CN110175793B - 一种基于地面需求分析的人工增雨飞机航线设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于地面需求分析的人工增雨飞机航线设计方法，属于人工影响天气领域，本发明在传统的人影指挥模式基础上，综合天气形势、土壤干湿程度等因素，通过对有增雨需求区域的位置、面积、土壤干湿程度、农作物水分需求分布等参数进行分析处理，通过最优化算法，获取地面最优的增雨需求位置，推算出地面最优的增雨需求位置所对应的空中播撒区域，最终实现对飞机航线设计人影指挥工作的有效指导。

Description

一种基于地面需求分析的人工增雨飞机航线设计方法
技术领域
本发明涉及人工影响天气领域，具体涉及一种基于地面需求分析的人工增雨飞机航线设计方法。
背景技术
干旱及半干旱地区存在的水资源短缺及分布不均衡等一系列问题，就农业生产而言，从干旱影响来看，如果干旱持续发展，将会影响春播，全年的农业生产将会受到较大影响，人工降雨能够缓解农作物旱情，传统的人工影响天气活动一般侧重于高效率开发大气中的水资源，让大气中的水资源尽量充分的转化为地面水资源。但传统增雨模式仅以合适的天气系统为主要考虑因素，人工影响天气的业务工作(地面需求、航线设计等)中存在很大的主观性，并未科学系统地对干旱及半干旱地区增雨需求进行分析。
发明内容
本发明针对目前人工影响天气业务工作中存在科学性欠缺、主观性强和盲目性等问题，提出了一种基于地面需求分析的人工增雨飞机航线设计方法。
为实现上述目的，本发明提出的一种基于地面需求分析的人工增雨飞机航线设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)飞机实施人工增雨作业之前，利用中尺度数值预报模式及卫星云图对天气系统中过冷水富集区域进行线性规划，获取增雨目标区域；
(2)根据历年水资源分布情况及人工增雨季节需求的历史数据分析不同季节下水资源的需求情况，初步确定地面增雨需求位置；再根据本年度各地政府对当地降雨量的需求批示报告、不同季节下步骤(1)中增雨目标区域对水资源的需求和/或增雨目标区域实时土壤湿度情况，确定各地最终增雨量的权重分配，以确定地面最优的增雨需求位置；
(3)获取地面最优的增雨需求位置后，以地面最优的增雨需求位置为原点，以与增雨目标区域边界平行且经过原点的直线为x轴，以风向为x轴正方向，垂直实时风向并经过原点的直线为y轴，建立直角坐标系，飞机航线的设计位置以x＝0为中间轴，航线对称分布于x轴两侧，航线设计播撒人工增雨催化剂起始点位于最优的增雨需求位置的上风方，与坐标系原点距离为S，S为人工增雨飞机作业时间与作业时刻云移动速度的乘积，以确保飞机作业后的影响区覆盖步骤(2)所获得的地面最优增雨需求位置。
其中，所述中尺度数值预报模式为MM5模式或GRAPES模式。
其中，所述步骤(1)中对天气系统中过冷水富集区域进行线性规划获取增雨目标区域的过程包括如下步骤：①以目标作业时间为基准，观察作业前后各两小时内云图走势，以云的边界为目标区域边界规划出云覆盖区域；②以中尺度数值预报模式中与步骤①相同时段即目标作业时间前后各两小时内的过冷水富集区域为边界规划出过冷水富集区域；③云覆盖区域和过冷水富集区域的叠加部分即为具有增雨潜力的增雨目标区域。
其中，本年度各地政府对当地降雨量的需求批示报告中包括对农作物种植位置增雨规避或地域过量增雨信息。
其中，步骤(2)中确定地面最优的增雨需求位置的过程分三种计算模式：
