CN106324601A - 一种基于风廓线雷达组网的三维风场反演方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于风廓线雷达组网的三维风场反演方法，该方法包括：步骤1，搭建多部风廓线雷达并进行组网；步骤2，组网中的各部风廓线雷达采集接收回波信号，并将收集到的回波信号进行数据处理得到气流速度矢量；步骤3，将所述步骤2中的气流速度矢量用插值的计算方法来进行三维空间内各点的计算。本发明通过三维风场的反演方法来解决目前现有技术的问题，气流的速度矢量的空间尺度小，精度高。可以用于小尺度的风切变的探测，或者结合其他气象要素进行小尺度数值天气预报。对垂直方向的风切变进行探测预警，提高了对下击暴流、阵风峰等天气的预警能力。

Description

一种基于风廓线雷达组网的三维风场反演方法

技术领域

本发明涉及一种三维空间内各点的气流速度矢量的计算(反演)方法；具体指多部风廓线雷达组网探测时，通过融合各雷达测量数据，利用插值法计算(反演)非雷达所在位置的气流速度矢量，是一种基于风廓线雷达组网的三维风场方法。

背景技术

目前，大、中尺度风场信息主要通过将静止卫星、极轨卫星、天气雷达、风廓线雷达、无线电测风仪、民航传感器等多种设备的探测数据融入数值天气预报模型(NWP)得到，小尺度风场信息主要通过低空风切变预警系统(LLWAS)收集。NWP提供的风场通常结合其它气象要素，用于恶劣天气监测预报；空间尺度较大，反映某地区的平均风场情况，难以探测小尺度湍流、风切变等现象。LLWAS基于地面风传感器网络，用于机场风切变预警，不能提供不同高度的风场信息。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有设备不能够同时兼顾较小的空间探尺度和不同的探测高度，同时无法探测到除雷达上方以外其他的空间点的风场信息。提供一种基于风廓线雷达组网的三维风场反演方法，用于解决上述的技术问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于风廓线雷达组网的三维风场反演方法，该方法的步骤包括：

步骤1，搭建多部(至少四部)风廓线雷达并进行组网；

步骤2，组网中的各部风廓线雷达接收回波信号，并将收集到的回波信号进行数据处理得到气流速度矢量；

步骤3，将所述步骤2中的气流速度矢量用插值的计算方法来进行三维空间内各点的计算。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步地，所述步骤1中，搭建多部风廓线雷达并进行组网的具体方法为：组网中至少包含四部距离门数量相同(各雷达的中波束的采样点数量相同)的风廓线雷达。

进一步地，所述步骤1中，搭建多部风廓线雷达并进行组网，其中至少一部雷达与其它雷达在高度上存在大于20m、小于50m的间距。

进一步地，所述步骤1中，搭建多部风廓线雷达并进行组网，任意三部雷达的布设位置不共线，且组网中的任意四部雷达构成凸四边形，该四边形涵盖探测范围的全境。

进一步地，所述步骤2中，其步骤包括：

步骤21，组网中所有雷达的相同指向的波束同时探测、同时切换；若各雷达间距在5km以下，则同步波束控制是通过利用自检信号接小天线发射同步信号来实现，或利用有线/无线线路传输同步信号实现；

步骤22，组网中的各部风廓线雷达接收回波后经数据处理得到各自本机上方不同距离门的气流速度矢量。

采用上述进一步方案的有益效果是：为步骤3插值提供输入参数，单部雷达测得的本机上方的气流速度矢量经过步骤3得到非雷达所在地点的气流速度矢量。

进一步地，所述步骤3，该插值的计算方法为：

局地线性风场假设指有限封闭三维空间中任意两点A(x_A,y_A,z_A)、O(x_o,y_o,z_o)间的气流速度矢量V_A、V_O可以互相线性表示，即若设V_A＝(u_A,v_A,w_A)^T、V_O＝(u_O,v_O,w_O)，则用V_O表示V_A：V_A＝V_O+A·Δx，其中A为梯度矩阵，其第一个元素表示u在x方向的梯度，为常数，A的其余元素含义类推；Δx为两点间距矢量。通过该假设可以求得空间中任一点(凸四边形内)的气流速度矢量。

