CN112130230B - 一种高山峡谷水库局地气候效应的立体监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高山峡谷水库局地气候效应的立体监测方法，包括以下步骤：(1)选择水库坝前和水库中部两个位置，每个观测位置安装不同高度的自动气象站；(2)根据气象站的布设位置，无人机沿两岸直线观测水库坝前和/或水库中部不同高度的气象要素；(3)根据气象站的布设高度，无人机沿河道中轴线观测水库坝前和水库中部之间不同高度的气象要素。本发明能够获取水库不同位置的气象垂直分布，并捕捉到气象要素沿程的变化情况。监测数据可作为高山峡谷水库局地气候效应过程机理研究和大气数值模拟提供数据支撑，解决中尺度气象模式在高山峡谷地区应用和验证困难的问题，为高山峡谷水库局地气候效应观测方法提供思路。

Description

一种高山峡谷水库局地气候效应的立体监测方法
技术领域
本发明涉及气象水文监测方法，具体涉及一种高山峡谷水库局地气候效应的立体监测方法。
背景技术
湖泊、水库等内陆水域不同于周围的自然地被，其反照率显著异于自然地被，热导率和比热容较大，表面粗糙度较低，因此具有不同的辐射性质和热力学性质。以往研究表明，湖泊、水库的这些特性可能对局地和区域气候产生重要影响，深刻理解这些特性对研究水体与大气之间的相互作用具有重要意义。
国内外学者对大型水库局地气候效应开展了很多研究，研究表明大型水库建设对局地气候影响最为显著的是气温、风、蒸发、空气湿度，影响次显著的为降水、雷暴日、雾。水库对局地气候的影响范围可能为数公里以内。
在水库局地气候效应研究中，中尺度气象模式(例如WRF模式)是重要的研究工具，目前广泛应用于湖泊对局地气候的影响研究中。总体来说，中尺度气象模式在自然湖泊开阔水域得到了广泛应用，但在高山峡谷水库局地气候效应研究中难以应用，原因在于，一是由于高山峡谷人迹罕至、地理偏僻，导致极其缺少观测资料；二是中尺度气象模式水平分辨率在数公里以上，但峡谷水库水面面积一般在数公里以内，中尺度气象模式难以反映峡谷水库的空间特征。
发明内容
发明目的：针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种高山峡谷水库局地气候效应的立体监测方法，监测数据可以作为高山峡谷水库局地气候效应过程机理研究和大气数值模拟提供数据支撑，解决中尺度气象模式在高山峡谷地区应用和验证困难的问题，也为高山峡谷水库局地气候效应观测方法提供思路。
技术方案：一种高山峡谷水库局地气候效应的立体监测方法，包括以下内容：
(1)在水库坝前和水库中部各选择一个观测位置，每个观测位置上布置多个距离水面不同高度的观测点，每个观测点上对应布设有气象站；具体的，根据水面宽度大小确定水库坝前和水库中部的观测位置，选择水面宽度最大的位置进行监测。
(2)根据气象站的布设位置，无人机沿两岸直线观测水库坝前和/或水库中部不同高度的气象要素；
(3)根据气象站的布设高度，无人机沿河道中轴线观测水库坝前和水库中部之间不同高度的气象要素。所述气象要素包括气温、风速风向、湿度、气压。
进一步的，水库坝前各观测点和水库中部各观测点的观测高程相同，且各观测点距离水面的高度间隔逐渐变大。优选的，具体包括五个不同高度的观测高程，其距离水面的高度分别为30m，50m，100m，300m，500m。
进一步的，步骤(3)中，无人机分别在距离水面高程30m、100m、500m的河道中轴线观测水库坝前和水库中部之间的气象要素。
进一步优选的，在距离水面为100m以内进行加密观测。
与现有技术相比，本发明具有如下显著效果：
1、通过在水库的坝前和中部(水面宽度最大处)各设置若干不同高度横向无人机观测路线，在水库河道中轴线设置若干个不同高度纵向无人机观测路线，既能够获取水库不同位置的气象垂直分布，又能够捕捉到气象要素沿程的变化情况。
