激光雷达测风数据可靠性评价技术规范

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中华人民共和国国家标准

GB/TXXXXX—XXXX

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激光雷达测风数据可靠性评价技术规范

Technicalspecificationforreliabilityevaluationofwinddatafromwindlidar

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草案版次选择

（本草案完成时间：2022年）

XXXX-XX-XX发布XXXX-XX-XX实施

GB/TXXXXX—XXXX

前言

本标准针对测风激光雷达（观测高度在10m-400m之间），规定利用测风塔与测风激光雷达进行对比

观测分析、检验激光雷达测风数据质量的方法，以及激光雷达测风数据可靠性判断依据。

本标准由中国气象局组织制定。

本标准起草单位：中国气象科学研究院、广东省气候中心、北京玖天气象科技有限公司、深圳市气

象局、北京敏视达雷达有限公司、北京观详光电技术有限公司、中国三峡新能源（集团）股份有限公司

本标准主要起草人：宋丽莉，陈雯超，全利红，王丙兰，植石群，袁春红，张永山，肖擎曜，王香

云，高瑞泉，舒仕江，孙剑，王尚昆，王瑞明，张继立，薛洋洋。

激光雷达测风数据可靠性评价技术规范

1范围

本标准规定了利用测风塔与测风激光雷达进行对比观测分析、检验激光雷达测风数据质量的要求和

方法，以及激光雷达测风数据可靠性判断依据。

本标准适用于观测高度在10m-400m之间的测风激光雷达。

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/T35221—2017地面气象观测规范总则

GB/T35227—2017地面气象观测规范风向和风速

GB/T18709—2002风电场风能资源测量方法

QX/T449—2018气候可行性论证规范现场观测

NB/T31079-2016风电功率预测系统测风塔数据测量技术要求

3术语和定义

下列术语和定义适用于本文件。

测风激光雷达windlidar

2

GB/TXXXXX—XXXX

测风激光雷达是以激光器为光源向大气发射激光脉冲，接收大气（气溶胶粒子和大气分子）的后向

散射信号，通过分析发射激光的径向多普勒频移来反演风速的，直接得到高分辨率、高精度的实时三维

风场数据的测风设备。具有自动化程度高、安装简单易维护、移动便携性好、三维风场观测、高时空分

辨率等特点。

测风塔windtower

用于对近地面气流运动情况进行观测、记录的塔桅结构物，在塔体不同高度处安装风速计、风向标

以及温度、气压等监测设备，可全天候不间断地观测，观测结果被记录并存储于安装在塔体上的数据记

录仪中。

平均风速averagewindspeed

给定时间内瞬时风速的平均值，给定时间从几秒到数年不等。

阵风gust

通常指“瞬时极大风速”，这里指10分钟内3秒滑动平均的最大风速。

湍流强度turbulenceintensity

简称湍流度或湍强，是描述风速随时间和空间变化的程度，反映脉动风速的相对强度，通常用脉动

速度均方差与平均速度之比来表示，是描述大气湍流运动特性的重要特征量。

风切变指数windshearexppnent

用于描述风速随高度变化的幂函数中的指数

标准差standarddeviation

描述样本中资料与其平均值差异的平均状况的统计量，样本值与其平均值的离差平方和的算术平均

数的平方根，反映样本的离散程度。

4对比试验设置要求

测风塔设置要求

4.1.1参照GB/T35221—2017的地面气象观测场环境要求,用作对比试验的测风塔四周应空旷平坦，

避免设置在陡坡、洼地或邻近有丛林、烟囱、高大建筑物的地方。

4.1.2测风塔高度不低于100m，观测高度设置至少为5层，最低层为测风激光雷达观测最低高度，最

高层为观测塔最高观测高度，中间至少设置3层。

4.1.3测风塔各观测高度建议安装两套杯式测风仪在两侧伸臂。

4.1.4测风塔上的杯式测风仪传感器需要安装在与当地冬、夏季的主导风向垂直的仪器伸臂上，伸臂

长度要符合QX/T449—2018规范要求。

4.1.5所有杯式测风仪传感器需经标准风洞检测合格，并给出检测曲线（或检测数据）。

3

GB/TXXXXX—XXXX

测风激光雷达设置要求

4.2.1测风激光雷达与测风塔的位置距离应在3-12米，测风激光雷达相对于测风塔的方位应尽量与当

地冬、夏季的主导风向垂直。

4.2.2测风激光雷达在安装时应进行垂直对准和向北对准，并应在对比试验期间定期检查调整。

4.2.3测风激光雷达的激光束方向要根据测风塔的位置进行调整，以避免测风塔塔体、测风塔拉线、

