CN105068157B - 对边界层风廓线雷达探测风速风向数据精度的验证方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种对边界层风廓线雷达探测风速风向数据精度的验证方法，该方法包括步骤S1：从系留气球搭载的风速风向测量设备，获取风速风向测量设备长时间探测区域上方的某一高度的风速风向数据；步骤S2：在探测区域布置边界层风廓线雷达，从边界层风廓线雷达，获取与风速风向测量设备相同高度的实时风廓线数据；步骤S3：计算不同高度下风廓线数据与风速风向计数据的均方误差，实现对风廓线雷达在某一高度探测风速风向数据精度的验证。本发明系留气球系统能快速部署，升空高度覆盖常规边界层风廓线探测高度，高度升降操作灵活，能长时间精确测量固定范围内的风速风向数据且准确性较高，无需大量改装，降低成本验证，提高数据验证的准确性。

Description

对边界层风廓线雷达探测风速风向数据精度的验证方法

技术领域

本发明属于气象探测技术领域，尤其是一种对边界层风廓线雷达探测风速风向数据精度的验证方法，用于风廓线雷达的重要技术指标——水平风速风向精度的验证，实现了该项技术指标验证的准确性与便捷性。

背景技术

边界层风廓线雷达属于低空气象探测的新型设备，利用不同波束的无线电回波计算雷达正顶一定高度椎体范围内的水平风速风向及垂直气流。其中水平风速风向的测量精度是最为重要的探测指标。实际验证过程中，如何获取雷达正顶一定高度椎体范围内的水平风速风向较为困难。

目前风廓线雷达风速风向数据验证主要采取探空球验证的方法。探空球携带无线电经纬仪或GPS，利用其质量轻、随风飘的特点，其水平速度与方向即为对应点的水平风速与风向。通过发放大量探空球，选定有效球的方式，在一定范围内可验证风廓线雷达风速风向数据的准确性。在实际操作中，由于探空球无法控制，存在水平风速较大时无法准确反应雷达正顶椎体范围内风速风向的问题，并且本身由于单摆效应等原因，探空球获取的风速数据存在一定误差。

气象上也常用高塔测风的方法进行精度比对。利用高塔测风需要建设一个高度较高的铁塔，将风速风向传感器放置在铁塔的各个高度层，对固定高度的测点具有较高的准确性，但存在测点高度有限、成本较高、维护困难等问题。

系留气球是一种无动力飞行器。气球用系缆与地面设施连接，球体内充氦气，依靠浮力悬停在空中。系留气球具备部署简单灵活，可通过调节系缆长度准确控制浮空高度，滞空时间长，便于搭载各种小型仪器测量设备，成本较低等特点。利用其自身特点，作为边界层风廓线雷达风速探测数据验证的验证设备具有诸多优势。

目前风廓线雷达风速风向数据验证存在验证成本偏高、时间跨度较长、准确度较差等问题，现有方法主要为探空球验证法和高塔验证法，但这两者均存在一些问题。

如图1示出现有使用探空球验证风廓线雷达风速风向的示意图，在实际操作中，由于探空球无法控制，存在水平风速较大时无法准确反应风廓线雷达正顶椎体范围内风速风向的问题，探空球没有位于探测范围内，使得探空球出现图1中示出可能的飞行轨迹，并且本身由于单摆效应等原因，造成探空球获取的风速数据存在一定误差。

如图2示出现有技术利用高塔侧风验证风廓线雷达风速风向的示意图，一般高塔测风法只能测某几个高度层的风速风向，灵活性较差，图2中示出风速风向计位于高塔0-300米的某些高度，而且高塔的高度一般都有限制，高塔很难达到数百米以上的高度，由于高塔的建设成本较高，高塔存在维护成本较高且相对困难等问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于现有风廓线雷达风速风向数据验证存在验证成本偏高、时间跨度较长、获取的风速数据准确度较差等问题，本发明的主要目的在于提供一种基于小型系留气球系统对边界层风廓线雷达探测风速风向数据精度的验证方法，以实现便捷准确的风廓线雷达风速数据验证。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明第一方面提供一种对边界层风廓线雷达探测风速风向数据精度的验证方法，该方法包括步骤如下：

