人工測定與儀器測定風向風速的結果對比
1 儀器差異分析
1．1人工站測量風的儀器
人工站測量風的儀器是采用EL型電接風擼自身向風速計進行風向風速的連續記錄，并通過EN型測風數據處理儀進行風的整理。EL型電接風向風速儀是由感應器、指示器、記錄器組成的有線遙測儀器。感應器由風向和風速兩部分組成：風向部分由風標、風向方位塊、導電環、接觸簧片等組成；風速部分由風杯、交流發電機、蝸輪等組成。風向風速儀在風的作用下，風向測量儀尾翼產生旋轉力矩使風向標轉動，并不斷調整指向桿指示風向。風向標感應的風向必須傳遞到地面的指示儀表上，以觸點式最為簡單，風向標帶動觸點，接通代表風向的燈泡或記錄筆電磁鐵，作出風向的指示或記錄，但它的分辨只能做到一個方位（22．5°）。風速測量儀在風力作用下，風杯繞轉軸旋轉，其轉速正比于風速。轉速可以用電觸點、測速發電機、齒輪或光電計數器等記錄。
EN型測風風數據處理儀，是感應器風杯帶動發電機輸出的交流電壓的頻率，作為主機的風速型號，風向標帶動的接觸器與方位塊組成的開關作為風的信號。
1．2自動站測量風的儀器
自動站測風的儀器是采用單翼風向傳感器和風杯風速傳感器進行風的自動觀測，自動站風向風速傳感器由風向傳感器、風速傳感器及傳感支架三部分組成。風向EL15—12／2A是低起動風速的光電風向傳感器，由格雷碼、電壓、電流三種輸出方式，風向是風向標擺動帶動電位器的滑臂擺動，輸出一組格雷碼編碼的數字電平信號。當風標轉動時，帶動格雷碼盤，按照碼盤切槽的設計，碼盤每轉動2．8°，光電管組就會產生新的七位并行格雷碼輸出，風向用度表示；風速EL15—1／1A是響應快、啟動風速低的光電子風速計，風速傳感器采用三杯式感應器，風杯由碳纖維增強塑料制成，風速是隨著風杯轉動的快慢，在光電作用下，風速傳感器輸出頻率不同的脈沖信號。當風杯轉動時，帶動同軸的多齒截光盤轉動，使下面的光敏三極管有時接收到上面發光二極管發射的光線而導通，有時接收不到上面發光二極管照射來的光線而截止。這樣就能得到與風杯轉速成正比的脈沖信號，該脈沖信號由計數器計數，經換算后就能得出實際風速值。
2 資料對比分析
采用廣西桂林、都安、靈山、防城4個基準氣候觀測站2004－2008年人工站與自動站風的同步自動觀測資料，分別對2分鐘平均風向風速、10分鐘平均風向風速、極大風風向風速作資料的差異對比分析。
2．1風速對比差值
設Ui為第i次人工站觀測值，Ai為第i次自動站觀測值，則第i次的對比差值為：
運用以上公式，分別統計出桂林、都安、靈山、防城站2004－2008年2分鐘平均風速人工站與自動站偏差情況：桂林各月對比差值在－0．48～0．34m·s－1之間，年對比差值在－0．03～0．16m·s－1之間；都安各月對比差值在0．07～0．37m·s－1之間，年對比差值在0．20～0．27m·s－1之間；靈山各月對比差值在0．09～0．41m·s－1之間，年對比差值在0．17～0．3m·s－1之間；防城各月對比差值在0．13～0．52m·s－1之間，年對比差值在0．27～0．31m·s－1之間。用同樣方法統計得：10分鐘平均風速桂林各月對比差值在－0．27～0．2m·s－1之間，年對比差值在－0．03～0．11m·s－1之間；都安各月對比差值在－0．02～0．27m·s－1之間，年對比差值在0．13～0．20m·s－1之間；靈山各月對比差值在0．07～0．35m·s－1之間，年對比差值在0．13～0．28m·s－1之間；防城各月對比差值在0．08～0．43m·s－1之間，年對比差值在0．20～0．25m·s－1之間；極大風風速桂林各月對比差值在－0．24～1．24m·s－1之間，年對比差值在0．43～0．93m·s－1之間；都安各月對比差值在0．05～1．13m·s－1之間，年對比差值在0．19～0．82m·s－1之間；靈山各月對比差值在0．3～1．2m·s－1之間，年對比差值在0．56～1．02m·s－1之間；防城各月對比差值在－0．07～1．22m·s－1之間，年對比差值在0．30～0．98m·s－1之間。
2．2風速一致率
風速一致率是表示自動站與人工觀測相一致的程度，通過以下公式：一致率的范圍，是指某要素對比差值月評估標準的2倍。
運用以上公式，統計得4站共20a2min平均風速、10min平均風速、極大風月、年風速一致率為：2min平均風速月風速一致率在25．63％～45．97％之間，年一致率在34．58％～41．31％之間；10min平均風速月風速一致率在37．97％～85．59％之間，年一致率在55．86％～74．58％之間；極大風風速月一致率在3．23％～56．67％，年一致率在15．15％～46．09％。
2．3風向相符率
風向記錄分析采用風向相符率，風向相符率是指自動站所測風向對應下表中所給范圍時，即認為兩者相符（人工站觀測風速大于等于0．2m·s－1）。運用以上公式，統計得4站共20a風向相符率情況：2分鐘平均風向月風向相符率在52．45％～94．72％之間，年風向相符率在59．28％～95．33％之間；10分鐘平均風向月風向相符率在49．37％～99．56％之間，年風向相符率在78．13％～98．79％之間。極大風月風向相符率在32．26％～100．00％之間，年風向相符率在55．48％～89．13％之間。