a)不考虑土壤湿度情况，通过多个待增雨位置连线构成多边形，以多边形的边界作为增雨需求位置的边界区域，采用多边形费马点定理获得地面最优的增雨需求位置；
b)无本年度各地政府对当地降雨量的需求批示报告的情况下，综合考虑土壤湿度及增雨目标区域对水资源的需求，采用画法几何学投影法将包含干湿情况的地理点变换为三维图形，投影转化为二维点分布，再利用多个待增雨位置连线构成多边形，以多边形的边界作为增雨需求位置的边界区域，采用多边形费马点定理获得地面最优的增雨需求位置，其中地理点即各个土壤水分观测站点；
c)根据本年度各地政府对当地降雨量的需求批示报告结合土壤湿度及增雨目标区域对水资源的需求，采用画法几何学投影法，将平面分布的地理点投影到直线上，并携带各地最终增雨量的权重信息，通过权重计算法解算地面最优的增雨需求位置，地理点即各个土壤水分观测站点。
其中，地面最优的增雨需求位置的坐标获得过程如下：
a)向人影指挥系统中输入中尺度数值预报模式中的云层气象条件，并对天气系统中过冷水富集区域进行线性规划，得到增雨目标区域；
b)进行土壤含水量情况的输入，包括两种模式：第一种模式为数据图，即各地土壤相对湿度分布图输入，并由增雨目标区域内所有观测站土壤水分情况汇总生成，每1h更新一次，图内显示各增雨目标区域土壤相对湿度情况，数据图格式为地理坐标对应相应土壤含水量信息；第二种模式为特征点输入，人工选择目标点，输入其地理坐标；
c)结合实际地理经济环境情况，进行权重分配，地图内不考虑的位置，权重设置为0；
d)人影指挥系统自动建立模型：
①以目标作业时间为基准，观察作业前后各两小时内云图走势，以云的边界为目标区域边界规划出云覆盖区域；②以中尺度数值预报模式中与步骤①相同时段即目标作业时间前后各两小时内的过冷水富集区域为边界规划出过冷水富集区域；③云覆盖区域和过冷水富集区域的叠加部分即为具有增雨潜力的增雨目标区域，根据实际情况利用三种地面最优的增雨需求位置的计算模式中的一种得到地面最优增雨需求位置坐标；
e)通过转换模型，将增雨需求位置坐标转换为增雨需求经纬度地理坐标；
f)人影指挥系统输出地面最优的增雨需求位置的坐标。
其中，人工增雨的最佳航线设计方法应采用折线法，增雨飞机需在增雨目标区域进行折线形耕云。
其中，所述土壤相对湿度分布图由各个观测站的土壤水分观测系统检测获得。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：本发明针对干旱及半干旱地区水资源短缺及分布不均衡等一系列问题，综合考虑天气系统(大气环境参数)、人工增雨地面需求(土壤水分分布)和航线设计合理性三方面因素，实现了对人工增雨的科学分配，高效改善了土壤环境。
附图说明
图1是本发明提出的地面最优的增雨需求位置分析图示；
图2是本发明提出的一种基于地面需求分析的人工增雨飞机航线设计方法的流程图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例、图1及图2对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法和过程并没有详细的叙述。
本发明在传统的人影指挥模式基础上，综合天气形势、土壤干湿程度等因素，通过对有增雨需求区域的位置、面积、土壤干湿程度、农作物水分需求分布等参数进行分析处理，通过最优化算法，获取地面最优的增雨需求位置，推算出地面最优的增雨需求位置所对应的空中播撒区域，最终实现对飞机航线设计人影指挥工作的有效指导。
具体本发明提出的一种基于地面需求分析的人工增雨飞机航线设计方法包括如下步骤：
