《卫星导航定位探空系统 高空风向和风速观测方法》GBT 47960-2026

1GB/T47960-2026卫星导航定位探空系统高空风向和风速观测方法本文件描述了基于卫星导航定位探空系统的高空风向和风速的观测方法，包括观测原理、要求、流程和数据处理。本文件适用于在高空气象观测站利用以风场示踪物(如气象气球、气象降落伞)为载体的卫星导航定位探空系统，对高空水平风向和风速的观测。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T41766气象气球GB/T44110卫星导航定位探空系统地面接收机GB/T44451卫星导航定位探空系统探空仪QX/T120高空风探测报告编码规范QX/T123无线电探空资料质量控制QX/T234气象数据归档格式探空QX/T628常规高空气象观测数据处理方法3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。风场示踪物windtracer运动轨迹能反映高空水平风向和风速的探空载体。上升-平漂-下降高空风观测方法ascent-drift-descentmethodforupper-airwindobservation利用气象气球(上升和平漂阶段携带)和气象降落伞(下降阶段携带)作为风场示踪物，搭载探空仪或单测风仪，通过上升、平漂、下降3个阶段获取高空水平风向和风速垂直廓线数据的观测方法。卫星导航定位探空地面系统groundsystemforsatellitenavigationandpositioningsounding用于在地面接收、处理卫星导航定位探空系统的探空仪无线电信号的设备。采样值samplingvalue以特定采样速率获取的测量值。2气象值meteorologicalinstantaneousvalue某一时刻气象要素的测量值。4观测原理采用上升-平漂-下降高空风观测方法，由风场示踪物携带探空仪或单测风仪根据卫星导航定位的无线电信号，按照附录A规定的计算方法得到风分量，传输至卫星导航定位探空地面系统，按照附录B对高空风向和风速数据进行处理得到符合要求的数据文件。5观测要求5.1观测仪器高空风观测采用的观测仪器应符合表1的规定。表1高空风观测仪器功能和性能要求气象气球在上升阶段的速度应能控制在5m/s~7m的垂直速度应能控制在小于1m/s,平漂时长应能大于1.5h气象降落伞在下降阶段有效探测高度范围内的垂直下降速度应小地面接收机应能接收和处理探空仪或单测风仪和实现数据归档5.2观测技术指标高空风观测应包括风向、风速和风分量3个测量要素，技术指标应符合表2的规定。表2高空风观测技术指标要求风向(D)测量范围0°~360°风速(V)测量范围3表2高空风观测技术指标要求(续)风分量(u/v)测量范围6观测流程6.1观测前准备采用上升-平漂-下降高空风观测方法进行观测前，应完成下列准备工作：——卫星导航定位探空地面系统的检查；——卫星导航定位探空系统探空仪或单测风仪信号的检查、基值测定和定位；——风场示踪物的准备和连接。6.2施放与观测高空气象观测人员应在规定的施放时间和站点施放探空仪或单测风仪，获取施放瞬间的地面风向和风速作为地面层气象要素值，并在观测期间完成监控、综合质量控制、终止及重放球。6.3数据文件生成与归档6.3.1数据文件生成6.3.1.1数据文件内容应包括基本元数据、要素观测值、数据产品、质量控制码。6.3.1.2基本元数据应包括：——高空气象观测站的名称及代码；——放球地点的经度、纬度和海拔高度；——地面接收机的经度、纬度和海拔高度。6.3.1.3要素观测值应包括：——高空气象观测站地面风观测仪器在气象气球施放时刻测量的地面风向和风速；——探空仪或单测风仪测量的采样值(包括观测时间、经纬度、卫星数量、信噪比、仰角等定位信息以及上升速度、海拔高度)和气象值(风分量、风向、风速)。