2．4風向頻率分析
人工站與和自動站年平均風向頻率有很大差別，由4站共20a資料統計得：自動站靜風出現次數為544次，人工站靜風出現次數為4076次。自動站靜風出現的頻率明顯小于人工站，其原因在于自動站采用低慣性輕金屬的風傳感器，其啟動風速僅為0．3m·s－1，與人工站風感應相比，具有慣性小、啟動快、感應靈敏的特點，這些差異屬于儀器自身原因［3］。
3 資料差異分析評估
3．1資料差異分析
由資料分析結果可知，各月風速對比差值2min平均風速比10min平均風速大，且各月對比差值表現為：防城＞靈山＞都安＞桂林，說明防城靠海風比較大，也就是風大時，人工站的觀測數據比自動站大；10min平均風速各月風速一致率和風向相符率均比2min平均風速的大，說明10min平均風向風速人工站與自動站比較接近；極大風風速一致率比較低，從4站共20a資料統計出各月風速一致率最高為59．26％，最低為3．23％；說明瞬時風人工站與自動站差異很大；10min平均風向各月風向相符率比2min平均風向的大，且大部分達到90以上。可見，10min平均風向人工站與自動站差異不大，說明10min平均風向人工站與自動站比較接近。但極大風風向相符率極不穩定，波動比較大，防城站上下波動值達67．78％。
3．2資料差異評估
根據對比觀測期間監測資料分析評估技術原則，風速對比差值規定標準值為0．2m·s－1；風速一致率規定標準值為80％；風向相符率規定標準值為70％［5］。由4站5a共240個月的資料統計結果，2分鐘平均風速各月對比差值未超標的有100個月，占資料總數的41．67％；風速一致率無1達標；風向相符率達標的有187個月，占資料總數的77．92％；10分鐘風對比差值未超標的有157個月，占資料總數的65．42％；風速一致率達標的僅有6個月，占資料總數的2．5％；；風向相符率達標的有235個月，占資料總數的97．92％；極大風對比差值達標的僅有11個月，占資料總數的4．58％；風速一致率無1達標；風向相符率達標的有109個月，占資料總數的45．42％。4站20a2分鐘風年對比差值未超標的有7a；風速一致率無1達標；風向相符率達標的有16a；10分鐘風對比差值超標的有7a，風速一致率無1達標；風向相符率100％達標。極大風對比差值未超標的僅有1a；風速一致率無1達標；風向相符率達標的有8a。由以上所有的統計數據說明，說明短時風人工站與自動站差異比較大，平均風時間越長風速差異率就減少，風向相符率越大。
4 資料差異原因分析
4．1觀測儀器制作材料不一致
自動站風的采集資料與人工站的采集資料差異的主要原因是：制作材料不同，造成分辨率和準確率差別較大，其次，儀器性能的敏感性不同，也是導致自動站和人工站觀測數據差異的原因之一。
自動站的風杯、風向標與人工站的風杯、風向標不是同一種材料制成，所以測得的風向風速就有一定的差別，由于自動站風杯是用碳纖維增強塑料制成，其材料較輕便，則靈敏性較高。自動站采用低慣性輕金屬的風傳感器，與人工站風感應相比，具有慣性小、啟動快、感應靈敏的特點。其次，風杯不一樣大，自動站的風杯比人工站的風杯小。當風速較小時，自動站風速明顯大于人工站，由于自動站的風杯小，慣性也小，此時自動站的風速比人工站的風速大，當風較大時，由于人工站的風杯大，慣性也大，此時，人工站的風速比自動站的風速大，特別是出現大風時，人工站已達到大風的標準，而自動站卻未達到，像這種情況，常有發生。
4．2觀測方法不一致
自動站與人工站存在的偏差，原因除儀器的系統偏差外，由于儀器的工作原理不同，采樣方式和算法不同，造成了自動站與人工站觀測數據之間的差異。人工站觀測的風向是16個方位，風速2～40m·s－1，起動風速：1．5m·s－1。并通過EN型測風風數據處理儀，每個正點打印輸出2min、10min平均風向風速，每天20時打印輸出日極大風速、最大風速及相應的風向、出現時間，日合計、日平均，并可隨時顯示各種瞬時值和平均值，存儲24h風向風速記錄。每天抄錄到月報表的有：2min、10min平均風向風速和最多風向、最大風速、極大風速。自動站觀測的風向是36個方位，以度（°）為單位，其啟動風速僅為0．3m·s－1。風向、風速采用滑動平均方法風速以1s為步長，求3s的滑動平均值；以1s為步長，求1min和2min滑動平均風速；以1min為步長，求10min滑動平均風速。
每月數據文件有2min或10min滑動平均風向風速的分鐘數據，整理出每小時的2min、10min平均風向風速、最大風向風速、極大風向風速。
5 結語
風是一種自然力，既可以利用，也可能造成災害。在天氣預報中有重要作用，風常作為良好的預報指標而廣泛應用；防災減災需要應用風的資料；風能資源的開發與利用，更必須風資料的支持。本文過對廣西4個國家基準氣候觀測站5a的人工站與自動站風的同步自動觀測資料對比分析，讓大家基本了解測風儀器性能，掌握了人工站與自動站風的觀測資料差異原因及差異程度，在今后使用過程中應對數據進行均一性訂正，使其在風能源開發利用中真正起到指導性的作用。
