CN106443678B - 利用风廓线雷达和rass的大气波导监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种利用风廓线雷达及RASS系统的大气波导监测方法，能够有效的利用风廓线雷达和RASS监测表面和抬升波导，给出大气波导的类型及其特征值。在实际使用过程中，能够连续不间断监测表面和抬升波导，不需要探空设备，没用损耗器材，降低测量的费用，而且相对传统的探空方法操作简单，测量速度快。

Description

利用风廓线雷达和RASS的大气波导监测方法

技术领域

本发明涉及一种大气波导监测方法，尤其涉及一种采用风廓线雷达和RASS测量数据计算大气波导的方法。涉及专利分类号G01测量；测试G01S无线电定向；无线电导航；采用无线电波测距或测速；采用无线电波的反射或再辐射的定位或存在检测；采用其他波的类似装置G01S13/00使用无线电波的反射或再辐射的系统，例如雷达系统；利用波的性质或波长是无关的或未指明的波的反射或再辐射的类似系统G01S13/88专适用于特定应用的雷达或类似系统。

背景技术

大气波导中的表面波导和抬升波导的监测普遍采用探空设备测量温、湿、压计算大气修正折射率得到，这些探空设备有探空气球、探空系留气艇、探空小火箭等；Sengupta,N.和Glover,I.A.(2005)采用非探空的方法，利用风廓线雷达和辐射计反演表面波导和抬升波导，具体方法是，采用风廓线雷达测量大气位势折射率梯度，采用辐射计测量位温，利用大气位势折射率梯度能够初步判断是否存在大气波导。

采用探空设备的缺点是不能连续监测表面波导和抬升波导，而且测量费时、损耗大，操作比较麻烦；Sengupta,N.和Glover,I.A.(2005)使用的方法只给出大气波导是否出现，没有给出大气波导特征值，包括大气波导的强度、高度、厚度等，另外，大气位势折射率梯度完全是由风廓线雷达测量值计算得到，其反演的准确性较低，尤其是在近地面处，计算结果偏差很大。

发明内容

针对以上问题的提出，本发明公开的一种利用风廓线雷达和RASS的大气波导监测方法，包括如下步骤：—采用RASS系统测量大气虚温廓线；采用风廓线雷达得到当前位置的垂直风速w和谱宽；使用垂直风速w对虚温T_v进行修正；根据当前的位温θ和高度z计算得出布维频率N；

—根据修正的谱宽和布维频率计算当前大气的湍流耗散率ε；进而计算大气湍流结构常数根据谱宽、布维频率和大气湍流结构常数计算出当前大气折射率梯度

—计算大气修正折射率M，建立该修正折射率与所述的大气折射率梯度的关系：

当或时，表明当前出现大气出现陷获折射，该层大气为陷获层，判定当前出现大气波导。

作为优选的实施方式，对于当前出现的大气波导的强度为：

ΔM＝M₂-M₁

其中M₂为陷获层顶层的大气修正折射率，M₁为陷获层底层大气修正折射率，M₂所对应的高度为波导顶部高度，在大气修正折射率垂直廓线M₂处作垂直于地面的直线，交于大气修正折射率廓线上，该交点对应的高度为大气波导底部高度，大气波导厚度为波导顶部高度与波导底部高度的差值。

作为优选的实施方式，所述的虚温修正过程如下：

—利用风廓线雷达测量的虚温T_v计算出声速，再利用下式修正虚温，

w为垂直风速，单位为m/s，其可由风廓线雷达测量，其符号向上为“‐”，向下为“+”；由于声源向外传播，定义c_a的符号为“‐”。

作为优选的实施方式，所述的布维频率N的计算方法利用如下公式：

θ为位温，z为高度，g＝9.8m/s²为重力加速度，θ由虚温T_v近似计算得到，

p₀为1000hPa，p为不同高度处的大气压，其可由压高公式计算得到，

h为与气压p所对应的高度，h₀为p₀处的高度，T为h与h₀间的平均位温。

作为优选的实施方式，所述的湍流耗散率ε为表征湍流强弱的重要参数，湍流耗散率ε与谱宽σ²之间的关系为ε＝bNσ²，其中N为布维频率，b为无量纲常数，b≈α₁ ^-3/2≈0.5，α₁为柯尔莫戈洛夫常数。

