CN116703247B - 一种基于指标阈值法的人工增雨作业效果评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于指标阈值法的人工增雨作业效果评估方法，基于已有人工增雨总结成果筛选作业参数，构建人工增雨率指标阈值库；参照合理性判别指标库对所述作业信息进行作业合理性分析；计算所述作业逐条的作业影响区，对重叠的影响区进行合并影响区计算，得到作业影响时长和逐小时作业影响区产品，进而得到任意时段累积影响区；将作业信息与人工增雨率指标阈值库相匹配，采用指标阈值法计算逐小时增雨量和逐小时增雨量格点产品，进而可得到任意时段累积增雨量和增雨量水平分布，输出评估结果；本发明的技术方法理论上适用于目前所有主流的人影作业工具，能够快速高效地生成逐小时影响区产品，适用于人工增雨或增雪作业效果计算。

Description

一种基于指标阈值法的人工增雨作业效果评估方法
技术领域
本发明涉及人工增雨催化作业效果评估领域，尤其涉及一种基于指标阈值法的人工增雨作业效果评估方法。
背景技术
根据云降水和人工影响天气原理，人工播云的效果是指受人工催化影响后，目标云的微物理过程和降水过程发生的变化。这种变化包括两个方面，一种是云的宏、微观物理参量受催化影响发生改变，称为人工播云的直接效果；另一种是催化导致地面降水发生变化，又称为播云的间接效果，也是人工影响天气的最终目的。由于缺乏科学、有效的方法和手段，效果检验一直以来是制约人影工作发展的技术难题之一。
判断人工催化作业增加降水量，受限于数值预报的准确性和观测仪器精度，作业效果的快速定量评估仍然较为困难，传统方法采用固定增雨率值，结合作业影响区和累积雨量计算作业效果，这种方法简便快捷，满足制作人影效果评估产品的需求，然而，该方法增雨率的选择存在较强的主观性，且缺乏严格的作业合理性判别流程，影响区计算繁琐难以满足小时级别的作业效果计算，无法自动化、智能化的制作定量评估产品。因此需要一种基于指标阈值法的人工增雨作业效果评估方法。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是目前现有技术公开的主观性较强、合并影响区难以评估的缺陷问题而提出的一种基于指标阈值法的人工增雨作业效果评估方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于指标阈值法的人工增雨作业效果评估方法，具体包括以下步骤：
本发明包括以下步骤：
A基于已有人工增雨总结成果筛选作业参数，构建人工增雨率指标阈值库，获取待评估作业的作业信息；
B通过所述作业信息得到催化位置，并将所述催化位置与地理信息关联；
C参照合理性判别指标库对所述作业信息进行作业合理性分析；
D基于催化剂传输扩散模型，利用三维风场资料计算所述作业信息的影响区，对重叠的影响区进行合并影响区计算，得到作业影响时长和逐小时作业影响区产品；
E根据所述逐小时作业影响区产品和作业影响时长，并将所述作业信息与人工增雨率指标阈值库相匹配，得到对应的人工增雨指标阈值，采用指标阈值法计算逐小时增雨量格点产品和任意时段增雨量水平分布；采用指标阈值法计算逐小时增雨量和任意时段增雨量，输出评估结果。
进一步地，在步骤A中，所述作业参数包括关联的云条件，作业方式和地区信息，所述云条件包括天气系统、云系特征和云状特征点，所述作业方式包括地面火箭、高炮、烟炉和飞机作业工具。
进一步地在步骤B中对所述催化位置与地理信息关联的方法包括以下步骤：
步骤B-1、读入地面作业站点的地理数据、地面作业信息和飞机作业信息；
步骤B-2、对地面作业信息和飞机作业信息进行质量控制；
