利用风廓线雷达和RASS的大气波导监测方法技术

本发明专利技术公开的一种利用风廓线雷达及RASS系统的大气波导监测方法，能够有效的利用风廓线雷达和RASS监测表面和抬升波导，给出大气波导的类型及其特征值。在实际使用过程中，能够连续不间断监测表面和抬升波导，不需要探空设备，没用损耗器材，降低测量的费用，而且相对传统的探空方法操作简单，测量速度快。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种大气波导监测方法，尤其涉及一种采用风廓线雷达和RASS测量数据计算大气波导的方法。涉及专利分类号G01测量；测试G01S无线电定向；无线电导航；采用无线电波测距或测速；采用无线电波的反射或再辐射的定位或存在检测；采用其他波的类似装置G01S13/00使用无线电波的反射或再辐射的系统，例如雷达系统；利用波的性质或波长是无关的或未指明的波的反射或再辐射的类似系统G01S13/88专适用于特定应用的雷达或类似系统。
技术介绍
大气波导中的表面波导和抬升波导的监测普遍采用探空设备测量温、湿、压计算大气修正折射率得到，这些探空设备有探空气球、探空系留气艇、探空小火箭等；Sengupta,N.和Glover,I.A.(2005)采用非探空的方法，利用风廓线雷达和辐射计反演表面波导和抬升波导，具体方法是，采用风廓线雷达测量大气位势折射率梯度，采用辐射计测量位温，利用大气位势折射率梯度能够初步判断是否存在大气波导。采用探空设备的缺点是不能连续监测表面波导和抬升波导，而且测量费时、损耗大，操作比较麻烦；Sengupta,N.和Glover,I.A.(2005)使用的方法只给出大气波导是否出现，没有给出大气波导特征值，包括大气波导的强度、高度、厚度等，另外，大气位势折射率梯度完全是由风廓线雷达测量值计算得到，其反演的准确性较低，尤其是在近地面处，计算结果偏差很大。
技术实现思路
针对以上问题的提出，本专利技术公开的一种利用风廓线雷达和RASS的大气波导监测方法，包括如下步骤：—采用RASS系统测量大气虚温廓线；采用风廓线雷达得到当前位置的垂直风速w和谱宽；使用垂直风速w对虚温Tv进行修正；根据当前的位温θ和高度z计算得出布维频率N；—根据修正的谱宽和布维频率计算当前大气的湍流耗散率ε；进而计算大气湍流结构常数根据谱宽、布维频率和大气湍流结构常数计算出当前大气折射率梯度—计算大气修正折射率M，建立该修正折射率与所述的大气折射率梯度的关系：当或时，表明当前出现大气出现陷获折射，该层大气为陷获层，判定当前出现大气波导。作为优选的实施方式，对于当前出现的大气波导的强度为：ΔM＝M2-M1其中M2为陷获层顶层的大气修正折射率，M1为陷获层底层大气修正折射率，M2所对应的高度为波导顶部高度，在大气修正折射率垂直廓线M2处作垂直于地面的直线，交于大气修正折射率廓线上，该交点对应的高度为大气波导底部高度，大气波导厚度为波导顶部高度与波导底部高度的差值。作为优选的实施方式，所述的虚温修正过程如下：—利用风廓线雷达测量的虚温Tv计算出声速，再利用下式修正虚温，w为垂直风速，单位为m/s，其可由风廓线雷达测量，其符号向上为“‐”，向下为“+”；由于声源向外传播，定义ca的符号为“‐”。作为优选的实施方式，所述的布维频率N的计算方法利用如下公式：θ为位温，z为高度，g＝9.8m/s2为重力加速度，θ由虚温Tv近似计算得到，p0为1000hPa，p为不同高度处的大气压，其可由压高公式计算得到，h为与气压p所对应的高度，h0为p0处的高度，T为h与h0间的平均位温。作为优选的实施方式，所述的湍流耗散率ε为表征湍流强弱的重要参数，湍流耗散率ε与谱宽σ2之间的关系为ε＝bNσ2，其中N为布维频率，b为无量纲常数，b≈α1-3/2≈0.5，α1为柯尔莫戈洛夫常数。更进一步的，所述修正的谱宽为风廓线雷达测量的谱宽去除风切变、波束有限宽度和数据处理过程中引起的谱宽值后的修正值：其中为风廓线雷达测量到的谱宽值，分别为由风切变、波束有限宽度和数据处理过程中引起的谱宽值。更进一步的，所述的风切变和波束有限宽度引起的谱宽计算过程如下：其中，为风切变引起的谱宽，为波束有限宽度引起的谱宽；θ0.5是波束半宽度，α是波束的天顶角，风廓线雷达垂直波束为0°，倾斜波束为14.8°，u是距离雷达R处的水平风速，是距离雷达R处的水平风速的垂直切变，ΔR为距离分辨率。更进一步的，所述数据处理引起的谱宽作为优选的实施方式，所述风廓线雷达通过真实大气的信噪比来对未作积累时的返回信号功率Pr进行计算：Pn是雷达接收机的噪声功率，可由实测的系统噪声系数Nf来近似估算：Pn＝KT0B0Nf其中K＝1.38×10-23是玻尔兹曼常数，T0是用绝对温度表示的雷达系统噪声温度，B0为接收机的带宽，因此，大气湍流结构常数的估算方程为该式中G为系统增益、L为系统馈线损耗、λ为雷达波长，θ为雷达波束宽度，h为距离库长，可转换成，其中C与雷达的技术参数有关。更进一步的，通过大气折射率梯度与大气折射指数垂直梯度的关系，计算得出大气折射率梯度；大气折射指数梯度的计算公式如下：符号的确定：大气返回信号谱宽、布维频率确定的绝对值，与N2存在一定的关系，利用N2的阈值方法可以确定的符号，根据对数据的统计分析，得到N2的阈值，N2小于该值，为正，反之为负；式中为大气折射指数垂直梯度，为大气湍流结构常数，ε为湍流耗散率，a为系数。由于采用了上述技术方案，本专利技术能够利用风廓线雷达和RASS监测表面和抬升波导，给出大气波导的类型及其特征值。在实际使用过程中，能够连续不间断监测表面和抬升波导，不需要探空设备，没用损耗器材，降低测量的费用，而且相对传统的探空方法操作简单，测量速度快。附图说明为了更清楚的说明本专利技术的实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术的大气折射指数梯度计算流程图。图2为本专利技术的大气波导计算流程图。图3为本专利技术实施例选取的2014年10月17日1915无线电探空仪测量数据及计算结果示意图，a为大气温度示意图、b为大气湿度示意图、c为大气修正折射率示意图。图中纵轴为高度，单位为：m。图4为本专利技术实施例选取的2014年10月17日1738风廓线雷达+RASS系统测量数据的计算结果示意图，a为布维频率、b为湍流耗散率、c为大气湍流结构常数。图5为本专利技术实施例中大气折射率梯度计算结果比较示意图图6为本专利技术实施例大气波导诊断结果示意图具体实施方式为使本专利技术的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：一种利用风廓线雷达及RASS系统的大气波导监测方法，主要包括采用风廓线雷达测量的垂向风速修正RASS测量的大气虚温廓线；并使用虚温计算布维频率；采用风廓线雷达测量的谱宽和布维频率计算湍流耗散率；并结合湍流结构常数计算大气折射指数梯度，并根据N2的阈值方法确定的符号；以及，进行大气波导特征值的计算，包括大气波导的高度、厚度、强度，并给出大气波导的类型。各步骤实现的具体方法如下：如图1‐2所示，考虑到在某些大气湍流较强的环境中，由于存在垂直风速，将导致RASS测量虚温出现偏差，故作为优选的实施方式，采用风廓线雷达测量的垂直风速修正虚温廓线，提高虚温测量的精度。在本专利技术中所称的RASS系统特指RadioAcousticSoundingSystem，即无线电声波探测系统。(1)RASS测量的虚温修正利用风廓线雷达测量的垂直风速对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用风廓线雷达及RASS系统的大气波导监测方法，其特征在于具有如下步骤：—采用RASS系统测量大气虚温廓线；—采用风廓线雷达得到当前位置的垂直风速w和谱宽廓线；使用垂直风速w对虚温Tv进行修正；根据当前的位温θ和所在测量值高度z计算得出布维频率N；—根据修正的谱宽和布维频率计算当前大气的湍流耗散率ε；进而计算得出大气湍流结构常数再利用布维频率、大气湍流耗散率和大气湍流结构常数计算出当前大气折射指数梯度—计算大气修正折射率M，建立该修正折射率梯度与所述的大气折射指数梯度的关系：当或时，表明当前大气出现陷获折射，该层大气为陷获层，判定当前出现大气波导。

