一起从风向的概念及四种统计风向值的统计方法

【本资讯由中国粮油仪器网提供】 风向风速仪是一种利用特定传感器进行风速和风向测量的仪器，其测量结果直接以数字的形式变现出来风向是指什么，那么风向风速仪中测量的风向是指什么呢？下面我们一起从风向的概念及四种统计风向的概念来一起了解一下。

在大气的近地面层，由于风场结构的湍流性质，使风向风速成为在时间和空间上都随时间变化的量，而大气扩散研究的动力学模式中需要相对稳定或可比性强的数据，在关于核电站反应堆气态途径释放的核素的环境迁移模型研究中，同样首先要保证风向风速等气象要素统计的准确性。在核安全分析和环境影响评价中，必须使用到的是小时气象数据，而小时风向值统计中分不同的计算方法和小时数据划分方法。

目前常用的计算小时风向值的方法有算术平均法、滑动平均法、矢量平均法和频率最高法。现有研究认为，算术平均法对经过0°风向的处理误差较大，计算出的风向偏南风的概率变大；滑动平均法也为算术平均法的范畴，多用于风向风速仪风要素的采集中，同样对过零风向的处理误差较大；矢量平均法结果更符合实际情况；频率最高法一般在人工气象站中采用。而现有的对过零风向的修正方法不多，且计算复杂，不便应用。同时，小时数据划分方法中，中国《地面气象观测规范》中对风向风速仪的风向取为整点前10min的最多风向，同时，核岛主要采用美国核管会(NRC)、国家核安全管理委员会(NNSA)以及国际原子能委员会颁布的法规和导则。考虑中国核环境评价中相关法规和导则与以上委员会所颁布的是一致的，而美国核管会RG1.23中对小时数据统计方法分为：取整个小时内采样数据的平均；取一个15min的平均值；取小时中4个15min值平均的平均。因此，本文提出新的过零风向修正方法，同时对4种风向计算方法进行比较，并用实测资料对不同小时值划分方法进行对比分析，以期研究风向计算各方法的适用性，并对中国导则中小时数据统计方法提出建议。

小时风向值统计包括两方面内容：风向计算方法和小时数据统计方法。针对目前不同的统计方法，下面分别展开具体讨论。风向常用的计算方法有算术平均法、滑动平均法、矢量平均法和频率最高法等。4种算法中，算术平均法和滑动平均法需要修正过零风向，而现有的修正方法判断复杂，因此文中提出新的过零风向修正方法。滑动平均法为按一种特定的方式变形后的算术平均。现有修正方法将风向圆图在平面直角坐标上按旋轮线参变方程连续展开，并对采样角度值总和引入补偿系数。该方法补偿系数的确定计算复杂，难以简便应用。修正方法通过比较风向前后观测值，对经过0°的风向进行处理。其中，风向正或反的旋转时，设顺时针方向为正向，过零时称为正向过零，反之称为反向及反向过零。该方法判断简便，并解决了风向过零时直接平均使得偏南风概率变大的误差。风向值经修正后，每次变化的增量小于180°。这种情况下，在平均区间内表示同一风向就可能出现两个数值，即D和与它相差360°的两个数值，导致统计结果不正确。矢量平均法需要同期的风速资料，能表征风向和风速的密切关系。由于风向在0°—360°变化，因此风向需依据风速分量的不同方向进行判断，规定南北分量气流向北为正值，东西分量气流向东为正值。频率最高法《地面气象观测规范》规定，对人工观测站10min风向数据的选取方法应当采用频率最高法，对风向风速仪的风向平均方法则没有明确说明。因此这里将频率最高法(对风向风速仪数据)也作为一种方法进行分析。小时数据不同划分法为：中国《地面气象观测规范》中数据统计方法为整点前10min数据。RG1.23中各时风向分3种方法统计：取整个小时内采样数据的平均；取一个15min的平均值；取小时中4个15min平均值的平均(说明：文中对该划分法的理解为，对算术和矢量均值而言，按照各自计算方法对小时中的4个15min分别取平均值，然后对计算出的4个平均值再做平均，最终结果作为小时风向值；对频率最高法而言，仍为在小时的60个分钟数据中找频率最高的风向作为小时风向值)。考虑目前许多测风仪器采用的为小时中10min的观测数据，且应用广泛，因此此处划分法中包括小时中6个10min的数据，即6个10min平均值的平均。

文中对过零风向的修正方法简便，修正后的计算结果准确。该修正方法提高了在风向变换期，在小尺度湍流的作用下风向是指什么，风向在短时间内频繁变化情况下的计算准确性。在小时值取整点前10min数据平均的结果时，风向的4种计算方法中，修正算术平均法准确度高于其余3种计算方法，推荐使用。但在小风、静风占比例较高的地方，矢量平均法更为适用，但风速值大小对小时风向统计结果影响有待进一步研究。不同的风向小时值数据统计方法中，对修正算术平均法而言，取整点前或其他时段的10min和15min的数据进行平均的结果无明显差异；取4个15min平均值的平均或6个10min数据平均值的平均作为小时值也无明显差异，但这两者统计方法与取10min和15min的结果的相关性较差；取60min时段的平均值作为小时值则与其余方法差别最大。同时，随着参与统计数据量差别增大，结果差别增大，因此，建议中国尽快颁布相应的标准导则，明确地面风向风速仪小时风向值统计中的小时数据统计方法以及小时风向值计算方法。