CN102565771B - 一种基于单站风廓线雷达的风切变识别和追踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单站风廓线雷达的风切变识别和追踪方法，其具体步骤为：第一步，搭建风廓线雷达风切变追踪系统，包括数据采集模块、数据预处理模块、风切变识别模块和风切变追踪模块；第二步，数据采集模块采集风廓线雷达探测数据；第三步，数据预处理模块对风廓线雷达探测数据进行质量控制；第四步，风切变识别模进行风切变的自动探测和识别；第五步，风切变追踪模块实现风切变的自动追踪和报警；至此，实现了基于单站风廓线雷达的风切变识别和追踪方法。本方法具有简单易行、识别准确率高、全自动运行等优点，可以获取水平风的垂直切变和垂直风的垂直切变信息，有效探测追踪站点上空风切变出现的起始时间、高度和强度。

Description

一种基于单站风廓线雷达的风切变识别和追踪方法

技术领域

本发明涉及一种风切变识别和追踪方法，特别是一种基于单站风廓线雷达的风切变识别和追踪方法。

背景技术

风廓线雷达是以大气湍流为探测目标、具有晴空探测能力的脉冲多普勒测速雷达，主要用于测量风随高度的变化。由于风廓线雷达采用遥感方式，可连续无人值守运行，且探测资料具有种类多、时空分辨率高、廓线形式等众多优点，在高空(非地面)风探测方面正发挥着越来越重要的作用。大量的观测资料表明，对飞行安全有影响的切变线在风廓线雷达连续的观测资料中有着清晰的表现。因此利用风廓线雷达实现对风切变的探测具有重要的意义。

目前常用的地基风切变探测方法一般是通过包括低空风切变预警系统(LLWAS)、多普勒天气雷达、多普勒激光雷达和集成低空风切变警报系统实现的，由于这些系统与风廓线雷达探测原理和方式上的差异，所用的风切变识别和追踪方法并不适用于风廓线雷达。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于单站风廓线雷达的风切变识别和追踪方法，解决过去的风切变识别和追踪方法不适用于风廓线雷达的问题。

一种基于单站风廓线雷达的风切变识别和追踪方法，具体步骤为：

第一步搭建风廓线雷达风切变识别和追踪系统

风廓线雷达风切变识别和追踪系统包括：数据采集模块、数据预处理模块、风切变识别模块和风切变追踪模块。数据采集模块用于采集风廓线雷达探测数据，数据预处理模块用于对风廓线雷达探测数据进行质量控制，风切变识别模块用于风切变的自动探测和识别，风切变追踪模块用于风切变的自动追踪和报警。

第二步数据采集模块采集风廓线雷达探测数据

数据采集模块采集风廓线雷达的探测数据作为风切变探测、识别、追踪的初始输入信息。由于风切变的生命周期短，数据采集模块输出的风廓线时间分辨率为10min。

第三步数据预处理模块对风廓线雷达探测数据进行质量控制

数据预处理模块识别并剔除探测数据中由于外界干扰等原因产生的虚假数据，避免在风切变计算时产生错误信息，提供虚假情报。

当风向小于0°或大于360°，或风速值为负值时，判断为无物理意义的数据；

当低空风速大于80m/s时，判断为不符合一般统计特征的数据；

当上下高度层及前一个时刻的同一高度层都为无效数据时，判断为孤立的数据；

对于不满足时空连续性的数据，其判断准则为：

首先对数据进行中值滤波。将水平风分解为u、v分量，用于检测的数据记为(u_i、v_i)，与其空间和时间上紧邻的数据之中值(u_m、v_m)进行比较，如果二者间的差超过指定门限(T_u、T_v)，则将被检测的风数据(u_i、v_i)标识为无效。门限的确定公式为：

T_u＝max(T_u1，T₂)                          (1)

T_v＝max(T_v1，T₂)                          (2)

T_u1＝0.2|u_m+u_i|                           (3)

T_v1＝0.2|v_m+v_i|                           (4)

T₂＝0.67(-6.127×10^-8h²+0.0012h+7.383)    (5)

