CN107132590B

CN107132590B - 利用下投探空测量大气垂直风的方法和装置

Info

Publication number: CN107132590B
Application number: CN201710227191.9A
Authority: CN
Inventors: 朱彦良; 陈洪滨; 宣越健
Original assignee: Institute of Atmospheric Physics of CAS
Current assignee: Institute of Atmospheric Physics of CAS
Priority date: 2017-04-06
Filing date: 2017-04-06
Publication date: 2020-02-21
Anticipated expiration: 2037-04-06
Also published as: CN107132590A

Abstract

本发明提供了一种利用下投探空测量大气垂直风的方法和装置。该装置主要包括：探空气球、定时切割器、硬壳球、短绳、长绳和GPS探空仪，探空气球通过短绳与硬壳球连接，定时切割器安装在硬壳球的上方，所述硬壳球通过长绳与GPS探空仪连接；探空气球上升到指定高度后，定时切割器启动，切断短绳，硬壳球、长绳和GPS探空仪三个部分作为下投系统下落。本发明通过从地面释放探空气球，获取了大气水平风场信息，计算更准确。GPS探空仪采用紧凑设计，体积小，其迎风截面积仅为0.003m²，对阻曳系数的影响不到0.005。下投探空中使用硬壳球作为减速伞的设计。由于球体为三维对称体，简化了阻曳系数的求解，避免了转动和摆动等复杂运动分析。

Description

利用下投探空测量大气垂直风的方法和装置

技术领域

本发明涉及大气物理技术领域，尤其涉及一种利用下投探空测量大气垂直风的方法和装置。

背景技术

大气垂直运动主要是因为大气中热力、动力条件和地形起伏等因素引起的，系统性垂直运动常出现在水平气流辐合、辐散区和冷暖气团的锋面附近,对流层内的云、降水等天气现象常常与大气垂直运动有关。

因为空气垂直运动对云、降水和重力波的影响，对空气垂直运动的了解对气象学和气候学研究都具有重要意义，所以有必要获取各种尺度的垂直运动信息。然而，在较平稳的大中尺度大气运动中，大气的垂直运动量级往往非常小，较显著的垂直运动无论在水平方向还是垂直方向，多数属于中小尺度现象，由于其数量级太小，寻找行之有效的直接探测大气垂直运动的方法，是大气物理研究者所关心的一个重要问题。

目前，水平风和垂直风廓线可以同时用地基风廓线雷达(Balsley et al.,1988)，声雷达或激光雷达(Contini et al.,2004)进行遥感探测，在目前科技发展水平上，这些探测手段已经取得了进步，但探测覆盖率仍不能满足科学研究和应用的需求，有必要发展一种能直接测量水平和垂直风的新系统方案，以提供更多的观测支持。

广泛使用的探空资料成为了获取更详尽大气状态参数的候选方法。首先，探空仪随气球上升，通过全球定位系统(GPS、GNSS、北斗等)或者L波段雷达的高度数据，从其升速和落速，就可以一定程度地反映空气运动。不过,探空升空过程中，气球存在自诱导的侧向运动，探空仪也存在单摆式运动，会给测风带来误差(MacCready,1965)。因此，下投探空的下落速度用于测风特别是垂直风，数据更平滑一些。

目前，在现有技术中风廓线雷达利用晴空回波(大气湍流)的多普勒频移进行主动遥感，高模式的对流层风廓线雷达从原理上可以覆盖整个对流层高度范围，但是由于对流层中、上部湍流信号较弱，因此经常出现中间大片高度的缺测。另外，雷达的每个波束越到高空其扫描扇面越大，这对应了更大空间范围的平均和更长时间的响应，其测量的垂直风代表性显著下降。风廓线雷达的探测高度还受到云层的限制，垂直风反演也容易受降雨时雨滴粒子的干扰。激光测风雷达的技术方法与风廓线雷达相似，所不同的是前者利用的是气溶胶粒子的后向散射回波，由于气溶胶粒子的存在高度一般不超过5km，因此激光测风雷达的探测高度亦有限。

现有技术中的一种大气垂直风的探测方法包括：从飞机上下投RD-94型下投探空仪，通过下投探空仪的下降过程中测量的温度、湿度、气压等数据，按照下面的流体力学公式1、公式2计算出静止空气中的理想下落速度廓线w₀，然后与从高度(或气压)中推导的实际下落速度廓线w₁相减，得到大气垂直风的廓线w_a。

