维也纳机场UHF风廓线仪 – 数据的质量控制及其探空数据的对比外文翻译资料

 2022-11-22 16:14:12

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维也纳机场UHF风廓线仪 - 数据的质量控制及其探空数据的对比

K. Baumann-Stanzer

摘要：在维也纳机场运行的1290兆赫的风廓线仪（Radian Lap-3000）目前是奥地利三种运行风廓线仪之一。尽管质量保证程序是包含在来自风廓线原始数据的数据评估过程中的共识平均值，但风速测量中出现了一些风速虚假峰值以及风矢量在时间或高度上不切实际的变化。对于仅用于解析夏季雷暴和冷峰过境时间演变的5分钟的取样间隔尤其如此。只有几分钟的平均时间是适合风廓线仪观测的下限，这导致28％的数据可用性较低，而约55％的数据（相对于根据参数设置的最大高度范围）可用于10到30分钟的配置文件。

本文研究提出使用检查自动错误检测的后验质量控制方法，并在一年半的数据集上进行测试：当三维风矢量差异超过预定义极限（0.5 ）时，对数据进行标定，这是在大多数研究案例中没、，与风速阈值（日常数据集的中位数的2倍）或风切变（0.2）成功结合的方法。

本文将风廓线仪数据与下一个无线电探空仪站的风廓线进行比较，在维也纳森林的山边，西北20公里的Hohe Warte大约每天发射4次探测数据。结果在两个系统的观测值之间发现风速约为1 m的偏差。边界层内的风廓线之间的差异可以用机场观测到的风系统的局部差异和维也纳森林在东南流动中的放射性阻塞效应来解释。将风廓线数据与每月的无线电探空进行对比分析，同时也是提供了一个工具来监测风廓线仪性能的工具。

1 引言

目前边界层风廓线仪在机场用于非常短距离的预测或临近天气预报，特别是用于风切变的早期预警，并且用于监测边界层的垂直结构。例如，机场附近的逆温层的反演（例如，Belu等人，2001）。另一方面，世界范围内越来越多的风廓线仪网络同全球和区域数值预报模型的同化数据一样具有有吸引力（例如，Bouttier，2001年）。Cress和Werg（2001）提出了一系列实验同化和预报运行系统，其中DWD的全球NWP系统省略了特定仪器的风和温度数据，以估计北美地区的剖面测量对欧洲数值天气预报的好处。事实证明，否认风资料对预测的影响要比不温度观测值的影响大。

在CWINDE（欧洲网络演示的成本风倡议）框架中，欧洲风廓线仪数据与每月的模型数据进行比较是常规的。欧洲风廓线仪的数据在比较中满足某些阈值标准的数据已经包含在英国气象局的英国模式和法国气象局，全球模式ARPEGE和ECMWF模式（Bouttier，2001）的同化周期中。

奥地利风廓线仪网络包括三个边界层风廓线仪，位于维也纳机场（自1997年11月以来）、距机场因斯布鲁克东部约2公里的地方（自1998年10月起）和萨尔茨堡机场（自1999年10月起）。所有三个地区的观察结果都经常偏离英国模式和ARPEGE的模型风。这可能是由于（1）剖面仪观测值中的总数据误差，这些误差在剖面仪数据评估过程中未被成功滤除或者（2）这些具有约80km网格尺寸的模型不能再现由奥地利剖面站附近复杂地形引起的对流层低层风廓线的大尺度特征的小的事实。对于（1），需要在运行的基础上进行风廓线仪观测后的验质量控制，以过滤掉高时间和垂直分辨率下记录的风的不切实际的大变化，并检测剖面仪数据中的粗略差值。

对于后者，风廓线仪的测量，在明显的误差被消除之后，可以与以下一个测站发射的无线电测量结果进行比较。两个不同系统的观测结果的差异表明该地区空间和时间不均匀性的地形区风场。

本文重点介绍维也纳机场风廓线仪的性能，该风廓线仪位于比其他两个系统更不复杂，通常接近运行阙值的地方。在2000年3月至2001年12月的观测期间，用于不同天气状况的剖面仪的参数设置的数据可用性在第二部分。数据质量保证的后处理例程进行了描述和测试在第三部分。在第四部分将风廓线仪数据与在一个无线电探空仪发射的探测结果进行比较。

2.数据可用性

在维也纳机场183 m a.s.l的Radian Lap-3000分析仪频率为1280 MHz（图1）。 这个UHF（超高频）探查仪由324个天线组成，它们将相位信号传送到5个方向，并接收由折射率波动引起的布拉格散射产生的回波。反射率的主要贡献是由于近似值的变化剖面仪信号的一半波长21厘米的大小。折射率波动主要取决于湿度，在行星边界层顶部达到峰值，并在较高水平处迅速下降（如Wyngaard和LeMone，1980）。因此有效数据的百分比随高度而降低。进一步的数据损失是由于地面杂波以及由于鸟类在半波长范围内的障碍而产生的错误回声造成的。在从原始数据评估风力资料的过程中，都会考虑到这两个原因的错误测量。