2、该立体监测方法所获取的监测数据可作为高山峡谷水库局地气候效应过程机理研究和大气数值模拟提供数据支撑，解决中尺度气象模式在高山峡谷地区应用和验证困难的问题，也为高山峡谷水库局地气候效应观测方法提供思路。
附图说明
图1为糯扎渡水库建库后减去建库前(距离水面100m)的气温差值示意图；
图2为糯扎渡水库建库后减去建库前(距离水面200m)的气温差值示意图；
图3为本发明实施例的一种高山峡谷水库局地气候效应的立体监测方法的示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例详细阐述本发明的技术方案。
一种高山峡谷水库局地气候效应的立体监测方法，包括如下内容：
步骤S1：在水库坝前、水库中部各选取一个观测位置，分别布设自动气象站网，自动气象站网包括多个自动气象站，用于观测不同高度的气象状态。
如图3，包括2个(A和B)横断面气象观测网和1个(A-B)纵断面观测网，2个(A和B)横断面气象观测网分别位于水库坝前和中部位置，1个(A-B)纵断面观测网位于水库坝前和中部位置之间。
上述水库坝前和中部的位置选取是根据水面面积大小进行确定的，通常选择水面宽度最大的位置进行监测，即2个横断面气象观测网(A和B)分别优选位于在水库的坝前和中部的水面宽度最大处。
研究表明对于高山峡谷水库，局地气候效应与水面面积大小相关性较大，如图1、图2，故气象站网A和B的作用为观测该处不同高度所对应的气象要素，如图3。
步骤S2：在距离水面不同高程处布设若干自动气象站，形成观测点，观测气温、风速风向、湿度、气压要素。
如图3，A和B两个横断面气象观测网具有相同的结构，每个横断面设置5个自动气象站，包括5条无人机气象观测路线，自动气象站无线实时传输数据，无人机在天气较好情况下进行飞行探测。
5个自动气象站分别距离水面高程30m、50m、100m、300m、500m，对应于图3的A1、A2、A3、A4、A5和B1、B2、B3、B4、B5点。
图3中，自动气象站设置在距离水面高程30m、50m、100m、300m、500m的山坡处，并优选安装在河道的同一侧，以便管理维修。
研究表明，高山峡谷地区河谷深切，两岸山体高耸，水库局地气候的影响范围局限在100m左右，难以影响500m范围以外的区域。如图1、图2，根据中尺度气象模式模拟结果，将糯扎渡水库建库后的气温减去建库前的气温，结果表明，糯扎渡水库局地气候影响的高程在距离水面100m以内。因此，本实施例考虑到对于距离水库水面100m以内，气象要素波动较为剧烈，故采取30m、50m、100m的距离进行加密观测，得到A1、A2、A3和B1、B2、B3气象站点布设位置，便于精确地观测水面附近的气象变化；对于距离水面100m以外，气象要素波动较为平缓，受到水库调度影响不大，故在100和500m处设置气象站进行观测，得到A4、A5和B4、B5气象站点布设位置。
步骤S3：根据自动气象站布设高度，无人机沿两岸直线飞行探测水库坝前、水库中部两个横断面(A和B)上不同高度的气象要素，观测气温、风速风向、湿度、气压要素。横断面观测高度与气象站网布设的高度保持一致。
水库坝前、水库中部两个横断面(A和B)的位置与气象站网布设的位置保持一致。
本实施例中，5个无人机气象观测路线观测高度与自动气象站高度一致，横断面飞行高度为距离水面高程30m、50m、100m、300m、500m，即A1、A2、A3、A4、A5和B1、B2、B3、B4、B5所对应的两岸直线距离。
无人机在横断面距离水面高程30m、50m、100m、300m、500m的位置进行直线飞行观测，得到两个横断面(A和B)上不同高度的飞行轨迹和气象要素。
进一步地，无人机对横断面不同高度进行加密观测，基于地面气象站进行精度评估和矫正。
