風向風速儀異常現象的表現及處理方法
來源： http://www.jetlicn.com/ 類別：實用技術 更新時間：2013-04-19 閱讀次
【本資訊由中國糧油儀器網提供】 由于風向風速儀投入使用時間還不長，儀器設備也不夠十分穩定，一些特別異常的現象屢有發生。這些特別異常記錄的處理，只能靠質量控制人員依經驗進行分析判斷，采取合理的處理方法，保持資料序列完整及統計結果符合實際。下面筆者以江西省近年來測風儀器出現的特別異常現象及其處理為例進行闡述，以期對從事相關工作的同仁有所借鑒。
1 風向風速儀測風特別異常現象的表現
1.1 測風記錄中從未出現過靜風
江西省贛州市贛縣氣象站(區站號57993)從2004年風向風速儀安裝運行以來，一直沒有出現靜風記錄(即PPC000、PPC001、PPC002)。
1.2 風向記錄缺少
8個方位江西省東鄉縣氣象站(區站號58618)2008-02-08—2008-06-03風向記錄缺少了從南至北西北方向(即S-NNW方位，角度為180°~360°)，石城縣氣象站(區站號58814)2008-08-28—2008-11-08風向記錄也缺少從南至北西北方向，直接造成東鄉站5個月、石城站4個月2min風、10min風、最大風、極大風等多項記錄受影響。
1.3 風速系統性偏小
江西省星子縣氣象站(區站號58514)2008-08-19T2:00—2008-09-10T16:00，自動站1min風速、2min風速、10min風速均在0.5~0.7m/s之間，最大風風速及極大風速均在2.0m/s左右。
1.4 極大風速記錄在一個月中連續19天相同
江西省贛州市氣象局(區站號58900)2007-12-21—30極大風風速均為5.2m/s且出現的時間均在20:00-24:00之間，2008-10有19天極大風為6.3m/s，時間絕大多數出現在晚上。
2 風向風速儀測風特別異常現象的原因分析
2.1 測風記錄中從未出現過靜風的原因分析
通過3條途徑仔細分析，確認了此種情況屬特別異常。一是查閱了全省2005—2007年的月地面數據文件(即A文件)的2min風、10min風以及月分鐘數據文件(即J文件)，發現全省其它臺站均有靜風記錄，就連廬山站(30a整編年平均風速4.5m/s，年平均大風日數100d)也有靜風記錄。二是查閱了該站以前多年以及雙軌、單軌運行期間的人工觀測記錄，發現有靜風記錄。三是2008年歷史罕見的雨雪冰凍天氣期間，該站1月26-27日風速傳感器被凍結，按理凍結期間風速應為0，但風向風速儀分鐘風記錄顯示從27日04:00—09:06均為0.3m/s。
2.2 風向缺少8個方向的原因分析
石城、東鄉兩站的風儀器均為EL15型風傳感器。根據風向傳感器工作原理[2]，EL15-2D風向傳感器由風向標部件、內裝風向碼信號發生器的殼體及信號輸出插座組成，風向標轉軸連接一個由7位格雷碼盤和紅外發光二極管、光敏管組成的風向信號發生器。一組紅外發光二極管和光敏管對正1個格雷碼的碼道，7組紅外發光二極管和光敏管對正7個格雷碼盤的碼道產生代表風向的7位格雷碼，轉換成摸擬電壓輸出。風向角度的大小與輸出電壓的大小成遞增對應關系。經過對故障期間及之前一段時間資料的分析，發現東鄉站2月1-3日有雨雪冰凍天氣，風傳感器有凍結情況;石城站8月27日下午13:00及17:00—18:00有雷陣雨天氣。判斷可能的原因是:東鄉站冰凍天氣后，線路滲水或接頭原因造成輸出電壓偏小，風向角度只能達到0°~175°，故相應的輸出電壓對應為0~1.071V;石城站風感應器遭雷擊或電磁干擾，風向角度只能達到0°~175°。
2.3 風速系統性偏小的原因分析
