状况, 是沿江相关工程气象应用的重要补充。     

九宫山风能资源的调查与分析

使用通山县气象局1957～1997年常规气象资料和1976、1984年两次在九宫山上设点所获得的零散实测考察资料,对九宫山风能资源进行了初步分析。结果表明:九宫山区年平均风速7.4m/s,年有效风速(3～25m/s)时数7264h,年平均风能密度439W/m2;年最佳有效风速(6～25m/s)时数5538h,年平均风能密度561W/m2;预计该地区一年可共发电1.066×109kW·h。     

气象用90m/s回流开闭两用强风风洞设计

为解决国内70 m/s以上风速传感器没有检定和校准能力的问题,本文设计一种风速上限为90 m/s的回流强风气象风洞,并利用移动导轨使试验段具备开闭两用功能.风洞整体尺寸为26 m×10 m×4.2 m(长×宽×高);流速范围闭口时达到0.49～90.74 m/s;控制系统采用物理量全数字化设计,满足计量实验的自动化需求...     

南海海面风场变分融合的初步研究

利用二维变分同化(2DVar)方法,把南海海域(110.12~117.92 °E,10.12~17.92 °N)QuikSCAT散射计风场资料融合到区域高分辨率数值模式(华南中尺度天气预报模式GZMM)风场资料中,并利用独立的观测数据(西沙站海面风场观测值)对融合效果进行了检验。得到结论:(1) 风场单点融合试验表明,风场融合设计方案基本合理;(2) 与独立观测数据的偏差分析表明,融合后的风场在经向和纬向的均方根误差分别为2.59 m/s、2.76 m/s,明显好于模式风场(3.63 m/s、2.81 m/s)和散射计风场(2.79 m/s、2.80 m/s),这说明融合的风场优于模式风场和散射计风场;(3) 与独立观测数据的相关性分析表明,融合后的风场在经向和纬向的相关系数分别为0.80和0.81,好于散射计风场(0.74和0.79),而比模式风场(0.91和0.94)的要差。最后讨论了均方根误差与相关系数不一致的可能原因。      

2006—2011年广州人工触发闪电

2006—2011年夏季在广州野外雷电试验基地开展了广东综合闪电观测试验 (GCOELD)。试验期间,针对人工触发闪电进行了近距离声、光、电、磁特征等综合测量,对自动气象站电源线和信号线上产生的感应电压特征进行了观测和分析,并对广东省地闪定位网的探测效率和定位精度与人工触发闪电进行了比对和校验。试验结果表明:人工触发闪电回击峰值电流范围为-31.93~-6.67 kA,回击电流波形的半峰宽度的范围为6.18~74.19 μs,10%—90%的上升时间范围为0.24~2.25 μs。触发闪电的上行正先导的发展速度在104~105 m/s量级;人工触发闪电的回击过程在架空电源线路 (1200 m长,2 m高) 上产生的感应过电压可达十几千伏;广东电网闪电定位系统对人工触发闪电事件的探测效率为95%,平均定位误差为759 m,闪电定位系统反演得到的电流峰值与实际测量的电流峰值平均相对偏差为16.3%。     

南京地面风速概率分布律的城乡差异

根据南京气象站及其周边3个乡村自动气象站2005年逐时风速资料,拟合了风速的概率分布函数,分析表明:南京城、乡地面风速的概率分布均与3参数的韦伯分布吻合度很高,风速概率密度函数(PDF)曲线形状存在明显的城乡差别,城市风速PDF曲线更加陡峻,即风速分布更为集中;在0.75~3.75 m/s,城市风速PDF值明显高于周边乡村,而在3.75 m/s和0.75 m/s范围,城市风速概率密度值则低于乡村;城市下垫面的摩擦效应削弱风速而热力效应起增强风速作用,对风速的城乡差值序列的分析发现:多数时间城市风速是小于乡村风速的,但风速小于1.90 m/s条件下,城市风速会出现大于乡村的现象;总体上摩擦效应的作用远大于热力效应;城市效应使全年平均风速下降0.43 m/s。     

强风天气条件下海气动量交换参数的观测分析

利用近岸海上气象平台对登陆台风“黑格比”近海层风廓线观测资料,计算分析了近海层大气的湍流动量通量交换参数,以期认识高风速情况下的海气动量交换特征.数据分析结果显示,当海面上方 10 m处风速U10≤24 m/s时,摩擦速度(U*)随风速的增大而增大,当U10＞24 m/s时,U*呈饱和趋势.海面粗糙度长度(Z0)、拖曳系数(Cd)在低风速( U10≤6 m/s)随风速的增大而减小,在U10处于6～24 m/s之间时,Z0、Cd随风速的增大而增大,当U10＞24 m/s时,Z0、Cd达到极值后开始减弱.Z0、Cd极值出现在U10为24～28 m/s之间.并对高风速时拖曳系数衰减现象的对应机制进行了讨论.另外,还探讨了台风期间的阵风因子(G(t,T))等参数的演变特征.     

哈密故乡河流域水文特性

介绍了故乡河流域的自然地理概况,从降水、蒸发、洪水、径流等方面论述了该流域的水文特性,分析了各水文要素的变化规律,流域百年一遇洪水239m3/s,50a一遇洪水181m3/s。     

一次人工引发闪电初始电流及其电磁场变化特征

研制了近距离闪电磁场变化测量系统,并在2005年夏季山东滨州的人工引发闪电试验中,获得了闪电电流和距闪电通道60 m处的1μs时间分辨率的电磁场变化同步观测资料。本文详细分析了一次人工引发闪电放电初始阶段的电流及近距离电磁场。本次引发闪电中火箭拖带的导线底端通过一段5 m左右的尼龙线与引流杆相接,这段空气间隙击穿放电所产生的电流为720A,对应的60 m处电场和磁感应强度变化分别为0.38 kV/m和11.26μT。对同步资料的进一步分析表明,人工引发闪电上行正先导电流脉冲时间间隔为18.0~25.0μs,平均峰值电流为23.0A,变化范围为16.9~41.0A;单个先导过程转移电荷量的平均值为84.3μC,变化范围为57.8~141.0μC。60 m处先导电场峰值和磁感应强度峰值的平均值分别为16.7 V/m和0.3μT,变化范围分别为8.7~28.2V/m和0.116~0.544μT。先导电流峰值Ip(A)与其产生的磁感应强度峰值B(μT)之间满足Ip=61.9B 2.56。     

Windcube激光雷达与测风塔测风结果对比

在张家口市张北县国家风光储输试验场,采用Windcube激光雷达测风系统与测风塔测风设备同步观测试验数据,计算了各种统计量,对风速、风向、标准偏差和湍流强度进行了对比分析.结果表明:Windcube测量数据有效率在140 m以下达到97％以上,测量结果基本不受降水影响;Windcube与测风塔测得的风速、风向相关系数均达到了0.99以上,100 m高度风速偏差为-0.197 m/s,相对偏差为-2.3％,平均风向偏差为-6.2°,平均湍流强度偏差0.0093,与其他文献的对比分析结果一致,能够满足风能资源评估的要求.