CN114460584A - 风切变监测与预警算法 - Google Patents

风切变监测与预警算法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及风切变计算技术领域，且公开了风切变监测与预警算法，包括以下步骤，建立多个测风站，在跑道周边建立多个测风站，设备的安装，在跑道周边安装上风速计、风廓线雷达和激光测风雷达。该风切变监测与预警算法，通过利用探测到的风场数据，可准确计算出风切变的辐合强度和辐散强度，从而预警出风切变等级和强度，本风切变监测与预警算法，不仅可应用于由风速计构成的平面风场探测网，可应用于由风廓线雷达、激光测风雷达等立体探测设备构成的立体风场探测网，而且可应用于由风速计、风廓线雷达、激光测风雷达等平面或立体探测设备构成的混合型风场探测网，不仅可预警出风切变的等级和强度，而且可预警出发生风切变的高度。

Description

风切变监测与预警算法
技术领域
本发明涉及风切变计算技术领域，具体为一种风切变监测与预警算法。
背景技术
风切变是指风速矢量或其分量沿垂直方向或某一水平方向的变化，风切变是向量值，反映了所研究的两点之间风速和风向的变化，在航空气象学中，低空风切变通常是指近地面600米高度以下的风切变，低空风切变的形成需要一定的天气背景和环境条件，雷暴、积雨云和龙卷等天气有较强的对流，能形成强烈的垂直风切变，强下击暴流到达地面后向四周扩散的阵风，能形成强烈的水平风切变，锋面两侧气象要素差异大，容易产生较强的风切变。
针对现有风切变预警系统普遍采用单部或单套设备探测数据的现状，开展风切变监测与预警系统的研究，且目前风切变预警主流算法原理是，计算跑道两端自动站矢量差，从而预警风切变，但是该算法以点带面，通过简单的风速矢量差判断有无风切变，这不仅没有科学理论支持，且不能反映风场的真实变化，它的风场探测数据是由10米高的风速计提供的，未构成立体探测网，因而以此探测数据作为风切变预警依据的算法有着先天不足，风切变预警效率较低，使用起来不方便，故而提出了一种风切变监测与预警算法来解决上述技术方案，即可应用于600米高度层以下的低空风切变，也可应用于600米高度层以上的风切变监测与预警。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种风切变监测与预警算法，具备预警时间更早、预警率更高、运算速度更快的优点，解决了预警时间慢、预警率较低、运算速度慢的问题。
(二)技术方案
为实现上述预警时间更早、预警率更高、运算速度更快的目的，本发明提供如下技术方案：风切变监测与预警算法，包括以下步骤：
1)建立多个测风站，选定跑道，在跑道周边建立多个测风站；
2)设备的安装，在跑道周边安装上风速计、风廓线雷达和激光测风雷达；
3)数据的探测，利用跑道周边的风速计、风廓线雷达或激光测风雷达探测风场数据；
4)以多部风速计、风廓线雷达或激光测风雷达构成一定区域；
5)辐合强度的计算，计算出此区域面积内速度场的辐合强度；
6)辐散强度的计算，计算出此区域面积内速度场的辐散强度；
7)其它区域的辐合强度和辐散强度的计算，与其它区域所占面积内速度场的辐合、辐散强度逐一进行运算，得出跑道周边区域内有无低空风切变。
优选的，两个所述测风站间距离大于等于1km，小于等于5km。
优选的，判断所述辐散强度和辐散强度的表示公式为
Figure BDA0003500709240000021
优选的，所述E为正值时表示辅散，E为负值时表示辐合，Vn代表区域顶点侧风站所观测风场垂直于边长风速的分量，S为区域3个边长，A为区域的面积，定义该区域的顶点分别为B、C、D，则顶点的位置为B(Bx，By),C(Cx，Cy),D(Dx，Dy)，顶点的风场资料为V(Bu，Bv),V(Cu，Cv),V(Du，Dv)。
优选的，所述A速度场的平均辐合为
Figure BDA0003500709240000022
A1＝[(Cx-Bx)2+(Cy-By)2]×[(Dx-Bx)2+(Dy-By)2]，A2＝[(Cx-Bx)×(Dx-Bx)+(Cy-By)×(Dy-By)]2,所述辐散强度和辐散强度F的计算公式为
F＝F1+F2,
Figure BDA0003500709240000031
Figure BDA0003500709240000032
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明提供了风切变监测与预警算法，具备以下有益效果：
该风切变监测与预警算法，通过利用探测到的风场数据，可准确计算出低空风切变的辐合强度和辐散强度，本风切变监测与预警算法，不仅可应用于由风速计构成的平面风场探测网，可应用于由风廓线雷达、激光测风雷达等立体探测设备构成的立体风场探测网，而且可应用于由风速计、风廓线雷达、激光测风雷达等平面或立体探测设备构成的混合型风场探测网，当该算法应用于立体或混合型风场探测网时，不仅可预警出风切变的等级和强度，而且可预警出发生风切变的高度，具有重要的科技创新意义和巨大的现实经济意义。