經對比，發現異常時段之前的8月1—18日的2min和10min日平均風速分別為2.2m/s和2.3m/s;異常時段之后的9月11—30日的2min和10min日平均風速均為3.9m/s。該站30a整編資料中8月和9月平均風速分別為3.3m/s和3.8m/s。因此，異常時段的風速記錄比正常風速偏小2/3以上，而且隨著風速增大，偏差也加大。
根據風速傳感器原理可知，風速傳感器由3個鋁材輕質風杯、內裝隨風杯軸旋轉的截光盤和光電轉換器的殼體及信號插座組成，風杯帶動截光盤旋轉而切割光電轉換器的光路產生電脈沖串。風杯轉速在風速測量范圍內與風速有良好的線性關系，使輸出的脈沖速率與風速成正比。星子站風速脈沖頻率上不去，導致轉換出來相應的風速就偏小。判定異常的原因可能是截光盤旋轉而切割光電轉換器的光路不正常。
2.4 極大風速超長時間相同的原因分析
根據前述風速與脈沖頻率成正比關系來分析，可能是系統性干擾造成，不管極大風速小于或大于6.3m/s，發出的光電脈沖頻率均為相同。
但是，具體的原因還未找到。
3 測風記錄特別異常的處理方法
省級質量控制審核員發現異常現象后，通過業務管理和數據質量控制流程在向省、市氣象局相關管理部門及測站反映情況。對于測風記錄特別異常的處理分兩個層面進行:一是對測風儀器進行故障排查及修理，二是對特別異常記錄進行處理。
3.1 測風記錄從未出現靜風的處理
測站于2008-03更換了風速傳感器。但是此后至今，仍然沒有出現靜風記錄。是否風向風速傳感器均有問題，或者是傳感器與采集器之間的傳輸出現異常?有待設備維護人員進一步檢查確認。
對于異常記錄的處理，暫時在每月的數據文件和年報數據文件(即Y文件)的附加信息作備注:因風傳感器原因本月(年)無靜風。為了保證資料準確性、連續性，比較性，當確認是儀器設備的原因導致風速系統性偏大，那么就應當及時對該站全部的記錄進行均一性訂正。
3.2 風向缺少8個方位的處理
東鄉站于2008-06-03，石城站于2008-11-07分別更換了風向傳感器，故障隨即消除。
根據風向故障記錄處理規定，10min風向與人工站相差較大的用人工EL自記10min風記錄代替。為了給異常記錄的處理找到妥善方法，盡最大可能利用資料，經過對石城站替代風向與自動站原始風向對比分析，發現二者之間存在著以N-S為軸的對應關系，NNW未出現時有95%以上是與NE-NNE相對應，SSW未出現時有98%以上是與SE-SSE相對應;即偏西南風相對應偏東南風，偏西北風相對偏東北風。考慮到還未找到這種對應關系的理論根據，因此除10min風向之外，2min風風向、最大風風向及極大風風向暫維持原記錄，以上記錄均在附加信息備注欄中注明。
3.3 風速系統性偏小的處理
測站于2008-09-10更換了風速傳感器，異常現象消失。此種情況下的記錄沒有代表性，不可用，按常規處理方法應該作缺測處理并在備注欄注明。但考慮到隨著自動站儀器的硬件、軟件的不斷完善，將來找到此問題的原因并對相應的異常記錄作更合理的訂正，供科研、預報服務等領域使用，所以暫維持原記錄并在附加信息備注欄中注明。
3.4 極大風速記錄在1個月中連續19天相同的處理
由于月平均風速與歷年相當，在目前沒找清楚問題原因之前，暫維持原記錄，儀器也暫時不予更換，并在備注注明：本月極大風風速6.3m/s，并連續19天出現相同極值。
4 結論
對風向風速儀測風特別異常記錄，只能依靠數據質量審核員結合儀器設備原理、數據質量控制原則方法和工作經驗，具體情況具體分析處理。對于最小風速不為零的現象，更換風速傳感器，保留測風記錄并備注；對于風向缺少方位的現象，更換風向傳感器，盡管在測風記錄中找到了一些規律，但由于缺少理論依據，繼續保留測風記錄并備注;對于風速嚴重偏小的現象，更換風速傳感器，測風記錄按常規應作缺測處理，但考慮到隨著軟硬件的不斷完善，該記錄可能還有利用價值，所以暫時維持并備注;對于極大風速連續19天相同的現象，由于還沒有找到原因，故暫時不換儀器，記錄也保留，備注欄說明。
