图像
布伦丹·洛克伦和凯利·亨德森
科尔盖特大学，汉密尔顿，纽约州
2008年5月
科尔盖特大学，汉密尔顿，纽约州
2008年5月
- 引言
作为科尔盖特大学环境研究研讨会“环境问题跨学科调查：替代能源”的一部分，一群地理学、经济学和物理学专业的学生组成了风能小组，其首要目标是调查科尔盖特大学在其土地上或土地外建设风力涡轮机项目的潜力。在风能小组中，我们“数据采集与分析”子小组负责：（1）获取专业级风速计；（2）在测试地点安装风速计；（3）从既定地点采集风速和风向数据；（4）将数据集与第三方同期数据进行建模，以促进进一步分析。 - 风速计规格
在寻找合适的风速计时，我们希望获得一款专业级设备，既能采集方向和速度数据，又具备数据记录功能。
图像
图1：我们的HOBO风速/风向智能传感器。
经过对多种选项的研究，我们决定购买昂赛特计算机公司的HOBO风速/风向智能传感器（图1）。该监测站还可容纳多达四个传感器，这意味着未来有可能购买额外的智能传感器来测量其他气象参数，或额外的相同风速传感器用于多高度风廓线测量。风速计基于每三秒累积的风杯转数计算瞬时风速，并通过计算指定记录间隔内的平均值来记录风速。风向数据通过每三秒累积的矢量风向得出，数据集中给出的值是记录间隔内矢量分量总和的平均值。 - 测试地点详情（纽约州汉密尔顿市邦尼山）
我们选择在伊恩·赫尔方特教授家的屋顶设置风速计作为测试地点，坐标为北纬42°50′130″，西经75°31′004″，海拔1520英尺。这些测量值通过便携式GPS设备获取。我们随设备一起订购了5米（16.4英尺）的焊接钢管作为安装桅杆。桅杆底部通过金属夹具垂直固定在电视天线的长度方向上，而电视天线已牢固连接到赫尔方特家的烟囱上。完整的装置还需要一个接地套件，包括一段连接到桅杆底部的铜线，该铜线沿着房屋侧面延伸，末端连接到一根打入地下的铜棒。此外，还有线路从传感器沿着房屋侧面延伸到数据记录仪，并进入室内，传感器永久连接到室内计算机。我们选择的测试地点非常理想，因为计算机靠近传感器，便于随时检查和获取数据。
图像
图2：我们的风速计设置。在这张图片中可以看到我们在数据分析中考虑到的遮挡树木。 - 记录程序信息
我们最初以5秒为间隔进行记录，在数据中断后切换为10秒间隔。数据通过昂赛特HOBOware软件进行处理，该软件用于数据记录仪管理、数据绘图和数据分析。HOBOware软件以图形和表格形式呈现数据，记录每个记录间隔的阵风速度、风速和风向。数据可以在该程序中进行处理，以显示指定间隔内的平均值和最大值，也可以导出到Excel文档中进行分析和错误修正，这些操作超出了该软件的能力（或者至少超出了我们对该软件能力的理解）。我们一个月的数据记录产生了约450,000个数据点，这些数据被导出到11个Excel文档中。
由于学期课程时间有限，需要在规定时间内完成数据分析，我们试图探索能否将不到一年的风速计数据与第三方数据源进行可靠比较，以推断风速计所在地点的年平均风速。为此，我们必须寻找一个尽可能靠近纽约州汉密尔顿市的可靠数据源，该数据源至少有过去一年的每日平均风速记录。理想情况下，该地点还应与我们的风速计所在地点具有相似的地形特征。 - 数据与分析
风速计数据采集完成后，我们对数据进行整理，观察风速并与已知的第三方数据集进行比较。由于选择的时间间隔较短（第一次记录为每5秒一个数据点，第二次记录为每10秒一个数据点），我们获得了极其庞大的数据集。为了将数据简化到可管理的数量，我们将间隔平均为5分钟增量。然后计算日平均值（以便与第三方数据中的间隔进行比较）和总平均值。风速计的总平均值为4.491867079英里/小时。
接下来，我们考虑了来自科尔盖特大学供暖厂风速计和Weather Underground赞助的汉密尔顿气象站的第三方数据。供暖厂风速计的数据记录为日平均值，记录从当天（2008年4月29日）延伸至大约一年前（2007年5月1日）。在此期间，我们发现平均值为4.5301676英里/小时。对于Weather Underground的数据，我们取了风速计运行期间在线可用数据的日平均值，发现（在我们的项目期间）平均值为0.946153846英里/小时。
通过比较这些平均值，可以看出三个数据集之间的趋势。首先，供暖厂和邦尼山风速计的平均值相对接近，我们可以大致认为这两个地点具有相似性。然而，当将Weather Underground的平均值与供暖厂和邦尼山风速计的平均值进行比较时，我们注意到存在巨大差异。Weather Underground记录的较低风速显然是由于海拔差异，因为该站的海拔（1134英尺）低于供暖厂和邦尼山风速计的海拔。此外，由于风速值差异巨大且记录的总体风速较低，我们怀疑Weather Underground站存在大型障碍物干扰。
在此基础上，我们接下来考虑可能影响邦尼山风速计数据点的任何障碍物。我们观察到的第一个已知障碍物是大量数据中记录仪的风速和阵风速度冻结为零。这种情况首次出现在2008年3月27日19:51:44至2008年3月28日10:33:09，原因是风速计风杯冻结。
将这些发现与我们工作组中地理学家对科尔盖特大学土地风能潜力的GIS分析进行比较后，我们希望在位于黎巴嫩镇、靠近西摩池塘的 Bewkes 地产上安装风速计。为了在这个新地点设置风速计，我们需要建造一个拉线塔，该塔自身至少要离地33英尺（即不借助我们第一个地点赫尔方特家房屋提供的额外高度）。此外，理想情况下，将在该地点采集一整年的数据。我们将在开阔田野的中间安装风速计，因此障碍物将不再是数据分析中的影响因素。由于我们收集的数据中存在大量误差因素，目前我们对从较短时间的数据收集中推断年平均风速的准确性持谨慎态度。待获得在拟议地点建设的许可后，该项目将于2008年5月底至6月初开始。只有在Bewkes地点收集到年度数据，并对数据集的子集进行类似分析后，我们才能就年内推断的准确性得出结论。