本發(fā)明涉及人工影響天氣，具體為一種基于逐層迭代方式的人工增雨雪效果評(píng)估方法。

背景技術(shù)：

1、采用飛機(jī)或火箭進(jìn)行冷云增雨雪作業(yè)是目前人工影響天氣的主要業(yè)務(wù)之一，但對(duì)其作業(yè)效果的評(píng)估目前仍然極具挑戰(zhàn)性。目前，對(duì)冷云增雨雪的效果評(píng)估主要是基于有可顯示催化效果的個(gè)例進(jìn)行的，但實(shí)際業(yè)務(wù)中，在大部分個(gè)例的觀測(cè)中難以直觀地看出可顯示催化效果，或效果較為模糊，這是由于人工作業(yè)的效果常常被掩蓋在降水的自然變率中，從而無法知道播撒層的催化劑對(duì)云系產(chǎn)生什么影響。

2、冷云增雨雪的基本假設(shè)是人工播撒的催化劑能增加播撒層的冰晶數(shù)濃度，冰晶通過貝吉龍過程等長(zhǎng)大并下落。因此，對(duì)冷云增雨雪進(jìn)行效果評(píng)估，首先需要作業(yè)后云內(nèi)冰晶數(shù)濃度增加，再檢驗(yàn)其影響是否能反應(yīng)到播撒層下方各層的雷達(dá)反射率上。一般來說，有如下5種可能性，（1）催化劑沒有使冰晶數(shù)濃度增加，說明云系條件不利于催化劑核化；（2）人工作業(yè)使冰晶數(shù)濃度增加，但播撒層下方雷達(dá)反射率沒有任何響應(yīng)，說明冰晶沒有長(zhǎng)大或增長(zhǎng)速率太慢，通常受限于過冷水太少或溫度不合適；（3）人工播撒增加的冰晶只讓播撒層或下方部分區(qū)域的雷達(dá)反射率產(chǎn)生影響，地面以上大部分區(qū)域沒有可顯示信號(hào)，說明這些區(qū)域的微物理特征受到播撒層冰晶的影響不大，且自然變率較大；（4）播撒層增加的冰晶可以一直影響到地面，但是信號(hào)被掩蓋在自然變率中；（5）播撒層增加的冰晶不僅可以一直影響到地面，而且能產(chǎn)生可顯示的信號(hào)。目前針對(duì)飛機(jī)增雨雪作業(yè)的效果評(píng)估，只對(duì)第5種情況有較多研究，但更多情況下更符合（1）-（4）。

3、上述（3）-（4）的情況中，人工作業(yè)可能對(duì)云內(nèi)部分區(qū)域或者地面降水能產(chǎn)生影響，但播撒層冰晶數(shù)濃度與其下方雷達(dá)反射率通常沒有直接相關(guān)性，而是間接地向下逐層影響。當(dāng)人工作業(yè)的效果向下逐層減弱時(shí)，最終會(huì)被掩蓋在降水自然變率中。因此，不能直接構(gòu)建播撒層冰晶數(shù)濃度和地面降水的關(guān)系，傳統(tǒng)的將地面降水分為對(duì)比區(qū)和作業(yè)區(qū)的方法沒有考慮作業(yè)效果隨著高度的變化，也有較大局限性。因此，考慮播撒層下方各層之間的相關(guān)性，從播撒層逐層向下估算人工作業(yè)的影響，有望客觀地評(píng)估冷云增雨雪的效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、基于此，本發(fā)明的目的是提供一種基于逐層迭代方式的人工增雨雪效果評(píng)估方法，該方法具有計(jì)算高效、穩(wěn)定的特點(diǎn)，對(duì)一次過程的評(píng)估，可在1分鐘內(nèi)計(jì)算完成，適合用于大規(guī)模業(yè)務(wù)化應(yīng)用。此外，該方法不僅適用于有可顯示播云效果的個(gè)例，還適用于沒有可顯示播云效果個(gè)例的效果評(píng)估，解決了人工增雨雪效果評(píng)價(jià)局限、易被降水自然變率掩蓋，無法高效、穩(wěn)定、定量、大規(guī)模應(yīng)用的對(duì)增雨雪效果進(jìn)行評(píng)價(jià)的技術(shù)問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種基于逐層迭代方式的人工增雨雪效果評(píng)估方法，包括：

3、步驟一：采用高分辨率數(shù)值模式確定催化劑擴(kuò)散軌跡和受影響區(qū)域，飛機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)覆蓋受影響區(qū)域，飛機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)包括所述受影響區(qū)域背景冰晶數(shù)濃度和催化劑條件下的冰晶數(shù)濃度；