【技术特征摘要】
1.一种利用风廓线雷达及RASS系统的大气波导监测方法，其特征在于具有如下步骤：—采用RASS系统测量大气虚温廓线；—采用风廓线雷达得到当前位置的垂直风速w和谱宽廓线；使用垂直风速w对虚温Tv进行修正；根据当前的位温θ和所在测量值高度z计算得出布维频率N；—根据修正的谱宽和布维频率计算当前大气的湍流耗散率ε；进而计算得出大气湍流结构常数再利用布维频率、大气湍流耗散率和大气湍流结构常数计算出当前大气折射指数梯度—计算大气修正折射率M，建立该修正折射率梯度与所述的大气折射指数梯度的关系：当或时，表明当前大气出现陷获折射，该层大气为陷获层，判定当前出现大气波导。2.根据权利要求1所述的利用风廓线雷达和RASS的大气波导监测方法，其特征还在于对于当前出现的大气波导的强度为：ΔM＝M2-M1其中M2为陷获层顶层的大气修正折射率，M1为陷获层底层大气修正折射率，M2所对应的高度为波导顶部高度，在大气修正折射率垂直廓线M2处作垂直于地面的直线，交于大气修正折射率廓线上，该交点对应的高度为大气波导底部高度，大气波导厚度为波导顶部高度与波导底部高度的差值。3.根据权利要求1所述的利用风廓线雷达和RASS的大气波导监测方法，其特征还在于所述的虚温修正过程如下：—利用风廓线雷达测量的虚温Tv计算出声速ca，再利用下式修正虚温，w为垂直风速，单位为m/s，其可由风廓线雷达测量，其符号向上为“-”，向下为“+”；由于声源向上传播，定义ca的符号为“-”。4.根据权利要求1所述的利用风廓线雷达和RASS的大气波导监测方法，其特征还在于所述的布维频率N的计算方法利用如下公式：θ为位温，z为高度，g＝9.8m/s2为重力加速度，θ由虚温Tv近似计算得到，p0为1000hPa，p为不同高度处的大气压，其可由压高公式计算得到，z为与气压p所对应的高度，z0为p0处的高度，T为h与h0间的平均位温。5.根据权利要求1所述的利用风廓线雷达和RASS的大气波导监测方法，其特征还在于所述的湍流耗散率ε为表征湍流强弱的参数，湍流耗散率ε与谱宽σ2之间的关...

【专利技术属性】
技术研发人员：王华，苏世鹏，唐海川，焦林，张宇，鞠伟娜，任燕，
申请(专利权)人：王华，
类型：发明
国别省市：辽宁;21