采用上述进一步方案的有益效果是：将风廓线雷达数据处理后得到的各雷达所在地点上空不同高度的气流速度矢量(x、y、z三个方向的风速分量)通过插值得到整个空间(凸四边形内任一点，包括雷达无法探测的中间地点)的风速分量。

本发明的有益效果是：

1)与NWP相比，本发明反演的气流速度矢量的空间尺度小，精度高，可以用于小尺度湍流、风切变的探测，或结合其它气象要素进行小尺度数值天气预报。

2)与LLWAS相比，本发明可以提供小尺度垂直气流速度，对垂直方向的风切变进行探测、预警，提高了对下击暴流、阵风峰等天气的预警能力。

本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。

附图说明

图1为本发明所述的方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。如图1所示本发明的目的是提供一种反演三维空间内各点气流速度矢量的方法，提升小尺度风场信息提取的精度。

一种基于风廓线雷达组网的三维风场反演方法，其具体的步骤为：

如图1步骤1搭建多部风廓线雷达并进行组网

根据2010年9月民航局《民用航空气象探测环境管理办法》第二十条，风廓线雷达探测环境应符合：a.雷达四周的障碍物对探测系统天线形成的遮蔽仰角小于30度；b.建设场地尽量远离高大建筑物、大树、山坡等遮蔽物，尽可能远离强电场、磁场物体，例如高压线、变电器、其他发射天线等。2012年4月民航局空管办《民用航空机场气象台建设指南》第四十八条对a中仰角的计算进行了明确：以天线反射面中心点为基准点，反射平面为基准平面，并继续规定了：c.风廓线雷达的天线及雷达附属设施不应穿透仪表着陆系统的基本ILS评价面。

组网中须至少包含四部距离门数量相同的风廓线雷达，任意三部雷达的布设位置不共线、参与计算的四部雷达(见第三步)的布设位置构成凸四边形、四部雷达中的至少有一部与另外几部的海拔存在大于20m、小于50m的差别。

如图1步骤2组网中的各部风廓线雷达接收回波信号，并将收集到的回波信号进行数据处理得到气流速度矢量

为保证参与数据融合的各雷达采集到相同时刻的风场信息，组网中所有雷达的相同指向的波束同时探测、同时切换；即若五波束风廓线雷达的波束扫描顺序为：中前右后左，则所有雷达同时使用中波束探测，驻留时间后，所有雷达同时切换为前波束探测，驻留时间后再统一切换为右波束，依次类推)。若各雷达间距较近(5km以下)，则同步波束控制可以利用自检信号接小天线发射同步信号实现，或利用有线/无线线路传输同步信号实现。

各部风廓线雷达接收回波后经数据处理得到各自本机上方不同距离门的气流速度矢量(x、y、z三个方向的风速分量)。

在风廓线雷达数据处理过程完成后开展工作，将已得到的各部雷达所在地点上空不同高度的三个方向的风速分量通过插值得到整个空间(包括雷达无法探测的中间地点)的风速分量。

如图1步骤3将步骤2得到的各雷达上方的气流速度矢量用插值的方法计算三维空间内各点的气流速度矢量

三维风场的定义是三维空间中任一点气流速度矢量(x、y、z三个方向的风速分量)。

通过水平均匀分层局地线性风场假设融合组网中各风廓线雷达的数据。水平均匀分层指组网中各雷达相同的距离门所确定的平面；由于雷达间存在海拔差异，故严格地说该平面与地面不平行；但组网中雷达间距多为km量级，雷达间不到50m的海拔差异可以忽略；即仍可近似认为该平面与地面平行，局地线性风场假设指有限封闭三维空间中任意两点A(x_A,y_A,z_A)、O(x_o,y_o,z_o)间的气流速度矢量V_A、V_O可以互相线性表示，即若设V_A＝(u_A,v_A,w_A)^T、V_O＝(u_O,v_O,w_O)，则用V_O表示V_A：

V_A＝V_O+A·Δx，展开为：

$\left[\begin{array}{c}{u}_A\\ v_A\\ w_A\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{u}_o\\ v_A\\ w_o\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}{u}_x& u_y& u_z\\ v_x& v_y& v_z\\ w_x& w_y& w_z\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{x}_A-x_o\\ y_A-y_o\\ z_A-z_o\end{array}\right]$

