基于风廓线雷达的三维风场构建方法技术

本发明专利技术提供了基于风廓线雷达的三维风场构建方法

【技术实现步骤摘要】
基于风廓线雷达的三维风场构建方法、系统及存储介质


[0001]本专利技术涉及三维风场构建
，尤其是涉及基于风廓线雷达的三维风场构建方法
、
系统及存储介质
。

技术介绍

[0002]风的观测是气候学和天气学研究的重要步骤，因为风是大气中水循环
、
海气交换
、
气溶胶输运以及天气变化的主要动力
。
因此大气中风的作用对当前的人类生活生产都不可或缺
。
观测大气各个高度层风场分布在提升天气预报的可靠性
、
灾害天气防治
、
以及机场气流的监测和飞机路线的优化等方面都十分有意义
。
因此，获取准确真实的三维风场具有一定的必要性
。
[0003]目前，多数三维风场反演算法使用多部或单步多普勒天气风廓线雷达
。
虽然已有的多部多普勒天气风廓线雷达风场反演技术成熟，反演效果较好，但晴空条件下缺少示踪粒子，天气风廓线雷达无法获取完整的风场信息，这限制了风场反演的适用场景
。
相比之下，风廓线雷达采用微波遥感探测方式，通过接收和处理电磁波束在大气垂直结构不均匀的影响下返回的信息来探测高空风场
。
在晴空条件下，它可以监测大气的运动速度
、
方向以及结构常数，并且垂直分辨率高，是一种新一代高性能大气监测设备
。
[0004]尽管有些省份或城市存在多部相隔一定距离的风廓线雷达，具备基于风廓线雷达组网反演大范围风场的条件，但目前关于风廓线雷达进行组网联合风场反演的研究处于初步研究阶段，还存在着些许不足：
[0005]a)
使用风廓线雷达进行组网的构建三维风场的区域较大，地球曲率会对其造成影响
。
现有的使用风廓线雷达组网构建三维风场算法忽视了地球曲率对风场构建结果带来的影响
。
[0006]b)
目前使用风廓线雷达组网构建三维风场算法通常为线性函数拟合，所以目前使用风廓线雷达组网构建三维风场算法必须使用一定数量以上的风廓线雷达
(4
部及其以上
)
，并且每三部进行才能构建出三维风场
。
[0007]c)
目前使用风廓线雷达组网构建三维风场的算法大多要求风廓线雷达的距离库长度相等，对风廓线雷达水平风和垂直风数据的利用率不高
。
[0008]目前使用风廓线雷达组网构建三维风场的算法对风廓线雷达所在海拔高度有所限制，实际的风廓线雷达可能无法达到要求，导致目前的算法难以应用在实际业务中
。

