CSAT3B超声风速计与高分辨率多普勒雷达在湍流测量中的对比

文章概要：大气湍流特征参数的准确获取，对于涡度相关测量，风能研究以及大气数值模型的验证至关重要。超声风速传感器在研究湍流特征领域被广泛应用，然而该类测风仪器却容易受到流场畸变效应的影响（探头或安装支架对风场的影响）。不少科研工作者在研究修正该效应对风测量的影响，比如使用不同型号的超声传感器进行野外对比，或者在风洞中进行数值模拟试验，然而这些试验由于缺乏可靠的参考标准或真实的湍流环境，其结论的可靠性一直饱受争议。PTB多普勒雷达是一款新型的遥感测量设备，其与三维超声风速传感器具有非常相近的空间和时间采样特征，而且不会受到任何流场畸变效应的影响，因此本文利用多普勒雷达作为参考标准来验证CSAT3B测量结果的可靠性。

实验设计：田间比对实验在位于德国布伦瑞克一个新近收获的玉米田的边界（52.2943°N, 10.4461°E）上进行的。CSAT3B安装在拖车顶部的气动伸缩式桅杆上，安装高度为30.5 m，朝向为270°。PTB激光雷达架设在拖车西侧约9 m的位置。测量时间从2018年09月14 日9点持续到2018年9月27日 6点（UTC）。

实验结果：文章对两个设备的平均风速，垂直风速标准差以及摩擦速度的测量结果进行了比对，结果表明：平均风速，垂直风速标准差的对比结果具有非常好的一致性，相关系数均大于0.99，RMSE分别是0.082和0.017m/s。摩擦速度的相关系数为0.97，RMSE为0.042m/s。

此外，本文还对阴影校正对测量结果的修正进行了分析，结果表明：由Horst提出的H15阴影校正并不能有效地提高测量结果的准确性，因为它会人为地引入三个风速分量之间的相关性，在高频区域严重扭曲了协谱的形状（下图灰线为使用H15修正后的协谱曲线）。

结语：CSAT3B三维超声传感器测量结果的可靠性得到充分验证，尤其是在垂直风速脉动测量上非常精确，几乎不受流场畸变效应的影响。CSAT3B能够非常好地满足涡度相关测量的理论需求，从而帮助科研工作人员在通量研究上获取准确的实验数据。