CN105068075B - 一种近地面大风的计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种近地面大风的计算方法。首先，利用铁塔和风廓线雷达的历史观测资料，统计其各自探测风速随高度的分月逐时分布状况，利用最小二乘法对风速随高度分布趋势进行线性拟合，得到风速随高度分月逐时的分布曲线公式，作为计算地面大风的风速趋势变化依据；然后，根据评估地点的地理信息，结合多普勒天气雷达站点地理信息确定评估地点雷达所测径向风速高度；最后，结合经过退模糊的多普勒天气雷达径向速度场，根据评估时间选择具体的风速随高度分布曲线公式，提供近地面不同层次风速信息。本发明的方法能够弥补自动站间距较大的不足，解决不同用户对对流性地面大风产生灾害及时性评估的需求，在近地面大风监测评估上填补了空白。

Description

一种近地面大风的计算方法
技术领域
本发明涉及一种基于铁塔与风廓线雷达资料，并联合多普勒天气雷达的近地面大风计算方法，尤其是一种针对于直线型对流大风的近地面大风计算方法，属于大气科学(遥感资料分析)研究领域。
背景技术
大气边界层与人类活动的关系最为密切，其中风速变化对人类生产活动影响很大，特别是对流大风，对建筑物、电塔等具有很强的破坏力。大气中风速的变化受到多种因素的影响，具有明显的季节变化、日变化等特征。因此研究边界层内特别是近地面层风速的变化非常有意义。
新一代多普勒雷达具有很高的时空分辨率，时间分辨率为6分钟，速度资料的分辨率为0.25km，能够进行全天候连续探测，可以实时跟踪中小尺度天气系统的发生、发展、消亡和移动规律，是监测和预警强对流天气的重要工具。新一代多普勒雷达具有多普勒测速功能，能探测径向风场信息，但由于缺少风向信息，无法提供风速矢量。并且在探测大风过程中，当实际风速超过雷达最大探测范围时，会存在速度模糊的问题，影响速度数据的准确度，需要对其进行退模糊处理。
铁塔观测高度为11m～196m共7个高度层，时间分辨率为10分钟，铁塔观测数据准确度高，易于使用，但是由于条件的限制，铁塔高度较低，因此铁塔的观测区间受到铁塔高度的约束。
风廓线雷达是一种新型遥感探测设备，能够对其垂直上空进行全天候的实时探测，探测时空分辨率高，时间分辨率为6分钟，空间分辨率在边界层能够达到50m，但是风廓线雷达在近地层大约200m以下会受到地物杂波等因素的影响，回波信号中包含了很多非气象信号回波，探测准确度降低。
将铁塔观测资料与风廓线观测资料结合起来，弥补了铁塔与风廓线雷达各自观测区间的不足，可以获得近地面至1km的拟合风速廓线。
由于近地面大风对社会活动影响很大，因此现在越来越注重对其的监测，目前对近地面风速的监测还主要依赖于地面自动气象站，但是由于条件的限制，自动气象站的布网密度较低，截止2013年3月20日，江苏共建有自动气象站1145个，平均89.6km2有一个自动气象站，各自动站站网间距较大，很难满足小尺度局地对流产生的近地面大风的监测，并且自动气象站探测风的高度受到限制，探测高度不高。利用铁塔与风廓线雷达相结合，能够获得近地面至1km高度的完整拟合风廓线，结合多普勒天气雷达探测的高分辨率径向风数据，可以 计算获得0.25km分辨率的更为精确的风速信息，有助于给相关部门提供一种更为有效精确的近地面大风监测评估手段。
发明内容
本发明针对于现有地面自动气象站网分布稀疏且探测风速高度较低的不足，提出了一种创新的、实用性强的近地面层风廓线计算方法。其首要技术目的是解决在缺少自动气象站地区中不能有效计算近地面大风的问题。
为解决上述技术问题，本发明的方法需要使用到铁塔数据、风廓线雷达数据、多普勒天气雷达数据，本发明的具体技术方案如下：
一种近地面大风的计算方法，包括以下步骤：
(1)利用铁塔和风廓线雷达多年的历史观测资料，统计铁塔和风廓线雷达各自探测风速随高度的分月逐时分布状况，并拟合得到各时段风速曲线，作为计算近地面大风第二风速区间的依据；
(2)统计经过风廓线雷达和铁塔的历史大风个例，得到历史大风个例的风速随高度分布状况，作为计算近地面大风第二风速区间的依据；