步骤1：从系留气球搭载的风速风向测量设备，获取风速风向测量设备长时间探测区域上方的某一高度的风速风向数据；

步骤2：在探测区域布置边界层风廓线雷达，从边界层风廓线雷达，获取与风速风向测量设备相同高度的实时风廓线数据；

步骤3：计算不同高度下风廓线数据与风速风向计数据的均方误差，实现对风廓线雷达在某一高度探测风速风向数据精度的验证。

为达到上述目的，本发明第二方面再提供一种对边界层风廓线雷达风速风向探测数据精度的验证方法，在大风情况下该方法包括步骤如下：

步骤S2a：安装设备；

步骤S2b：根据气压计数据反推系留气球离地高度，通过调节系缆长度令系留气球离地第一高度，读取设定时间内风速风向数据；

步骤S2c：整理该设定时间段内风廓线雷达探测数据，得到该设定时间段内第一高度下的风速风向数据；

步骤S2d：调节系缆长度，令系留气球升高第二高度，读取该设定时间段内的风速风向数据，整理风廓线雷达数据得到对应高度与该设定时间段内的风速风向数据；

步骤S2e：重复步骤S2d，直至达到风廓线雷达测量范围或系留气球系缆最长位置；

步骤S2f：计算不同高度下风廓线数据与风速风向计数据的均方误差，判断风廓线雷达该时间段在该点的数据准确性；

步骤S2g：移动锚泊设施至风廓线雷达上风向相距一距离，调节系缆长度令系留气球离地第三高度，再次进行风速风向数据验证。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1.本发明提供的基于小型系留球系统的对边界层风廓线雷达探测风速风向数据验证的方法，利用系留气球系统可定点悬浮，升空高度较高，高度升降操作灵活等特点，可以方便的对边界层风廓线雷达探测风速风向数据进行验证，相比采用探空球验证的方法，该方法快速便捷，定点性能高，可准确验证风速风向数据。对于系留气球系统无需专门改装，大大降低了验证成本和测试时间。

2.本发明提供的这种基于小型系留球系统的对边界层风廓线雷达探测风速风向数据验证的方法，使用了系留气球平台获取不同高度的风速风向数据，相对于高塔测风验证的方法，该方法高度操作灵活，测量高度上限高，验证成本低廉，所以具有很高的实用价值。

3.本发明提供的这种基于小型系留球系统的对边界层风廓线雷达探测风速风向数据验证的方法，该方法可用于边界层风廓线雷达出厂测试时对风速风向数据的验证，可用于风廓线雷达更换使用地点后对风速风向数据准确度的验证。

4.本发明提供的这种基于小型系留球系统的对边界层风廓线雷达探测风速风向数据验证的方法，该方法可用于大风情况下风廓线雷达的数据验证，解决了长期风大区域布设的风廓线雷达难以验证的技术问题。

附图说明

图1是现有技术使用探空球验证风廓线雷达风速风向的示意图。

图2是现有技术利用高塔侧风验证风廓线雷达风速风向示意图。

图3是本发明对边界层风廓线雷达探测风速风向数据精度的验证方法的流程图。

图4是本发明提供的基于系留气球系统验证风廓线雷达风速风向的对边界层风廓线雷达探测风速风向数据精度的验证设备示意图。

图5本发明是风廓线雷达测量范围示意图。

图6本发明利用系留气球探测某高度风速风向数据的示意图。

图7是本发明出现大风情况下对边界层风廓线雷达探测风速风向数据精度的验证设备的示意图。

图8是本发明出现大风情况下对边界层风廓线雷达探测风速风向数据精度的验证方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

请参阅图3本发明对边界层风廓线雷达风速风向探测数据精度的验证方法的流程图，实施该方法包括步骤如下：

步骤1：从系留气球搭载的风速风向测量设备，获取风速风向测量设备长时间探测区域上方的某一高度的风速风向数据；

步骤2：在探测区域布置边界层风廓线雷达，从边界层风廓线雷达，获取与风速风向测量设备相同高度的实时风廓线数据；

步骤3：计算不同高度下风廓线数据与风速风向计数据的均方误差，实现对风廓线雷达在某一高度探测风速风向数据精度的验证。

实施例1：

本发明使用系留气球搭载的风速风向测量设备获取风速风向数据；通过收放系留气球的系缆，对所述系留气球升降，调整改变所搭载的风速风向测量设备的高度，从而获取不同高度下的风速风向数据。从风廓线雷达获取的风速风向数据提取不同高度一时间段内的风速风向数据，与系留气球搭载的风速风向测量设备获取的数据进行对比，计算不同高度的均方误差，得到风廓线雷达风速风向数据探测精度。与风廓线雷达本身指标对比从而得到风廓线雷达精度指标是否符合技术指标要求。将从边界层风廓线雷达获取的不同高度的实时风廓线数据与前者对比；计算风廓线数据的误差，以验证其探测精度。从所述风速风向数据获取系留气球升空高度。利用所述风速风向测量设备获取风速风向测量值。