式中，h为距地面高度。

然后对数据进行水平风的垂直切变检查。在边界层，除了极端天气状况，水平风的垂直切变小于0.2s^-1，更强的风切变对应着更为极端的天气状况。在此，设定最大水平风的垂直切变门限为0.2s^-1，超过门限的情况下，风廓线雷达探测所依赖的局地均匀各向同性假设得不到满足，则提供的数据不能反映真实大气情况。

第四步风切变识别模块进行风切变的自动探测和识别

风切变是大气中空间两点之间每单位距离内风速和风向的变化，为一个向量，单位为m/s/30m或者s^-1，公式为：

V_shear＝(V₂-V₁)/d₂₁                        (6)

其中，V₂和V₁为空间两点上的风矢量，d₂₁为空间两点间的距离。

将风切变分解为水平风的水平切变、水平风的垂直切变、垂直风的水平切变和垂直风的垂直切变。单站风廓线雷达探测的是站点上空的垂直风廓线，用于探测水平风的垂直切变和垂直风的垂直切变。

将水平风分解为沿跑道的分量和垂直于跑道的分量，分别记为纵风和横风，分解公式为：

V_x＝Vcos(D+180°-A)                        (7)

V_y＝Vsin(D+180°-A)                        (8)

其中，V_x为纵风，代表沿跑道的风分量，V_y为横风，代表垂直于跑道的风分量，D为风向，A为航向。相应的，沿跑道的风切变和垂直于跑道的风切变的计算公式为：

V_{shear_x}＝(V_2x-V_1x)/d₂₁    (9)

V_{shear_y}＝(V_2y-V_1y)/d₂₁    (10)

垂直风的垂直切变计算公式为：

V_{shear_z}＝(V_2z-V_1z)/d₂₁    (11)

另外，对风切变无方向性要求时，水平风的垂直切变的计算公式为：

$V_{\mathrm{shear}\_\mathrm{xy}}=\sqrt{{(V_{2x}-V_{1x})}^2+{(V_{2y}-V_{1y})}^2}/d_{21}---\left(12\right)$

第五步风切变追踪模块实现风切变的自动追踪和报警

对于当前时刻风廓线，计算其每个高度层的风切变强度，当没有超过门限的风切变高度层时，判断其前一时刻是否有超过门限的风切变高度层，没有则无动作，有则解除上次追踪；当前时刻风廓线中有超过门限的风切变高度层时，判断其前一时刻是否有超过门限的风切变高度层，没有则开始一次新的追踪并记录风切变所发生的时间、高度层及其强度，有则根据风切变所发生的高度层判断是否为同一切变线，是则继续追踪，不是则开始新的追踪。在风切变追踪开始和解除时，自动给出报警信号。

至此，实现了基于单站风廓线雷达的风切变识别和追踪方法。

本方法简单易行、识别准确率高、全自动运行，可以获取水平风的垂直切变和垂直风的垂直切变信息，有效探测追踪站点上空风切变出现的起始时间、高度和强度。

具体实施方式

一种基于单站风廓线雷达的风切变识别和追踪方法，具体步骤为：

第一步搭建风廓线雷达风切变识别和追踪系统

风廓线雷达风切变识别和追踪系统包括：数据采集模块、数据预处理模块、风切变识别模块和风切变追踪模块。数据采集模块用于采集风廓线雷达探测数据，数据预处理模块用于对风廓线雷达探测数据进行质量控制，风切变识别模块用于风切变的自动探测和识别，风切变追踪模块用于风切变的自动追踪和报警。

第二步数据采集模块采集风廓线雷达探测数据

数据采集模块采集风廓线雷达的探测数据作为风切变探测、识别、追踪的初始输入信息。由于风切变的生命周期短，数据采集模块输出的风廓线时间分辨率为10min。

第三步数据预处理模块对风廓线雷达探测数据进行质量控制

数据预处理模块识别并剔除探测数据中由于外界干扰等原因产生的虚假数据，避免在风切变计算时产生错误信息，提供虚假情报。

当风向小于0°或大于360°，或风速值为负值时，判断为无物理意义的数据；

当低空风速大于80m/s时，判断为不符合一般统计特征的数据；

当上下高度层及前一个时刻的同一高度层都为无效数据时，判断为孤立的数据；

对于不满足时空连续性的数据，其判断准则为：

首先对数据进行中值滤波。将水平风分解为u、v分量，用于检测的数据记为(u_i、v_i)，与其空间和时间上紧邻的数据之中值(u_m、v_m)进行比较，如果二者间的差超过指定门限(T_u、T_v)，则将被检测的风数据(u_i、v_i)标识为无效。门限的确定公式为：

