極地凍雨環(huán)境下螺旋槳式風傳感器改進技術(shù)初探

文強，梁曦，丁明虎，楊志彪，王超然

（1.湖北省十堰市氣象局，湖北十堰442000；2.國家海洋環(huán)境預報中心，北京100081；3.中國氣象科學研究院，北京100081；4.湖北省氣象局，湖北武漢430074；5.湖北省黃石市氣象局，湖北黃石435000）

1 引言

凍雨是過冷水滴與溫度低于0℃的物體碰撞后立即凍結(jié)的降水[1]。當過冷雨滴或毛毛雨落到溫度在冰點以下的地面和物體上時，迅速凍結(jié)形成透明或半透明的冰層，稱為雨凇或霧凇[2]。雨凇和霧凇常常同時發(fā)生或者交替出現(xiàn)，形成嚴重的氣象災(zāi)害[3]。

由于受海洋性氣候影響，中國南極長城站凍雨頻繁發(fā)生，且持續(xù)時間長，其形成的雨凇和霧凇的混合物最大厚度可達10 cm以上，給野外科考工作帶來了嚴重不便，特別是氣象觀測所使用的平行軸螺旋槳式風傳感器經(jīng)常被凍雨凍住，導致長城站的風速風向記錄經(jīng)常出現(xiàn)異常甚至缺測。為了保障數(shù)據(jù)的正常采集，氣象科考隊員需要冒著風雪和凍雨爬上10 m風桿進行除冰，比較危險。針對這一難題，設(shè)計了一個技術(shù)方案，通過在螺旋槳式風傳感器風速軸組件上安裝防凍雨裝置的方法對螺旋槳式風傳感器進行改進，使其對南極凍雨環(huán)境具有更強的適應(yīng)性，并開展了現(xiàn)場試驗。經(jīng)過試驗和數(shù)據(jù)檢驗分析，發(fā)現(xiàn)改造后的平行軸螺旋槳式風傳感器可有效防止凍雨的影響，提升了長城站風速風向觀測的連續(xù)性和數(shù)據(jù)的可信度。

2 長城站凍雨特征

中國南極長城站（62°12′S，58°58′W，海拔高度10.0 m）位于南極半島北側(cè)的喬治王島沿岸，東臨大西洋，西鄰太平洋，北臨德雷克海峽，是我國南極考察的重要基地之一。長城站處于極地西風帶南極輻合帶邊緣，繞極低壓帶（60°～70°S）中，其天氣過程主要受過境的氣旋影響，變化非常劇烈[4]。長城站的冬季以大風雪、低溫天氣為主，夏季以雨雪、大霧天氣為主。年平均氣溫-2.2℃，年平均降水量518.6 mm，年平均風速7.4 m/s，年大風日數(shù)138 d以上[5]。

由于其特殊的氣候條件，長城站凍雨頻繁發(fā)生，特別是冬季，凍雨形成的結(jié)冰最長可持續(xù)數(shù)十天。經(jīng)過統(tǒng)計，自1985年建站到2016年，長城站共記錄凍雨天氣現(xiàn)象1 004 d，且近年來有增加趨勢（見圖1）。其中，在2016年4—11月，共記錄凍雨139 d，持續(xù)最長的一次記錄達到52 d。

由氣旋直接或間接導致的大風天氣，是影響長城站的主要天氣現(xiàn)象之一，且主要集中在3—10月，占全年大風天氣的80%以上[6-9]。從圖2和圖3可以看出，長城站凍雨多發(fā)的時期正好處在風速較大的時段。統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，長城站凍雨出現(xiàn)時的平均風速為6.9 m/s，低于年平均風速0.5 m/s，一旦凍雨將風傳感器凍住，對風速風向資料的影響非常嚴重。因此，防止風傳感器被凍雨凍住就顯得尤為重要。

圖1 長城站歷年凍雨日數(shù)