(1)每次飞机实施人工增雨作业之前，利用中尺度数值预报模式及卫星云图对天气系统中过冷水富集区域进行线性规划，获取增雨目标区域，其中中尺度数值预报模式为MM5模式或GRAPES模式；
具体对天气系统中过冷水富集区域进行线性规划获取增雨目标区域的过程包括如下步骤：①以目标作业时间为基准，观察作业前后各两小时内云图走势，以云的边界为目标区域边界规划出云覆盖区域；②以MM5模式或GRAPES模式中相同时段(目标作业时间前后各两小时)内的过冷水富集区域为边界规划出过冷水富集区域；③云覆盖区域和过冷水富集区域的叠加部分即为具有增雨潜力的增雨目标区域，增雨目标区域既被云层良好覆盖，同时过冷水含量丰富，适宜进行人工增雨作业；④此时天气系统中存在增雨潜力区域即增雨目标区域，线性规划问题的可行域非空，可行域有界，且与当时的风向平行，通过可行域的边界判断最终增雨目标区域；
(2)根据近十年水资源分布情况，及历年人工增雨季节需求的历史数据组合分析不同季节下水资源的需求情况，以初步确定地面增雨需求位置；再根据本年度各地政府对当地降雨量的需求批示报告(因各地地域区别，农作物种类不同及需水量、需水时间差异导致的各地域对实时降雨量的不同需求)，组合分析不同季节下增雨目标区域对水资源的需求及其实时土壤湿度情况，确定各地最终增雨量的权重分配，以确定地面最优的增雨需求位置，从而实现对航线设计的优化。
确定地面最优的增雨需求位置时，考虑以下三种计算模式：
a)不考虑土壤湿度情况(无土壤水分数据)，仅按增雨需求位置分析，可通过多个待增雨位置连线构成多边形，以多边形的边界作为增雨需求位置的边界区域，采用多边形费马点定理计算地面的最优增雨需求位置；
b)无本年度各地政府对当地降雨量的需求批示报告的情况下，综合考虑土壤湿度及增雨目标区域对水资源的需求，可采用画法几何学投影法将包含干湿情况的地理点(地理点即各个土壤水分观测站点)变换为三维图形，投影转化为二维点分布，再利用a)中方法解算地面的最优增雨需求位置；
c)根据本年度各地政府对当地降雨量的需求批示报告结合土壤湿度及增雨目标区域对水资源的需求，可采用画法几何学投影法，将平面分布的地理点(地理点即各个土壤水分观测站点)投影到直线上，并携带各地最终增雨量的权重信息，通过权重计算法解算地面的最优增雨需求位置。
地面最优的增雨需求位置的坐标获得过程如下：
a)向人影指挥系统中输入中尺度数值预报模式中的云层气象条件，并对天气系统中过冷水富集区域进行线性规划，得到增雨目标区域；
b)进行土壤含水量情况的输入，包括两种模式：第一种模式为数据图，即各地土壤相对湿度分布图输入，并由增雨目标区域内所有观测站土壤水分情况汇总生成，每1h更新一次，图内显示各增雨目标区域土壤相对湿度情况，数据图格式为地理坐标对应相应土壤含水量信息；第二种模式为特征点输入，人工选择目标点，输入其地理坐标；
c)结合实际地理经济环境情况，进行权重分配，地图内不考虑的位置，权重设置为0；
d)人工指挥系统自动建立模型：
①以目标作业时间为基准，观察作业前后各两小时内云图走势，以云的边界为目标区域边界规划出云覆盖区域；②以中尺度数值预报模式中与步骤①相同时段即目标作业时间前后各两小时内的过冷水富集区域为边界规划出过冷水富集区域；③云覆盖区域和过冷水富集区域的叠加部分即为具有增雨潜力的增雨目标区域，根据实际情况利用三种地面最优的增雨需求位置的计算模式中的一种得到地面最优增雨需求位置坐标；
e)通过转换模型，将增雨需求位置坐标转换为增雨需求经纬度地理坐标；
f)人影指挥系统输出地面最优的增雨需求位置的坐标。
