一种基于超声风速仪和测风激光雷达计算稳定边界层高度的方法、应用和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种基于超声风速仪和测风激光雷达计算稳定边界层高度的方法、应用和装置，包括如下步骤：对稳定边界层进行判别，并计算表层湍流通量；对经过质量控制后的超声风速数据进行平稳性检验，根据该检验方法剔除非平稳记录，所得到的平稳记录认定为稳定边界层高度；计算表层湍流通量；将测风激光雷达的平均风速廓线数据代入迭代算法得到一高度。本发明专利技术方法将地面湍流通量与高空湍流通量建立联系，并且将风速廓线的通量

【技术实现步骤摘要】
一种基于超声风速仪和测风激光雷达计算稳定边界层高度的方法、应用和装置


[0001]本专利技术属于大气探测
，尤其是一种基于超声风速仪和测风激光雷达计算稳定边界层高度的方法、应用和装置。

技术介绍

[0002]大气稳定边界层是大气边界层的类型之一，在近地面上方大气层结稳定时出现。晴好天气下的陆地夜间边界层是大气稳定边界层最常见的例子，故大气稳定边界层也称之为夜间边界层。此时大气稳定边界层位于残留层下方，在垂直方向上伸展到500米左右。从热力学角度讲，大气稳定边界层由于地面冷却通过湍流交换向上传播形成逆温层，同时，大气辐射冷却也使得大气逐渐损失热量，在近地层上方形成冷空气。这些冷空气与边界层上部残留层内暖空气形成逆温，从而带来稳定层结。
[0003]大气边界层的研究中，对于大气稳定边界层高度的研究非常重要，大气稳定边界层高度是指行星边界层的厚度，是表征大气边界层特征的重要参量。大气稳定边界层一个最主要的特征就是其湍流性，理论上讲大气稳定边界层高度最基本的定义是其湍流特征消失的高度。地表面和大气之间物质和能量的交换主要都是通过湍流运动来本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于超声风速仪和测风激光雷达计算稳定边界层高度的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：首先，对稳定边界层进行判别，并计算表层湍流通量；然后，使用超声风速仪获得超声风速数据，对超声风速数据进行质量控制，对经过质量控制后的超声风速数据进行平稳性检验，根据该检验方法剔除非平稳记录，所得到的平稳记录认定为稳定边界层高度；根据莫宁
‑
奥布霍夫相似理论对经过质量控制后的超声数据计算表层湍流通量，选取的雷诺平均尺度为1小时；最后，使用测风激光雷达获得平均风速廓线数据，将测风激光雷达的平均风速廓线数据代入迭代算法得到一高度，表明该层所在高度为大气稳定出现分层的高度，则将该层高度以下确定为稳定边界层高度。2.根据权利要求1所述的基于超声风速仪和测风激光雷达计算稳定边界层高度的方法，其特征在于：对超声风速数据进行质量控制的步骤具体如下：(1)极值判断：根据仪器的测量范围，将超出仪器测量范围的值剔除；(2)利用方差分析原理采用5倍标准差为阈值，将超过5倍标准差的数据用5倍标准差代替，对湍流数据进行检验并剔除噪声；(3)随机脉动剔除：数据接收系统和数据传输系统产生一些随机脉冲，需要剔除这些随机脉冲；对于满足Gauss分布的随机变量，其在区间[μ
‑
2σ，μ
‑
2σ]内取值94.44％，取值落在[μ
‑
3σ，μ
‑
3σ]之外的可能性不到3％；而对于左右对称的指数分布，随机变量的取值更向均值靠近；由于间歇性和相干结构的普遍存在，实际大气湍流资料概率密度pdf分布存在很多不对称的情况，有时存在很大的偏斜度，pdf图中会出现长尾现象，剔除方法为先求出ΔX
i
＝X
i+2
‑
X
i
的pdf分布及其方差，然后将|ΔX|＞nσ的值视为随机脉冲；考虑湍流资料中pdf的长尾现象，为了最大限度的保护原有资料，避免误将间歇性信号剔除，取值n＝5；其中，μ为样本平均值，σ为样本标准差，X
i
为随机样本；(4)振幅分辨率检验：序列的概率密度函数中出现0的位置超过70％时，认为该序列振幅分辨率过低，未能通过振幅分辨率检验；(5)僵值检验：超声探头和数据记录系统的问题，可能导致连续一段时间内，数据变化极小，出现僵值；相邻点的差值小于某一阈值，即认为是僵值；阈值选为该时间序列概率密度函数bin的宽度，通常bin的数目取为100，则bin的宽度为[max(x)
‑
min(x)]/100；每进行一次僵值检验的时间定为10分钟；(6)高阶统计量检验：与高斯分布相比，如果数据的高阶统计矩异常大或异常小，意味着仪器和数据记录系统出现问题；计算数据的偏斜度S和峰度K，其定义如下：着仪器和数据记录系统出现问题；计算数据的偏斜度S和峰度K，其定义如下：其中，σ是样本标准差，μ是样本平均值，x为随机样本；当S的绝对值大于2或者K的值大于8或者K的值小于1时，均认为序列未通过高阶统计矩检验；(7)平稳性检验：将待检验的数据分为M段，每段分别计算协方差：
其中，N是每段数据的个数，x和w是两个不同的序列，或者为相同的序列，前者用于检验通量之间的平稳性，后者用于检验序列本身的平稳性；求M个协方差的算术平均，得到求分段前待检验的数据的协方差：如果则认为数据不平稳，未通过平稳性检验。不仅如此，雷诺平均尺度的选取对湍流通量的影响也非常大；因此，传统的半小时平均尺度并不适用。需要人工选取该观测时段何使的雷诺平均尺度；该发明发现，随着雷诺平均尺度的增长，对其湍流通量的影响变小并趋于稳定，建议选取1小时雷诺平均尺度。3.根据权利要求2所述的基于超声风速仪和测风激光雷达计算稳定边界层高度的方法，其特征在于：步骤(7)中将待检验的数据分为M段，M选为4～8，默认值选为6；步骤(7)中x和w是两个不同的序列，用于检验通量之间的平稳性，x为温度，w为垂直风速。4.根据权利要求1至3任一项所述的基于超声风速仪和测风激光雷达计算稳定边界层高度的方法，其特征在于：具体包括如下步骤：步骤1，根据稳定边界层高度为动量通量的大小降低到其表面值的1％的高度或者最大风廓线相对应的高度，将稳定边界层高度用对经过质量控制后的超声风速仪数据计算的湍流强度作为稳定边界层高度平稳性检验的判别式，稳定边界层高度的判别式β的计算：其中，和代表水平横向和纵向风速脉动的方差，代表平均风速；根据所述判别式取β<0.1所出现的连续记录作为平稳记录，并认为所述连续记录为出现稳定边界层高度时段；根据上述判别式所出现的除β<0.1所出现的连续记录之外的连续记录作为非平稳记录，并认为该连续记录不为稳定边界层高度时段并将该连续记录剔除；根据不同的雷诺平均尺度对于湍流通量值的敏感度不同，对经过质量控制后的超声风速仪数据计算不同雷诺平均尺度的湍流通量，将上述平稳记录和非平稳记录所出现时段分别作为雷诺平均尺度的函数计算所述湍流通量，选取能够近似代表所述湍流通量主要特征的雷诺平均尺度作为计算所述湍流通量的平均尺度；
步骤2，根据表面浮力通量B
s
和布莱恩特

【专利技术属性】
技术研发人员：陈仕意，孙海炯，陈文琳，李少萌，杨苏丁，王一惠，吴家豪，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：