一种云高测量方法、云量测量方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种云高测量方法、云量测量方法及系统，该云高测量方法包括：采用激光雷达设备对天空进行探测，以激光器为光源向大气发射激光脉冲，接收大气的后向散射信号，对一个探测周期内的信号廓线进行分析和云层识别，根据在边界层向自由大气的过渡区域存在气溶胶消光梯度的明显变化，计算远端不同高度条件的云或气溶胶的消光系数，当消光系数的随单位高度的变化值大于第一阈值时判断为大气边界层高度，从而得到各层云的云底高度以及穿透厚度。本发明专利技术通过分析激光雷达后向散射信号的强度，可以反演云底高度。可以反演云底高度。可以反演云底高度。

【技术实现步骤摘要】
一种云高测量方法、云量测量方法及系统


[0001]本专利技术涉及气象监测领域，尤其涉及一种云量测量方法、云高测量方法及系统。

技术介绍

[0002]现有的气象观测装备多为固定式，虽然在实际保障中发挥了重要作用，但受多种因素影响，其保障效果与“保障有力”需求相比还有一定差距，突出表现在：缺乏整体设计，资源配置优化不够；单装单用，集成性差；小型化程度不高，储运集约性低等。因此，急需加强小型化、集成化设计，研制易携行的地面气象观探测设备，为快速形成气象保障能力提供支撑。
[0003]但是由于针对云层的测量算法复杂，难以使用小型化的设备使用场景，因此需要研究一种简便且准确的云层测量方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供了一种云高测量方法、云量测量方法及系统，用以解决现有的云层测量的算法复杂的技术问题。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：
[0006]一种测量云高度的方法，包括以下步骤：
[0007]采用激光雷达设备对天空进行探测，以激光器为光源向大气发射激光脉冲，接收大气的后向散射信号，对一个探测周期内的信号廓线进行分析和云层识别，根据在边界层向自由大气的过渡区域存在气溶胶消光梯度的明显变化，计算远端不同高度条件的云或气溶胶的消光系数，当消光系数的随单位高度的变化值大于第一阈值时判断为大气边界层高度，从而得到各层云的云底高度以及穿透厚度。
[0008]优选地，方法还包括：在因降水、浓雾或低云边界不清晰导致天空模糊时，计算垂直能见度：根据对消光系数的高度积分达到第二阈值时对应的高度为垂直能见度。
[0009]优选地，远端z
m
高度上的大气消光系数采用下式计算得到：
[0010][0011]其中，σ(z)是z高度上大气的消光系数，σ(z
m
)是z
m
高度上大气的消光系数；k
a
是常数；X(z)X(z)＝P(z)*z2，z'是另一个高度。
[0012]优选地，在大气气溶胶浓度较大，大气分子的消光作用相对较小时，如下假设成立：
[0013][0014]k
a
,k
b
都是取常数1；β(z)是z高度上大气的体后向散射系数。
[0015]本专利技术还提供一种计算云量的方法，采用如上述的测量云高度的方法计算得到各层云的云底高度，通过对一段时间内经过监测点的激光雷达设备的观测区域的云层进行时
间加权积分，则可以得到监测点上空在该时间段内的天空云量的近似估计。
[0016]优选地，通过对一段时间内经过监测点的激光雷达设备的观测区域的云层进行时间加权积分，包括按低、中、高的三种类型对界限高度进行分类的云量统计，可以得到监测点上空在该时间段内的三种类型的天空云量的近似估计。
[0017]优选地，一段时间内为至少30个测量周期。
[0018]本专利技术还提供一种计算机系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一所述方法的步骤。
[0019]本专利技术具有以下有益效果：
[0020]本专利技术的测量云高度以及云量统计的方法，步骤简单，能快速算得大气边界层高度，可快速计算得到云层高度，为气象设备的小型化提供条件。
[0021]除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本专利技术还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本专利技术作进一步详细的说明。
附图说明
[0022]构成本申请的一部分的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：
