光達與中央電台之資料驗證比對

壹、驗證方法

位於淡水海邊的中央廣播電台之微波接收鐵塔上，現設有二維超音波風速計 於離地 20、40、60、80、100 公尺的空中。因此藉由使用現有之超音波風速計，

與光達的遙測資料進行風場資訊的比對將是最為簡易、可靠的方法之一。

驗證示意圖如圖 5- 1：光達以 80 度的仰角向天空發射雷射光，透過空氣中 隨風移動的氣膠散射進而獲得大氣中的風速剖面資訊。由於中央廣播電台的鐵塔 每 20 公尺設有一風向風速計，因此透過兩者相近區間的資料比對，即可獲知光 達觀測資料是否有其代表性。

圖 5- 1 光達資料驗證示意圖 資料來源：自行繪圖

貳、參數設定與個案解說

自淡水中央電台可以取得 20、40、60、80、100 公尺處之水平風速、風向，

而光達則取用相對應的三個高度層(29.544、59.088、88.633 公尺)資料進行比對。

本節將選取過去其中兩次驗證的個案進行分析，其中二月的驗證個案受當時 100 公尺的風速計進行檢修，故光達的第三個高度層僅與中央電台的 80 公尺超音波 風向風速計進行比對。本文的兩個案除天氣狀況不同，在光達掃描策略上均採用 相同的參數設定，設定內容請參考表 5- 1。

表 5- 1 中央電台校驗工作 Lidar 參數設定 中心仰角 Center Elvation 90 度

旋轉速度 Wedge Speed 每秒 18 度 觀測解析度 Minimum Range 30 公尺 積分參數 Incoherent Integration Number ^註 4000 註：積分參數為三維風場計算時所採計的原始徑向風資料筆數。

資料來源：自行研究

為了標記每次觀測時的資料品質，光達除了紀錄當下的瞬間徑向風速之外、

亦提供 SNR (Signal Noise Ratio) 作為信賴度之參考。一般設定 SNR 小於 5 的 資料將不建議使用，而根據使用經驗，若 SNR 大於 10 以上，表示資料品質相當 穩定。因此在後續的個案討論中，將會先檢視該次觀測之 SNR 逐時變化情形以 決定可信賴的高度為何。

(一) 個案一：2009 年 2 月 3 日

由於需要中央廣播電台與光達同時觀測之資料，故採計該日上午 11 點 54 分 至下午 1 點 25 分的觀測結果進行驗證工作。當日有微弱鋒面系統通過台灣北部

地區，中午的天氣多雲轉陰。從鄰近的中央氣象局淡水氣象站逐時資料顯示，比 對期間地面盛行風為西北風至北風、地表風速為每秒 3 至 4 公尺(圖 5- 2、圖 5- 3)。

圖 5- 2 中央氣象局淡水氣象站 2009 年 2 月 3 日至 4 日逐時風向 資料來源：中央氣象局

圖 5- 3 中央氣象局淡水氣象站 2009 年 2 月 3 日至 4 日逐時風速 資料來源：中央氣象局

(二) 個案二：2009 年 9 月 3 日

由於年初驗證時缺乏 100 公尺超音波風向風速計的資訊，並且風力較為微 弱，因此在九月上旬再次進行光達與中央電台的資料比對。本個案比對時間為上 午 11 點 24 分至下午 2 點 59 分。受到台灣附近低壓帶的影響，淡水地區當日以 略帶水氣的東風為主，驗證期間不時有零星的降水出現，但持續的時間多不超過 十五分鐘。為了防止雨水造成光達的損壞，在降雨趨於明顯時會將天窗暫時關閉。

參、個案一：2009 年 2 月 3 日

圖 5- 4 為 2009 年 2 月 3 日的 SNR 逐時變化圖，橫軸為觀測時的時間序列、

縱軸為高度、色塊深淺表示資料品質，淺色至白色為可以進行風場計算的資料、

黑色細線則為表示該筆資料品質不佳將予以濾除。從圖中細黑線的比率可以發現 當日除了零星的資料低於建議門檻值，多數時間的光達資料均可用於和中央電台 上的超音波風向風速計進行比對。