步骤B-3、基于火箭、高炮厂家提供的弹道曲线参数和方位角、仰角参数，计算火箭、高炮的播撒点位置并设置为催化位置，并将所述催化位置的坐标匹配到地理经纬度坐标。
进一步地，所述对地面作业信息和飞机作业信息进行质量控制的方法包括
1）利用地面作业点经度、纬度信息判定作业点是否超出其所在行政区，剔除超出的作业信息；
2）根据作业点安全射界以及仰角在45-85o范围内的要求，判断所述地面作业方位角、仰角是否正确，去除错误的作业信息；
3）对所述飞机作业信息的飞行轨迹数据进行处理，采用滤波算法或者异常值检测去除所述飞行轨迹数据中的奇点；
4）将选取的作业信息与作业信息上报规范进行比对筛选，记录不合规部分的内容。
进一步地，在步骤C 中，所述合理性判别指标库包括作业条件、作业部位和催化剂选择合理性判别指标，具体为：
①作业条件要求作业催化位置附近10km格点范围卫星反演云顶高度有值，从而判断是否有云；
②作业部位要求地面作业的催化位置高度小于卫星云顶高度、飞机播撒高度小于云顶高度的轨迹点占比超过50%；
③催化剂选择要求冷云催化剂作业部位的温度小于0℃，暖云催化剂作业部位的温度大于0℃；
④不同地区可根据本地实际评估需求配置本地化的合理性判别指标。
进一步地，在步骤D 中所述作业影响时长和逐小时作业影响区产品的计算方法包括以下步骤：
步骤D-1、将三维风场资料与作业信息进行时空匹配关联；
步骤D-2、基于自由大气中的物质传输扩散方程，计算不同作业方式催化剂扩散传输的解析解，得到每条作业的逐小时作业影响区：
上式中扩散物质浓度，/>、/>、/>为三维风场/>、/>、/>轴方向的分风速，/>、/>为水平和垂直湍流系数，/>为时间；
其中高炮作业采用瞬时点源模型，火箭作业采用瞬时线源模型，飞机作业采用移动点源模型，烟炉催化作业采用高斯烟羽扩散模型计算影响区，催化剂浓度以1个/L的浓度阈值来计算作业影响时长；
步骤D-3、基于所述作业信息对应的影响区结果，对时空重叠的不同作业影响区进行合并影响区计算，得到逐小时作业影响区产品，对任意时段内的逐小时作业影响区进行合并影响区计算，去除重叠面积，得到任意时段的作业影响区面积。
进一步地，在步骤E中采用指标阈值法计算所述逐小时增雨量和任意时段增雨量的方法包括以下步骤：
步骤E-1、根据作业对应的地区、云条件和作业方式，基于增雨率指标阈值库，自动匹配作业对应的增雨率；
步骤5-2、利用步骤D得到的逐小时作业影响区面积产品，计算逐小时影响区面积，与影响区时空匹配的逐小时面平均降水量/>，采用指标阈值法计算逐小时增雨量/>，并进一步累加得到任意时段的增雨量，计算公式如下：
上式中为任意时段增雨量，/>为逐小时增雨量，/>为时段小时数量，/>为某小时合并影响区中不相交的影响区面数量，/>为单个影响区小时平均降水量，/>为单个影响区面积，/>为单个影响区匹配的增雨率。
进一步地，在步骤E 中采用指标阈值法计算所述逐小时增雨量格点产品和任意时段增雨量水平分布的方法包括以下步骤：
1）根据作业对应的地区、云条件和作业方式，基于增雨率指标阈值库，自动匹配作业对应的增雨率；
2）利用步骤D得到的逐小时作业影响区产品，将逐小时降水量格点数据与影响区进行匹配，得到作业影响区内的降水量格点数据，并乘以对应的增雨率，得到基于影响区的逐小时增雨量格点产品，计算公式如下：
上式中为逐小时降水格点数据，/>为作业影响区内的降水量格点数据，/>为增雨率，/>为基于影响区的逐小时增雨量格点产品；
3）基于上述逐小时增雨量格点产品，算数累加得到任意时段增雨量格点产品，进而在地理坐标系中展示，给出任意时段增雨量水平分布结果。
采用以上方案，本发明公开的基于指标阈值法的人工增雨作业效果评估方法，具有以下优点：
（1）本发明通过建立不同地区、不同云条件、不同作业方式的人工增雨率指标阈值库，在针对大批量人影作业的常态化快速效果评估时可提供较为客观的增雨率指标，在保障效果评估时效性的基础上避免过多的主观干预；
