台风“黑格比”过境期间漂浮式激光雷达数据验证分析
台风“黑格比”过境期间漂浮式激光
雷达数据验证分析
文|冷鹏，禹智斌，李肖雅，刘冬，张庆余
我国地处西北太平洋西岸，海岸线漫长，是全球遭受台风灾害最严重的国家之一。由于台风对海上风电场的影响极大，在某些台风频繁发生的地区，设计风电机组基础和叶片等结构的强度时，需考虑台风多发季节的平均风速强度。目前传统通过分析卫星遥感云图进行台风监测的方式，其测风精度因台风稠密云雨对遥感信号造成的衰减而大幅降低。当台风进入近海区域时可以利用多普勒天气雷达对台风风场结构进行分析，但天气雷达资料是基于径向风速识别台风中心的，当台风靠近雷达区域时，利用该方法将低估气旋强度和最大风速，因此，对台风风场进行直接观测仍是当今国际上公认的获取台风结构特征的最佳途径。
近年来，风电行业对于海上漂浮式风电技术的关注度与日俱增，这是因为漂浮式风电机组可以安装在更深的海域，未来更大面积的海上风能资源将被利用，同时这也为海上漂浮式测风系统提供了广阔的应用前景。测风激光雷达是一种小型、全自动、无环境电磁干扰的“风塔替代型”测风设备，可全天候不间断测量设备上方低层风场的风速、风向。将测风激光雷达置于海上漂浮式平台进行风能资源观测的方案，具有投放回收灵活、可重复利用的特点，能够满足远海风
电场测风的需求。纵观全球，目前绝
大多数的漂浮式测风激光雷达装置部
署在欧洲西部大西洋沿岸，少量部署
在美国和亚洲。我国漂浮式测风激光
雷达装备部署较晚，2018年，三峡集
团在福建海域部署了搭载连续波测风
激光雷达ZephIR 300的浮标平台，这
是漂浮式测风激光雷达系统在国内的
首次应用。以往的实验和应用结果表
明，在无台风影响期间，漂浮式测风
激光雷达系统获取的风数据与测风塔
风数据精度相似，能满足海上风电测
风要求。为验证漂浮式测风激光雷达
在台风天气下测风数据的可用性和准
确性，本文以于2020年1月在浙江瑞
安海域投放，离岸28km、水深约12m
的漂浮式激光雷达为研究对象，对
2020年8月初04号台风“黑格比”过
境期间漂浮式激光雷达和附近海上测
风塔多高度层测风数据的相关性进行
了对比分析。
台风概况及测风激光雷达数
怎样腌制糖蒜据分析
在本文研究中，漂浮式测风激光
雷达系统的浮标平台使用的是山东省
科学院海洋仪器仪表研究所的10m浮
标体，浮标体上所搭载的测风激光雷
达型号为Windprint V300，此型号的测
风激光雷达目前在国内海上风电场已
成功部署数十套。除了测风激光雷达，
浮标体上还安装了单点气象和水文传
感器，以及用于仪态矫正的高精度惯
导系统。
台风“黑格比”于2020年8月1
日20时获得命名，随后以逐渐加强的
趋势一路向西北方向移动，8月3日14
时被中央气象台升级为台风级别，并
于8月4日3时30分前后以近巅峰强
度在浙江省乐清市沿海登陆，登陆时中
心附近最大风力为13级（38m/s），随
后其纵穿浙江、江苏两省，于8月5日
6时许由江苏盐城移入黄海海面并再度
增强，8月6日5时，中央气象台停止
对其编号。“黑格比”作为近海生成的
台风（48小时警戒线以内生成），具
有爆发性强、能量集中的特点，从获得
编号到登陆不足3天时间。登陆前7小
时台风生命强度达到峰值，中心最大风
速增至13级，7级风圈半径在300km
以内，登陆后移速减慢，由于台风雨带
结构紧实，强降雨影响时间较长。
根据中央气象台提供的台风路径
资料，8月4日0时，台风“黑格比”
中心正好经过投放在浙江瑞安海域的
漂浮式测风激光雷达附近。如图1所
示，红点为漂浮式测风激光雷达位置，
位于台风中心前进方向的左前方，8月
66风能 Wind Energy
2021年第02期  674日1时30分，台风中心距测风激光