附图说明
图1为本发明风切变监测与预警原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：由多个风速计构成的平面风场探测网，包括以下步骤：
1)建立多个由风速计等平面探测设备构成的测风站，选定跑道，在跑道上建立多个风速计，任意2个风速计间距大于等于1km,小于等于5km，需要说明的是，当任意2个风速计间距不在大于等于1km,小于等于5km这一范围时，会影响监测的准确性，影响数据探测结果的准确性；
2)设备的安装，在跑道周边安装上多个风速计；
3)数据的探测，利用跑道周边风速计探测的风场数据；
4)以多个风速计构成一定区域；
5)辐合强度的计算，计算出此区域面积内速度场的辐合强度；
6)辐散强度的计算，计算出此区域面积内速度场的辐散强度；
7)其它区域的辐合强度和辐散强度的计算，需要说明的是，只对一处区域进行探测和监测，会导致计算出的辐合强度或者辐散强度的数值不准确，通过多处区域的辐合强度或者辐散强度的计算，能够有效判断出辐合强度或者辐散强度，保证了计算的准确形，与其它区域所占面积内速度场的辐合、辐散强度逐一进行运算，得出跑道周边区域内有无风切变。
判断辐散强度和辐散强度的表示公式为
Figure BDA0003500709240000041
E为正值时表示辅散，E为负值时表示辐合，Vn代表区域顶点侧风站所观测风场垂直于边长风速的分量，S为区域3个边长，A为区域的面积，定义该区域的顶点分别为B、C、D，则顶点的位置为B(Bx，By),C(Cx，Cy),D(Dx，Dy)，顶点的风场资料为V(Bu，Bv),V(Cu，Cv),V(Du，Dv)，
A速度场的平均辐合为
Figure BDA0003500709240000042
A1＝[(Cx-Bx)2+(Cy-By)2]×[(Dx-Bx)2+(Dy-By)2]，A2＝[(Cx-Bx)×(Dx-Bx)+(Cy-By)×(Dy-By)]2,辐散强度和辐散强度F的计算公式为F＝F1+F2,
Figure BDA0003500709240000043
Figure BDA0003500709240000051
辅散强度和辐合强度F的单位为S-1。
实施例二：风廓线雷达、激光测风雷达等立体探测设备构成的立体风场探测网，包括以下步骤：
1)建立多个由风廓线雷达、激光测风雷达等立体探测设备构成的测风站，选定跑道，在跑道上建立多个测风站，任意2个测风站间距大于等于1km,小于等于5km，需要说明的是，当任意2个测风站间距不在大于等于1km,小于等于5km这一范围时，会影响监测的准确性，影响数据探测结果的准确性；
2)设备的安装，在跑道周边安装上风廓线雷达或激光测风雷达；
3)数据的探测，利用跑道周边上的风廓线雷达或激光测风雷达探测的风场数据；
4)以多部风廓线雷达或激光测风雷达构成一定区域；
5)辐合强度的计算，计算出此区域面积内速度场的辐合强度；
6)辐散强度的计算，计算出此区域面积内速度场的辐散强度；
7)其它区域的辐合强度和辐散强度的计算，需要说明的是，只对一处区域进行探测和监测，会导致计算出的辐合强度或者辐散强度的数值不准确，通过多处区域的辐合强度或者辐散强度的计算，能够有效判断出辐合强度或者辐散强度，保证了计算的准确形，与其它区域所占面积内速度场的辐合、辐散强度逐一进行运算，得出跑道周边区域内有无风切变，且可计算出风切变发生的高度。
判断辐散强度和辐散强度的表示公式为
Figure BDA0003500709240000052
E为正值时表示辅散，E为负值时表示辐合，Vn代表区域顶点侧风站所观测风场垂直于边长风速的分量，S为区域3个边长，A为区域的面积，定义该区域的顶点分别为B、C、D，则顶点的位置为B(Bx，By),C(Cx，Cy),D(Dx，Dy)，顶点的风场资料为V(Bu，Bv),V(Cu，Cv),V(Du，Dv)，A速度场的平均辐合为
Figure BDA0003500709240000061
A1＝[(Cx-Bx)2+(Cy-By)2]×[(Dx-Bx)2+(Dy-By)2]，A2＝[(Cx-Bx)×(Dx-Bx)+(Cy-By)×(Dy-By)]2,辐散强度和辐散强度F的计算公式为F＝F1+F2,
Figure BDA0003500709240000062
Figure BDA0003500709240000063
辅散强度和辐合强度F的单位为S-1。
实施例三：由风速计等平面探测设备，风廓线雷达、激光测风雷达等立体探测设备构成的混合型探测网，包括以下步骤：
1)建立多个由平面探测设备、立体探测设备构成的测风站，选定跑道，在跑道上建立多个测风站，任意2个测风站间距离大于等于1km,小于等于5km，需要说明的是，当任意2个测风站间距离不在大于等于1km,小于等于5km这一范围时，会影响监测的准确性，影响数据探测结果的准确性；