T_u＝max(T_u1，T₂)                          (1)

T_v＝max(T_v1，T₂)                          (2)

T_u1＝0.2|u_m+u_i|                           (3)

T_v1＝0.2|v_m+v_i|                           (4)

T₂＝0.67(-6.127×10^-8h²+0.0012h+7.383)    (5)

式中，h为距地面高度。

然后对数据进行水平风的垂直切变检查。在边界层，除了极端天气状况，水平风的垂直切变小于0.2s^-1，更强的风切变对应着更为极端的天气状况。在此，设定最大水平风的垂直切变门限为0.2s^-1，超过门限的情况下，风廓线雷达探测所依赖的局地均匀各向同性假设得不到满足，则提供的数据不能反映真实大气情况。

第四步风切变识别模块进行风切变的自动探测和识别

风切变是大气中空间两点之间每单位距离内风速和风向的变化，为一个向量，单位为m/s/30m或者s^-1，公式为：

V_shear＝(V₂-V₁)/d₂₁                   (6)

其中，V₂和V₁为空间两点上的风矢量，d₂₁为空间两点间的距离。

将风切变分解为水平风的水平切变、水平风的垂直切变、垂直风的水平切变和垂直风的垂直切变。单站风廓线雷达探测的是站点上空的垂直风廓线，用于探测水平风的垂直切变和垂直风的垂直切变。

将水平风分解为沿跑道的分量和垂直于跑道的分量，分别记为纵风和横风，分解公式为：

V_x＝Vcos(D+180°-A)            (7)

V_y＝Vsin(D+180°-A)            (8)

其中，V_x为纵风，代表沿跑道的风分量，V_y为横风，代表垂直于跑道的风分量，D为风向，A为航向。相应的，沿跑道的风切变和垂直于跑道的风切变的计算公式为：

V_{shear_x}＝(V_2x-V_1x)/d₂₁        (9)

V_{shear_y}＝(V_2y-V_1y)/d₂₁        (10)

垂直风的垂直切变计算公式为：

V_{shear_z}＝(V_2z-V_1z)/d₂₁        (11)

另外，对风切变无方向性要求时，水平风的垂直切变的计算公式为：

$V_{\mathrm{shear}\_\mathrm{xy}}=\sqrt{{(V_{2x}-V_{1x})}^2+{(V_{2y}-V_{1y})}^2}/d_{21}---\left(12\right)$

第五步风切变追踪模块实现风切变的自动追踪和报警

对于当前时刻风廓线，计算其每个高度层的风切变强度，当没有超过门限的风切变高度层时，判断其前一时刻是否有超过门限的风切变高度层，没有则无动作，有则解除上次追踪；当前时刻风廓线中有超过门限的风切变高度层时，判断其前一时刻是否有超过门限的风切变高度层，没有则开始一次新的追踪并记录风切变所发生的时间、高度层及其强度，有则根据风切变所发生的高度层判断是否为同一切变线，是则继续追踪，不是则开始新的追踪。在风切变追踪开始和解除时，自动给出报警信号。

至此，实现了基于单站风廓线雷达的风切变识别和追踪方法。

Claims (1)

1.一种基于单站风廓线雷达的风切变识别和追踪方法，其特征在于具体步骤为：

第一步搭建风廓线雷达风切变识别和追踪系统

风廓线雷达风切变识别和追踪系统包括：数据采集模块、数据预处理模块、风切变识别模块和风切变追踪模块；数据采集模块用于采集风廓线雷达探测数据，数据预处理模块用于对风廓线雷达探测数据进行质量控制，风切变识别模块用于风切变的自动探测和识别，风切变追踪模块用于风切变的自动追踪和报警；