1 風向風速儀測風特別異常現象的表現
1.1 測風記錄中從未出現過靜風
江西省贛州市贛縣氣象站(區站號57993)從2004年風向風速儀安裝運行以來，一直沒有出現靜風記錄(即PPC000、PPC001、PPC002)。
1.2 風向記錄缺少
8個方位江西省東鄉縣氣象站(區站號58618)2008-02-08—2008-06-03風向記錄缺少了從南至北西北方向(即S-NNW方位，角度為180°~360°)，石城縣氣象站(區站號58814)2008-08-28—2008-11-08風向記錄也缺少從南至北西北方向，直接造成東鄉站5個月、石城站4個月2min風、10min風、最大風、極大風等多項記錄受影響。
1.3 風速系統性偏小
江西省星子縣氣象站(區站號58514)2008-08-19T2:00—2008-09-10T16:00，自動站1min風速、2min風速、10min風速均在0.5~0.7m/s之間，最大風風速及極大風速均在2.0m/s左右。
1.4 極大風速記錄在一個月中連續19天相同
江西省贛州市氣象局(區站號58900)2007-12-21—30極大風風速均為5.2m/s且出現的時間均在20:00-24:00之間，2008-10有19天極大風為6.3m/s，時間絕大多數出現在晚上。
2 風向風速儀測風特別異常現象的原因分析
2.1 測風記錄中從未出現過靜風的原因分析
通過3條途徑仔細分析，確認了此種情況屬特別異常。一是查閱了全省2005—2007年的月地面數據文件(即A文件)的2min風、10min風以及月分鐘數據文件(即J文件)，發現全省其它臺站均有靜風記錄，就連廬山站(30a整編年平均風速4.5m/s，年平均大風日數100d)也有靜風記錄。二是查閱了該站以前多年以及雙軌、單軌運行期間的人工觀測記錄，發現有靜風記錄。三是2008年歷史罕見的雨雪冰凍天氣期間，該站1月26-27日風速傳感器被凍結，按理凍結期間風速應為0，但風向風速儀分鐘風記錄顯示從27日04:00—09:06均為0.3m/s。
2.2 風向缺少8個方向的原因分析
石城、東鄉兩站的風儀器均為EL15型風傳感器。根據風向傳感器工作原理[2]，EL15-2D風向傳感器由風向標部件、內裝風向碼信號發生器的殼體及信號輸出插座組成，風向標轉軸連接一個由7位格雷碼盤和紅外發光二極管、光敏管組成的風向信號發生器。一組紅外發光二極管和光敏管對正1個格雷碼的碼道，7組紅外發光二極管和光敏管對正7個格雷碼盤的碼道產生代表風向的7位格雷碼，轉換成摸擬電壓輸出。風向角度的大小與輸出電壓的大小成遞增對應關系。經過對故障期間及之前一段時間資料的分析，發現東鄉站2月1-3日有雨雪冰凍天氣，風傳感器有凍結情況;石城站8月27日下午13:00及17:00—18:00有雷陣雨天氣。判斷可能的原因是:東鄉站冰凍天氣后，線路滲水或接頭原因造成輸出電壓偏小，風向角度只能達到0°~175°，故相應的輸出電壓對應為0~1.071V;石城站風感應器遭雷擊或電磁干擾，風向角度只能達到0°~175°。
2.3 風速系統性偏小的原因分析
經對比，發現異常時段之前的8月1—18日的2min和10min日平均風速分別為2.2m/s和2.3m/s;異常時段之后的9月11—30日的2min和10min日平均風速均為3.9m/s。該站30a整編資料中8月和9月平均風速分別為3.3m/s和3.8m/s。因此，異常時段的風速記錄比正常風速偏小2/3以上，而且隨著風速增大，偏差也加大。