4、步驟二：從觀測(cè)數(shù)據(jù)中讀取播撒層冰晶數(shù)濃度，計(jì)算播撒層l0冰晶數(shù)濃度和位于下方的第一層l1雷達(dá)反射率因子之間的相關(guān)性，并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，若通過檢驗(yàn)，則基于多項(xiàng)式擬合法建立播撒層l0冰晶數(shù)濃度和第一層l1雷達(dá)反射率因子之間的關(guān)系式；

5、步驟三：逐層計(jì)算播撒層到地面各相鄰兩層之間雷達(dá)反射率因子的相關(guān)系數(shù)，并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，若通過檢驗(yàn)，則基于多項(xiàng)式擬合法建立相鄰兩層雷達(dá)反射率因子之間的關(guān)系式；

6、步驟四：采用高分辨率數(shù)值模式模擬催化劑的擴(kuò)散，讀取飛機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)中受影響區(qū)域的冰晶數(shù)濃度，代入步驟二和步驟三建立的關(guān)系式，逐層迭代計(jì)算各層雷達(dá)反射率因子，根據(jù)各層雷達(dá)反射率因子計(jì)算降水率；

7、步驟五：將觀測(cè)到的背景冰晶數(shù)濃度代入步驟二和步驟三建立的關(guān)系式，逐層迭代計(jì)算各層反射率因子，并通過z-i方程計(jì)算降水率，通過比較步驟四和步驟五得到的降水率，定量評(píng)估人工增雨雪效果。

8、進(jìn)一步地，步驟四中計(jì)算降水率的過程包括讀取觀測(cè)數(shù)據(jù)中的播撒層l0的冰晶數(shù)濃度，代入步驟二得到的關(guān)系式中，得到第一層l1的雷達(dá)反射率因子r1，基于雷達(dá)反射率因子r1及步驟三的相互系數(shù)，逐層迭代計(jì)算得到各層雷達(dá)反射率因子。

9、通過引入相互系數(shù)，能夠更精確的調(diào)整雷達(dá)反射率因子，從而得出更準(zhǔn)確的各層雷達(dá)反射率因子，進(jìn)一步提高評(píng)估的準(zhǔn)確性。

10、進(jìn)一步地，播撒層l0冰晶數(shù)濃度與第一層l1雷達(dá)反射率因子之間相關(guān)系數(shù)r為：

11、?????????????????????????????（1）；

12、其中，xi表示播撒層l0冰晶數(shù)濃度數(shù)據(jù)中第i個(gè)樣本，yi表示第一層l1雷達(dá)反射率因子第i個(gè)樣本，，表示n個(gè)樣本的平均數(shù)。

13、進(jìn)一步地，采用t檢驗(yàn)法進(jìn)行相關(guān)系數(shù)r的顯著性檢驗(yàn)，其公式為：

14、?????????????????????????????????????????（2）；

15、其中，n表示樣本數(shù)。

16、進(jìn)一步地，根據(jù)z-i關(guān)系將計(jì)算得到的近地面反射率得出降水率并繪制反射率廓線圖。

17、通過底面反射率和降水率的映射關(guān)系，能夠快速地計(jì)算出降水率，具有高效、穩(wěn)定的特點(diǎn)。

18、進(jìn)一步地，步驟五中計(jì)算降水率的過程包括讀取未受到催化劑影響區(qū)域的平均冰晶數(shù)濃度，重復(fù)步驟四中計(jì)算雷達(dá)反射率因子的過程，將不播撒催化劑情況下的降水率與受催化劑影響的降水率相減或可視化進(jìn)行比較。

19、通過數(shù)值相減或可視化比較，能夠快速得出增雨雪效果如何，具有處理時(shí)間短、直觀、高效的特點(diǎn)。

20、進(jìn)一步地，播撒層下方附近的冰晶數(shù)濃度需要采用飛機(jī)原位觀測(cè)來獲取，飛機(jī)沿催化劑擴(kuò)散方向進(jìn)行探測(cè)，采用2d-c或cip、2d-p或pip觀測(cè)冰晶數(shù)濃度，包括背景冰晶數(shù)濃度和受到催化劑影響區(qū)域的冰晶數(shù)濃度，以及采用fssp或cdp和熱線探頭來輔助判斷是否有充足過冷水支持冰晶生長(zhǎng)，各探頭基本功能如下：