测风仪和仪器伸臂的影响。

4.2.4测风激光雷达的测量高度应根据测风塔的观测高度进行设置，应注意若测风激光雷达是放置在

相对测风塔塔基水平位置具有一定高度的平台上，测风激光雷达测量高度的设定应为测风塔的测量高度

减去平台的高度以保证测风激光雷达与测风塔测量的是同一高度的风。

对比观测时长

对比观测时长以能获取包括强风、降雨等在内的具有典型代表性的观测数据为标准，但最短观测期

不少于90天。

对比观测要素和基础数据

4.4.1测风塔各观测高度层风速、风向。

4.4.2测风激光雷达仪器与测风塔同高度层的风速、风向观测资料。

4.4.3附近气象站或测风塔附带的同期降水、气压、气温、相对湿度资料。

数据采集

4.5.1测风塔仪器和测风激光雷达的风况数据采样频率均为1秒，输出每个10分钟平均风速和风向、

1秒相对10分钟风速的标准差、3秒极大风速。

4.5.2测风塔的杯式测风仪和测风激光雷达数据采集时钟需达到同步要求。

5测风激光雷达与测风塔观测结果对比分析方法

分析样本的筛选

5.1.1若测风塔各观测高度的两侧伸臂均设有测风仪，应结合风向，选取不受塔体影响一侧的测风仪

的观测数据作为该时刻的测风塔数据。若测风塔各高度只安装一套测风仪，考虑到测风塔塔体对测风仪

的影响，将测风塔塔体中心相对杯式测风仪的方位角左右两侧30°范围内的来风样本剔除。

5.1.2考虑到测风塔塔体对激光雷达测风的影响，将测风激光雷达测得的测风塔塔体中心相对测风激

光雷达的方位角左右两侧30°范围内的来风样本剔除。

5.1.3对比试验期间若杯式测风仪有结冰现象，应根据测风塔上气温观测资料剔除气温低于0℃时的

测风样本。

5.1.4选取测风激光雷达10min样本的数据有效率≥80%的数据作为有效分析样本。

4

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分析样本分类

根据遥感式测风仪的观测原理和性能以及风能资源评估、工程应用等要求，除了将所有样本筛选后

的全部数据进行对比以外，也需要将对比观测期的观测资料，至少按照有降雨和无降雨、大风和小风进

行分类对比分析。小风样本应包括0-4m/s，大风样本包括6m/s及以上的所有大风数据。

分析样本数量要求

统计分析测风激光雷达和测风塔各层数据有效率，大风和小风样本数、有降雨和无降雨样本数。在

分析样本筛选后用于对比试验的平均风速在1-16m/s的10min样本量应≥1000，其中平均风速在1-4m/s、

4-8m/s和8-12m/s的10min样本量均应≥200。有降雨的10min样本量应≥100。

对比样本的差异分析

5.4.1分析测风激光雷达和测风塔观测值的差异及两种仪器统计值的差异，包括平均风速、平均风向、

阵风风速、标准差、湍流强度、湍流强度切变指数、风切变指数等。

5.4.2采用线性回归定量描述测风激光雷达和测风塔观测值之差异，给出拟合的偏移量和斜率，并用

标准差、拟合度、绝对偏差、相对偏差等描述两种观测数据的差异。

5.4.3给出质量检验结论。结论中包含测风激光雷达与测风塔各高度平均风速、平均风向、阵风风速、

标准差、湍流强度、湍流强度切变指数、风切变指数的相关性描述。

6测风激光雷达数据可靠性判断依据

数据有效率

测风激光雷达140m以下各层数据有效率应达到97%以上；140m以上各层数据有效率随高度增加略

有减小，但最高高度数据有效率应不低于90%。

平均风速

测风激光雷达140m以下各高度层与测风塔相同高度总体样本的平均风速线性回归的拟合度应不低

于0.98；大风、小风、有降雨、无降雨样本线性回归的拟合度均应不低于0.97；平均风速的相对偏差

随风速、雨强的增大而趋于0。

平均风向

测风激光雷达140m以下各高度层与测风塔相同高度总体样本的风向线性回归的拟合度应不低于

0.98；大风、无降雨样本线性回归的拟合度应不低于0.98，小风、有降雨样本线性回归的拟合度应不

低于0.97；平均风向的相对偏差随风速、雨强的增大而趋于0；各类样本风向频率的绝对偏差不超过5°。

阵风风速

测风激光雷达140m以下各高度层阵风风速与测风塔相同高度总体样本的阵风风速线性回归的拟合

度应不低于0.96；大风、小风、有降雨、无降雨样本线性回归的拟合度均应不低于0.90；阵风风速的

相对偏差随风速、雨强的增大而趋于0。

风速标准差

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测风激光雷达140m以下各高度层风速标准差与测风塔相同高度总体样本的风速标准差线性回归的

拟合度应不低于0.85；大风、无降雨样本线性回归的拟合度应不低于0.85，小风、有降雨样本线性回

归的拟合度均应不低于0.8；风速标准差的相对偏差随风速、雨强增大而趋于0。

湍流强度

