CSAT3B超聲風速計與高分辨率多普勒雷達在湍流測量中的對比

文章概要：大氣湍流特征參數的準確獲取，對於(yu) 渦度相關(guan) 測量，風能研究以及大氣數值模型的驗證至關(guan) 重要。超聲風速傳(chuan) 感器在研究湍流特征領域被廣泛應用，然而該類測風儀(yi) 器卻容易受到流場畸變效應的影響（探頭或安裝支架對風場的影響）。不少科研工作者在研究修正該效應對風測量的影響，比如使用不同型號的超聲傳(chuan) 感器進行野外對比，或者在風洞中進行數值模擬試驗，然而這些試驗由於(yu) 缺乏可靠的參考標準或真實的湍流環境，其結論的可靠性一直飽受爭(zheng) 議。PTB多普勒雷達是一款新型的遙感測量設備，其與(yu) 三維超聲風速傳(chuan) 感器具有非常相近的空間和時間采樣特征，而且不會(hui) 受到任何流場畸變效應的影響，因此本文利用多普勒雷達作為(wei) 參考標準來驗證CSAT3B測量結果的可靠性。

實驗設計：田間比對實驗在位於(yu) 德國布倫(lun) 瑞克一個(ge) 新近收獲的玉米田的邊界（52.2943°N, 10.4461°E）上進行的。CSAT3B安裝在拖車頂部的氣動伸縮式桅杆上，安裝高度為(wei) 30.5 m，朝向為(wei) 270°。PTB激光雷達架設在拖車西側(ce) 約9 m的位置。測量時間從(cong) 2018年09月14 日9點持續到2018年9月27日 6點（UTC）。

實驗結果：文章對兩(liang) 個(ge) 設備的平均風速，垂直風速標準差以及摩擦速度的測量結果進行了比對，結果表明：平均風速，垂直風速標準差的對比結果具有非常好的一致性，相關(guan) 係數均大於(yu) 0.99，RMSE分別是0.082和0.017m/s。摩擦速度的相關(guan) 係數為(wei) 0.97，RMSE為(wei) 0.042m/s。

此外，本文還對陰影校正對測量結果的修正進行了分析，結果表明：由Horst提出的H15陰影校正並不能有效地提高測量結果的準確性，因為(wei) 它會(hui) 人為(wei) 地引入三個(ge) 風速分量之間的相關(guan) 性，在高頻區域嚴(yan) 重扭曲了協譜的形狀（下圖灰線為(wei) 使用H15修正後的協譜曲線）。

結語：CSAT3B三維超聲傳(chuan) 感器測量結果的可靠性得到充分驗證，尤其是在垂直風速脈動測量上非常精確，幾乎不受流場畸變效應的影響。CSAT3B能夠非常好地滿足渦度相關(guan) 測量的理論需求，從(cong) 而幫助科研工作人員在通量研究上獲取準確的實驗數據。