在公式3.2中，C_d为RD-94的阻曳系数，ρ为空气密度，A_b为受力截面积，m为总质量，g为重力加速度。

上述现有技术中的大气垂直风的探测方法的缺点为：如果想形成一种实用技术，需要C_d和A_b为常数。然而作为系统主要减速装置的降落伞为一个不定形状体(不完全充气)，且其形状复杂，受水平风和垂直风推动时截面并不一致，因此把这两项作为常数会引入不好估算的误差。

此外，直接用w₁与w₀之差当作垂直风w_a的算法，对经典力学和流体力学进行了过多的简化，难以获得准确的结果，测量结果的误差比较大。

发明内容

本发明的实施例提供了一种利用下投探空测量大气垂直风的方法和装置，以实现有效的测量出大气垂直风。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

根据本发明的一个方面，提供了一种利用下投探空测量大气垂直风的装置，包括：探空气球、定时切割器、硬壳球、短绳、长绳和GPS探空仪，所述探空气球通过所述短绳与所述硬壳球连接，所述定时切割器安装在所述硬壳球的上方，所述硬壳球通过所述长绳与所述GPS探空仪连接；

所述探空气球上升到指定高度后，所述定时切割器启动，切断所述短绳，所述硬壳球、长绳和GPS探空仪三个部分作为下投系统下落。

进一步地，所述定时切割器包括定时器、切割器和电池盒，所述定时器由LED面板和位于LED面板背面的单片机组成，所述定时器与所述切割器和电池盒电路连接，所述定时器在设定的定时时长到达后，输出控制信号给所述切割器，所述切割器切断连接所述探空气球和所述硬壳球的所述短绳。

进一步地，所述硬壳球为两个中空半球互相啮合，所述两个中空半球的尺寸一致，厚度为1～2cm，所述两个中空半球的交接面一侧留有凹槽，另一侧留有与所述凹槽对应的凸起的棱，所述两个中空半球的中间设置有通孔，所述长绳从该通孔中穿过。

进一步地，所述GPS探空仪通过所述长绳系于所述硬壳球的下方，所述GPS探空仪包括GPS天线、GPS接收模块、温湿传感器、气压传感器、信号处理单元、无线发射机和发射机天线，所述GPS探空仪的外部用保温盒封装，所述GPS天线露在所述保温盒子的顶部，所述温湿传感器和所述气压传感器从所述保温盒的侧面伸出；所述发射机天线设置于所述保温盒子的底部，便于信号向下发送。

进一步地，所述地面接收系统包括：八木天线、数据采集处理计算机、天线支架和多通道探空接收机，所述八木天线用所述天线支架布设在地面，所述多通道探空接收机通过缆线连接所述八木天线，所述多通道探空接收机通过USB-B型接口与所述数据采集处理微机相连。

根据本发明的另一个方面，提供了一种利用下投探空测量大气垂直风的方法，应用于所述的装置，包括：

将探空气球通过短绳与硬壳球连接，将定时切割器安装在所述硬壳球的上方，所述硬壳球通过长绳与GPS探空仪连接；所述探空气球上升到指定高度后，所述定时切割器启动，切断所述短绳，所述硬壳球、长绳和GPS探空仪三个部分作为下投系统下落；

根据整个上升和降落过程所述GPS探空仪获得的气象参数，计算出大气垂直风的廓线。

进一步地，所述的根据整个上升和降落过程所述GPS探空仪获得的气象参数，计算出大气垂直风的廓线，包括：

在整个上升和降落过程中，GPS探空仪中的GPS接收模块、温湿传感器、气压传感器在每个时钟间隔分别获取一组位置坐标数据、大气温湿度数据和大气气压数据，GPS探空仪中的信号处理单元在每个时钟间隔从GPS接收模块、温湿传感器和气压传感器取一次数据，并编码为二进制数据帧，将二进制数据帧传输给GPS探空仪中的无线发射机，由无线发射机发送携带二进制数据帧的无线电信号给地面接收系统；

所述地面接收系统中的八木天线接收无线发射机发送的无线电信号，多通道探空接收机解析出所述无线电信号中的二进制数据帧，传输给数据采集处理计算机，采集处理计算机通过遥测软件将所述二进制数据帧解析成温度T、湿度U、气压P、高度H、风速spd、风向dir，以及水平速度u与v、垂直速度w数据，根据解析得到的数据通过求解方程得到大气垂直风w_a。