测风激光雷达140m以下各高度层湍流强度与测风塔相同高度总体样本的湍流强度线性回归的拟合

度应不低于0.7；大风、无降雨样本线性回归的拟合度应略高，不低于0.75，小风、有降雨样本线性回

归的拟合度均应不低于0.6；湍流强度相对偏差随风速、雨强增大而趋于0。

风切变指数与湍流强度切变指数

测风激光雷达测得的平均风廓线与测风塔测得的平均风廓线形态应趋于一致，各类样本的风切变指

数绝对偏差应低于0.03；两种仪器测量的湍流强度垂直廓线形态应趋于一致，各类样本的湍流强度切

变指数绝对偏差应低于0.1。

6

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附录A统计参数计算方法

A.1标准差

标准差是用以衡量数据值偏离算术平均值的程度的物理量。标准差越小，则各离散点偏离平均值就

越少，反之亦然。对于序列[x1,x2,x3,,xn]，其标准差计算公式为：

=()1·································································(1)

2

1𝑛𝑛2

𝑖𝑖=1𝑖𝑖

式中：为序列的标准差，为序列的平均值。σ�𝑛𝑛∑𝑥𝑥−𝑥𝑥̅�

A.2拟合度σ𝑥𝑥̅

拟合度是表征拟合好坏的参数，其表达式为：

()

=····································································(2)

()2

∑𝑦𝑦𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓−𝑦𝑦���𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐����

22

𝑅𝑅∑𝑦𝑦𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙−𝑦𝑦���𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐����

式中：为拟合度参数，为杯式测风仪的实测值，测风激光雷达的实测值。

A.3绝对偏差𝑦𝑦𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑦𝑦𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑦𝑦𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙

绝对偏差是随机变量与标准值之差。根据风向的测量方式，以式(A.4)来计算风向的绝对偏差，顺

时针方向为正偏差，逆时针方向为负偏差：

=360+<180

·····················(3)

=360>180

𝐴𝐴𝑤𝑤𝑤𝑤𝑊𝑊𝑊𝑊𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙−𝑊𝑊𝑊𝑊𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑖𝑖𝑖𝑖𝑊𝑊𝑊𝑊𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙−𝑊𝑊𝑊𝑊𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐−

�

式中：表示风向的绝对偏差，𝐴𝐴𝑤𝑤𝑤𝑤𝑊𝑊𝑊𝑊𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙−𝑊𝑊𝑊𝑊𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐−为测风激光雷达的风向实测值、𝑖𝑖𝑖𝑖𝑊𝑊𝑊𝑊𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙−𝑊𝑊𝑊𝑊𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐为杯式测风仪的

风向实测值。𝐴𝐴𝑤𝑤𝑤𝑤𝑊𝑊𝑊𝑊𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑊𝑊𝑊𝑊𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐

A.4相对偏差

相对偏差可以表征两组变量之间的离散程度，在此用于表征两类仪器的测风数据（或由测风数据计

算的风参数）之偏差的离散度，离散程度小，说明两类仪器观测数据的偏差比较稳定。表达式见

(A.5)-(A.8)式：

平均风速的相对偏差：=×100%·······························································(4)