(3)获取地面最优的增雨需求位置后，在过冷水的线性规划区域内建立直角坐标系，雨云积分覆盖位置主要受气流风向影响，以地面最优的增雨需求位置为原点，以与增雨目标区域边界平行且经过原点的直线为x轴，以风向为x轴正方向，垂直实时风向并经过原点的直线为y轴，建立直角坐标系，人工增雨的最佳航线设计方法应采用折线法，增雨飞机需在目标区域进行折线形耕云，以达到最佳增雨效果。飞机航线的设计位置以x＝0为中间轴，航线对称分布于x轴两侧，航线设计播撒人工增雨催化剂起始点位于增雨需求位置的上风方，与坐标系原点距离为S，S为人工增雨飞机作业时间与作业时刻云移动速度(云移动速度可通过卫星云图进行估算)的乘积，以确保飞机作业后的影响区覆盖步骤(2)所获得的地面最优增雨需求位置。
本发明针对吉林省水资源短缺及分布不均衡等一系列问题，综合考虑天气系统(大气环境参数)、人工增雨地面需求(土壤水分分布)和航线设计合理性三方面因素，实现了对人工增雨的科学分配，高效改善了土壤环境。
实施例1
本实施例提供了一种基于地面需求分析的人工增雨飞机航线设计方法，实施步骤为：
(1)飞机实施人工增雨作业之前，利用MM5模式或GRAPES模式对天气系统中过冷水富集区域进行线性规划，获取增雨目标区域；
(2)无本年度各地政府对当地降雨量的需求批示报告的情况下，所有特征地理点表现为需水，可通过多个待增雨位置连线构成多边形，以多边形的边界作为增雨需求位置的边界区域，采用多边形费马点定理获得地面最优的增雨需求位置；
设多边形各顶点坐标为(x1，y1)，(x2，y2)，...，(xi，yi)，...，(xn，yn)，即第1个待增雨位置的坐标为(x1，y1)、第2个待增雨位置的坐标为(x2，y2)，第i个待增雨位置的坐标为(xi，yi)，第n个待增雨位置的坐标为(xn，yn)，
费马点是多边形内某点坐标为(x，y)到各顶点距离之和，可表示为：
Figure BDA0002094545360000071
L最小，需要同时满足下述条件：
Figure BDA0002094545360000072
求得的(x，y)即为费马点，该点即为地面最优的增雨需求位置。
(3)获取地面最优的增雨需求位置后，在过冷水的线性规划区域内建立直角坐标系，雨云积分覆盖位置主要受气流风向影响，以地面最优的增雨需求位置为原点，以与增雨目标区域边界平行且经过原点的直线为x轴，以风向为x轴正方向，垂直实时风向并经过原点的直线为y轴，建立直角坐标系，人工增雨的最佳航线设计方法应采用折线法，增雨飞机需在目标区域进行折线形耕云，以达到最佳增雨效果。飞机航线的设计位置以x＝0为中间轴，航线对称分布于x轴两侧，航线设计播撒人工增雨催化剂起始点位于增雨需求位置的上风方，与坐标系原点距离为S，S为人工增雨飞机作业时间与作业时刻云移动速度(云移动速度可通过卫星云图进行估算)的乘积，以确保飞机作业后的影响区覆盖步骤(2)所获得的地面最优增雨需求位置。
实施例2
本实施例提供了一种基于地面需求分析的人工增雨飞机航线设计方法，实施步骤为：
(1)飞机实施人工增雨作业之前，利用MM5模式或GRAPES模式对天气系统中过冷水富集区域进行线性规划，获取增雨目标区域；
(2)无本年度各地政府对当地降雨量的需求批示报告的情况下，综合考虑土壤湿度及增雨目标区域对水资源的需求，采用画法几何学投影法将包含干湿情况的地理点变换为三维图形，投影转化为二维点分布，再利用实施例1中采用的方法解算地面的最优增雨需求位置，其中地理点即各个土壤水分观测站点；