2)设备的安装，在跑道周边安装上风速计、风廓线雷达和激光测风雷达；
3)数据的探测，利用跑道周边上的风速计、风廓线雷达和激光测风雷达探测的风场数据；
4)以多部风速计、风廓线雷达和激光测风雷达构成一定区域；
5)辐合强度的计算，计算出此区域面积内速度场的辐合强度；
6)辐散强度的计算，计算出此区域面积内速度场的辐散强度；
7)其它区域的辐合强度和辐散强度的计算，需要说明的是，只对一处区域进行探测和监测，会导致计算出的辐合强度或者辐散强度的数值不准确，通过多处区域的辐合强度或者辐散强度的计算，能够有效判断出辐合强度或者辐散强度，保证了计算的准确形，与其它区域所占面积内速度场的辐合、辐散强度逐一进行运算，得出跑道周边区域内有无风切变，且可计算出风切变发生的高度。
判断辐散强度和辐散强度的表示公式为
Figure BDA0003500709240000071
E为正值时表示辅散，E为负值时表示辐合，Vn代表区域顶点侧风站所观测风场垂直于边长风速的分量，S为区域3个边长，A为区域的面积，定义该区域的顶点分别为B、C、D，则顶点的位置为B(Bx，By),C(Cx，Cy),D(Dx，Dy)，顶点的风场资料为V(Bu，Bv),V(Cu，Cv),V(Du，Dv)，A速度场的平均辐合为
Figure BDA0003500709240000072
A1＝[(Cx-Bx)2+(Cy-By)2]×[(Dx-Bx)2+(Dy-By)2]，A2＝[(Cx-Bx)×(Dx-Bx)+(Cy-By)×(Dy-By)]2,辐散强度和辐散强度F的计算公式为F＝F1+F2,
Figure BDA0003500709240000073
Figure BDA0003500709240000074
辅散强度和辐合强度F的单位为S-1。
平面探测网具有识别精度高，适应性好等优点，能有效识别跑道近地面的风切变；立体探测网在立体探测设备的探测范围内，可有效预警各高度层的风切变；综合探测网，具有平面探测网和立体探测网的优点。
判断标准：通过公式
Figure BDA0003500709240000075
计算，当E为数值为正值时，说明表示辅散强度，当E为数值为负值时，说明表示辐合强度。
本发明的有益效果是：
该风切变监测与预警算法，通过利用探测到的风场数据，可准确计算出低空风切变的辐合强度和辐散强度，本风切变监测与预警算法，不仅可应用于由风速计构成的平面风场探测网，可应用于由风廓线雷达、激光测风雷达等立体探测设备构成的立体风场探测网，而且可应用于由风速计、风廓线雷达、激光测风雷达等平面或立体探测设备构成的混合型风场探测网，当该算法应用于立体或混合型风场探测网时，不仅可预警出风切变的等级和强度，而且可预警出发生风切变的高度，具有重要的科技创新意义和巨大的现实经济意义。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.风切变监测与预警算法，其特征在于，包括以下步骤：
1)建立多个测风站，选定跑道，在跑道周边建立多个测风站；
2)设备的安装，在跑道周边安装上风速计、风廓线雷达和激光测风雷达；
3)数据的探测，利用跑道周边的风速计、风廓线雷达或激光测风雷达探测风场数据；
4)以多部风速计、风廓线雷达或激光测风雷达构成一定区域；
5)辐合强度的计算，计算出此区域面积内速度场的辐合强度；
6)辐散强度的计算，计算出此区域面积内速度场的辐散强度；
7)其它区域的辐合强度和辐散强度的计算，与其它区域所占面积内速度场的辐合、辐散强度逐一进行运算，得出跑道周边区域内有无风切变。
2.根据权利要求1所述的风切变监测与预警算法，其特征在于：两个所述测风站间距离大于等于1km，小于等于5km。
3.根据权利要求1所述的风切变监测与预警算法，其特征在于：判断所述辐散强度和辐散强度的表示公式为
Figure FDA0003500709230000011
4.根据权利要求3所述的风切变监测与预警算法，其特征在于：所述E为正值时表示辅散，E为负值时表示辐合，Vn代表区域顶点侧风站所观测风场垂直于边长风速的分量，S为区域3个边长，A为区域的面积，定义该区域的顶点分别为B、C、D，则顶点的位置为B(Bx，By),C(Cx，Cy),D(Dx，Dy)，顶点的风场资料为V(Bu，Bv),V(Cu，Cv),V(Du，Dv)。
5.根据权利要求4所述的风切变监测与预警算法，其特征在于：所述A速度场的平均辐合为
Figure FDA0003500709230000012
A1＝[(Cx-Bx)2+(Cy-By)2]×[(Dx-Bx)2+(Dy-By)2]，
A2＝[(Cx-Bx)×(Dx-Bx)+(Cy-By)×(Dy-By)]2,所述辐散强度和辐散强度F的计算公式为
Figure FDA0003500709230000021
Figure FDA0003500709230000022
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