圖2 1985—2016年長城站月均凍雨日數(shù)（單位：d）和月平均風速（單位：m/s）

圖3 凍雨出現(xiàn)時的風速與月份散點圖

3 凍雨對風傳感器的影響機制

根據(jù)Huffman等[10]的研究，凍雨發(fā)生的機制有兩種，一種是冰相機制，即大氣溫度垂直結(jié)構(gòu)呈上下冷、中間暖的狀態(tài)，自上而下分別為冰晶層、暖層和冷層。固態(tài)冰晶或雪花降落過程中在暖層內(nèi)融化為液態(tài)，當液滴到達冷層時冷卻到0℃以下，保持為過冷卻狀態(tài)，碰到地物或地面即發(fā)生凍結(jié)；另一種是暖雨機制，即大氣垂直結(jié)構(gòu)沒有＞0℃的暖層，整層＜0℃，雨滴以過冷卻水形式降落到地面凍結(jié)；長城站因所處的特殊地理位置，主要受極地氣旋影響，凍雨出現(xiàn)時的平均氣溫為-1.1℃，因此屬于暖雨機制，雨滴直接以過冷卻水形式降落到地面，此種凍雨影響時間較長且穩(wěn)定。

螺旋槳式風傳感器是一種強風計，其頭部利用一個低慣性的四葉螺旋槳做為感應(yīng)元件測量風速，風向標部分制成與飛機機身相似的外形，保持良好的流線形。在風壓的作用下，四葉螺旋槳隨風旋轉(zhuǎn)并帶動風速碼盤進行磁電掃描，通過霍爾磁敏元件感應(yīng)輸出相應(yīng)的電脈沖信號，其頻率隨風速的增大而線性增加，風速計的轉(zhuǎn)速與正前方的氣流速度成正比[11]。因螺旋槳旋轉(zhuǎn)的需要，風傳感器的風速軸組件與機頭之間留有2 mm左右的縫隙。當凍雨出現(xiàn)時，形成凍雨的過冷水滴首先在螺旋槳葉片上形成結(jié)冰并不斷增厚，使螺旋槳轉(zhuǎn)動變慢。長時間穩(wěn)定的過冷水滴在強風作用下不斷進入風傳感器的風速軸組件與機頭之間的縫隙，并迅速凍結(jié)成冰，當縫隙被冰填滿后，風速軸組件即被凍住，螺旋槳無法旋轉(zhuǎn)，由此造成風速記錄異常甚至缺測。被凍雨凍住后的風傳感器如圖4所示。

圖4 風傳感器被凍雨凍住示意圖

4 風傳感器防凍雨改進技術(shù)

為了防止風傳感器的風速軸組件被凍雨凍住，首先嘗試加熱法，在風傳感器周圍加裝紅外線燈對其加熱。在試驗中發(fā)現(xiàn)紅外線燈對風傳感器周圍的風場破壞非常嚴重，不但在嚴重低溫、大風時加熱效果差，而且在0℃左右時，因加熱使得降雪融化，雪水進入風速軸組件與機頭組件之間的縫隙，使風速軸組件經(jīng)常被凍住。因此，此方法不可行。

為了克服加熱法的缺點，根據(jù)螺旋槳式風傳感器的結(jié)構(gòu)特征，對風速軸組件進行改造，在風速軸組件與機頭組件之間的縫隙之上安裝防凍雨保護裝置。如圖5所示，利用風速軸組件部分前小后大的特點，在螺旋槳后部的風速軸組件上安裝喇叭口狀防護罩。防護罩需滿足以下條件：

（1）喇叭口狀防護罩覆蓋縫隙和部分機頭組件，開口朝向風傳感器機身，用于防止過冷水滴進入旋轉(zhuǎn)縫隙；

（2）防護罩開口部分與機頭組件之間相距2～3 mm，用于保證風速軸組件能夠正常旋轉(zhuǎn)且在旋轉(zhuǎn)時盡量減小風阻；

（3）防護罩的開口部分留有兩個朝向槳葉旋轉(zhuǎn)方向的尖刺，用于在機頭組件接口部分若有薄冰形成時利用槳葉的旋轉(zhuǎn)對新冰進行刮除，防止新冰的形成；