(3)根据评估地点的地理位置，依照具体距离半径、时间半径，结合多普勒天气雷达径向速度背景场，在距离半径和时间半径之内寻找最优匹配径向速度值及其地理信息；
(4)结合多普勒天气雷达站点地理信息，利用最优匹配径向速度值，依据地面风向计算出高层风；
(5)根据所需评估的时间选择具体的风速拟合曲线，结合寻找到的最优匹配径向速度值，依据此曲线计算近地面第一风速区间的分布；
(6)根据所述步骤(2)，计算第二风速区间的分布，再结合所述步骤(5)得到的第一风速区间，得到一个完整的近地面风速区间随高度状况。
前述的步骤(1)中，统计铁塔和风廓线雷达各自探测风速随高度的分月逐时分布状况，并拟合得到各时段风速曲线，是按照铁塔统计拟合10～200m区间、风廓线雷达统计拟合200～1000m区间分别进行计算，按照分月逐时共计得到576条风速拟合廓线。
前述的步骤(2)中，统计经过风廓线雷达和铁塔的历史大风个例，是选择经过风廓线雷达站点和铁塔站点的历史大风个例，对其拟合得到风速廓线。
前述的步骤(3)中，距离半径、时间半径，是按照具体的评估精度要求设置。
前述的步骤(3)中，根据评估地点的地理位置，依照具体距离半径、时间半径，结合多普勒天气雷达径向速度背景场，在距离半径和时间半径之内寻找径向速度最大值及其地理信息，其寻找径向速度最大值的方法是在综合考虑时间半径与距离半径的前提下，搜索径向风 数据文件中的径向风速度最大值的。
前述的步骤(4)中，寻找到的最优匹配径向速度值已经过退速度模糊处理，径向速度数据准确性提高，并且假设地面至1km高度之间风向近似相等，结合地面风向，计算出高层风。
前述的步骤(5)中，根据所需评估的时间选择具体的风速曲线，结合寻找到的径向速度最大值，依据此曲线计算近地面第一风速区间的分布，是依据所需评估的时间，从步骤(1)中获得的分月逐时分高度区间的576条风速拟合廓线中选取两条拟合廓线计算近地面第一风速区间的风速Vn1，计算公式如下：
Vn1＝V1-(VT1(h1)-VD1(h2))
其中，V1为高层风速，VT1为步骤(1)获得的拟合风廓线上对应评估地雷达径向风高度h1处的风速，VD1为步骤(1)获得的拟合风廓线上对应近地面高度h2处的风速。
前述的步骤(6)中，根据步骤(2)，计算第二风速区间的分布，再结合步骤(5)得到的第一风速区间，得到一个完整的近地面风速区间随高度状况，第二风速区间的风速Vn2计算公式如下：
Vn2＝V2-(VT2(h1)-VD2(h2))
其中，V2为在相应径向风数据文件中的寻找的径向风速度最大值，VT2为步骤(2)获得的拟合风廓线上高度h1处对应评估地雷达径向风高度处的风速，VD2为步骤(2)获得的拟合风廓线上近地面高度h2处的风速。
再结合所述步骤(5)得到的第一风速区间，得到完整的近地面风速区间随高度状况。完整的近地面风速区间为：
[min(Vn1,Vn2),max(Vn1,Vn2)]
其中，min为求最小值函数，max为求最大值函数。
本发明的近地面大风的计算方法，其主要优点有以下三个方面：
本发明使用的风廓线拟合公式，是使用多年的铁塔观测资料和风廓线雷达观测资料进行统计之后从而得到的风速廓线，分月逐时分高度共有576个拟合廓线，考虑了风廓线随季节和时间的分布趋势，准确度更高。
利用经过退模糊处理的多普勒天气雷达的速度资料，计算近地面大风，分辨率与准确率都较高。
结合拟合的风廓线，利用多普勒径向速度反演近地面大风，解决不同用户对对流性地面 大风产生灾害及时性评估的需求，在近地面大风监测评估上填补了空白。
附图说明
图1为本发明近地面大风的计算方法流程图；
图2为基于铁塔与风廓线雷达资料的风廓线统计拟合分析流程图；
图3为结合多普勒天气雷达径向速度背景场寻找最优匹配速度方法的流程图，
图4为结合多普勒天气雷达站点和大风发生地理信息获得雷达径向和地面风向之间夹角θ示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明近地面大风的计算方法流程如图1所示，本发明的实现主要包括以下步骤：
步骤1，参见图2，利用铁塔和风廓线雷达多年的历史观测资料，统计铁塔和风廓线雷达各自探测风速随高度的分月逐时分布状况，并拟合得到各时段风速曲线，作为计算近地面大风第一风速区间的依据，其中利用铁塔资料统计拟合10～200m风速廓线，利用风廓线雷达统计拟合200～1000m风速廓线。选择一元三次方程作为曲线拟合函数：