雷达仅10km 左右。根据台风的结构特征，为方便直观统计和分析，本文将台风影响划分为台风前外围、前风圈、台风眼、后风圈和后外围5类，分别
代表台风云系开始影响、台风前部云墙影响、台风眼区、台风后部云墙影响和台风云系即将结束影响5个阶段。从漂浮式测风激光雷达在台风“黑格比”经过期间（2020年8月3日－4日）测量到的风速、风向数据可见，
今年是国庆多少周年2020设备在台风过境期间运行稳定，各个高度层数据获取率正常。如图2所示，8月3日23时30分至8月4日3时，
台风眼墙穿过浮标站，风速在时序上呈现“M ”型的典型变化特征。8月3日
23时50分，由于前风圈过境，海平面10m 高度的10分钟平均风速为26.6m/s （10级），4日1时10分，在台风眼
区经过时，风速下降至6.2m/s （4级），而后在2时30分，后风圈经过，10m
高度10分钟平均风速又达到29.8m/s
的强度（11级）。台风眼区通过漂浮
式测风激光雷达所在位置的持续时间
约为1小时20分钟，期间测风激光雷
达10m 高度传感器测得的10分钟平均风速最低为6.2m/s ，浮标上的自动气象站测得10分钟平均风速为6.3m/s ，
均为4级风。
另外，从图2可见，“黑格比”
过境期间，风速表现为随高度升高而增大，尤其台风眼墙过境期间，风速随高度增加明显，但台风眼
和台风前外围的平均风速随高度增加较缓慢，台风前、后风圈的平均风速随高度增加较迅速。前风圈影响时50m 高度的10分钟平均风速为31.7m/s ，80m 高度为32.5m/s ，100m 和160m 高度分别为33.4m/s 和35.1m/s 。但在眼区中心，
风速在各高度层差别不大，最小风速在7～7.5m/s 附近。后风圈过境时，70m 高度以上的数据由于台风云体遮
图1 漂浮式测风激光雷达安装位置与台风登陆时的天气雷达
图2 漂浮式测风激光雷达与浮标自动气象站10分钟平均风速变化时序
漂浮式测风
激光雷达
“黑格比”移动路径
挡无法通过北斗卫星成功回传，有所缺失。50m高度的最大10分钟平均风速为35.8m/s，为整个过程计算得到的最大10分钟平均风速。
图3为8月3日－4日浮标水文站的10分钟最大波高变化时序。在台风中心经过浮标站期间，浪高随风速变化也呈现双峰值。3日23时30分至
4日0时20分，台风前风圈经过浮标站后引起的第一次波高峰值为5m。波高谷值3m出现在4日2时0分至20分，为风眼最小风速过后1小时左右。4日3时30分至4时20分，为台风后风圈经过浮标站1小时左右，引起的第二次波高峰值为4.7m。
测风激光雷达与测风塔数据比对分析
比对过程中测风激光雷达和测风塔数据均采用海平面50m、80m和
100m高度10分钟平均风速、风向数据，每个高度层共286个比对时刻，比对时间以测风塔时间为准，为北京时间8月3日0时至4日23时40分。去除测风激光雷达数据传输失败时段的无效值后，三个高度层测风激光雷达
数据分别为276、261和249条。从图
4可见，各高度层上激光雷达的风速、
风向数据与测风塔数据吻合度均很高，
包括“M”型风速形态的转变时间、风
眼经过时风向的转变时间。风向的变
化也体现了台风中心环流的变化特征，
在台风过境前后，测风激光雷达的风向
数据表现为由东北风转西北风后再转
西南风，这与过境向西北方向移动的台
风中心风场的变化特点完全一致。
为客观评估测风激光雷达的数
据准确性，计算上述时段漂浮式测风
激光雷达与测风塔设备在50、80和
100m三个高度风速、风向的相关系数、
系统误差和标准偏差三个指标，其定
义分别为：
（1）相关系数
相关系数又叫线性相关系数，用
来度量两个变量间的线性关系。其中，
Cov(X,Y)为X与Y的协方差，D(X)