本发明是利用系留气球系统工作可靠、部署简单灵活以及能够长时间定点悬停的特点，搭载风速风向测量仪器、气压测量仪器，长时间探测某区域上方一定高度范围内风速风向，与布置于该地点的边界层风廓线雷达探测数据进行对比验证，实现边界层风廓线雷达风速风向数据的验证。在介绍本发明提供的用于边界层风廓线雷达测量风速精度进行验证的方法之前，下面首先对边界层风廓线雷达、系留气球系统进行简要描述。

1.1系留气球系统

系留气球系统是一种无动力气球飞行器。气球用系缆与地面设施连接，球体内充氦气，依靠浮力悬停在空中。

1.2边界层风廓线雷达

边界层风廓线雷达用于测量雷达放置区域正顶锥形范围内一定高度的风速风向以及垂直气流，实现对固定区域的长时间风场数据累计测量，一般探测的椎体角度不超过30°，即正顶倾斜角不超过15°。

请参阅图4示出本发明方法所述使用的对边界层风廓线雷达风速探测数据精度的验证设备包括：基于边界层风廓线雷达(图5示出)和小型系留气球系统(图6示出)，其中：

请参阅图5示出本发明中的风廓线雷达固定安装完成后的风廓线雷达的探测范围、风廓线雷达的正顶位置及风廓线雷达的探测角度。所述探测范围100米-3000米，探测角度为30度。利用超声波多普勒效应，通过风廓线雷达回波探测正顶区域内的气团运动规律，能够测得风廓线雷达上方椎体范围内的风速风向以及垂直气流。

请参阅图6所示本发明中利用系留气球系统探测某高度风速风向数据的结构示意图。该系留气球系统由气压计、GPS、风速风向计、球体、系缆、地面锚泊设施、压控系统、供电等主要部分组成。球体为全柔性结构，由复合高分子材料制成，内部分为主气囊和副气囊，主气囊内重氦气提供浮力，压控系统控制副气囊内空气含量使球体始终保持一球体外形与刚性。利用系缆调节系留气球高度，通过气压计数据或GPS数据反推系留气球高度，从而得到不同高度的风速风向数据。系留气球系统的工作高度取决与气球体积、载荷重量与系缆重量等因素，一般可升空数百米至3000米高。并具有一定的抗风能力，一般可抗5、6级风。

系留气球系统与其他飞行器相比，系留气球系统具有滞空时间长、定点悬停能力强、搭载测量设备重量大、部署简单灵活、造价维护费用较低等特点。

所述风廓线雷达开启，获取一定时间段内风廓线数据。将风廓线雷达获取的风速风向数据重新整理是将风廓线雷达探测到的数据以时间为轴线，同时得到不同高度层的风速风向数据，探测到的一时间段内的风速风向数据以文本形式储存于计算机中，并通过数据分析软件(如Matlab等)，得到以高度为轴线的风速数据，即提取某一高度下一时间段内的风速风向数据。

利用所述系留气球搭载的测量设备中的气压计与风速风向计测得不同高度风速风向。由于风廓线雷达本身具有电磁兼容设计，不会对周围设备产生大量电磁干扰，因此无需远离风廓线雷达布置系留气球系统。利用系缆调节系留气球高度，通过气压计数据或GPS数据反推系留气球高度，从而得到不同高度的风速风向数据，具体过程如下。

由气压计测得的气压值为P₁，标准大气压为P₀，测试地点海拔高度为H₀，利用3公里海拔以内近似计算公式，得到系留气球高度H₁为H₁＝(P₀-P₁)/10-H₀，式中气压单位为kPa，高度单位为km。或者根据球载GPS直接得到海拔高度H，也可得到系留气球高度H₁为：H₁＝H-H₀。调整H₁为风廓线数据中出现的高度，记录风速风向数据。

计算不同高度下风廓线数据与风速风向数据的均方误差，即得到风廓线雷达在某一固定高度探测风速风向数据的精度。当水平风速较大时，系留气球会产生较大水平位移，同样存在超出风廓线雷达探测范围的问题。首先预估系留气球可能水平位移，以15m/s的水平风速为例(一般系留气球升空的抗风能力最多可达到抗24m/s的风)，升空高度1000m，水平偏移距离大约为500米。如果需要探测15m/s的风速，只需将地面锚泊设施固定于风廓线雷达上风向500m处，进行数据精度验证。

实施例2：

请参阅图7所示在大风情况下，本发明方法所述使用的对边界层风廓线雷达风速探测数据精度的验证设备，基于小型系留气球系统的边界层风廓线雷达风速风向探测数据精度的验证进行详细说明，该方法的具体实施步骤包括：