其中为速度，x为高度，a0，a1，a2，a3分别为各项系数，利用最小二乘法求解系数即使偏差平方和最小时的a0，a1，a2，a3值，即使其满足：
其中yi为高度xi处的实际风速值，为高度xi处的曲线计算值，m为需要拟合高度内的实际风速值的数量。利用极小值的基本原理求解，记：
其中，f(xi)为拟合高度内对应高度的实际风速值，有多元函数极值的必要条件有：
对任意函数h(x)和g(x)引入记号：
用向量内积形式表示，可得：
即：
上式为求a0，a1，a2，a3的法方程组，其矩阵形式为：
对上述方程组进行求解，可以获得唯一解于是就可以得到函数的最小二乘解：
对全年分月逐时10～200m铁塔统计资料、200～1000m风廓线雷达统计资料共576条风廓线按照上述方法依次进行拟合，从而得到各时次的风廓线拟合公式。
步骤2，统计经过风廓线雷达和铁塔的历史大风个例，得到历史大风个例的风速随高度分布廓线，同样采用一元三次方程，使用最小二乘法对其进行拟合，得到一条拟合风廓线，作为计算近地面大风第二风速区间的依据。
步骤3，参考图3，根据评估地点的地理位置，依照具体距离半径、时间半径，结合多普勒天气雷达径向速度背景场，在距离半径和时间半径之内寻找最优匹配径向速度值及其地理信息，具体如下：
利用多普勒天气雷达径向速度文件，经过退模糊之后得到每6分钟一次的速度场数据文件集。设定时间半径，求取径向速度文件时间和大风时间的差值，提取差值在时间半径之内的径向速度文件。对提取的径向速度文件，按照差值绝对值由小到大依次读取，提取其中的径向速度信息。
在单个径向速度文件寻找最优匹配径向速度文件，首先在距离半径内，寻找大风地点附近的径向速度集，求取径向速度集中最大值，当存在单个最大径向速度时，此径向速度即是所需寻找的最优匹配径向速度，当存在多个最大径向速度时，则取其中距离大风地点最近的径向速度值，作为最优匹配径向速度。
步骤4，参考图4，结合多普勒天气雷达站点和大风发生地理信息获得雷达径向和地面风 向之间夹角为θ，利用寻找到的径向速度最大值V2，依据地面风向，计算出高层风速为：
V1＝V2/cos(θ)
步骤5，雷达所探测的径向风距离地面有一定高度，根据雷达和大风发生地的地理信息可以计算出雷达所探测风速离地面高度，再依据所需评估的时间选择具体的风速拟合曲线，结合步骤4所计算得到的高层风速，依据拟合曲线计算近地面高度h2处第一风速区间Vn1的分布：
Vn1＝V1-(VT1(h1)-VD1(h2))
其中，V1为高层风速，VT1为步骤(1)获得的拟合风廓线上对应评估地雷达径向风高度h1处的风速，VD1为步骤(1)获得的拟合风廓线上对应近地面高度h2处的风速。
步骤6，根据前述步骤(2)得到的拟合廓线，计算近地面高度h2处第二风速区间的分布：
Vn2＝V2-(VT2(h1)-VD2(h2))
其中，V2为在相应径向风数据文件中的寻找的径向风速度最大值，VT2为步骤(2)获得的拟合风廓线上高度h1处对应评估地雷达径向风高度处的风速，VD2为步骤(2)获得的拟合风廓线上近地面高度h2处的风速。
再结合所述步骤(5)得到的第一风速区间，得到完整的近地面风速区间随高度状况。完整的近地面h2高度处风速区间为：
[min(Vn1,Vn2),max(Vn1,Vn2)]
其中，min为求最小值函数，max为求最大值函数。
综上所述，本发明一种近地面大风的计算方法，首先，利用铁塔和风廓线雷达多年的历史观测资料，统计铁塔和风廓线雷达各自探测风速随高度的分月逐时分布状况，利用最小二乘法对风速随高度分布趋势进行线性拟合，从而得到风速随高度分月逐时的分布曲线公式，作为计算地面大风的风速趋势变化依据；然后再根据评估地点的地理信息，结合多普勒天气雷达站点地理信息确定评估地点雷达所测径向风速高度；最后，结合经过退模糊的多普勒天气雷达径向速度场，再根据评估时间选择具体的风速随高度分布曲线公式，为用户提供近地面不同层次风速信息。由于目前自动站站网间距较大，不能满足小尺度局地对流产生的近地面大风的监测，本发明的方法能够弥补自动站间距较大的不足，针对直线型对流大风，利用多普勒径向速度计算近地面大风，解决不同用户对对流性地面大风产生灾害及时性评估的需 求，在近地面大风监测评估上填补了空白。