进一步地，所述的根据解析得到的数据通过求解方程得到大气垂直风w_a，包括：

设V_a为空气的真实运动速度，V_a为按直角坐标系分成xyz方向上的三个速度u_a，v_a，w_a，它们的关系满足公式

在探空气球的上升阶段，地面接收系统根据接收到的定位信息，通过GPS测风算法获得水平风场的风向dir和风速spd廓线，根据风向dir和风速spd廓线计算出u_a，v_a，其中dir以北为零点按顺时针旋转，u_a以东为正，v_a以北为正；

u_a＝spd×cos(270-dir)

v_a＝spd×sin(270-dir)

地面接收系统根据接收到的温度T、气压P用理性气体密度公式计算出空气密度ρ的廓线：

公式中R为空气状态常数：

设下投系统在x,y,z三个方向上的运动速度为u_m,v_m,w_m，在下投系统的下降阶段，地面接收系统根据接收到的定位信息，通过差分方法获得u_m,v_m,w_m：

dx,dy,dz可理解为两次接收间隔期间下投系统沿东向、北向和垂直方向的位移距离；

根据w_m计算出下投系统在z方向上的运动加速度

所述z方向为垂直方向；

大气垂直风w_a的计算公式如下：

所述m为下投系统的总质量，为所述硬壳球、长绳和GPS探空仪的质量总和；所述g为重力加速度；所述V为相对运动的矢量速度，V上相反的箭头表示形状阻力的方向总是与物体运动方向相反，V＝V_m-V_a，V_m为观测的GPS探空仪矢量运动速度，

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例方法通过从地面释放探空气球，获取了大气水平风场信息，计算更准确。GPS探空仪采用紧凑设计，体积小，其迎风截面积仅为0.003m²，对阻曳系数的影响不到0.005。下投探空中使用硬壳球作为减速伞的设计。由于球体为三维对称体，简化了阻曳系数的求解，避免了转动和摆动等复杂运动分析。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种利用下投探空测量大气垂直风的装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种利用下投探空测量大气垂直风的方法的处理流程图；

图3为本发明实施例提供的一种定时切割器的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种硬壳球3的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种GPS探空仪5的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种地面接收系统的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明实施例可用于气象探测，通过释放探空气球，将探空仪带至高空并切割下投，获得对流层内垂直风廓线产品。

本发明实施例提供的一种利用下投探空测量大气垂直风的装置的结构示意图如图1所示，图1中，1为业务用750g乳胶气球，2为定时切割器，3为空心的泡沫硬壳球，4为长绳，5为GPS探空仪，6为短绳。探空气球1下系短绳6，与硬壳球3连接；定时切割器2安装在硬壳球上方，切割器紧贴球顶绳结；硬壳球3通过长绳4与探空仪5连接。整个装置上升到指定高度后，定时切割器启动，切断短绳，余下的硬壳球3,长绳4,GPS探空仪5三个部分作为下投系统下落。

本发明实施例提供的一种利用下投探空测量大气垂直风的方法的处理流程如图2所示，包括如下的处理过程：

该方法的主要方案是：使用探空球释放探空，将用于降速的硬壳球和GPS探空仪带到高空后切割下投，从上升和下降探测的气象参数及卫星定位信息中获得大气垂直风的廓线信息。

首先，在地面将硬壳球与探空仪用业务探空专用绳索连接，用电子秤获得泡沫硬壳球、长绳和GPS探空仪的总质量m；同时，GPS探空仪加电检测后，放空旷位置定位；GPS定位成功后，给气球充气；待气球充好气后，在硬壳球顶部连上切割器，并与气球连接；然后，给切割器加电倒计时，释放探空气球；倒计时结束后，探空和硬壳球从高空下落；根据整个上升和降落过程所述GPS探空仪获得的气象参数，就可以计算出大气垂直风的廓线。