（4）防護罩由PET塑料制成，硬質(zhì)透明，可以看到內(nèi)部情況，表面光滑，可以減少阻力，抗蠕變性、耐疲勞性、耐摩擦性、尺寸穩(wěn)定性好。

按此設(shè)計，對長城站自動氣象站使用的螺旋槳式風傳感器進行改造，并開展了現(xiàn)場試驗。圖6a為改造后的風傳感器，圖6b為試驗效果?？梢?，雖然凍雨仍在風傳感器上凍結(jié)了厚冰，但是在防凍雨保護裝置與機頭組件接口部位無結(jié)冰形成，風速軸組件旋轉(zhuǎn)正常，且不影響風傳感器數(shù)據(jù)的正常獲取。

圖5 螺旋槳式風傳感器改造三視圖

5 改進效果分析

為了檢驗風傳感器改進技術(shù)的效果，在長城站進行了對比試驗。長城站自動氣象站使用未改造的風傳感器采集數(shù)據(jù)（下稱“主用風傳感器”），同時將改進后的風傳感器安裝在備用自動氣象站上開展觀測（下稱“備用風傳感器”），兩站同步記錄小時整點數(shù)據(jù)用于對比分析。本次試驗共進行了兩次，分別在凍雨較多的冬季和無凍雨的夏季各挑選一個月進行。2016年8月，開展了主、備用風傳感器有凍雨天氣對比觀測試驗，其風玫瑰圖如圖7所示，風速風向散點圖如圖8所示；2016年12月，開展了主、備用風傳感器無凍雨天氣對比觀測試驗，其風玫瑰圖如圖9所示，風速風向散點圖如圖10所示。

圖6 改造后的螺旋槳式風傳感器

圖7 有凍雨時風玫瑰圖（紅色為風向，藍色為風速）

圖8 有凍雨時風速風向散點圖

圖9 無凍雨時風玫瑰圖（紅色為風向，藍色為風速）

圖10 無凍雨時風速風向散點圖

本次對比試驗所用的主、備用風傳感器安裝位置相距40 m，受安裝位置和環(huán)境影響，風速風向數(shù)據(jù)略有差別。根據(jù)長城站歷年風的特征分析，因受氣壓場影響，長城站風向主要集中出現(xiàn)在N-W和S-E兩個方向區(qū)間，其中最多風向為ESE，次多風向為WNW[6,12]。從風玫瑰圖和散點圖來看，因長城站處在極地西風帶南極輻合帶邊緣，繞極低壓帶中，所以NE方向風速風向出現(xiàn)較少。在有凍雨時，風向頻率基本一致，但備用風傳感器（經(jīng)過改造）所測風速明顯大于主用風傳感器（未經(jīng)改造）；在沒有凍雨時，主、備用風傳感器風速風向數(shù)據(jù)基本一致。

5.1 數(shù)據(jù)可用率

數(shù)據(jù)可用率的計算公式為：

根據(jù)《中華人民共和國氣象行業(yè)標準地面氣象觀測資料質(zhì)量控制（QX/T 118—2010）》[14]和《中華人民共和國氣象行業(yè)標準地面觀測規(guī)范第22部分：觀測記錄質(zhì)量控制（QX/T 66—2007）》[15]中的有關(guān)要求，質(zhì)量檢查主要從資料界限值、時間一致性、內(nèi)部一致性、空間一致性等方面進行檢查。2016年8月的有凍雨試驗中，主用風傳感器記錄風速風向數(shù)據(jù)744個，受凍雨影響，缺測疑誤數(shù)據(jù)67個，數(shù)據(jù)可用率91%；備用風傳感器記錄風速風向數(shù)據(jù)744個，缺測疑誤數(shù)據(jù)0個，數(shù)據(jù)可用率100%。2016年12月的無凍雨試驗中，主、備用風傳感器的數(shù)據(jù)可用率均為100%。備用風傳感器在有凍雨時的數(shù)據(jù)可用率明顯高于主用風傳感器。由于長城站主、備用風傳感器均為當年新?lián)Q儀器，受其他故障影響較小，因此，經(jīng)過改造后的風傳感器的數(shù)據(jù)可用率不再受凍雨影響（見表1）。