第二步数据采集模块采集风廓线雷达探测数据

数据采集模块采集风廓线雷达的探测数据作为风切变探测、识别、追踪的初始输入信息；由于风切变的生命周期短，数据采集模块输出的风廓线时间分辨率为10min；

第三步数据预处理模块对风廓线雷达探测数据进行质量控制

数据预处理模块识别并剔除探测数据中由于外界干扰原因产生的虚假数据，避免在风切变计算时产生错误信息，提供虚假情报；

当风向小于0°或大于360°，或风速值为负值时，判断为无物理意义的数据；

当低空风速大于80m/s时，判断为不符合一般统计特征的数据；

当上下高度层及前一个时刻的同一高度层都为无效数据时，判断为孤立的数据；

对于不满足时空连续性的数据，其判断准则为：

首先对数据进行中值滤波；将水平风分解为u、v分量，用于检测的数据记为(u_i、v_i)，与其空间和时间上紧邻的数据之中值(u_m、v_m)进行比较，如果二者间的差超过指定门限(T_u、T_v)，则将被检测的风数据(u_i、v_i)标识为无效；门限的确定公式为：

T_u＝max(T_u1，T₂)  (1)

T_v＝max(T_v1，T₂)  (2)

T_u1＝0.2|u_m+u_i|  (3)

T_v1＝0.2|v_m+v_i|  (4)

T₂＝0.67(-6.127×10^-8h²+0.0012h+7.383)  (5)

式中，h为距地面高度；

然后对数据进行水平风的垂直切变检查；在边界层，除了极端天气状况，水平风的垂直切变小于0.2s^-1，更强的风切变对应着更为极端的天气状况；在此，设定最大水平风的垂直切变门限为0.2s^-1，超过门限的情况下，风廓线雷达探测所依赖的局地均匀各向同性假设得不到满足，则提供的数据不能反映真实大气情况；

第四步风切变识别模块进行风切变的自动探测和识别

风切变是大气中空间两点之间每单位距离内风速和风向的变化，为一个向量，单位为m/s/30m或者s^-1，公式为：

V_shear＝(V₂-V₁)/d₂₁  (6)

其中，V₂和V₁为空间两点上的风矢量，d₂₁为空间两点间的距离；

将风切变分解为水平风的水平切变、水平风的垂直切变、垂直风的水平切变和垂直风的垂直切变；单站风廓线雷达探测的是站点上空的垂直风廓线，用于探测水平风的垂直切变和垂直风的垂直切变；

将水平风分解为沿跑道的分量和垂直于跑道的分量，分别记为纵风和横风，分解公式为：

V_x＝Vcos(D+180°-A)  (7)

V_y＝Vsin(D+180°-A)  (8)

其中，V_x为纵风，代表沿跑道的风分量，V_y为横风，代表垂直于跑道的风分量，D为风向，A为航向；相应的，沿跑道的风切变和垂直于跑道的风切变的计算公式为：

V_{shear_x}＝(V_2x-V_1x)/d₂₁  (9)

V_{shear_y}＝(V_2y-V_1y)/d₂₁  (10)

垂直风的垂直切变计算公式为：

V_{shear_z}＝(V_2z-V_1z)/d₂₁  (11)

另外，对风切变无方向性要求时，水平风的垂直切变的计算公式为：

$V_{\mathrm{shear}\_\mathrm{xy}}=\sqrt{{(V_{2x}-V_{1x})}^2+{(V_{2y}-V_{1y})}^2}/d_{21}---\left(12\right)$

第五步风切变追踪模块实现风切变的自动追踪和报警

对于当前时刻风廓线，计算其每个高度层的风切变强度，当没有超过门限的风切变高度层时，判断其前一时刻是否有超过门限的风切变高度层，没有则无动作，有则解除上次追踪；当前时刻风廓线中有超过门限的风切变高度层时，判断其前一时刻是否有超过门限的风切变高度层，没有则开始一次新的追踪并记录风切变所发生的时间、高度层及其强度，有则根据风切变所发生的高度层判断是否为同一切变线，是则继续追踪，不是则开始新的追踪；在风切变追踪开始和解除时，自动给出报警信号；

至此，实现了基于单站风廓线雷达的风切变识别和追踪方法。