圖 5- 4 2009 年 2 月 3 日 驗證期間光達 SNR 逐時變化圖 資料來源：自行研究

(一) 十分鐘平均風速比對

圖 5- 5、圖 5- 6、圖 5- 7 分別為中央電台與光達在比對時間內的各高度層 10 分鐘平均風速逐時變化。標記填滿者為光達各高度層的資料、空心標記者為中央 電台各高度層的二維超音波風向風速計的資料。橫軸為時間軸、縱軸為十分鐘平 均風速值。

超音波風向風速計在 20 與 40 公尺處分別量得每秒 2 至 4 公尺的風速，與中 央氣象局淡水氣象站數值相當一致(圖 5- 3)，同時亦可從相鄰的兩高度層之風速 推論「風力可能會隨高度增加而增強」。倘若依循此推論，光達的測量風速應介 於兩風速計之間，但實際所測量的風速值常高於相近高度層的超音波風速計。在 風速變化趨勢方面，驗證前期光達則是與超音波風速計有不錯的一致性。

圖 5- 5 2009 年 2 月 3 日 十分鐘平均風速比對(I) 資料來源：自行研究

圖 5- 6 為中央電台 60 公尺超音波風速計與光達在 59 公尺高空的 10 分鐘平 均風速之比較，這也是三個不同高度層中，兩種儀器的測量區域最接近的一層。

除測量初期，光達在本層的風速略高於風速計每秒 2 公尺左右。而風速的趨勢變 化則可以發現光達的觀測數值較 60 公尺處的風速計平緩，但大體上有相近的升

降趨勢。

圖 5- 6 2009 年 2 月 3 日 十分鐘平均風速比對(II) 資料來源：自行研究

本個案當時 100 公尺的風速計適逢定期檢修，因此圖 5- 7 僅為鐵塔 80 公尺 處與光達於 89 公尺高空所量測的結果比對。兩者均在 12 點 49 分達到十分鐘平 均風速的峰值，後三十分鐘則緩步減弱。風速則保持每秒 1.5 公尺左右的差異。

圖 5- 7 2009 年 2 月 3 日 十分鐘平均風速比對(III) 資料來源：自行研究

(二) 十分鐘平均風向比對

圖 5- 8、圖 5- 9、圖 5- 10 分別為中央電台與光達在驗證時間內的各高度層 10 分鐘平均風向逐時變化。標記填滿者為光達各高度層的資料、空心標記者為 中央電台各高度層的二維超音波風向風速計的資料。橫軸為時間軸、縱軸為十分 鐘平均風向，定義風向 0 度為正北方、90 度為正東方、-90 度為正西方。

圖 5- 8 為最靠近地表的一層之比對結果：中央電台與光達的十分鐘平均風向 差異有限，其幅度約在 10 度以下。而三者的盛行風趨勢變化均為北風隨時間偏 東風分量略為增加的情況。

圖 5- 8 2009 年 2 月 3 日 十分鐘平均風向比對(I) 資料來源：自行繪製

圖 5- 9 為高度 60 公尺處的十分鐘平均風向比對，光達與超音波風向風速計 在 60 公尺高度層雖然兩者間有 20 度的差異量，但此差值卻不隨時間有太大的變 化，表示光達能夠掌握此高度層的風向變動趨勢。而兩者的差異從何而來則需要 日後更多的數據方能掌握。

圖 5- 9 2009 年 2 月 3 日 十分鐘平均風向比對(II) 資料來源：自行繪製

光達在 89 公尺與中央電台 80 公尺的風速計比對結果顯示於圖 5- 10。此高 度層情況與圖 5- 9 類似，均呈現長時間穩定的趨勢變化。光達與鐵塔上的超音波 風向風速計的高度差異推測為兩者隨時間稍有變化的差異來源。