5.2 風向相符率

為了檢驗改造后的風傳感器在有凍雨和無凍雨天氣時對風向數(shù)據(jù)的影響，挑取風傳感器未改造時的相似天氣時段進行主、備用風傳感器風向相符率的比較，其中未改造無凍雨天氣挑取夏季2016年1月的風速風向數(shù)據(jù)，未改造有凍雨天氣挑取冬季2016年6月的風速風向數(shù)據(jù)。風向相符率的計算公式為：

表示主、備用風傳感器的風向觀測值相符程度[16]。式中：相符次數(shù)為主用風傳感器與備用風傳感器的風向觀測值相差不大于22.5°的次數(shù)，有效總次數(shù)指主用風傳感器與備用風傳感器的風速均大于0.2 m/s的次數(shù)。統(tǒng)計結(jié)果如表2所示，未改造前主、備用風傳感器的風向相符率在無凍雨和有凍雨時分別為91.8%和94.8%，改造后主、備用風傳感器的風向相符率在無凍雨和有凍雨時分別為91.3%和97.9%，說明改造后的風傳感器對風向觀測值基本沒有影響。

表1 風傳感器數(shù)據(jù)可用率

表2 風傳感器風向相符率

圖11 主、備用風傳感器風速相關(guān)圖

5.3 風速影響分析

用粗差率來表示主、備用風傳感器異常差值的多寡：

當|Xi-|＞3σ時視為粗差，式中：Xi為主用風傳感器風速與備用風傳感器風速之差，為主用風傳感器風速與備用風傳感器風速之差的平均值[17]。經(jīng)過計算，無凍雨時主、備用風傳感器的粗差率為1.7%，有凍雨時主、備用風傳感器的粗差率為4.7%。在用相關(guān)系數(shù)來表示主、備用風傳感器在同一時間對風速同時響應(yīng)的程度時，無凍雨時的相關(guān)系數(shù)為0.989，離散點比較集中（見圖11b），有凍雨時的相關(guān)系數(shù)為0.880，離散點比較分散（見圖11a）。說明在沒有凍雨時，改造前后的風傳感器所測風速基本一致；在凍雨出現(xiàn)時改造前后的風傳感器所測風速差異較大，且改造過的風傳感器所測風速大于未改造的風傳感器。

從主、備用風傳感器風速頻率分布圖[18]中可以看出（見圖12），無凍雨時主、備用風傳感器所測風速頻率分布基本一致；有凍雨時未改造的主用風傳感器在低風速時的頻率高于改造過的備用風傳感器，而在高風速時卻正好相反，說明未改造的主用風傳感器受凍雨影響所測風速偏低，改造后的備用風傳感器所測風速較高。

圖12 主、備用風傳感器風速頻率分布圖

6 小結(jié)

中國南極長城站所在地區(qū)凍雨頻繁，特別是風速風向觀測資料深受其害，且近年來有增加趨勢。利用本技術(shù)對自動氣象站使用的螺旋槳式風傳感器進行改進后，在出現(xiàn)凍雨時，數(shù)據(jù)可用率從91%提高到100%，所測風速更加接近實際值，且對風向觀測值基本沒有影響。不但使得自動氣象站的數(shù)據(jù)完整率得到了很大的提升，還有效解決了長期困擾越冬氣象科考隊員關(guān)于風傳感器防凍雨的難題。

本技術(shù)是一種實用性技術(shù)，沒有從根本上解決凍雨對風傳感器的影響，而且額外增加了風傳感器部件，風傳感器的平衡和流場必然受到影響，螺旋槳因凍雨增重后對啟動風速和風速數(shù)據(jù)監(jiān)測準確性也會產(chǎn)生一定影響，因此，在實際使用過程中，需要對該風速傳感器進行重新校準，以保證其精度。因受南極條件的限制，風傳感器改進比較粗糙，如果在生產(chǎn)工藝上利用此技術(shù)進行改進，效果會更好。