本发明实施例提供的一种定时切割器2的结构示意图如图3所示，由定时器7、切割器8和电池盒9组成，定时器能设置定时时间1分钟到99分钟，按气球5米/秒的平均升速，理论上最高可以探测到平流层27km，可满足整个对流层内的廓线探测。定时器7在定时归零之后，输出一个控制信号至切割器8，切割器8切断绳子。定时器7由LED(Light EmittingDiode，发光二极管)面板和位于面板背面的C51单片机组成。LED面板右侧为显示时间分、秒变化的数码管，左侧有三个按钮，从上到下分别为“Set(设定)”、“Min(分调整)”和“Sec(秒调整)”。系统预设的定时时间为40分钟，如果需要改变定时时长，可以按动“分调整”和“秒调整”按钮分别改动数码管显示数字的前两位(分)和后两位(秒)，设置完成后按“设定”按钮完成设置。定时切割器2的背面是电池盒9，使用3节五号电池供电，整个定时切割器2的外部使用保温材料包裹。

本发明实施例提供的一种硬壳球3的结构示意图如图4所示，包括槽10、棱11和通孔12。硬壳球3由轻型材料用模具压制而成，为两个中空半球互相啮合，尺寸一致，厚度1～2cm。如图4所示，交接面一侧留有凹槽10，另一侧留有与凹槽10对应的凸起的棱11，半球中间设置有通孔12，长绳4从该通孔12中穿过。

本发明实施例提供的一种GPS探空仪5的结构示意图如图5所示，GPS探空仪5通过长绳4系于硬壳球3下方，GPS探空仪5包括GPS天线13、GPS接收模块14、温湿传感器15、气压传感器16、信号处理单元17、无线发射机18和发射机天线19，外部用保温盒封装。GPS天线13露在盒子顶部；温湿传感器15和气压传感器16从保温盒侧面伸出；发射机天线19处于盒子底部，便于信号向下发送。

GPS接收模块14、温湿传感器15、气压传感器16每个时钟间隔获取一组数据(信号值)，信号处理单元17每秒从GPS接收模块14、温湿传感器15、气压传感器16取一次数据，并编码为二进制数据帧，将二进制数据帧传输给无线发射机18，由无线发射机18发送携带二进制数据帧的无线电信号给地面接收系统。

本发明实施例提供的一种地面接收系统的结构示意图如图6所示，包括：八木天线20、数据采集处理计算机21、天线支架22和多通道探空接收机23。八木天线20用天线支架22布设在开阔平坦的地面，多通道探空接收机23通过缆线连接八木天线20，通过USB-B型接口与数据采集处理微机21相连。

八木天线20接收发射机天线19传回的无线电信号，多通道探空接收机23解析出无线电信号中的二进制数据帧(即探空仪数据帧)，传输给数据采集处理计算机21，采集处理计算机21通过遥测软件将数据帧解读成温度T、湿度U、气压P、高度H、风速spd、风向dir和水平速度u与v、垂直速度w等变量，进行方程求解得到垂直风w_a。使用有八个通道的探空接收机的目的是为了能够在空中同时接收多个不同频点的探空仪，实现更加立体的垂直风探测。

大气垂直风w_a的计算从流体力学方程出发，下投探空子系统在大气流场中的牛顿运动方程可以写为

公式中，m为下投系统的总质量；g为重力加速度；V为相对运动的矢量速度，V上相反的箭头表示形状阻力的方向总是与物体运动方向相反；ρ为空气密度；R为硬壳球半径；C_d为阻曳系数。又V＝V_m-V_a，V_m为观测的GPS探空仪的矢量运动速度；V_a为空气的真实运动速度，按直角坐标系可以分成xyz方向上的三个速度u_a，v_a，w_a，它们的关系满足公式：

其中u_a和v_a可从上升段的GPS数据中导出(具体可参考Vaisala、Met或国内GPS探空仪公司的测风算法)，w_a是需要探测的垂直风。

在z方向，公式3可以写成

公式4中，u_m,v_m,w_m分别表示下投系统在x,y,z三个方向上的运动速度，表示下投系统在z方向(垂直方向)上的运动加速度。

当大气满足准静力平衡条件时，可以将微分项dw_a/dt(垂直风加速度)近似为0。令

函数f(w_a)中，u_a，v_a可以在探空气球上升段获得，u_m,v_m,w_m，dw_m/dt和ρ等观测变量可以在下投系统的下降阶段获得，其余为常量，

在探空气球上升阶段，地面接收系统根据收到的探空仪每秒发送的定位信息，通过GPS测风算法获得水平风场的风向dir和风速spd廓线(即风向和风速随高度的变化曲线)，然后从风向和风速中计算出u_a，v_a。各变量的规定遵循气象学中的定义，其中dir以北为零点按顺时针旋转，u_a以东为正，v_a以北为正。

u_a＝spd×cos(270-dir)

v_a＝spd×sin(270-dir)

