摘要  新型气象探测技术的应用，其准确性是否到达观测需求需进一步验证。本次实验目的为通过与100米风塔比对测试，验证激光测风雷达、气象探测无人机的准确性。结果表明：激光测风雷达与风塔的风速、风向数据变化基本吻合，气象探测无人机与风塔在100m的风速差值较小，两者都能满足目前风场观测的要求。

引言

        随着对边界层大气风场研究深入，用于探测的技术手段也随之增加。除风塔、系留飞艇外，新一代激光雷达、气象探测无人机等设备被用于气象研究。由于各类型设备工作原理不一样，设备自身结构设计和自带活动部件的影响，也可能对测试结果产生偏移，测试结果可能存在一定差异。因此，在新型设备广泛应用前，需对设备进行比对试验。

        激光测风雷达及气象探测无人机的应用，可实现探测精度高、连续密集采集、垂直升降等功能，可弥补风塔、系留飞艇观测传统观测手段灵活性差。在观测及维护成本上，激光测风雷达及气象探测无人机由于可以重复使用，观测成本更加经济；在数据分析上， 结合GPS和地形绘制水平和垂直数据分布图，可计算出大气的3D状态。

参与此次试验的设备：
        佐格激光测风雷达LWR300/LWR2500工作原理为利用1550nm激光多点扫描技术，采集收发空气中的气溶胶粒子米散射回波信息，分析计算得到高分辨率、高精度的实时三维风场数据。内部集成电子罗盘自动寻北功能，支持Wi-Fi、RS232/485、USB通讯，内置GPS+GPRS模块，实现远程通信和定位。LWR300量程为30-1000m，LWR2500量程为30-3000m。

        佐格气象探测无人机UAV6000为气象探测技术与无人机结合的多要素气象探测设备，其中风场观测采用超小型谐振式超声风速风向传感器，利用超声波时差法来实现风速的测量。可快速测量气象参数，最大飞行高度为500m。

        100米风塔位于浙江丽水湖田山区，海拔高度为871.5m，分层为10m、30m、50m、60m、70m、80m、100m，采用三杯测风仪。

1.试验过程

        在距离风塔10m内部署两台激光测风雷达，连接笔记本电脑后，打开激光测风雷达设备连接观测软件，确保雷达正常运行及数据接收。同样在距离风塔10m内设置无人机，将电脑连接到interweb中接收无人机数据。打开飞控软件，将飞控手机连接到遥控器，和无人机连接正常。设备开启完毕后，将所有设备时间与风塔同步，保证测试数据的一致性。

        测试时间为2018年4月25日，选取12点至16点时间段进行比对试验。测试环境情况如图1所示：晴到多云，微风，温度为26-12℃。测试过程中，激光测风雷达及风塔可自动接收测试数据，气象探测无人机以1m/s的速度上升，并悬停于不同的指定高度（与风塔分层高度一致），悬停时间30秒以上，每隔4s获取一个数据。

图1：测试现场手持气象站观测数据

2.激光测风雷达与100米风塔比对分析

        从图2可以看出，在4月25日15点至15点36分时间段，在风塔100米分层最高点，激光测风雷达LWR300、LWR2500与风塔风速、风向的2分钟平均值变化轨迹基本一致。

图2：激光测风雷达与100米风塔2分钟平均风速比对图（高度100m）

图3：激光测风雷达与100米风塔2分钟平均风向比对图（高度100m）

        从图4对比结果可以发现，在高度40-100m区间内，随机抽取15：15、15：18、15：24、15：25、15：31数据样本，激光测风雷达LWR300、LWR2500以及风塔测试的风速风向基本吻合。

图4：激光测风雷达LWR300、LWR2500与100米风塔风速比对图

图5：激光测风雷达LWR300、LWR2500与100米风塔风向比对图

3.气象探测无人机与100米风塔比对分析

        在本次试验中，无人机飞行高度和风塔高度有所偏差，选择相近高度和时间作为对比。无人机与风塔数据比对可知，瞬时风速最大差值为0.9m/s，2分钟平均风速最大差值为2.3m/s。从图6两个对比图中可以看出，无人机和风塔的测试数据基本一致。

表1：无人机及风塔取样数据

图6：无人机与风塔瞬时风速、2分钟平均风速对比图

4.结论
        通过对本次实验获取数据的比较分析，我们可以得出以下结论： 

（1）激光测风雷达与风塔相比，在相同高度所得数据与风塔存在较小偏差。激光测风雷达可显示48个不同高度的风场数据（LWR间隔20-40m，LWR2500间隔50m），探测量程较大，能够较好地还原区域内风场整体形态的变化。

（2）从比较分析可知，气象探测无人机的探测数据与风塔观测数据相差不大，在误差允许范围之内。气象探测无人机拥有高度灵活性，可实现任意高度的数据获取，能够细致地描绘出风场变化趋势。

        分析数据偏差原因，一是试验设备的时钟不完全一致，存在偏差，可运用GPS授时或GPRS授时同步各个实验设备的时钟信号解决；二是激光测风雷达、气象探测无人机和风塔不完全处在同步位置，两者距离10m，由于风场存在瞬时变化，和不均匀的特性，也会造成一定数据偏差；三是气象探测无人机在高度上未能与风塔保持完全一致。