𝑢𝑢𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙−𝑢𝑢𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐

𝐴𝐴𝑤𝑤𝑤𝑤𝑢𝑢𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐

最大阵风风速的相对偏差：=__×100%·······················································(5)

𝑢𝑢max𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙−_𝑢𝑢max𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐

𝐴𝐴𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑢𝑢max𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐

风速标准差的相对偏差：=×100%·······························································(6)

𝜎𝜎𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙−𝜎𝜎𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐

𝐴𝐴𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝜎𝜎𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐

湍流强度的相对偏差：=×100%·································································(7)

𝐼𝐼𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙−𝐼𝐼𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐

𝐴𝐴𝑡𝑡𝑡𝑡𝐼𝐼𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐

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式中：为10min平均风速，为3s阵风风速最大值,为标准差，为湍流强度。

A.5湍流强度𝑢𝑢𝑢𝑢max𝜎𝜎𝐼𝐼

湍流强度是描述风的阵性的特征参数，其大小与地理位置、地形、地表粗糙度和影响该地区的天气

系统类型等因素有关。其计算公式为：

I=·················································································(8)

𝜎𝜎

𝑢𝑢�

式中：I为湍流强度，为平均风速，在此指10min平均风速，指3s阵风相对10min平均风速

的标准差。𝑢𝑢�σ

A.6风廓线风切变指数

风廓线用以描述风随高度的变化情况，在此指风速随高度的变化形态。工程应用中常以幂指数或对

数率来量化拟合描述风廓线，目前，国内外大部分相关规范推荐幂指数形式，表达式如下：

u=···········································································(9)

𝑧𝑧𝛼𝛼

11

式中：u为高度处的风速，为高度处的风速，𝑢𝑢�𝑧𝑧�为该高度层内的风速廓线指数。该公式通常只

在均匀下垫面的中性大气层结条件下适用性较好。𝑧𝑧𝑢𝑢1𝑧𝑧1𝛼𝛼

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目次

前言..................................................................................2

1范围................................................................................2

2规范性引用文件......................................................................2

3术语和定义..........................................................................2

4对比试验设置要求....................................................................3

5测风激光雷达与测风塔观测结果对比分析方法............................................4

6测风激光雷达数据可靠性判断依据......................................................5

附录A统计参数计算方法................................................................1

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前言

本标准针对测风激光雷达（观测高度在10m-400m之间），规定利用测风塔与测风激光雷达进行对比

观测分析、检验激光雷达测风数据质量的方法，以及激光雷达测风数据可靠性判断依据。

本标准由中国气象局组织制定。

本标准起草单位：中国气象科学研究院、广东省气候中心、北京玖天气象科技有限公司、深圳市气

象局、北京敏视达雷达有限公司、北京观详光电技术有限公司、中国三峡新能源（集团）股份有限公司

本标准主要起草人：宋丽莉，陈雯超，全利红，王丙兰，植石群，袁春红，张永山，肖擎曜，王香

云，高瑞泉，舒仕江，孙剑，王尚昆，王瑞明，张继立，薛洋洋。

激光雷达测风数据可靠性评价技术规范

1范围

本标准规定了利用测风塔与测风激光雷达进行对比观测分析、检验激光雷达测风数据质量的要求和

方法，以及激光雷达测风数据可靠性判断依据。

本标准适用于观测高度在10m-400m之间的测风激光雷达。

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/T35221—2017地面气象观测规范总则

GB/T35227—2017地面气象观测规范风向和风速

GB/T18709—2002风电场风能资源测量方法

QX/T449—2018气候可行性论证规范现场观测

NB/T31079-2016风电功率预测系统测风塔数据测量技术要求

3术语和定义

下列术语和定义适用于本文件。

测风激光雷达windlidar

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测风激光雷达是以激光器为光源向大气发射激光脉冲，接收大气（气溶胶粒子和大气分子）的后向