地面接收系统根据收到的探空仪每秒发送的温度T，气压P数据用理性气体密度公式计算出空气密度ρ的廓线，公式中R为空气状态常数。

在下投系统的下降阶段，地面接收系统根据收到的探空仪每秒发送的定位信息，通过差分方法获得u_m,v_m,w_m的值。

dx,dy,dz可理解为两次接收间隔期间下投系统沿东向、北向和垂直方向的位移距离。根据w_m计算出下投系统在z方向上的运动加速度

所述z方向为垂直方向。

因此，根据下降阶段实时获得的参数值，只要解公式5所示的关于w_a的方程f(w_a)＝0即可得到大气垂直风的廓线。

综上所述，本发明实施例的方法通过从地面释放探空气球，获取了大气水平风场信息，计算更准确。此外，国内获取飞行空域申请比较困难，从地面开始探测更符合国内需求。

GPS探空仪采用紧凑设计，体积小，其迎风截面积仅为0.003m²，对阻曳系数的影响不到0.005(由于国内外制造GPS探空仪的公司很多，不保护结构设计和外观设计)。

下投探空中使用硬壳球作为减速伞的设计。由于球体为三维对称体，简化了阻曳系数的求解，避免了转动和摆动等复杂运动分析。相比中高层大气用的落球方法，用GPS定位代替了多普勒主动式或被动式跟踪，在低速运动中定位效果更好。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种利用下投探空测量大气垂直风的方法，其特征包括：

根据整个上升和降落过程所述GPS探空仪获得的气象参数，计算出大气垂直风的廓线；

所述的根据整个上升和降落过程所述GPS探空仪获得的气象参数，计算出大气垂直风的廓线，包括：

所述地面接收系统中的八木天线接收无线发射机发送的无线电信号，多通道探空接收机解析出所述无线电信号中的二进制数据帧，传输给数据采集处理计算机，采集处理计算机通过遥测软件将所述二进制数据帧解析成温度T、湿度U、气压P、高度H、风速spd、风向dir，以及水平速度u与v、垂直速度w数据，根据解析得到的数据通过求解方程得到大气垂直风wa；

所述的根据解析得到的数据通过求解方程得到大气垂直风w_a，包括：

u_a＝spd×cos(270-dir)

v_a＝spd×sin(270-dir)

地面接收系统根据接收到的温度T、气压P用理想气体密度公式计算出空气密度ρ的廓线：

公式中R为空气状态常数：

根据w_m计算出下投系统在z方向上的运动加速度

所述z方向为垂直方向；

大气垂直风w_a的计算公式如下：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述定时切割器包括定时器、切割器和电池盒，所述定时器由LED面板和位于LED面板背面的单片机组成，所述定时器与所述切割器和电池盒电路连接，所述定时器在设定的定时时长到达后，输出控制信号给所述切割器，所述切割器切断连接所述探空气球和所述硬壳球的所述短绳。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述硬壳球为两个中空半球互相啮合，所述两个中空半球的尺寸一致，厚度为1～2cm，所述两个中空半球的交接面一侧留有凹槽，另一侧留有与所述凹槽对应的凸起的棱，所述两个中空半球的中间设置有通孔，所述长绳从该通孔中穿过。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述GPS探空仪通过所述长绳系于所述硬壳球的下方，所述GPS探空仪包括GPS天线、GPS接收模块、温湿传感器、气压传感器、信号处理单元、无线发射机和发射机天线，所述GPS探空仪的外部用保温盒封装，所述GPS天线露在所述保温盒子的顶部，所述温湿传感器和所述气压传感器从所述保温盒的侧面伸出；所述发射机天线设置于所述保温盒子的底部，便于信号向下发送。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述地面接收系统包括：八木天线、数据采集处理计算机、天线支架和多通道探空接收机，所述八木天线用所述天线支架布设在地面，所述多通道探空接收机通过缆线连接所述八木天线，所述多通道探空接收机通过USB-B型接口与所述数据采集处理微机相连。