本發(fā)明涉及一種基于風(fēng)廓線雷達(dá)的低空大氣風(fēng)切變和湍流監(jiān)測方法，屬于大氣科學(xué)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

1、低空經(jīng)濟(jì)是指垂直范圍1000米以下、根據(jù)實(shí)際需要可以延伸至不超過3000米的低空空域范圍內(nèi)，以民用有人或無人駕駛航空器為主，以載人、載貨等多場景低空飛行活動為牽引，輻射帶動相關(guān)領(lǐng)域融合發(fā)展的綜合性經(jīng)濟(jì)形態(tài)。

2、氣象服務(wù)保障作為低空經(jīng)濟(jì)服務(wù)保障體系的一部分，具有非常重要的作用，對規(guī)劃適航空域、設(shè)計(jì)安全合理的航路航線、協(xié)調(diào)制訂低空空域飛行計(jì)劃具有重要的技術(shù)支撐作用。在晴空條件下，影響飛行安全的大氣運(yùn)動因素主要包括風(fēng)切變和湍流影響，風(fēng)切變又分為水平風(fēng)風(fēng)切變和垂直風(fēng)風(fēng)切變，傳統(tǒng)的方法難以同時準(zhǔn)確獲得大氣運(yùn)動在水平和垂直方向上的運(yùn)動情況，大氣運(yùn)動在水平維度和垂直維度上的不均一性是影響飛行安全的重要因素。而晴空湍流又是一種非常復(fù)雜而又普遍存在的大氣運(yùn)動現(xiàn)象，其強(qiáng)弱和變化趨勢對飛行安全具有很大的影響。

3、由于晴空大氣風(fēng)切變和湍流對飛行安全危害很大，而已有的一些基于探空計(jì)算風(fēng)切變的方法，受限于探空站網(wǎng)密度較低，以江蘇省為例全省僅有3個探空站，且每日僅有2~3次探空，時空分辨率較低，難以滿足用戶對高時空分辨率服務(wù)的需求。而風(fēng)廓線雷達(dá)具有很高的時空分辨率，時間分辨率一般為6分鐘，垂直高度分辨率根據(jù)雷達(dá)不同一般在50m~60m，且站點(diǎn)密度較高，以江蘇省為例目前已經(jīng)布網(wǎng)23部且未來還有忘繼續(xù)增加。因此，使用風(fēng)廓線雷達(dá)，能夠進(jìn)行全天候連續(xù)探測，可以實(shí)時觀測測站上空的風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)切變和湍流情況，是監(jiān)測晴空條件下大氣運(yùn)動狀況的重要工具，有助于給相關(guān)部門提供一種更為有效的低空大氣狀況的監(jiān)測和預(yù)警手段。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明針對于現(xiàn)有地面探空站網(wǎng)分布稀疏且探測低空大氣的時空分辨率較低的不足，提出了一種基于風(fēng)廓線雷達(dá)的低空大氣風(fēng)切變和湍流監(jiān)測方法，解決在缺少低空大氣監(jiān)測手段時對低空大氣運(yùn)動風(fēng)切變和湍流識別以及預(yù)警能力不足的問題。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的方法需要使用到五波束探測風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)，本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下：

3、一種基于風(fēng)廓線雷達(dá)的低空大氣風(fēng)切變和湍流監(jiān)測方法，包括以下步驟：

4、步驟s1、基于風(fēng)廓線雷達(dá)五波束探測模式下的徑向速度資料，由垂直探測波束獲得垂直風(fēng)速廓線，依據(jù)獲得的垂直風(fēng)速廓線，分別計(jì)算得到垂直風(fēng)速在垂直方向上任意給定高度區(qū)間的垂直風(fēng)切變指數(shù)；

5、步驟s2、基于風(fēng)廓線雷達(dá)五波束探測徑向速度資料，使用三波束水平風(fēng)反演理論計(jì)算獲得四組水平風(fēng)速廓線，依據(jù)獲得的水平風(fēng)速廓線，分別計(jì)算得到水平風(fēng)速在垂直方向上任意給定高度區(qū)間的垂直風(fēng)切變指數(shù)；

6、步驟s3、使用步驟s2計(jì)算獲得的四組水平風(fēng)速，計(jì)算該四組水平風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)差和大氣水平運(yùn)動均一性指數(shù)；

7、步驟s4、基于五波束探測的徑向速度譜寬資料，結(jié)合微波輻射計(jì)或者衛(wèi)星觀測的溫度廓線，計(jì)算獲得五組湍流動能耗散率廓線并按照距離訂正并進(jìn)行合成；

8、步驟s5、結(jié)合步驟s1-步驟s4，在風(fēng)廓線雷達(dá)連續(xù)的高時空分辨率實(shí)時觀測模式下，獲得水平風(fēng)和垂直風(fēng)的垂直切變指數(shù)、大氣水平維度運(yùn)動均一性指數(shù)以及大氣湍流動能耗散率的連續(xù)時空變化趨勢。

9、作為本發(fā)明的優(yōu)選，所述步驟s1的具體的方法為：

10、風(fēng)廓線雷達(dá)一次探測按照既定的順序向東南西北中五個方向發(fā)射五個波束進(jìn)行探測，每個波束探測分為1~gatenum個距離庫，gatenum為距離庫數(shù)量，每個距離庫庫長為gl，每個波束和垂直方向夾角為，定義風(fēng)廓線雷達(dá)探測的五個波束徑向速度為，則每個波束中每個距離庫徑向速度定義為，其中i=l、n、w、e、s，分別代表中波束、北波束、西波束、東波束和南波束，j=1、2、3……gatenum；