根據風速傳感器原理可知，風速傳感器由3個鋁材輕質風杯、內裝隨風杯軸旋轉的截光盤和光電轉換器的殼體及信號插座組成，風杯帶動截光盤旋轉而切割光電轉換器的光路產生電脈沖串。風杯轉速在風速測量范圍內與風速有良好的線性關系，使輸出的脈沖速率與風速成正比。星子站風速脈沖頻率上不去，導致轉換出來相應的風速就偏小。判定異常的原因可能是截光盤旋轉而切割光電轉換器的光路不正常。
2.4 極大風速超長時間相同的原因分析
根據前述風速與脈沖頻率成正比關系來分析，可能是系統性干擾造成，不管極大風速小于或大于6.3m/s，發出的光電脈沖頻率均為相同。
但是，具體的原因還未找到。
3 測風記錄特別異常的處理方法
省級質量控制審核員發現異常現象后，通過業務管理和數據質量控制流程在向省、市氣象局相關管理部門及測站反映情況。對于測風記錄特別異常的處理分兩個層面進行:一是對測風儀器進行故障排查及修理，二是對特別異常記錄進行處理。
3.1 測風記錄從未出現靜風的處理
測站于2008-03更換了風速傳感器。但是此后至今，仍然沒有出現靜風記錄。是否風向風速傳感器均有問題，或者是傳感器與采集器之間的傳輸出現異常?有待設備維護人員進一步檢查確認。
對于異常記錄的處理，暫時在每月的數據文件和年報數據文件(即Y文件)的附加信息作備注:因風傳感器原因本月(年)無靜風。為了保證資料準確性、連續性，比較性，當確認是儀器設備的原因導致風速系統性偏大，那么就應當及時對該站全部的記錄進行均一性訂正。
3.2 風向缺少8個方位的處理
東鄉站于2008-06-03，石城站于2008-11-07分別更換了風向傳感器，故障隨即消除。
根據風向故障記錄處理規定，10min風向與人工站相差較大的用人工EL自記10min風記錄代替。為了給異常記錄的處理找到妥善方法，盡最大可能利用資料，經過對石城站替代風向與自動站原始風向對比分析，發現二者之間存在著以N-S為軸的對應關系，NNW未出現時有95%以上是與NE-NNE相對應，SSW未出現時有98%以上是與SE-SSE相對應;即偏西南風相對應偏東南風，偏西北風相對偏東北風。考慮到還未找到這種對應關系的理論根據，因此除10min風向之外，2min風風向、最大風風向及極大風風向暫維持原記錄，以上記錄均在附加信息備注欄中注明。
3.3 風速系統性偏小的處理
測站于2008-09-10更換了風速傳感器，異常現象消失。此種情況下的記錄沒有代表性，不可用，按常規處理方法應該作缺測處理并在備注欄注明。但考慮到隨著自動站儀器的硬件、軟件的不斷完善，將來找到此問題的原因并對相應的異常記錄作更合理的訂正，供科研、預報服務等領域使用，所以暫維持原記錄并在附加信息備注欄中注明。
3.4 極大風速記錄在1個月中連續19天相同的處理
由于月平均風速與歷年相當，在目前沒找清楚問題原因之前，暫維持原記錄，儀器也暫時不予更換，并在備注注明：本月極大風風速6.3m/s，并連續19天出現相同極值。
4 結論
對風向風速儀測風特別異常記錄，只能依靠數據質量審核員結合儀器設備原理、數據質量控制原則方法和工作經驗，具體情況具體分析處理。對于最小風速不為零的現象，更換風速傳感器，保留測風記錄并備注；對于風向缺少方位的現象，更換風向傳感器，盡管在測風記錄中找到了一些規律，但由于缺少理論依據，繼續保留測風記錄并備注;對于風速嚴重偏小的現象，更換風速傳感器，測風記錄按常規應作缺測處理，但考慮到隨著軟硬件的不斷完善，該記錄可能還有利用價值，所以暫時維持并備注;對于極大風速連續19天相同的現象，由于還沒有找到原因，故暫時不換儀器，記錄也保留，備注欄說明。
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