为X的方差，D(Y)为Y的方差。相关
系数计算公式为：
D X D
Cov X,Y
Y
XY
t=^
^
^h
h
h（1）
（2）系统误差
图3 浮标水文站10分钟波高极值变化时序
系统误差为在重复性条件下，对
同一被测量进行无限多次测量所得结
果的平均值与被测量的真值之差。在
有限次测量时，可用以下公式计算：
x n
x1i n
i
==
r
|（2）
式中，x r为系统误差，x i为雷达
测量值与对应时刻标准设备测量值的
差，n为测量的次数。
（3）标准偏差
标准偏差为总体各单位标准值与
其平均数离差平方算术平均数的平方
根，表征测量结果的分散性，一般用
以下公式计算：
1
n
x x
s1
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i
n
i
=
-
-
=
r
^h
|
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（3）
式中，s为标准偏差，x i为雷达测
量值与对应时刻标准设备测量值的差，
x r为差的平均数。
图5、图6分别为测风激光雷达数
据与测风塔数据在三个高度上的风速和
风向比对结果。三个高度上风速的相关
系数均达到0.997以上，系统误差分别
为0.56m/s、0.51m/s和0.74m/s，标准偏
差为0.31m/s、0.11m/s和0.55m/s；三个
高度上风向的相关系数均达到0.999以
68风能 Wind Energy
2021年第02期69
70风能 Wind Energy 图4 漂浮式测风激光雷达与测风塔50、80和100m三个高度风速和风向比对时序
上，系统误差分别为4.56°、3.21°和6.95°，标准偏差为3.41°、1.57°和6.37°。可见，在此次台风天气
过程中，漂浮式测风激光雷达测量的数据与测风塔数据表现出很高的相关性，风速和风向偏差均较小，证明了在台风天气影响下，漂浮式激光雷达的数据是准确有效的。
风切变特征分析
风能资源评估的主要目的是确定风电场的装机容量、风电机组选型及布置等，而确定风电机组的选型及其安装高度的一个重要依据就是风切变指数。选取激光雷达10分钟平均风速数据，计算台风过境前后各高度风速的指数函数。在近地层，风速随高度变化的规律遵循以下指数函数公式：
u u z z
=
)
a
b l（4）
式中，u为z高度处的风速；α为
风切变指数，反映风速垂直切变的强
弱；z0为粗糙度长度；u*为粗糙度长
度z0处的风速。
由式（4）可以推断出风切变指数
的计算公式为：
log u
u
z
z
a=
)
b l（5）
baby歌词中文由如图7所示的台风影响各阶段
风速高度分布及拟合结果可知，除台
风眼阶段，其他阶段的风速垂直切变
符合指数变化规律。从指数计算结果
可以看出（表1），台风眼附近风切
变指数为负，意味着风眼附近风速随
高度几乎无变化。台风前、后外围的
风切变指数最小，分别为0.0571和
0.0614；其次为台风后风圈，风切变指
数为0.0962；风切变指数最大的为台
风前风圈，为0.104。
结论
本文利用漂浮式测风激光雷达
以及海上测风塔的实时测风数据，对
2004号台风“黑格比”登陆期间海平
面上空多个高度层的风速、风向数据进
行综合比对分析，并计算台风影响期间
低层的风切变指数，得到以下结论：
（1）台风“黑格比”经过漂浮式
激光雷达设备期间，海面上空各高度风
速呈现“Ｍ”型双峰特征，最大风速
出现在台风后风圈，台风眼风速最小。
风速随高度的变化表现为，前、后外围
的风速随高度变化较小，前、后风圈的

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