图1.具有地形高度（等高线）的维也纳地图以及维也纳机场和维也纳无线电探空仪站的风廓线仪站点的位置= Hohe Warte

UHF风廓线仪在维也纳机场

表1.维也纳风廓线仪不同天气类型的参数设置。 标记低模式的附加设置（过渡高度：0.5km - 夏季1km）。ap 1/4平均周期，pl 1/4脉冲长度，s 1/4采样间隔，ld 1/4水平距离，nlmax 1/4最大水平数量，z0 1/4最低水平高度，zt 1/4最高水平，nlobs观察到的1/4 级数（平均），P有效数据的1/4比例与最大可能数相比较

根据预期的天气状况，维也纳风廓线仪的运行设置参数每天由机场预报员交替进行。表1中列出了五种常用参数设置和具有有效数据的平均级数。

平均46小时的平均半小时平均值（高达61级）记录在风速较小且分层稳定的中期。当相对湿度或降水量较低时，观测剖面的垂直范围在夏季稍高于冬季，这限制了仪器的高度覆盖。为了解决冬季反演层的形成和发展，这对于机场雾的临近预报特别重要。所以将时间分辨率降低到15分钟。通过此参数设置，记录有效数据的平均数量为51级。在高风速的日子里选择类似的参数设置，平均时间为10分钟。在这些“风暴”期间，风廓线仪平均提供47个等级的剖面图。夏季有峰面过境或预计雷暴的天数分别以5分钟和45米的显着更高的时间和垂直分辨率解决。在夏季，这个设置平均描绘了40个等级。在冬季，5分钟的风廓线仪测量值平均可用于50个等级。

天气条件以及参数设置的选择对风廓线仪测量的数据质量有重大影响。表1中的最后一行列出了为个别参数设置分离的20个月期间平均有效数据的百分比，并且将使用不同参数设置测量的每个轮廓的数据可用性相对于月在图2a-d。通常，夏季记录的有效数据比冬季记录的数据更多，并且数据可用性随着平均时间间隔的长度而增加。由于短暂的平均时间为5分钟，很少有测量点可用于共识过滤，无效风的值可能会更频繁地出现。因此，只有28％的观测资料（相对于参数设定所规定的最大数值）被“夏季雷暴”和“峰面过境”的风廓线仪的内部数据评估标记为有效计划被选中。用“风暴”计划的10分钟平均时间间隔，平均有效数据量增加到49％。 15分钟间隔的“冬季倒置”计划使有效数据的比例达到可比，约为55％。最后，在稳定的低风速条件下，半小时数据记录中有56％可用。这些平均间隔的可用数据百分比相对较低，这可以通过以下事实来解释：探查器测量的高度覆盖范围通常低于参数设置定义的最大范围（层数）。

图二

3 数据质量控制

尽管使用所描述的一致方法在制造商的软件包中包括数据控制程序，例如，由Strauch等人（1984）发现，风廓线仪数据中出现了风速虚假峰值和风矢量在时间或高度上的非单调变化。虽然采样间隔为15至30分钟的风廓线仪观测一般平稳且相当可靠，但例如在平均5分钟的峰面过境期间观测到的风速可能会导致表面附近出现奇怪的风，极端风速和降水风向。例如在图3a所示的2000年8月3日由风廓线仪观测到的时间序列中可以看到这一点。另一方面，风廓线仪的测量结果可能会受到探测器起飞或降落时飞机起飞或降落的影响，包括水星或迁徙鸟类。在这些情况下，如果干扰现象存在超过一个测量周期，则虚假数据出现在较高水平，并且还可能影响较长采样间隔的测量结果。图4a显示了这种错误的风廓线仪数据的一个例子，可以在2001年2月3日测量的时间序列中看到。

由于这些错误未通过仪器的数据评估程序确定，因此设计了风轮机共识数据的后续质量保证。 在下文中，所提出的方法被描述和示于图1和2中的情况。 该方法包括三个独立的测试：（1）检查最大合理的风速，（2）检查最大合理的垂直风切变，以及（3）检查三维发散是否更大 超过阈值。 数据质量标准应该从所选参数设置中独立定义，以便设计一个全自动控制程序。 以下描述了不同天气条件下的例程及其敏感度。

（1）检查最大似真风速：当风速超过每天时间窗计算风速中位数的两倍时，一个简单的例程拒绝所有数据点（固定的24小时时间窗口在0和24之间 当地时间）和各个级别。 根据样本的统计特征确定的阈值可以确保将误差与真实的风速增加区分开来，从平静的风向强风条件（例如前面的通道）过渡。

（2）检查最大合理的垂直风切变：垂直风切变的物理可信阈值 用于用高度检测风的不切实际的变化。 在这种情况下，所有数据点都被排除在外，导致每10米垂直风切变超过2毫米1到邻近水平。经过一系列不同天气状况数据集的测试运行后，选择此值。此外，阈值旨在过滤掉由误差测量引起的不合理的风切变值，而仅保留导致由不同层之间的风速或方向改变引起的强烈风切变的风数据。