更进一步的，所述修正的谱宽为风廓线雷达测量的谱宽去除风切变、波束有限宽度和数据处理过程中引起的谱宽值后的修正值：

其中为风廓线雷达测量到的谱宽值，分别为由风切变、波束有限宽度和数据处理过程中引起的谱宽值。

更进一步的，所述的风切变和波束有限宽度引起的谱宽计算过程如下：

其中，为风切变引起的谱宽，为波束有限宽度引起的谱宽；θ_0.5是波束半宽度，α是波束的天顶角，风廓线雷达垂直波束为0°，倾斜波束为14.8°，u是距离雷达R处的水平风速，是距离雷达R处的水平风速的垂直切变，ΔR为距离分辨率。

更进一步的，所述数据处理引起的谱宽

作为优选的实施方式，所述风廓线雷达通过真实大气的信噪比来对未作积累时的返回信号功率P_r进行计算：

P_n是雷达接收机的噪声功率，可由实测的系统噪声系数N_f来近似估算：

P_n＝KT₀B₀N_f

其中K＝1.38×10^-23是玻尔兹曼常数，T₀是用绝对温度表示的雷达系统噪声温度，B₀为接收机的带宽，因此，大气湍流结构常数的估算方程为

该式中G为系统增益、L为系统馈线损耗、λ为雷达波长，θ为雷达波束宽度，h为距离库长，可转换成，其中C与雷达的技术参数有关。

更进一步的，通过大气折射率梯度与大气折射指数垂直梯度的关系，

计算得出大气折射率梯度；大气折射指数梯度的计算公式如下：

符号的确定：大气返回信号谱宽、布维频率确定的绝对值，与N²存在一定的关系，利用N²的阈值方法可以确定的符号，根据对数据的统计分析，得到N²的阈值，N²小于该值，为正，反之为负；式中为大气折射指数垂直梯度，为大气湍流结构常数，ε为湍流耗散率，a为系数。

由于采用了上述技术方案，本发明能够利用风廓线雷达和RASS监测表面和抬升波导，给出大气波导的类型及其特征值。在实际使用过程中，能够连续不间断监测表面和抬升波导，不需要探空设备，没用损耗器材，降低测量的费用，而且相对传统的探空方法操作简单，测量速度快。

附图说明

为了更清楚的说明本发明的实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的大气折射指数梯度计算流程图。

图2为本发明的大气波导计算流程图。

图3为本发明实施例选取的2014年10月17日1915无线电探空仪测量数据及计算结果示意图，a为大气温度示意图、b为大气湿度示意图、c为大气修正折射率示意图。图中纵轴为高度，单位为：m。

图4为本发明实施例选取的2014年10月17日1738风廓线雷达+RASS系统测量数据的计算结果示意图，a为布维频率、b为湍流耗散率、c为大气湍流结构常数。

图5为本发明实施例中大气折射率梯度计算结果比较示意图

图6为本发明实施例大气波导诊断结果示意图

具体实施方式

为使本发明的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

一种利用风廓线雷达及RASS系统的大气波导监测方法，主要包括采用风廓线雷达测量的垂向风速修正RASS测量的大气虚温廓线；并使用虚温计算布维频率；采用风廓线雷达测量的谱宽和布维频率计算湍流耗散率；并结合湍流结构常数计算大气折射指数梯度，并根据N²的阈值方法确定的符号；以及，进行大气波导特征值的计算，包括大气波导的高度、厚度、强度，并给出大气波导的类型。

各步骤实现的具体方法如下：

如图1‐2所示，考虑到在某些大气湍流较强的环境中，由于存在垂直风速，将导致RASS测量虚温出现偏差，故作为优选的实施方式，采用风廓线雷达测量的垂直风速修正虚温廓线，提高虚温测量的精度。在本发明中所称的RASS系统特指Radio Acoustic SoundingSystem，即无线电声波探测系统。

