风杯风速计测风误差的分析研究与订正方法

　　1引言

　　风速是最基本的气象要素之一，气象学的理论研究和实验应用离不开风速的测量，特别是微气象学的研究与应用，更对风速测量的精度提出了更高的要求。在测风的各种仪器中，风杯风速计无疑是最常用、使用历史最长的一种。它成本较低，使用方便，但也存在着不少问题，如由它本身的动力特性所决定的过高效应，以及仪器支架和安装支架对测量精度的影响等〔’一5〕。这些问题在气候学研究和应用中并不严重，但是在微气象学领域，风速廓线直接影响着地表粗糙度，气层热稳定性，湍流动量输送和剪切压力等的计算。所以有必要清楚地分析误差的来源和大小，以期对测量资料进行修正，使它们更真实地代表研究对象的特性。

　　风杯风速计的感应部分一般由三个或四个半球形或抛物锥形的空心杯壳组成，杯壳固定在互成120。的三叉型支架或互成90“的十字形支架上，杯的凹面顺着一个方向排列，整个横臂架则固定在一根垂直的旋转轴上〔‘〕。在稳定的风力作用下，风杯受到扭力矩的作用而开始旋转，它的转速和风速成一定的关系:

　　式中，“为风速，N一生DA;。_.2‘一D一2，2砂b。，p为空气密度，A为风杯的横截面积，r为杯架的旋转半径，a，n和b。是由风杯本身所决定的常数。当外界风速恒定合力矩为零，即:Bln+B。一ZN别2一Dun，B，n和B。分别是风杯风速计运转时的静摩擦力矩和动摩擦力矩。风杯风速计存在着一个启动风速:、n一漂，且·较大时，·和·的线性关系更为明显。

　　风杯风速计测风误差一直是研究风杯风速计的学者所关注的焦点。MacCready(1966)闭认为:在实际大气中，旋转类风速仪的误差可分为四类:w一error、v一error、u一er-ror、DP一error，即:’

　　式中，U为沿主导风向的实际水平风速值;U，为在风洞标定时，稳定状态下风杯风速仪风速测量值;前面方括号表示湍流特征对风速仪测风的影响，其误差大小随湍流特征和仪器不同而不同;后面方括号表示流过感应探头的风向与总平均风向不一致引起的误差，是风杯风速仪测风原理定的，即:由不同风速定义造成的。

　　在各种误差中，最早为人们所认识的是风杯风速计的“过高效应”，又称为u一error，来源于旋转式风速计本身的非线性:风速增大时比在风速减小时响应更快，造成平均风速测量值偏大。u一error数值大小，历史上曾有过很多争论。最早的u一error定量研究来自Sa-binin的工作，假设风速遵从方波的变化规律，u一error大约是10肠左右。MaeCready在1966年冈把真实的风速视为三个方波的迭加，得到:高度sm处的高质量风杯风速计的u一error只有1%;而高度Zm处的普通风杯风速计的u一error可达10%。采用风杯风速计和超声风速计或热线风速计进行水平比较，是研究风杯风速计测风误差的有效方法之一。Izumi和Barad(1970)得出u一error约为10%L6二。但是这一结论很快受到质疑，Hy-son(1972)[v〕用热线风速计做了类似实验，并代人风杯风速计动态响应方程进行数值解，u一error仅为0.5~3%。对此，Kaganov和Yaglom仁5〕认为:u一error和w一error之和约为8一10%，推断Izumi和Barad的结果包含了较大的w一error。