6.3.1.4数据产品按照QX/T628的规定，得到下列数据产品：——量得风层；——规定等压面；——规定高度层；4——最大风层；6.3.1.5质量控制码按照QX/T123的规定，采用下列质量控制码表示数据处理后的数据产品：——0:数据正确；—3:数据为订正值；—-4:数据为修改值；—5:数据为插值处理值；—-7:无观测任务；—9:数据未做质量控制检查。6.3.2数据文件归档对采样值和气象值按照第7章的方法生成数据文件，按照QX/T120完成数据文件编码，按照QX/T234完成数据文件归档。7观测数据处理7.1数据计算和处理按照下列步骤对采用上升-平漂-下降高空风观测方法获取的采样值数据进行计算和处理：a)按照A.1～A.3计算或直接得到风分量；b)根据垂直速度判断所处的阶段(上升、平漂、下降);c)按照B.1～B.3处理上升-平漂-下降段风分量；d)将处理后的风分量按照A.4和A.5计算得到风向和风速；e)按照B.4对风向和风速数据插值。7.2数据质量控制7.2.1综合质量控制实时监控观测数据，通过历史数据资料库和数据的变化趋势等对观测数据进行对比分析，启动综合质量控制，删除明显错误值或终止观测。7.2.2自动质量控制自动质量控制包括对采样值和气象值的质量控制，按照QX/T123和表3的规定进行质量控制。5表3数据质量控制要求采样值应在—180°~180°采样值应在一90°~90°风向采样值应在0°~360°采样值应在0km～50km,其中平流层气象气球作为风场风分量值速度变化连续的前后一秒差值不应超过20m/s²,若连续3s超出限风分量值与滑动窗口平均值的差值不应大于单次观测风分时间一致性检查基于探空仪或单测风仪采样速率(1s)及滑动窗口风场连续性滑动窗口平均值的差值不应大于标准差的规定倍数，若大同一数据持续不应少于30s且不超过合理时间范围的“僵值”应根据卫星数量、信噪比、仰角等定位信息，给出定位可用6(规范性)上升、平漂、下降3个阶段高空风向和风速数据计算方法A.1方法原理采用卫星导航定位计算高空风向和风速数据。将风场示踪物携带的探空仪或单测风仪看作一个点，获取该点在地心坐标下投影位置变化，根据空间位置的经度、纬度及几何高度，计算得到高空风分量及风向和风速数据。A.2地心坐标系建立地心坐标系采用WGS-84坐标系，即原点与地球质心重合，X轴指向0°大地子午线与赤道的交点，Z轴指向协议地球北极，Y轴指向东经90°大地子午线与赤道的交点，组成右手系直角坐标，图A.1地心坐标系高空气象观测站在地球表面的位置(O')在地心坐标系中的位置(X。,Y。,Z。)用公式(A.1)表示。N——地球/椭球的曲率半径，单位为米(m),按照公式(A.2)计算；h——海拔高度，即位置O′到椭球面的距离，单位为米(m);e——地球/椭球的偏心率，e²为0.00669437999013,按照公式(A.3)计算。7a、b——椭球的长半轴和短半轴，单位为米(m),a为6378137m,b为6356753.3142m。A.3风分量计算对于卫星导航定位测量风分量，可采用差分定位和多普勒速度两种方法进行计算，导航定位模组可直接提供根据多普勒原理计算的风分量数据。差分定位计算采用平面坐标定位法，将在高空中的坐标，垂直投影到以地心为原点的(X,Y)平面上。规定X轴指向正北、Y轴指向正东，设相邻时刻t;_1和风场示踪物的经向位移(△x;)按公式(A.4)和公式(A.5)计算：式中：N、N;-1——第t;、t;-1时刻的椭球曲率半径，单位为米(m);H;、H;-1——第t;、t;-1时刻的气球高度，即气球到地球/椭球面的距离，单位为米(m)。