（2）本发明的技术方法理论上适用于目前所有主流的人影作业工具，能够快速高效地生成逐小时影响区产品，通过合并影响区的方式避免了增雨量的重复计算，便于开展效果评估工作，此外基于计算得到的历史逐小时影响区产品，提高了历史作业效果的计算和统计效率。
（3）本发明通过建立适用于人工增雨率指标阈值库和场景模型，通过对作业信息的加工处理，开发作业合理性分析、影响区计算和增雨效果的快速定量化计算算法，可给出任意时段增雨效果，提高人工增雨作业效果定量评估产品的自动化、规范性和时效性。
附图说明
图1为本发明一种基于指标阈值法的人工增雨作业效果评估方法的整体流程图；
图2为本发明一种基于指标阈值法的人工增雨作业效果评估方法的任意时段内增雨量和影响区面积的计算处理的流程图。
具体实施方式
以下介绍本发明的实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，这些实施例为示例性描述，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
如图1和2所示，实施例1、基于指标阈值法的人工增雨作业效果评估方法—多次作业
步骤1基于已有人工增雨总结成果筛选作业参数，构建人工增雨率指标阈值库，获取待评估作业的作业信息。基于已有人工增雨总结成果，筛选汇总并加工处理，建立适用于我国不同地区、不同云条件、不同作业方式的人工增雨率指标阈值库。
步骤2、通过所述作业信息得到催化位置，并将所述催化位置与地理信息关联；
选取2023年7月4日6时26-28分山东德州的5次人工增雨作业，空间范围在117.3E-117.6E，37.8N-37.9N之间，作业方位角为70、240、324、327、330度，仰角为65、63、58、60、60度，作业密集成片，作业信息加工处理后并匹配地理信息，得到播撒点空间位置，共开展地面增雨作业5次，发射高炮炮弹39发，火箭弹4枚；
步骤3、参照合理性判别指标库对所述作业信息进行作业合理性分析；
利用卫星、探空资料，参照合理性判别指标库，计算得到这5次地面作业的作业位置附近FY-4反演云顶高度均有值，表明有云，作业条件合理；作业高度小于云顶高度，作业部位合理；催化剂为冷云催化剂AgI，而作业高度温度均<0℃，催化剂选择合理。故经合理性分析，这7次地面作业通过合理性检验；
步骤4、基于催化剂传输扩散模型，利用三维风场资料计算所述作业信息的影响区，对重叠的影响区进行合并影响区计算，得到作业影响时长和逐小时作业影响区产品；
基于催化剂传输扩散模型，利用三维风场资料计算每条作业的影响区，对重叠的影响区进行合并影响区计算，得到作业影响时长、逐小时合并影响区产品。将三维风场插值到作业高度后，基于高炮扩散传输模型，计算得到每次作业的影响区，通过合并影响区操作，计算得到逐小时影响区产品，并进一步计算得到累积影响区。5次作业的3小时累积影响区面积分别在217.8-850.7km2之间， 3小时累积合并影响区面积为1323.7km2；
步骤5、根据所述逐小时作业影响区产品和作业影响时长，并将所述作业信息与人工增雨率指标阈值库相匹配，得到对应的人工增雨指标阈值，采用指标阈值法计算逐小时增雨量格点产品和任意时段增雨量水平分布；采用指标阈值法逐小时增雨量和任意时段增雨量，输出评估结果。
利用逐小时影响区产品，匹配合适的人工增雨指标阈值，采用指标阈值法计算逐小时增雨量，进而可得到任意时段增雨量。经过对降水资料的匹配计算，5个作业影响区内的平均3小时累积平均面降水量在9.4-10.6mm之间。根据作业地区、云条件、作业方式等信息在指标阈值库中匹配到最优增雨率为18.4%，通过计算逐小时增雨量并累积得到的该时段增雨量为79.8万吨；