(3)获取地面最优的增雨需求位置后，在过冷水的线性规划区域内建立直角坐标系，雨云积分覆盖位置主要受气流风向影响，以地面最优的增雨需求位置为原点，以与增雨目标区域边界平行且经过原点的直线为x轴，以风向为x轴正方向，垂直实时风向并经过原点的直线为y轴，建立直角坐标系，人工增雨的最佳航线设计方法应采用折线法，增雨飞机需在目标区域进行折线形耕云，以达到最佳增雨效果。飞机航线的设计位置以x＝0为中间轴，航线对称分布于x轴两侧，航线设计播撒人工增雨催化剂起始点位于增雨需求位置的上风方，与坐标系原点距离为S，S为人工增雨飞机作业时间与作业时刻云移动速度(云移动速度可通过卫星云图进行估算)的乘积，以确保飞机作业后的影响区覆盖步骤(2)所获得的地面最优增雨需求位置。
实施例3
本实施例提供了一种基于地面需求分析的人工增雨飞机航线设计方法，实施步骤为：
(1)飞机实施人工增雨作业之前，利用MM5模式或GRAPES模式对天气系统中过冷水富集区域进行线性规划，获取增雨目标区域；
(2)根据本年度各地政府对当地降雨量的需求批示报告结合土壤湿度及增雨目标区域对水资源的需求，采用画法几何学投影法，将平面分布的地理点投影到直线上，并携带各地最终增雨量的权重信息，通过权重计算法解算地面最优的增雨需求位置，地理点即各个土壤水分观测站点；
(3)获取地面最优的增雨需求位置后，在过冷水的线性规划区域内建立直角坐标系，雨云积分覆盖位置主要受气流风向影响，以地面最优的增雨需求位置为原点，以与增雨目标区域边界平行且经过原点的直线为x轴，以风向为x轴正方向，垂直实时风向并经过原点的直线为y轴，建立直角坐标系，人工增雨的最佳航线设计方法应采用折线法，增雨飞机需在目标区域进行折线形耕云，以达到最佳增雨效果。飞机航线的设计位置以x＝0为中间轴，航线对称分布于x轴两侧，航线设计播撒人工增雨催化剂起始点位于增雨需求位置的上风方，与坐标系原点距离为S，S为人工增雨飞机作业时间与作业时刻云移动速度(云移动速度可通过卫星云图进行估算)的乘积，以确保飞机作业后的影响区覆盖步骤(2)所获得的地面最优增雨需求位置。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于地面需求分析的人工增雨飞机航线设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)飞机实施人工增雨作业之前，利用中尺度数值预报模式及卫星云图对天气系统中过冷水富集区域进行线性规划，获取增雨目标区域；
(2)根据历年水资源分布情况及人工增雨季节需求的历史数据分析不同季节下水资源的需求情况，初步确定地面增雨需求位置；再根据本年度各地政府对当地降雨量的需求批示报告、不同季节下步骤(1)中增雨目标区域对水资源的需求和/或增雨目标区域实时土壤湿度情况，确定各地最终增雨量的权重分配，以确定地面最优的增雨需求位置；
(3)获取地面最优的增雨需求位置后，以地面最优的增雨需求位置为原点，以与增雨目标区域边界平行且经过原点的直线为x轴，以风向为x轴正方向，垂直实时风向并经过原点的直线为y轴，建立直角坐标系，飞机航线的设计位置以x＝0为中间轴，航线对称分布于x轴两侧，航线设计播撒人工增雨催化剂起始点位于最优的增雨需求位置的上风方，与坐标系原点距离为S，S为人工增雨飞机作业时间与作业时刻云移动速度的乘积，以确保飞机作业后的影响区覆盖步骤(2)所获得的地面最优增雨需求位置；
步骤(2)中确定地面最优的增雨需求位置的过程分三种计算模式：
a)不考虑土壤湿度情况，通过多个待增雨位置连线构成多边形，以多边形的边界作为增雨需求位置的边界区域，采用多边形费马点定理获得地面最优的增雨需求位置；