(1)RASS测量的虚温修正

利用风廓线雷达测量的垂直风速对虚温进行修正，修正的方法是，利用测量的T_v计算出声速，再利用下式修正虚温，

w为垂直风速，单位为m/s，其可由风廓线雷达测量，其符号向上为“‐”，向下为“+”。由于声源向外传播，所以，c_a的符号为“‐”。

(2)布维频率计算

布维频率N(Brunt‐Vaisala频率)是一个与大气静力稳定度有关的参数，N值越大说明大气稳定度愈大，其可由下式计算，

θ为位温，z为高度，g＝9.8m/s²为重力加速度，θ可由虚温T_v近似计算得到，

p₀为1000hPa，p为不同高度处的大气压，其可由压高公式计算得到，

h为与气压p所对应的高度，h₀为p₀处的高度，在此T为h与h₀间的平均位温。

(3)湍流耗散率计算

湍流耗散率ε是表征湍流强弱的重要参数，湍流耗散率ε与谱宽σ²之间的关系为，

ε＝bNσ²

N为布维频率，b为一个无量纲常数，b≈α₁ ^-3/2≈0.5，α₁为柯尔莫戈洛夫常数。

谱宽σ²可由风廓线雷达直接测量得到。一般来说，影响速度谱宽的因子包括以下几个方面：

(1)大气的湍流运动；

(2)风切变；

(3)波束宽度；

(4)数据处理；

(5)镜式反射；

(6)不同直径的降水粒子产生的下落末速度的不均匀分布；

(7)重力波。

由于镜式反射通常只和稳定的大气层有关，在研究湍流时常常忽略它对谱宽的影响；

而在晴空大气条件下，降水粒子的下落末速度和重力波的影响也可以忽略。

因此，在研究晴空大气湍流时，测量谱宽的表达式为：

其中是雷达测量的谱宽(速度方差)，表示风切变引起的谱宽，表示波束宽度引起的谱宽，表示由于大气湍流引起的谱宽，表示由于数据处理引起的谱宽。

如果能够分别计算出风切变，波束有限宽度和数据处理引起的谱宽，并将它们从雷达测量的谱宽中消除，就能够得到大气湍流因素引起的谱宽值。

风切变和波束宽度引起的谱宽可写为，

其中，θ_0.5是波束半宽度，α是波束的天顶角，风廓线雷达垂直波束为0°，倾斜波束为14.8°，u是距离雷达R处的水平风速，是距离雷达R处的水平风速的垂直切变，ΔR为距离分辨率。

数据处理引起的谱宽直接使用S.Jacoby‐Koaly总结的4％的比例，即由此，可由下式计算，

将计算结果代入湍流耗散率计算公式，可以计算出湍流耗散率。

(4)湍流结构常数计算：

的值域在对流层内变化范围为10^‐13‐10^‐17，从底层到高层的呈指数分布，总体趋势随着高度的升高而下降，采用由信噪比计算湍流结构常数的方法。

理论上，在局地均匀、各向同性湍流的惯性子区内，描述晴空大气湍流运动对电磁波的后向散射能力用折射率结构常数表示，当雷达波处于湍流惯性子区时，散射截面与大气湍流结构常数之间的关系式为：

其中，λ为电磁波波长，单位为m，的单位为m‐2/3；η的单位为m‐1。大气湍流对电磁波的散射类似于云雨对电磁波的散射，为弥散目标，为方便对大气湍流返回信号功率的估算，引进了大气湍流散射的等效反射率因子Z_e；

进而导出风廓线雷达强度估算大气湍流结构常数的方法，

其中，P_t是雷达的发射功率，P_r是雷达的接收功率，R是距离(单位为m)，G为系统增益，L为系统馈线损耗，λ为雷达波长，θ为雷达波束宽度，h为距离库长。

风廓线雷达通过真实大气的信噪比来对未作积累时的返回信号功率P_r进行计算：

P_n是雷达接收机的噪声功率，可由实测的系统噪声系数N_f来近似估算：

P_n＝KT₀B₀N_f

其中K＝1.38×10^-23是玻尔兹曼常数，T₀是用绝对温度表示的雷达系统噪声温度，B₀为接收机的带宽，因此，大气湍流结构常数的估算方程为

该式可转换成，

其中C与雷达的技术参数有关，

(5)大气折射指数梯度的计算

采用Cohn.(1994)给出与大气湍流结构常数之间的关系，其形式为：

式中为大气折射指数垂直梯度，为大气湍流结构常数，ε为湍流耗散率，a为一系数，上式可转换为，

符号的确定：大气返回信号谱宽、布维频率可以确定的绝对值，与N²存在一定的关系，利用N²的阈值方法可以确定的符号，根据对数据的统计分析，得到N²的阈值，N²小于该值，为正，反之为负。