经向风分量(v;)按照公式(A.6)计算：纬向位移(△y;)按照公式(A.7)计算：纬向风分量(u;)按照公式(A.8)计算：A.4风向和风速合成根据风分量合成风向(D)、风速(V),其中，风向(D)[单位为度(°)]的计算应根据u(纬向风或东西向风)和v(经向风或南北向风)来判定：——若u>0:风向为D=180°+D。;—若u<0,v≥0:风向为D.=360°+D;——若u<0,v<0:风向为D=D;—若u=0,v>0:风向为D=270°;——若u=0,v<0:风向为D=90°;——若u=0,v=0,风向为D=C(静风)。上述判定中，风向计算中间变量(D。)按照公式(A.9)计算：D.=tan⁻¹(u/v)×180/πD.——风向计算中间变量，单位为度(°)。8V——风速，单位为米每秒(m/s)。A.5风向和风速分解按照公式(A.11)和公式(A.12)将风速、风向分解为风分量。9(规范性)上升、平漂、下降3个阶段高空风向和风速数据处理方法B.1摆动频率和截止频率按照公式(B.1)和公式(B.2)计算探空仪或单测风仪的摆动频率和截止频率。f——摆动频率，单位为赫兹(Hz);g——重力加速度，单位为米每二次方秒(m/s²);L——绳长，单位为米(m);f.——截止频率；k—-—修正系数，可小于1。B.2平滑滤波上升、平漂、下降3个阶段均按照公式(B.3)～公式(B.5)滤除风场示踪物(气象气球或气象降落伞)摆动导致的风分量噪声，得到处理后的风分量，再按照公式(A.9)、公式(A.10)合成最终的风速、风向。式中：u(i)—平滑后纬向风或东西向风观测第i秒数据，单位为米每秒(m/s);N——滑动平均窗口长度，取值根据所用窗函数类型和截止频率(fe)确定；Wk——权值，当ws为1/(2N+1)时，即为滑动平均法，也可采用其他方法如窗函数、数字滤波等确定权值，常用的窗函数如Kaiser窗函数、Gaussian窗函数等；u,——原始纬向风或东西向风观测秒数据，单位为米每秒(m/s);i,i+k——待处理时刻的第i秒和i+k秒；7(i)——平滑后经向风或南北向风观测第i秒数据，单位为米每秒(m/s);v,—原始经向风或南北向风观测秒数据，单位为米每秒(m/s)。B.3下降阶段风分量修正当风场示踪物为气象降落伞，在垂直方向受力不为零的情况下，会在下降阶段做减速运动，按照公式(B.6)、公式(B.7)修正下降阶段的风分量。ue——修正后的下降段纬向风或东西向风观测秒数据，单位为米每秒(m/s);u——经过平滑滤波后的下降段纬向风或东西向风观测秒数据，单位为米每秒(m/s);au——修正后的下降段纬向风或东西向风观测加速度，单位为米每二次方秒(m/s²);aw——修正后的下降段垂直方向观测加速度，单位为米每二次方秒(m/s²);W——经过平滑滤波后的下降段垂直方向观测秒数据，单位为米每秒(m/s);7Ve——修正后的下降段经向风或南北向风观测秒数据，单位为米每秒(m/s);7——经过平滑滤波后的下降段经向风或南北向风观测秒数据，单位为米每秒(m/s);ay——修正后的下降段经向风或南北向风观测加速度，单位为米每二次方秒(m/s²)。B.4插值当风数据出现短时间缺测或需要输出特定高度的风数据时，按照下列步骤进行处理：a)先将插值点上下计算层的风速、风向进行风分量分解，按照公式(A.11)、公式(A.12)计算；b)然后对风分量进行线性插值，按照公式(B.8)、公式(B.9)计算；c)最后将插值后的风分量合成风速、风向，按照公式(A.9)、公式(A.10)计算。式中：ud——时间x的纬向风或东西向风观测秒数据，单位为米每秒(m/s);u;—-x相邻的下计算层的纬向风或东西向风观测秒数据，单位为米每秒(m/s);uj+1—-x相邻的上计算层的纬向风或东西向风观测秒数据，单位为米每秒(m/s);7Vd—