圖 5- 10 2009 年 2 月 3 日 十分鐘平均風向比對(III) 資料來源：自行繪製

(三) 個案小結

無論是十分鐘平均風速或風向，在本個案中光達與相對應高度層的超音波風 向風速計有著不錯的一致性，而兩者在風速上的差異，推論可能的原因有二：

1. 光達的觀測值均是以一固定大小之體積進行平均而得到，因此在較微弱 的天氣下，可能容易會產生一定程度之誤差

2. 當時超音波風速計尚未保養率定，現今已全面維護鐵塔之風速計。

肆、個案二：2009 年 9 月 3 日

圖 5- 11 為當日逐時之 SNR 變化圖，橫軸為觀測時的時間序列、縱軸為高度、

色塊深淺表示資料品質，淺色至白色為可以進行風場計算的資料、黑色細線則為 該筆資料品質不佳將予以濾除。受到偏東風挾帶之輕微水氣影響，而常有短暫陣 雨發生之機會，當雨勢出現時為確保光達不因此浸水，則會將原先打開之天窗關 閉，故觀測資料品質將有所影響。但以 SNR 等於 5 的門檻來看，多數時間之資 料依舊可以作為驗證之用。

圖 5- 11 2009 年 2 月 3 日 驗證期間光達 SNR 逐時變化圖 資料來源：自行研究

(一) 十分鐘平均風速

圖 5- 12、圖 5- 13、圖 5- 14 分別為中央電台與光達在驗證期間的各高度層 10 分鐘平均風速逐時變化。標記填滿者為光達各高度層的資料、空心標記者為 中央電台各高度層的二維超音波風向風速計的資料。橫軸為時間軸、而縱軸為十 分鐘平均風速值。

從圖 5- 12 可以得知中央電台在接近地面的 20 與 40 公尺所測量的風速為每 秒 6 至 9 公尺不等，光達的逐時風速變化亦與相近高度之兩超音波風速計相似，

分別在 11 點 50 分、12 點 40 分、13 點 20 分、與 14 點整達到相對峰值。與二月 案例不同的是，光達所量得之風速則略小於中央電台上的超音波風向風速計的數 值每秒 1 至 2 公尺。

圖 5- 12 2009 年 9 月 3 日 十分鐘平均風速比對(Ⅰ) 資料來源：自行研究

圖 5- 13 為中央電台 60 公尺超音波風速計與光達於 59 公尺高空的十分鐘平 均風速比較，相較於二月份的比對結果(圖 5- 6)，本個案光達觀測資料較風速計 敏感、數值變動幅度稍大，但兩者仍擁有良好的一致性，誤差值則低於每秒 1 公尺。

圖 5- 13 2009 年 9 月 3 日 十分鐘平均風速比對(Ⅱ) 資料來源：自行研究

九月中央電台 100 公尺之超音波風速計已經完成檢修，因此圖 5- 14 將鐵塔 上 80、100 公尺的風速資料與光達進行比對。中央電台 80 與 100 公尺的風速均 為每秒 7 至 10 公尺，而光達在驗證期間的風速為每秒 8 至 11 公尺之間，可見其 觀測資料與同高度層之風速計相當一致，具有參考使用價值。

圖 5- 14 2009 年 9 月 3 日 十分鐘平均風速比對(Ⅲ) 資料來源：自行研究

(二) 十分鐘平均風向

圖 5- 15、圖 5- 16、圖 5- 17 分別為中央電台與光達在比對時間內的各高度 層 10 分鐘平均風向逐時變化。標記填滿者為光達各高度層的資料、空心標記者 為中央電台各高度層的二維超音波風向風速計的資料。橫軸為時間軸、縱軸為十 分鐘平均風向，定義風向 0 度為正北方、90 度為正東方、-90 度為正西方。

圖 5- 15 為最靠近地表的一層之比對結果：中央電台與光達的十分鐘平均風

圖 5- 15 為最靠近地表的一層之比對結果：中央電台與光達的十分鐘平均風