大气折射率梯度与大气折射指数梯度的关系是，

通过上述方法利用WPR风廓线雷达+RASS系统的测量数据计算出大气折射率梯度。

(6)大气波导特征值计算

大气波导的判定采用大气修正折射率梯度法，大气修正折射率与大气折射率的关系如下式所列，

a为地球半径，取6371km，则地球曲率为1/a＝0.157×10^-3/km，h为地面以上高度(m)。修正折射率的单位是：M单位。

修正折射率的梯度与折射率梯度之间满足关系：

当或时，大气出现陷获折射，该层大气为陷获层，即出现大气波导。

大气波导的强度可以用ΔM表示，ΔM＝M₂-M₁，其中M₂为陷获层顶层的大气修正折射率，M₁为陷获层底层大气修正折射率，M₂所对应的高度为波导顶部高度，在大气修正折射率垂直廓线M₂处作垂直于地面的直线，交于大气修正折射率廓线上，该交点对应的高度为大气波导底部高度，大气波导厚度为波导顶部高度与波导底部高度的差值。

实施例：

为了验证本方法的有效性和准确性，对无线电探空仪测量数据与风廓线+RASS系统测量数据进行了比对分析，2014年10月17日1915出现抬升波导，探空仪测量数据及计算结果如图3所示，当时出现了抬升波导。由图中可知，在近地面处出现逆温现象，逆温层顶高度为331m，逆温强度为0.0185℃/m，逆温较强，由此造成湿度随高度升高而骤降，相对湿度由地面的50％下降到561m处的18％，从而形成较弱的抬升波导，波导顶高度491m，M＝353.8，波导强度ΔM＝-2.9。

由于10月17日天气为试验站点被高压北部所控制，为一稳定天气过程，大气的物理特性在一定时间内变化不大，因此，可用1915时刻的探空数据与1738时刻的风廓线雷达+RASS系统比对。

风廓线雷达+RASS系统计算出的结果如图4所示，(a)为布维频率，该值总的趋势是随着高度的升高，布维频率逐渐减小，在745.8m处出现极大值。由于RASS测量数据的垂直间隔为75m，而无线电探空仪测量数据的垂直间隔约为10m左右，因此，即使RASS系统测量的数据与无线电探空仪测量数据完全一致，也会因为垂直间隔的不同而使结果有所不同。图4(b)为湍流耗散率随高度变化情况，随高度的升高，风廓线雷达测量的数据先增大在减小，在745.8m处出现极大值。图4(c)为大气湍流结构常数，其变化的总体趋势是，随着高度的升高而减小，在400‐500m高度处，大气湍流结构常数达到最大，大气折射率梯度有上述三者共同决定，其最小值出现在520.8m处，达到‐0.23，当dN/dz＜-0.157时，表明出现了大气波导。大气波导诊断结果如图6所示，大气波导顶高度为520.8m，陷获层底为445.8m，大气波导底部高度为385.9m，大气波导厚度为134.9m，大气波导强度为‐6.57M。与探空数据计算获得的大气波导相比，两者在近地面处具有较好的一致性，由探空数据计算的大气波导出现在491m处，波导顶偏差为29.8m，大气波导强度ΔM＝-2.9，强度偏差为3.67M。

通过上面的例子可知，风廓线雷达+RASS系统计算的大气波导情况与无线电探空仪数据计算的大气波导情况基本一致，可以连续监测对流层下层的大气波导情况。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种利用风廓线雷达和RASS的大气波导监测方法，其特征在于具有如下步骤：