其中A为梯度矩阵，表示u在x方向的梯度，为常数，A的其余元素含义类推，Δx为两点间距矢量。

假设组网中共四部雷达A、B、C、D，布设位置构成正方形。在四雷达的第i个距离门确定的平面上(正方形内)选择点O，借助式(1)用点O的气流速度矢量分别表示A、B、C、D四雷达第i个距离门的气流速度矢量，构成12个方程，未知数为O点的气流速度矢量(共3个分量)和梯度矩阵A(共9个元素)，共12个；联立求解后，第i个距离门所确定的平面上(正方形内)的任一所求点均可通过将点O(或A、B、C、D四雷达中任一部的第i个距离门)的气流速度矢量和梯度矩阵A代回式(1)求解。

对于第i个距离门所确定的平面和第i+1个距离门所确定的平面之间的所求点，须分别用两个距离门重复上述求解方程和迭代的过程，以两个结果的均值作为该所求点的气流速度矢量。

四雷达所构成的正方形以外的区域不保证满足水平均匀分层局地线性风场假设，故所求点距离雷达越远，使用上述方法得到的气流速度矢量与实际偏差越大。

若组网中雷达超过四部，则视所求点位置选择a.距其最近、b.布设位置构成凸四边形、c.其中至少一部与其它几部间存在海拔差异的四部雷达求解气流速度矢量。

在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种基于风廓线雷达组网的三维风场反演方法，其特征在于，该方法步骤包括：

步骤1，搭建多部风廓线雷达并进行组网；

步骤2，组网中的各部风廓线雷达接收回波信号，并将收集到的回波信号进行数据处理，得到气流速度矢量；

步骤3，将所述步骤2中的气流速度矢量用插值的计算方法进行三维空间内各点的计算。

2.根据权利要求1所述的一种基于风廓线雷达组网的三维风场反演方法，其特征在于，所述的步骤1搭建多部风廓线雷达并进行组网，包括：组网中至少包含四部距离门数量相同的风廓线雷达。

3.根据权利要求1所述的一种基于风廓线雷达组网的三维风场反演方法，其特征在于，所述的步骤1搭建多部风廓线雷达并进行组网，其中至少一部雷达与其它雷达在高度上存在大于20m、小于50m的间距。

4.根据权利要求1所述的一种基于风廓线雷达组网的三维风场反演方法，其特征在于，所述的步骤1搭建多部风廓线雷达并进行组网，任意三部雷达的布设位置不共线，且组网中的任意四部雷达构成凸四边形，该四边形涵盖探测空间的全部范围。

5.根据权利要求1中所述的一种基于风廓线雷达组网的三维风场反演方法，其特征在于，所述步骤2，该步骤还包括：

步骤21，组网中所有雷达的相同指向的波束同时探测、同时切换；若各雷达间距在5km以下，则同步波束控制是通过利用自检信号接小天线发射同步信号来实现，或利用有线/无线线路传输同步信号实现；

步骤22，组网中的各部风廓线雷达接收回波后经数据处理得到各自本机上方不同距离门的气流速度矢量。

6.根据权利要求1中所述的一种基于风廓线雷达组网的三维风场反演方法，其特征在于，所述步骤3，该插值的计算方法具体为：

局地线性风场假设指有限封闭三维空间中任意两点A(x_A,y_A,z_A)、O(x_o,y_o,z_o)间的气流速度矢量V_A、V_O可以互相线性表示，即若设V_A＝(u_A,v_A,w_A)^T、V_O＝(u_O,v_O,w_O)，则用V_O表示V_A：V_A＝V_O+A·Δx，其中A为梯度矩阵，其第一个元素表示u在x方向的梯度，为常数，A的其余元素含义类推，Δx为两点间距矢量，通过该假设可以求得空间中的气流速度矢量。

7.根据权利要求6所述一种基于风廓线雷达组网的三维风场反演方法，其特征在于，所述A为梯度矩阵，该矩阵的具体为展开为:

$\left[\begin{array}{c}{u}_A\\ v_A\\ w_A\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{u}_o\\ v_A\\ w_o\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}{u}_x& u_y& u_z\\ v_x& v_y& v_z\\ w_x& w_y& w_z\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{x}_A-x_o\\ y_A-y_o\\ z_A-z_o\end{array}\right].$