实施例2、基于指标阈值法的人工增雨作业效果评估方法—单次作业
步骤1、基于已有人工增雨总结成果，筛选汇总并加工处理，建立适用于我国不同地区、不同云条件、不同作业方式的人工增雨率指标阈值库；
步骤2、选取2023年3月22日下午，贵州的1次飞机增雨作业，飞行范围在105-108E，26-27N之间，作业信息加工处理后并匹配地理信息，得到播撒点空间位置。共开展飞机增雨作业1次，燃烧焰条24根，飞行时长2小时50分；
步骤3、利用卫星、探空资料，参照合理性判别指标库，计算得到这次飞机作业的作业位置附近FY-4反演云顶高度均有值，表明有云，作业条件合理；飞机播撒点高度小于云顶高度的轨迹点占比>50%，作业部位合理；催化剂为AgI冷云焰条，而播撒高度约4900米，温度大部分均<0℃，催化剂选择合理。故经合理性分析，这次飞机作业通过合理性检验；
步骤4、基于催化剂传输扩散模型，利用三维风场资料计算每条作业的影响区，对重叠的影响区进行合并影响区计算，得到作业影响时长、逐小时合并影响区产品。将三维风场插值到飞机播撒作业高度后，基于飞机移动点源扩散传输模型，计算得到本次作业的逐小时影响区，5小时总影响面积为5.1万km2；
步骤5、利用逐小时影响区产品和作业影响时长，匹配合适的人工增雨指标阈值，采用指标阈值法计算逐小时增雨量，进而可得到任意时段增雨量。经过对降水资料的匹配计算，本次飞机作业影响区内的平均作业后5小时累积面平均降水量为0.5mm。根据作业地区、云条件、作业方式等信息在指标阈值库中匹配到最优增雨率为24.2%，通过计算逐小时增雨量并累积得到的该时段增雨量为644.3万吨。
鉴于人工增雪原理与增雨基本一致，本方法也适用于人工增雪作业效果评估。
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 (8)

1.一种基于指标阈值法的人工增雨作业效果评估方法，其特征在于包括以下步骤：
A基于已有人工增雨总结成果筛选作业参数，构建人工增雨率指标阈值库，获取待评估作业的作业信息；
B通过所述作业信息得到催化位置，并将所述催化位置与地理信息关联；
C参照合理性判别指标库对所述作业信息进行作业合理性分析；
D基于催化剂传输扩散模型，利用三维风场资料计算所述作业信息的影响区，对重叠的影响区进行合并影响区计算，得到作业影响时长和逐小时作业影响区产品；
E根据所述逐小时作业影响区产品和作业影响时长，并将所述作业信息与人工增雨率指标阈值库相匹配，得到对应的人工增雨指标阈值，采用指标阈值法计算逐小时增雨量格点产品和任意时段增雨量水平分布；采用指标阈值法计算逐小时增雨量和任意时段增雨量，输出评估结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于指标阈值法的人工增雨作业效果评估方法，其特征在于，在步骤A中，所述作业参数包括关联的云条件，作业方式和地区信息，所述云条件包括天气系统，云系特征和云状特征，所述作业方式包括地面火箭、高炮、烟炉和飞机作业工具。
3.根据权利要求1所述的一种基于指标阈值法的人工增雨作业效果评估方法，其特征在于，在步骤B中对所述催化位置与地理信息关联的方法包括以下步骤：
步骤B-1、读入地面作业站点的地理数据、地面作业信息和飞机作业信息；
步骤B-2、对地面作业信息和飞机作业信息进行质量控制；
步骤B-3、基于火箭、高炮厂家提供的弹道曲线参数和方位角、仰角参数，计算火箭、高炮的播撒点位置并设置为催化位置，并将所述催化位置的坐标匹配到地理经纬度坐标。
4.如权利要求3所述的一种基于指标阈值法的人工增雨作业效果评估方法，其特征在于，所述对地面作业信息和飞机作业信息进行质量控制的方法包括：