散射信号，通过分析发射激光的径向多普勒频移来反演风速的，直接得到高分辨率、高精度的实时三维

风场数据的测风设备。具有自动化程度高、安装简单易维护、移动便携性好、三维风场观测、高时空分

辨率等特点。

测风塔windtower

用于对近地面气流运动情况进行观测、记录的塔桅结构物，在塔体不同高度处安装风速计、风向标

以及温度、气压等监测设备，可全天候不间断地观测，观测结果被记录并存储于安装在塔体上的数据记

录仪中。

平均风速averagewindspeed

给定时间内瞬时风速的平均值，给定时间从几秒到数年不等。

阵风gust

通常指“瞬时极大风速”，这里指10分钟内3秒滑动平均的最大风速。

湍流强度turbulenceintensity

简称湍流度或湍强，是描述风速随时间和空间变化的程度，反映脉动风速的相对强度，通常用脉动

速度均方差与平均速度之比来表示，是描述大气湍流运动特性的重要特征量。

风切变指数windshearexppnent

用于描述风速随高度变化的幂函数中的指数

标准差standarddeviation

描述样本中资料与其平均值差异的平均状况的统计量，样本值与其平均值的离差平方和的算术平均

数的平方根，反映样本的离散程度。

4对比试验设置要求

测风塔设置要求

4.1.1参照GB/T35221—2017的地面气象观测场环境要求,用作对比试验的测风塔四周应空旷平坦，

避免设置在陡坡、洼地或邻近有丛林、烟囱、高大建筑物的地方。

4.1.2测风塔高度不低于100m，观测高度设置至少为5层，最低层为测风激光雷达观测最低高度，最

高层为观测塔最高观测高度，中间至少设置3层。

4.1.3测风塔各观测高度建议安装两套杯式测风仪在两侧伸臂。

4.1.4测风塔上的杯式测风仪传感器需要安装在与当地冬、夏季的主导风向垂直的仪器伸臂上，伸臂

长度要符合QX/T449—2018规范要求。

4.1.5所有杯式测风仪传感器需经标准风洞检测合格，并给出检测曲线（或检测数据）。

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测风激光雷达设置要求

4.2.1测风激光雷达与测风塔的位置距离应在3-12米，测风激光雷达相对于测风塔的方位应尽量与当

地冬、夏季的主导风向垂直。

4.2.2测风激光雷达在安装时应进行垂直对准和向北对准，并应在对比试验期间定期检查调整。

4.2.3测风激光雷达的激光束方向要根据测风塔的位置进行调整，以避免测风塔塔体、测风塔拉线、

测风仪和仪器伸臂的影响。

4.2.4测风激光雷达的测量高度应根据测风塔的观测高度进行设置，应注意若测风激光雷达是放置在

相对测风塔塔基水平位置具有一定高度的平台上，测风激光雷达测量高度的设定应为测风塔的测量高度

减去平台的高度以保证测风激光雷达与测风塔测量的是同一高度的风。

对比观测时长

对比观测时长以能获取包括强风、降雨等在内的具有典型代表性的观测数据为标准，但最短观测期

不少于90天。

对比观测要素和基础数据

4.4.1测风塔各观测高度层风速、风向。

4.4.2测风激光雷达仪器与测风塔同高度层的风速、风向观测资料。

4.4.3附近气象站或测风塔附带的同期降水、气压、气温、相对湿度资料。

数据采集

4.5.1测风塔仪器和测风激光雷达的风况数据采样频率均为1秒，输出每个10分钟平均风速和风向、

1秒相对10分钟风速的标准差、3秒极大风速。

4.5.2测风塔的杯式测风仪和测风激光雷达数据采集时钟需达到同步要求。

5测风激光雷达与测风塔观测结果对比分析方法

分析样本的筛选

5.1.1若测风塔各观测高度的两侧伸臂均设有测风仪，应结合风向，选取不受塔体影响一侧的测风仪

的观测数据作为该时刻的测风塔数据。若测风塔各高度只安装一套测风仪，考虑到测风塔塔体对测风仪

的影响，将测风塔塔体中心相对杯式测风仪的方位角左右两侧30°范围内的来风样本剔除。

5.1.2考虑到测风塔塔体对激光雷达测风的影响，将测风激光雷达测得的测风塔塔体中心相对测风激

光雷达的方位角左右两侧30°范围内的来风样本剔除。

5.1.3对比试验期间若杯式测风仪有结冰现象，应根据测风塔上气温观测资料剔除气温低于