以上以较佳实施例公开了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采用等同替换或者等效变换方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种近地面大风的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)利用铁塔和风廓线雷达的历史观测资料，统计铁塔和风廓线雷达各自探测风速随高度的分月逐时分布状况，并拟合得到各时段风速拟合曲线，作为计算近地面大风第一风速区间的依据；
(2)统计经过风廓线雷达和铁塔的历史大风个例，得到历史大风个例的风速随高度分布拟合曲线，作为计算近地面大风第二风速区间的依据；
(3)根据评估地点的地理位置，依照具体设置的距离半径、时间半径，结合多普勒天气雷达径向速度背景场，在距离半径和时间半径之内寻找最优匹配径向速度值；
(4)结合多普勒天气雷达站点地理信息，根据所述步骤(3)得到的最优匹配径向速度值和地面风向，计算出高层风；
(5)按照所需评估的时间从所述步骤(1)得到的拟合曲线中选择具体的风速拟合曲线，再结合所述步骤(4)得到的高层风，依据拟合曲线计算近地面第一风速区间的分布；
(6)根据所述步骤(2)得到的拟合曲线，计算第二风速区间的分布，再结合所述步骤(5)得到的第一风速区间，从而得到完整的近地面不同高度风速分布范围。
2.根据权利要求1所述的一种近地面大风的计算方法，其特征在于：步骤(1)中，所述统计铁塔和风廓线雷达各自探测风速随高度的分月逐时分布状况，并拟合得到各时段风速曲线，是按照铁塔统计拟合10～200m区间、风廓线雷达统计拟合200～1000m区间分别进行计算，按照分月逐时共计得到576条风速拟合曲线。
3.根据权利要求1所述的一种近地面大风的计算方法，其特征在于：步骤(2)中，所述经过风廓线雷达和铁塔的历史大风个例为经过风廓线雷达站点和铁塔站点的历史大风个例。
4.根据权利要求1所述的一种近地面大风的计算方法，其特征在于：所述步骤(3)中，所述距离半径和时间半径按照具体的评估精度要求设置。
5.根据权利要求1所述的一种近地面大风的计算方法，其特征在于：步骤(3)中，所述寻找最优匹配径向速度值的寻找方法是在综合考虑时间半径与距离半径的前提下，搜索径向风数据文件中的径向风速度最大值。
6.根据权利要求1所述的一种近地面大风的计算方法，其特征在于：步骤(4)中，使用的雷达径向风数据已经过退模糊处理，并且假设地面至1km高度之间风向近似相同，结合地面风向，计算出高层风。
7.根据权利要求1所述的一种近地面大风的计算方法，其特征在于：步骤(5)中，计算近地面第一风速区间的分布，是依据所需评估的时间，从步骤(1)中获得的分月逐时分高度区间的576条风速拟合曲线中选取两条拟合廓线计算近地面风速第一区间的风速Vn1，计算公式如下：
Vn1＝V1-(VT1(h1)-VD1(h2))
其中，V1为高层风速，VT1为步骤(1)获得的拟合风速曲线上对应评估地点雷达径向风高度h1处的风速，VD1为步骤(1)获得的拟合风速曲线上对应近地面高度h2处的风速。
8.根据权利要求1所述的一种近地面大风的计算方法，其特征在于：步骤(6)中，所述第二风速区间的风速Vn2计算公式如下：
Vn2＝V2-(VT2(h1)-VD2(h2))
其中，V2为在相应径向风数据文件中的寻找的径向风速度最大值，VT2为步骤(2)获得的拟合风廓线上高度h1处对应评估地雷达径向风高度处的风速，VD2为步骤(2)获得的拟合风廓线上近地面高度h2处的风速；
所述完整的近地面高度h2高度处风速分布区间为：
[min(Vn1,Vn2),max(Vn1,Vn2)]
其中，min为求最小值函数，max为求最大值函数；选取不同h2，即可得到近地面不同高度风速分布范围。
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