步骤S5：(A-B)纵断面观测网位于水库河道中轴线，无人机沿着河道中轴线飞行观测水库坝前、水库中部两个横断面(A和B)之间不同高度的气象要素，河道中轴线观测高度与气象站网的高度保持一致。
如图3所示，(A-B)纵断面观测网上包括3条高度沿程观测路线：A1-B1、A3-B3、A5-B5，该3条高度沿程观测路线分别距离水面距离30m、100m、500m。
根据自动气象站布设高度，无人机分别在距离水面高程为30m、100m、500m的河道中轴线进行数据采集。
进一步地，无人机对纵断面不同高度进行加密观测，得到水库气象要素的沿程变化。
具体的，对于距离水面100m以内，气象要素波动较为剧烈，故采取30m、100m的距离进行加密观测，得到A1-B1、A3-B3无人机飞行路线，便于精确地观测水库水面沿程的气象变化；对于距离水面100m以外，气象要素波动较为平缓，受到水库调度影响不大，故在500m处设置气象站进行观测，得到A5-B5无人机飞行路线，如图3。
数据收集和应用，将自动气象站按照上述方式依次安装好，气象站无线实时数据传输装置相连，无线实时数据传输装置与远程计算机相连，即可通过计算机远程收集水库库区气象数据。选择在无雨晴朗天气过程进行无人机飞行，无人机通过自动/手动驾驶，在预定航线进行飞行，通过气象探测传感器进行数据采集和解析，即可完成无人机气象探测。结合地面自动气象站网和无人机在横纵方向的气象探测网，组成了高山峡谷水库局地气候效应立体监测网，为高山峡谷水库局地气候效应监测提供数据，也为中尺度气象模式模拟提供验证数据。此外，将实测数据和数值模拟结果结合起来，可以更好地进行高山峡谷水库局地气候效应多要素、多角度的精细化研究。
综上，本发明以地面气象站观测数据为基准参考值，为水库局地气候效应机理研究和数值模拟验证提供长期观测数据，也可以为无人机气象探测的精度评估和矫正提供参考；无人机气象探测可以对库区重点区域进行加密观测，以获得多要素、立体化的局地气候观测数据，弥补地面气象站点代表性不足的问题。地面气象站和无人机气象探测的数据组成不同位置、不同高度的多要素、立体化气象观测数据，为高山峡谷地区大气数值模拟提供重要的验证数据，也为高山峡谷水库局地气候效应机理研究提供数据。本发明对探究峡谷地区湖泊、水库等水体对局地气候的影响和机理研究具有重要意义。

Claims (5)

1.一种高山峡谷水库局地气候效应的立体监测方法，其特征在于，包括以下内容：
（1）在水库坝前和水库中部各选择一个观测位置，每个观测位置上布置多个距离水面不同高度的观测点，每个观测点上对应布设有气象站；水库坝前各观测点和水库中部各观测点的观测高程相同，且各观测点距离水面的高度间隔逐渐变大；在距离水面为100m以内进行加密观测；
（2）根据气象站的布设位置，无人机沿两岸直线观测水库坝前和/或水库中部不同高度的气象要素；
（3）根据气象站的布设高度，无人机沿河道中轴线观测水库坝前和水库中部之间不同高度的气象要素。
2.根据权利要求1所述的高山峡谷水库局地气候效应的立体监测方法，其特征在于：步骤（1）中包括五个不同高度的观测高程，其距离水面的高度分别为30m， 50m， 100m， 300m，500m。
3.根据权利要求2所述的高山峡谷水库局地气候效应的立体监测方法，其特征在于：步骤（3）中，无人机分别在距离水面高程30m、100m、500m的河道中轴线观测水库坝前和水库中部之间的气象要素。
4.根据权利要求1所述的高山峡谷水库局地气候效应的立体监测方法，其特征在于：所述气象要素包括气温、风速风向、湿度、气压。
5.根据权利要求1所述的高山峡谷水库局地气候效应的立体监测方法，其特征在于：步骤（1）中，根据水面宽度大小，选择水面宽度最大的位置作为水库坝前和水库中部的观测位置。
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