b)无本年度各地政府对当地降雨量的需求批示报告的情况下，综合考虑土壤湿度及增雨目标区域对水资源的需求，采用画法几何学投影法将包含干湿情况的地理点变换为三维图形，投影转化为二维点分布，再利用多个待增雨位置连线构成多边形，以多边形的边界作为增雨需求位置的边界区域，采用多边形费马点定理获得地面最优的增雨需求位置，其中地理点即各个土壤水分观测站点；
c)根据本年度各地政府对当地降雨量的需求批示报告结合土壤湿度及增雨目标区域对水资源的需求，采用画法几何学投影法，将平面分布的地理点投影到直线上，并携带各地最终增雨量的权重信息，通过权重计算法解算地面最优的增雨需求位置，地理点即各个土壤水分观测站点。
2.根据权利要求1所述的一种基于地面需求分析的人工增雨飞机航线设计方法，其特征在于，所述中尺度数值预报模式为MM5模式或GRAPES模式。
3.根据权利要求1所述的一种基于地面需求分析的人工增雨飞机航线设计方法，其特征在于，所述步骤(1)中对天气系统中过冷水富集区域进行线性规划获取增雨目标区域的过程包括如下步骤：①以目标作业时间为基准，观察作业前后各两小时内云图走势，以云的边界为目标区域边界规划出云覆盖区域；②以中尺度数值预报模式中与步骤①相同时段即目标作业时间前后各两小时内的过冷水富集区域为边界规划出过冷水富集区域；③云覆盖区域和过冷水富集区域的叠加部分即为具有增雨潜力的增雨目标区域。
4.根据权利要求1所述的一种基于地面需求分析的人工增雨飞机航线设计方法，其特征在于，本年度各地政府对当地降雨量的需求批示报告中包括对农作物种植位置增雨规避或地域过量增雨信息。
5.根据权利要求1所述的一种基于地面需求分析的人工增雨飞机航线设计方法，其特征在于，地面最优的增雨需求位置的坐标获得过程如下：
a)向人影指挥系统中输入中尺度数值预报模式中的云层气象条件，并对天气系统中过冷水富集区域进行线性规划，得到增雨目标区域；
b)进行土壤含水量情况的输入，包括两种模式：第一种模式为数据图，即各地土壤相对湿度分布图输入，并由增雨目标区域内所有观测站土壤水分情况汇总生成，每1h更新一次，图内显示各增雨目标区域土壤相对湿度情况，数据图格式为地理坐标对应相应土壤含水量信息；第二种模式为特征点输入，人工选择目标点，输入其地理坐标；
c)结合实际地理经济环境情况，进行权重分配，地图内不考虑的位置，权重设置为0；
d)人影指挥系统自动建立模型：
①以目标作业时间为基准，观察作业前后各两小时内云图走势，以云的边界为目标区域边界规划出云覆盖区域；②以中尺度数值预报模式中与步骤①相同时段即目标作业时间前后各两小时内的过冷水富集区域为边界规划出过冷水富集区域；③云覆盖区域和过冷水富集区域的叠加部分即为具有增雨潜力的增雨目标区域，根据实际情况利用三种地面最优的增雨需求位置的计算模式中的一种得到地面最优增雨需求位置坐标；
e)通过转换模型，将增雨需求位置坐标转换为增雨需求经纬度地理坐标；
f)人影指挥系统输出地面最优的增雨需求位置的坐标。
6.根据权利要求1所述的一种基于地面需求分析的人工增雨飞机航线设计方法，其特征在于，人工增雨的最佳航线设计方法应采用折线法，增雨飞机需在增雨目标区域进行折线形耕云。
7.根据权利要求5所述的一种基于地面需求分析的人工增雨飞机航线设计方法，其特征在于，所述土壤相对湿度分布图由各个观测站的土壤水分观测系统检测获得。
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