步骤S2a：安装设备

安装风廓线雷达，固定系留气球锚泊设施，将气压计、风速风向计等仪器设备搭载在系留气球上并地面锚泊设备；

步骤S2b：根据气压计数据反推系留气球离地高度，通过调节系缆长度令系留气球离地第一高度为100米左右，读取设定时间段为1小时内风速风向数据；

步骤S2c：整理该设定时间段内风廓线雷达探测数据，得到该设定时间段为1小时内第一高度为100米高度下的风速风向数据；

步骤S2d：调节系缆长度，令系留气球升高第二高度为100米，读取该设定时间段内为1小时风速风向数据，整理风廓线雷达数据得到对应高度与该设定时间段内的风速风向数据；

步骤S2e：重复步骤S2d，直至达到风廓线雷达测量范围或系留气球系缆最长位置；

步骤S2f：计算不同高度下风廓线数据与风速风向计数据的均方误差，判断风廓线雷达该时间段在该点的数据准确性。如果在某一高度出现较大风速(这里以1000米高度出现15m/s风速为例)，使系留气球偏移出风廓线雷达锥面，可相应进行步骤S2g操作；

步骤S2g：移动锚泊设施至风廓线雷达上风向相距500米地方，调节系缆长度令系留气球离地第三高度为1000米左右，再次进行风速风向数据验证。如需验证不同高度的风速风向数据，可根据预估调整地面锚泊设施位置，保证系留气球位于风廓线雷达探测范围中心区域；

步骤S2h：综合步骤S2b至步骤S2g的测试结果，计算不同高度测风的均方根误差，评价风廓线雷达探测风速风向数据的精度。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所属仅为本发明的具体实施范例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种对边界层风廓线雷达风速风向探测数据精度的验证方法，该方法包括步骤如下：

步骤1：从系留气球搭载的风速风向测量设备，获取风速风向测量设备长时间探测区域上方的某一高度的风速风向数据；

步骤2：在探测区域布置边界层风廓线雷达，从边界层风廓线雷达，获取与风速风向测量设备相同高度的实时风廓线数据；

步骤3：计算不同高度下风廓线数据与风速风向测量设备获取的数据的均方误差，实现对风廓线雷达在某一高度探测风速风向数据精度的验证，包括：从风廓线雷达获取的风廓线数据提取不同高度一时间段内的风速风向数据，与系留气球搭载的风速风向测量设备获取的数据进行对比，计算不同高度的均方误差，得到风廓线雷达风速风向数据探测精度；将风廓线雷达风速风向数据探测精度与风廓线雷达本身指标对比从而得到风廓线雷达精度指标是否符合技术指标要求。

2.根据权利要求1所述的对边界层风廓线雷达风速风向探测数据精度的验证方法，其特征在于，升降所述系留气球，用于改变所搭载的风速风向测量设备高度，获得不同高度的风速风向数据。

3.根据权利要求1所述的对边界层风廓线雷达风速风向探测数据精度的验证方法，其特征在于，从所述风速风向数据获取系留气球升空高度。

4.根据权利要求1所述的对边界层风廓线雷达风速风向探测数据精度的验证方法，其特征在于，利用所述风速风向测量设备获取风速风向测量值。

5.根据权利要求1所述的对边界层风廓线雷达风速风向探测数据精度的验证方法，其特征在于，所述风速风向数据是以文本形式储存于计算机中。

6.根据权利要求1所述的对边界层风廓线雷达风速风向探测数据精度的验证方法，其特征在于，利用系缆调节系留气球高度，通过气压计数据或GPS数据反推系留气球高度，从而得到不同高度的风速风向数据。

7.一种对边界层风廓线雷达风速风向探测数据精度的验证方法，在大风情况下该方法包括步骤如下：

步骤S2a：安装设备；

步骤S2b：根据气压计数据反推系留气球离地高度，通过调节系缆长度令系留气球离地第一高度，读取设定时间内系留气球搭载的风速风向测量设备获取的风速风向数据；

步骤S2c：整理该设定时间段内风廓线雷达探测数据，得到该设定时间段内第一高度下的风速风向数据；

步骤S2d：调节系缆长度，令系留气球升高第二高度，读取该设定时间段内系留气球搭载的风速风向测量设备获取的风速风向数据，整理风廓线雷达数据得到对应高度与该设定时间段内的风速风向数据；

步骤S2e：重复步骤S2d，直至达到风廓线雷达测量范围或系留气球系缆最长位置；

步骤S2f：计算不同系留气球离地高度下风廓线雷达获取的风速风向数据与风速风向测量设备获取的数据的均方误差，判断风廓线雷达该时间段在该系留气球离地高度的数据准确性；

步骤S2g：移动锚泊设施至风廓线雷达上风向相距一距离，调节系缆长度令系留气球离地第三高度，再次进行风速风向数据验证。

8.根据权利要求7所述的验证方法，其特征在于，在需要验证不同高度的风速风向数据时，根据预估调整地面锚泊设施位置，保证系留气球位于风廓线雷达探测范围中心区域。