（3）检查三维散度：在下一步中，测试三维风观测质量散度的一致性。 原则上三维风分量的测量应该满足连续性方程

D =

水平梯度和通过两个连续记录（在较低和当前时间步长之间）的时间导数近似，水平风速U在各个水平和时间步长和处归一化。只要在准静态条件下，小波导数是合理的.由于预报风速的时间分辨率降至5分钟，风速变化很小，风速变化不大，因此该程序适用于各种天气条件下的风廓线仪测量。

根据水平和垂直风分量的标准偏差（6m和1m ）估算的三维散度的近似平均误差为0.06至0.4，时间分辨率为5至30分钟，分别为使用0.5作为三维散度的最大阈值，可以成功检测到可疑数据点，而不会使有效数据过分减少。如果不超过该阈值，则连续性方程在风分量波动和仪器精度的限制内完成。

所提出的数据过滤的效果如下所示。这三种方法先后应用于2000年8月3日（图3a）和2001年3月3日（图4a）记录的ProR风速测量的时间序列。

2001年8月3日，在参数更改为“夏季雷暴”之前，测量了30分钟的平均值，直到17 UTC，因为该地区的雷暴可能性较高，并且正在接近锋面系统。通过21UTC附近风向的变化来表示前缘通道。记录前方和前方通道之后，记录风速较高且风向恶化的单一风向量。尽管这些观测可能是由于真正的阵风造成的，但将这些剖面数据与输出或无线电探空仪值进行比较必然会导致较大的差异，因此这些测量结果不能用于未经过滤的情况。模型同化。

如图3b所示，检查最大合理的风速在消除明显不切实际的风速的粗差方面相对成功。垂直风切变的临界值（结果见图3c）可以消除前面通道和单独不同高度之前的最低层的东风。与图3c相比，图3d中的结果显示，由于用密集的时间和垂直数据覆盖率检查数据集的部分中的三维发散，而不去除关于时间演变的基本信息风廓线。

从本案例研究中描述的风廓线仪数据可以看出，在风数据计算过程中已经应用于数据的协同检验对于参数设置非常有效，其平均周期相对较长（30分钟），而以5分钟的短平均周期记录的轮廓仪测量值需要额外的质量检查。这对于应用程序尤其需要，因为当观测密度不如数据的高可靠性重要时，使用剖析器数据作为模型输入。下面的冬季案例给出了一个10分钟平均时间间隔数据集的例子。

2001年3月3日，法国和中欧的一个低级系统在奥地利造成密集的云层覆盖和零星的降雨。整整一天，维也纳的天空阴云密布。在维也纳机场，南风低于地面2000米，在当天的头几个小时观测到东风东流（图4a）。5 UTC以后，风速降低，风向变化较弱的风在高空反转之下观测，风向高空。在11点至15点之间，风速较高的东北风被剖面仪记录在一个2800米到4000米之间的隔离层中。此外，世界时UTC14时30分至18时30分，700至1700米之间可能出现虚假的西南风和东南风。这些明显错误的测量可能是由水力发电机造成的，尽管在机场气象站没有测量到明显的降雨。最大风速阈值不包括这些错位风的值的一部分，特别是剖面下部较强的东南风（图4b）。垂直风切变测试不能在一个剖面内任何杂散风向量覆盖几个层级的地方检测到更多的粗差（图4c）。对于分歧标准来说，情况也是如此。在应用图4d所示的所有三种方法后，数据过滤的结果仍包含上层的一些东北风和两个具有1000m和1600m地面之间东南风强风的剖面，这些不适合其余的记录的数据集。这个例子表明，如果风廓线仪测量值在几个采样周期和高度水平上受到干扰的影响，质量控制程序可能会将观测结果解释为大尺度现象的信号，而不是所有受干扰的数据都被拒绝。基于几个类似测试案例的经验，如图1和图2所示。如图3和图4所示，在大多数情况下，三种所描述的程序的组合被认为是一种有用的后处理方法，以滤除大部分错误的数据。

尽管如此，仔细定期监测剖面仪性能是必要的。一种方法是将常规（每月和每年）的风廓线仪数据与独立数据进行比较，例如，其他轮廓测量或模型结果。对于维也纳风廓线仪，无线电探空仪数据可用于维也纳无线电探空仪站的数据比较。 过滤和未过滤的风廓线仪数据将与下一节中的无线电探空资料进行比较

4 与无线电探空仪剖面比较

对比较的垂直风廓线的下一个可用观测数据是用先导气球和无线电探空仪在Hohe Warte每天发射4次，机场西北20公里。无线电探空仪站位于维也纳北部维也纳森林的山坡上，位于城市西北部，地点每小时203米（图1）。无线电探空仪位置与风廓线仪站点之间的空间分离以及地形和市区造成的风场不均匀性可能导致观测到的风廓线之间的差异。此外，剖面仪的测量值在45至300米厚度的垂直层和5至30分钟的时间间隔上进行平均，

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