—采用RASS系统测量大气虚温廓线；

—采用风廓线雷达得到当前位置的垂直风速w和谱宽廓线；使用垂直风速w对虚温T_v进行修正；根据当前的位温θ和所在测量值高度z计算得出布维频率N；

虚温修正过程如下：

—利用风廓线雷达测量的虚温T_v计算出声速c_a，再利用下式修正虚温，

w为垂直风速，单位为m/s，其可由风廓线雷达测量，其符号向上为“-”，向下为“+”；由于声源向上传播，定义c_a的符号为“-”；

所述的布维频率N的计算方法利用如下公式：

θ为位温，z为高度，g＝9.8m/s²为重力加速度，θ由虚温T_v近似计算得到，

p₀为1000hPa，p为不同高度处的大气压，其可由压高公式计算得到，

z为与气压p所对应的高度，z₀为p₀处的高度，T为h与h₀间的平均位温；

—根据修正的谱宽和布维频率计算当前大气的湍流耗散率ε；进而计算得出大气湍流结构常数再利用布维频率、大气湍流耗散率和大气湍流结构常数计算出当前大气折射指数梯度

—计算大气修正折射率M，建立该修正折射率梯度与所述的大气折射指数梯度的关系：

当或时，表明当前大气出现陷获折射，该层大气为陷获层，判定当前出现大气波导；

对于当前出现的大气波导的强度为：

ΔM＝M₂-M₁

其中M₂为陷获层顶层的大气修正折射率，M₁为陷获层底层大气修正折射率，M₂所对应的高度为波导顶部高度，在大气修正折射率垂直廓线M₂处作垂直于地面的直线，交于大气修正折射率廓线上，该交点对应的高度为大气波导底部高度，大气波导厚度为波导顶部高度与波导底部高度的差值。

2.根据权利要求1所述的利用风廓线雷达和RASS的大气波导监测方法，其特征还在于所述的湍流耗散率ε为表征湍流强弱的参数，湍流耗散率ε与谱宽σ²之间的关系为ε＝bNσ²，其中N为布维频率，b为无量纲常数，b≈α₁ ^-3/2≈0.5，α₁为柯尔莫戈洛夫常数。

3.根据权利要求2所述的利用风廓线雷达和RASS的大气波导监测方法，其特征还在于所述修正的谱宽为风廓线雷达测量的谱宽去除风切变、波束有限宽度和数据处理过程中引起的谱宽值后的修正值：

其中为风廓线雷达测量到的谱宽值，分别为由风切变、波束有限宽度和数据处理过程中引起的谱宽值。

4.根据权利要求3所述的利用风廓线雷达和RASS的大气波导监测方法，其特征还在于所述的风切变和波束有限宽度引起的谱宽计算过程如下：

其中，为风切变引起的谱宽，为波束有限宽度引起的谱宽；θ_0.5是波束半宽度，α是波束的天顶角，风廓线雷达垂直波束为0°，倾斜波束为14.8°，u是距离雷达R处的水平风速，是距离雷达R处的水平风速的垂直切变，ΔR为距离分辨率。

5.根据权利要求3所述的利用风廓线雷达和RASS的大气波导监测方法，其特征还在于数据处理引起的谱宽

6.根据权利要求1所述的利用风廓线雷达和RASS的大气波导监测方法，其特征还在于风廓线雷达通过大气的信噪比来对湍流结构常数进行计算：

P_n是雷达接收机的噪声功率，可由实测的系统噪声系数N_f来近似估算：

P_n＝KT₀B₀N_f

其中K＝1.38×10^-23是玻尔兹曼常数，T₀是用绝对温度表示的雷达系统噪声温度，B₀为接收机的带宽，因此，大气湍流结构常数的估算方程为

该式中G为系统增益、L为系统馈线损耗、λ为雷达波长，θ为雷达波束宽度，h为距离分辨率，可转换成，其中C与雷达的技术参数有关。

7.根据权利要求6所述的利用风廓线雷达和RASS的大气波导监测方法，其特征还在于通过大气折射率垂直梯度与大气折射指数垂直梯度的关系，

计算得出大气折射率梯度；大气折射指数梯度的计算公式如下：

符号的确定：大气返回信号谱宽、布维频率确定的绝对值，与N²存在一定的关系，利用N²的阈值方法可以确定的符号，根据对数据的统计分析，得到N²的阈值，N²小于该值，为正，反之为负；式中为大气折射指数垂直梯度，为大气湍流结构常数，ε为湍流耗散率，a为系数。