21、云降水粒子探頭2d-c或cip：觀測(cè)直徑為50-2000微米的云與降水粒子二維圖像；

22、降水粒子探頭2d-p或pip：觀測(cè)直徑大于2000微米的降水粒子二維圖像；

23、云粒子譜探頭fssp或cdp：觀測(cè)直徑為1-50微米的云滴粒子譜；

24、熱線液態(tài)含水量?jī)x：觀測(cè)云中云滴液態(tài)含水量。

25、這些探頭可以探測(cè)到微米級(jí)別的云滴和冰晶，適用于云層內(nèi)，溫度范圍在-80℃-50℃，適用范圍廣，可以適用任何探測(cè)角度，能夠滿足各種工況條件，具有優(yōu)異的探測(cè)性能和適應(yīng)性。

26、進(jìn)一步地，播撒層到地面各高度層的雷達(dá)反射率，需要雷達(dá)體掃、或rhi掃描、或機(jī)載雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)。

27、通過采用上述技術(shù)方案，播撒層到地面各高度層的雷達(dá)反射率，需要雷達(dá)體掃、或rhi掃描、或機(jī)載雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)。雷達(dá)應(yīng)觀測(cè)到播撒區(qū)及其下風(fēng)向的云降水系統(tǒng)，最終獲得沿著觀測(cè)飛機(jī)飛行方向的剖面數(shù)據(jù)。通過該剖面的雷達(dá)反射率，可以計(jì)算相鄰高度層的相關(guān)性，從而可用于研究降水粒子從播撒層向下逐層演變的特征。

28、進(jìn)一步地，每臺(tái)雷達(dá)探測(cè)半徑約為230?km，分辨率為250?m，波束寬度為1度，雷達(dá)每6分鐘完成一次體掃，包括0.5度、1.5度、2.4度、3.4度、4.3度、6.0度、9.9度、14.6度和19.5度9個(gè)仰角。

29、通常，我國(guó)氣象業(yè)務(wù)中使用的雷達(dá)就能滿足上述要求。每臺(tái)雷達(dá)探測(cè)半徑約為230km，分辨率為250?m，波束寬度為1度。雷達(dá)每6分鐘完成一次體掃，包括9個(gè)仰角(0.5度、1.5度、2.4度、3.4度、4.3度、6.0度、9.9度、14.6度和19.5度)，由此得到三維雷達(dá)反射率產(chǎn)品。若具備其他波段的雷達(dá)，如x波段、ka波段、w波段雷達(dá)，則可以研究更精細(xì)的云降水垂直結(jié)構(gòu)。

30、綜上所述，本發(fā)明主要具有以下有益效果：

31、1）本發(fā)明在客觀的觀測(cè)數(shù)據(jù)和嚴(yán)格的可靠性分析基礎(chǔ)上，綜合考慮播撒層下方各層之間的相關(guān)性，從播撒層逐層向下估算人工作業(yè)的影響，綜合考慮有催化劑影響和無催化劑影響下地面降水率的差異，結(jié)合相鄰兩層之間冰晶濃度與雷達(dá)反射率的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，對(duì)人工影響天氣作業(yè)提出了一種增雨雪效果評(píng)估算法，具有堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，同時(shí)計(jì)算效率高，穩(wěn)定性強(qiáng)，具有大規(guī)模應(yīng)用的前景；

32、2）本發(fā)明多次運(yùn)用顯著性檢驗(yàn)，使得結(jié)果具有較高的可信度，提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；

33、3）本發(fā)明逐層迭代計(jì)算雷達(dá)反射率因子并用z-i關(guān)系將近地面反射率計(jì)算得到降水率，使得作業(yè)效果的評(píng)估更加客觀；

34、4）目前針對(duì)飛機(jī)增雨雪作業(yè)的效果評(píng)估，只對(duì)第5種情況有較多研究，但更多情況下更符合（1）-（4）。本算法補(bǔ)充研究（3）-（4）的情況，豐富了對(duì)飛機(jī)增雨雪作業(yè)的效果評(píng)估的理論體系，突破了飛機(jī)增雨雪作業(yè)效果評(píng)估的局限性；

35、5）本發(fā)明將人工增雨雪效果進(jìn)行了量化分析，使得人工增雨雪效果可視化，增加了成果的實(shí)用性和可讀性；

36、6）根據(jù)本發(fā)明的評(píng)估算法，易于操作，可以提高經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)使得人工影響天氣作業(yè)起到更加積極的作用。