11、對于中波束，垂直速度，對于其他四個波束，垂直速度，對于任意給定高度區(qū)間h1和h2，定義垂直風(fēng)的垂直切變指數(shù)為：

12、??????????????????????????????（1）

13、按照公式（1），即可以計(jì)算獲得五組垂直風(fēng)的垂直風(fēng)切變指數(shù)廓線。

14、作為本發(fā)明的優(yōu)選，所述步驟s2中的具體方法為：

15、采用三波束水平風(fēng)反演方法，中波束指向天頂，徑向速度等于垂直速度，即，兩個傾斜波束在方位角上相差90°，測量的是徑向速度，根據(jù)公式（2）和公式（3），由兩個傾斜波束和中波束組合推導(dǎo)出2個水平風(fēng)分量、，計(jì)算出四組水平風(fēng)速、水平風(fēng)向（i=1~4）：

16、????????（2）

17、?????????（3）

18、同樣，定義任意給定高度區(qū)間h1和h2的水平風(fēng)垂直切變指數(shù)為：

19、???????????（4）

20、按照公式（4），計(jì)算獲得四組水平風(fēng)的垂直風(fēng)切變指數(shù)廓線。

21、作為本發(fā)明的優(yōu)選，所述步驟s3的具體方法為：

22、對于風(fēng)廓線雷達(dá)每一個距離庫，由步驟s2計(jì)算獲得了四個水平風(fēng)速（i=1~4），

23、該組水平速度均值為：

24、??????????????????（5）

25、標(biāo)準(zhǔn)差為：

26、???????????????（6）

27、同樣，定義大氣水平維度均一性指數(shù)：

28、??????????????????????（7）

29、其中abs為取絕對值函數(shù)，max為取該距離庫四個水平速度最大值函數(shù),當(dāng)大氣水平維度均一性指數(shù)為0時，表明該距離庫中大氣水平維度各向同性，大氣水平運(yùn)動均一性強(qiáng)，當(dāng)大于0時，表明大氣水平運(yùn)動具有不均一性，且越大，大氣水平運(yùn)動具不均一性越強(qiáng)。

30、作為本發(fā)明的優(yōu)選，步驟s4的具體方法為：首先獲得大氣溫度廓線，插值到和風(fēng)廓線雷達(dá)同樣的高度分辨率，獲得溫度廓線，湍流耗散率計(jì)算公式如下：

31、???????????????????????????（8）

32、其中c為常數(shù)，n為布維頻率，為風(fēng)廓線雷達(dá)徑向觀測的徑向速度譜寬。布維頻率計(jì)算公式如下：

33、????????????????????????（9）

34、其中g(shù)為重力加速度，為位溫，為常數(shù)，為溫度垂直梯度，，和為地面溫度和氣壓；

35、使用風(fēng)廓線雷達(dá)探測的五個波束的徑向速度譜寬，結(jié)合溫度廓線，計(jì)算獲得五組湍流動能耗散率廓線；

36、計(jì)算得到五組湍流動能耗散率廓線之后，對五組湍流耗散率進(jìn)行合成。

37、作為本發(fā)明的優(yōu)選，對五組湍流耗散率進(jìn)行合成的具體方法為：在同一種探測模式下，對于第n個距離庫，垂直波束探測的的高度，傾斜波束探測的的高度，對其進(jìn)行距離訂正，將傾斜波束數(shù)據(jù)訂正到以垂直波束高度間隔為標(biāo)準(zhǔn)的情況，對于中波束，以高度代替距離庫數(shù)表示湍流動能耗散率，對于其他波束，訂正后的湍流動能耗散率為：

38、??????????????????????????（10）

39、其中表示對傾斜波束插值，插值標(biāo)準(zhǔn)為垂直波束高度間隔。最終合成的湍流動能耗散率廓線為：

40、?（11）

41、其中，i=l、w、e、s、n，std為標(biāo)準(zhǔn)差，為求平均函數(shù)，需要滿足小于該組數(shù)據(jù)3倍標(biāo)準(zhǔn)差的條件，否則為異常值進(jìn)行剔除。

42、有益效果：

43、本發(fā)明的低空大氣相關(guān)指數(shù)和湍流動能耗散率計(jì)算方法，其主要優(yōu)點(diǎn)有以下4個方面：

44、1、本發(fā)明使用風(fēng)廓線雷達(dá)徑向速度資料實(shí)時探測資料，時空分辨率與準(zhǔn)確率都較高，且能夠無人值守24小時進(jìn)行連續(xù)觀測；

45、2、本發(fā)明將低空風(fēng)切變分為水平維度和垂直維度進(jìn)行計(jì)算，能夠彌補(bǔ)目前對三維風(fēng)切變觀測的不足，提高了低空風(fēng)切變的精細(xì)化監(jiān)測；

46、3、本發(fā)明提供了一種低空大氣運(yùn)動在水平維度上的均一性指數(shù)，提高了對低空大氣運(yùn)動狀態(tài)的監(jiān)測能力；

47、4、本發(fā)明使用徑向速度譜寬計(jì)算湍流耗動能散率，并根據(jù)距離對湍流動能耗散率進(jìn)行訂正與合成，能夠監(jiān)測低空大氣的湍流運(yùn)動狀況，為低空飛行用戶提供了一種實(shí)時監(jiān)測大氣湍流的手段。