技术实现思路

[0009]本专利技术提供基于风廓线雷达的三维风场构建方法
、
系统及存储介质，能够克服地球曲率对风场构建结果带来的影响
。
[0010]为实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：
[0011]本专利技术实施例的第一方面提供了基于风廓线雷达的三维风场构建方法，包括如下步骤：
[0012]S1.
获取每部风廓线雷达的风廓线雷达水平风和垂直风数据；
[0013]S2.
基于已知的风廓线雷达站点位置信息
、
风廓线雷达水平风和垂直风数据在垂直高度上的分布，对垂直风廓线上各个高度的风速矢量进行校正；
[0014]S3.
校正后，对垂直风廓线上的风速矢量进行自适应重采样，得到相同高度层上的风速数据；
[0015]S4.
基于所述相同高度层上的风速数据，通过风廓线雷达组网，采用距离加权的方式进行三维风场构建
。
[0016]在一些实施例中，
S2
包括：
[0017]S21.
建立地心坐标系；
[0018]S22.
基于所述地心坐标系，确定每部风廓线雷达所在位置的局地坐标系；
[0019]S23.
将其中一部风廓线雷达的局地坐标系作为参考坐标系，将其余风廓线雷达的局地坐标系进行转换到所述参考坐标系下；
[0020]S24.
转换后，对每部风廓线雷达的风速矢量进行校正
。
[0021]在一些实施例中，
S23
中，采用公式
1、
公式2和公式3进行坐标系转换；
[0022]公式1：
[0023][0024]公式2：
[0025][0026]公式3：
[0027][0028]其中，分别为地心坐标系的三个轴对应的单位矢量；
φ
和
θ
分别为参考坐标系对应的风廓线雷达的经纬度；分别为参考坐标系的三个轴对应的单位矢量；
φ
′
和
θ
′
分别为待转换局地坐标系对应的风廓线雷达的经纬度；分别为待转换局地坐标系的三个轴对应的单位矢量；
K
为转换矩阵，
K
＝
B2B1‑1，
B1
和
B2
为中间参数
。
[0029]在一些实施例中，
S24
中，采用公式
4、
公式5和公式6进行风速矢量的校正；
[0030]公式4：
[0031]公式5：
[0032]公式6：
[u v w]＝
[u
′ꢀ
v
′ꢀ
w
′
]B2B1‑1；
[0033]其中，
V
′
为待校正的风速矢量，
[u
′ꢀ
v
′ꢀ
w
′
]为待校正的风速矢量的分量，
[u v w]为校正后的风速矢量的分量
。
[0034]在一些实施例中，
S3
包括：
[0035]S31.
获取垂直风廓线每个高度上的风速和
/
或风向；
[0036]S32.
计算相邻高度之间的高度差，以及风速差和
/
或风向差；
[0037]S33.
计算风速和
/
或风向随高度的变化率，变化率
WS1
等于风速差与高度差的比值，变化率
WS2
等于风向差与高度差的比值；
[0038]S34.
建立分量
u、v、w
关于高度的拟合函数：
[0039]u
＝
α
u0
+
α
u1
h+
α
u2
h2+
α
u3
h3+
…
+
α
un
h
n
；
[0040]v
＝
α
v0
+
α
v1
h+...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
基于风廓线雷达的三维风场构建方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.
获取每部风廓线雷达的风廓线雷达水平风和垂直风数据；
S2.
基于已知的风廓线雷达站点位置信息
、
风廓线雷达水平风和垂直风数据在垂直高度上的分布，对垂直风廓线上各个高度的风速矢量进行校正；
S3.
校正后，对垂直风廓线上的风速矢量进行自适应重采样，得到相同高度层上的风速数据；
S4.
基于所述相同高度层上的风速数据，通过风廓线雷达组网，采用距离加权的方式进行三维风场构建
。2.
根据权利要求1所述的基于风廓线雷达的三维风场构建方法，其特征在于，
S2
包括：
S21.
建立地心坐标系；
S22.
基于所述地心坐标系，确定每部风廓线雷达所在位置的局地坐标系；
S23.
将其中一部风廓线雷达的局地坐标系作为参考坐标系，将其余风廓线雷达的局地坐标系进行转换到所述参考坐标系下；
S24.
转换后，对每部风廓线雷达的风速矢量进行校正
。3.
根据权利要求2所述的基于风廓线雷达的三维风场构建方法，其特征在于，
S23
中，采用公式
1、
公式2和公式3进行坐标系转换；公式1：公式2：公式3：
其中，分别为地心坐标系的三个轴对应的单位矢量；
φ
和
θ
分别为参考坐标系对应的风廓线雷达的经纬度；分别为参考坐标系的三个轴对应的单位矢量；
φ
′
和
θ
′
分别为待转换局地坐标系对应的风廓线雷达的经纬度；分别为待转换局地坐标系的三个轴对应的单位矢量；
K
为转换矩阵，
K
＝
B2B1‑1，
B1
和
B2
为中间参数
。4.
根据权利要求3所述的基于风廓线雷达的三维风场构建方法，其特征在于，
S24
中，采用公式
4、
公式5和公式6进行风速矢量的校正；公式4：公式5：公式6：
[u v w]
＝
[u
′ꢀ
v
′ꢀ
w
′
]B2B1‑1；其中，
V
′
为待校正的风速矢量，
[u
′ꢀ
v
′ꢀ
w
′
]
为待校正的风速矢量的分量，
[u v w]
为校正后的风速矢量的分量
。5.
根据权利要求4所述的基于风廓线雷达的三维风场构建方法，其特征在于，
S3
包括：
S31.
获取垂直风廓线每个高度上的风速和
/
或风向；
S32.
计算相邻高度之间的高度差，以及风速差和
/
或风向差；
S33.
计算风速和
/
或风向随高度的变化率，变化率
WS1
等于风速差与高度差的比值，变化率
WS2
等于风向差与高度差的比值；
S34.
建立分量
u、v、w
关于高度的拟合函数：
u
＝
α
u0
+
α
u1
h+
α
u2
h2+
α
u3
h3+
…
+
α
un
h
n
；
v
＝
α
v0
+
α
v1
h+
α
v2
h2+
α
v3
h3+
…
+
α
vn
h
n
；
w
＝
α
w0
+
α
w1
h+
α
w2
h2+
α
w3
h3+
…
+
α
wn
h
n
；其中，
h
为高度，
α
u0
...
α
un
、
α
...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾桃峰，王家珉，申枫，王海江，岳海燕，吴昊，伍光胜，
申请(专利权)人：成都信息工程大学，
类型：发明
国别省市：