1）利用地面作业点经度、纬度信息判定作业点是否超出其所在行政区，剔除超出的作业信息；
2）根据作业点安全射界以及仰角在45-85o范围内的要求，判断所述地面作业方位角、仰角是否正确，去除错误的作业信息；
3）对所述飞机作业信息的飞行轨迹数据进行处理，采用滤波算法或者异常值检测去除所述飞行轨迹数据中的奇点；
4）将选取的作业信息与作业信息上报规范进行比对筛选，记录不合规部分的内容。
5.根据权利要求1所述的一种基于指标阈值法的人工增雨作业效果评估方法，其特征在于，在步骤C 中，所述合理性判别指标库包括作业条件、作业部位和催化剂选择合理性判别指标，具体为：
①作业条件要求所述催化位置附近10km格点范围卫星反演云顶高度有值，从而判断是否有云；
②作业部位要求地面作业的催化位置高度小于卫星云顶高度、飞机播撒高度小于云顶高度的轨迹点占比超过50%；
③催化剂选择要求冷云催化剂作业部位的温度小于0℃，暖云催化剂作业部位的温度大于0℃。
6.根据权利要求1所述的一种基于指标阈值法的人工增雨作业效果评估方法，其特征在于，在步骤D中所述作业影响时长和逐小时作业影响区产品的计算方法包括以下步骤：
步骤D-1、将三维风场资料与所述催化位置进行时空匹配关联；
步骤D-2、基于自由大气中的物质传输扩散方程，计算不同作业方式催化剂扩散传输的解析解，得到每条作业的逐小时作业影响区：
；
上式中扩散物质浓度，/>、/>、/>为三维风场/>、/>、/>轴方向的分风速，/>、/>为水平和垂直湍流系数，/>为时间；
其中高炮作业采用瞬时点源模型，火箭作业采用瞬时线源模型，飞机作业采用移动点源模型，烟炉催化作业采用高斯烟羽扩散模型计算影响区，催化剂浓度以1个/L的浓度阈值来计算作业影响时长；
步骤D-3、基于所述作业信息对应的影响区结果，对时空重叠的不同作业影响区进行合并影响区计算，得到逐小时作业影响区产品，对任意时段内的逐小时作业影响区进行合并影响区计算，去除重叠面积，得到任意时段的作业影响区面积。
7.根据权利要求1所述的一种基于指标阈值法的人工增雨作业效果评估方法，其特征在于，在步骤E 中采用指标阈值法计算所述逐小时增雨量和任意时段增雨量的方法包括以下步骤：
步骤E-1、根据作业对应的地区、云条件和作业方式，基于增雨率指标阈值库，自动匹配作业对应的增雨率；
步骤E-2、利用步骤D得到的逐小时作业影响区产品，计算逐小时影响区面积，与影响区时空匹配的逐小时面平均降水量/>，采用指标阈值法计算逐小时增雨量/>，并进一步累加得到任意时段的增雨量，计算公式如下：
；
上式中为任意时段增雨量，/>为逐小时增雨量，/>为时段小时数量，/>为某小时合并影响区中不相交的影响区面数量，/>为单个影响区小时平均降水量，/>为单个影响区面积，/>为单个影响区匹配的增雨率。
8.根据权利要求1所述的一种基于指标阈值法的人工增雨作业效果评估方法，其特征在于，在步骤E 中采用指标阈值法计算所述逐小时增雨量格点产品和任意时段增雨量水平分布的方法包括以下步骤：
1）根据作业对应的地区、云条件和作业方式，基于增雨率指标阈值库，自动匹配作业对应的增雨率；
2）利用步骤D得到的逐小时作业影响区产品，将逐小时降水量格点数据与影响区进行匹配，得到作业影响区内的降水量格点数据，并乘以对应的增雨率，得到基于影响区的逐小时增雨量格点产品，计算公式如下：
；
；
上式中为逐小时降水格点数据，/>为作业影响区内的降水量格点数据，/>为增雨率，为基于影响区的逐小时增雨量格点产品；
3）基于上述逐小时增雨量格点产品，算数累加得到任意时段增雨量格点产品，进而在地理坐标系中展示，给出任意时段增雨量水平分布结果。
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