[0023]图1是本专利技术优选实施例的测量云高度的方法的流程示意图；
[0024]图2是本专利技术优选实施例的云量测量方法的流程示意图。
具体实施方式
[0025]以下结合附图对本专利技术的实施例进行详细说明，但是本专利技术可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
[0026]参见图1，本专利技术的测量云高度的方法，包括以下步骤：
[0027]采用激光雷达设备对天空进行探测，以激光器为光源向大气发射激光脉冲，接收大气的后向散射信号，对一个探测周期内的信号廓线进行分析和云层识别，根据在边界层向自由大气的过渡区域存在气溶胶消光梯度的明显变化，计算远端不同高度条件的云或气溶胶的消光系数，当消光系数的随单位高度的变化值大于第一阈值(根据现场试验或者当地经验值进行选定)时判断为大气边界层高度，从而得到各层云的云底高度以及穿透厚度(云底高度和其上方的大气边界层高度之差)。
[0028]实施时，测量云高度的方法还输出天空的状态，如天空模糊或者清晰。天空模糊时(可能因降水、浓雾或低云边界不清晰导致)，计算并输出垂直能见度：根据对消光系数的高度积分达到第二阈值(根据现场试验或者当地经验值进行选定)时对应的高度为垂直能见度。在天空清晰时，输出各层云的云底高度、穿透厚度。还可通过对最近15个测量周期内的信号廓线进行统计，输出边界层高度。
[0029]为了准确的测量云底高度，在测量之前，还需要对激光雷达进行水平角度的校准，参见图1，首先进行信号廓线的质量检查，质量检查通过以后，判断激光雷达的发射倾角是否小于45
°
，如果小于45
°
，则进行正常的发射激光脉冲进行监测，当不小于45
°
时，通过平放激光雷达并识别硬目标物的距离进行倾角纠偏，从而能得到更准确的边界层高度。
[0030]测云高度的原理如下：
[0031]对流层大气可以分为边界层和自由大气。边界层是大气的最底层，靠近地球表面、受地面摩擦阻力影响的大气层区域。大气边界层内的风速、温度和湿度具有明显的日变化，这种日变化随高度减弱。大气边界层的厚度，随气象条件、地形、地面租糙度而变化，范围在100～3000米。
[0032]边界层内的大气运动以湍流为主，自由大气以层流为主。地面是气溶胶的重要来源地，湍流把气溶胶向上传递。因此，在边界层向自由大气的过渡区域，存在气溶胶消光梯度的明显变化，能用于识别大气边界层高度。
[0033]当不考虑大气吸收作用时，下式为单次弹性散射的激光雷达方程。
[0034][0035]式中的P(z)是z高度上的回波信号，C是激光雷达的系统常数，O(z)是z高度上的重叠因子，β(z)和σ(z)分别是z高度上大气的体后向散射系数和消光系数。
[0036]通常，在大气气溶胶浓度较大，大气分子的消光作用相对较小时，可进行如下假设：
[0037][0038]k
a
,k
b
都是常数，通常可取为1。
[0039]在(2)式的假设条件下，(1)式的解采用远端z
m
处的边界条件，通过后向积分的方法能够求得：
[0040][0041]其中，σ(z
m
)是z
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种测量云高度的方法，其特征在于，包括以下步骤：采用激光雷达设备对天空进行探测，以激光器为光源向大气发射激光脉冲，接收大气的后向散射信号，对一个探测周期内的信号廓线进行分析和云层识别，根据在边界层向自由大气的过渡区域存在气溶胶消光梯度的明显变化，计算远端不同高度条件的云或气溶胶的消光系数，当消光系数的随单位高度的变化值大于第一阈值时判断为大气边界层高度，从而得到各层云的云底高度以及穿透厚度。2.根据权利要求1所述的测量云高度的方法，其特征在于，所述方法还包括：在因降水、浓雾或低云边界不清晰导致天空模糊时，计算垂直能见度：根据对消光系数的高度积分达到第二阈值时对应的高度为垂直能见度。3.根据权利要求2所述的测量云高度的方法，其特征在于，远端z
m
高度上的大气消光系数采用下式计算得到：其中，σ(z)是z高度上大气的消光系数，σ(z
m
)是z
m
高度上大气的消光系数；k
a
是常数；X(z)＝P(z)*z2，z'是另一个高度。4.根据权利要求3所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：严辉，
申请(专利权)人：中科星图维天信北京科技有限公司，
类型：发明
国别省市：