基于风速抖动率的高空风探测数据计算层厚度设计方法技术

本发明专利技术涉及一种基于风速抖动率的高空风探测数据计算层厚度设计方法，属于高空风探测领域。本发明专利技术基于导航定位数据获取高空风秒数据，计算业务化高空风数据，计算风速抖动率，计算抖动率变化量或抖动率变化率，获取拟合的最优单摆周期倍数，获取最优计算层厚度。本发明专利技术充分考虑了导航定位误差、钟摆效应、侧滑效应等因素，采用高精度导航定位仪，借助多种尺寸气球、多种长度挂绳开展高空风探测试验，采用综合数据处理方法，在平衡测量误差和计算层厚度的基础上，设定最优平滑时间间隔，确定最优计算层厚度，减小探测误差的同时保留更多的风速变化细节。速变化细节。速变化细节。

【技术实现步骤摘要】
基于风速抖动率的高空风探测数据计算层厚度设计方法


[0001]本专利技术属于高空风探测领域，具体涉及一种基于风速抖动率的高空风探测数据计算层厚度设计方法。

技术介绍

[0002](1)我国高空风探测的情况及高度层要求
[0003]目前，我国气象部门高空气象探测业务测风主要采用气球作为示踪物，常常采用气球挂载探空仪，通过位置
‑
时间的关系，计算风向风速。单位时间内水平方向的运动距离即为风速，通常将气球或探空仪水平距离除以时间间隔得到高空风速。
[0004]气球测风主要有L波段测风雷达、GPS/北斗导航测风等。现阶段，我国气象部门主要使用L波段雷达开展高空风探测，L波段是通过雷达跟踪示踪物，获取示踪物的位置信息，进而计算风向风速，其探测数据为秒间隔数据，即1s获取一组数据。
[0005]近年来，随着导航技术的发展，GPS/北斗导航逐渐应用于高空气象探测中，用于开展高空风探测。主要通过导航定位功能，对气球挂载的探空仪进行定位，采用定位信息计算风速风向。目前国内导航卫星芯片的更新频率通常为1Hz,即1s获取一组数据，因此导航测风获取的卫秒间隔数据。
[0006]由于L波段雷达和导航测风均为秒间隔数据，秒间隔的风速风向数据随时间的波动较大，可能存在一定的错误数据。因此，不经过处理，是无法直接应用于业务部门。根据中国气象局2010年发布的《常规高空气象观测业务规范》规定，探空测风的原始数据是不能直接提供给业务部门使用，应当首先对原始数据进行处理，获得等压面风、规定高度风、最大风层、高空风特性层和对流层顶等规定层风，继而供业务部门使用。
[0007]按照《常规高空气象观测业务规范》规定，为了保证高空测风数据具有一定的精度，用于天气学和气候学的高空风风向、风速计算时间间隔为1min、2min和4min，即从气球释放瞬间开始计算，20min及以内，每1min为一个计算层，20
‑
40min，每2min为一个计算层，40min以后，每4min为一个计算层。按照常规气象业务750g标准胶面气球升速400m/min计算，常规高空气象探测计算层厚度分别为400m、800m和1600m。
[0008]然而，1min、2min和4min的时间间隔所获取的数据，时间间隔较长，计算层厚度较大，虽然可以一定程度上减小高空风的测量误差，但是却损失了更多的风细节，严重影响了测风的精度。
[0009](2)误差的描述
[0010]实际高空风探测中，风速风向随高度的变化存在较大的随机波动，随机波动表征了风速风向的测量误差。高空风测量误差主要来源于设备定位误差(即设备定位精度)、局地小尺度大气湍流、钟摆效应、侧滑效应等。
[0011]a)定位误差。无论是L波段雷达测风还是导航定位测风，风速风向均是通过探空仪位置计算的，因此风速风向误差取决于两个定位点的位置误差，即探空仪的探测精度。通过增加数据计算的时间间隔，可以有效降低两点之间的位置误差。对于相同的定位设备，计算
的时间间隔越短，风速风向的误差越大。
[0012]b)钟摆效应。探空气球搭载的探空仪在上升过程中，受挂绳的牵引，探空仪呈现螺旋“钟摆”运动，即“钟摆效应”，会产生测风误差，而且钟摆效应与挂绳的长度有关，绳长越长，钟摆周期越大，误差越大。
[0013]c)局地小尺度湍流。大气在空间和时间的小尺度范围的运动是相当复杂的，风不但有方向和大小，同时还有阵性变化，即风的湍流。大气的运动在小尺度范围内是复杂多变的，探空气球在上升过程中需要穿越一系列湍流，定位将受到大气湍流的影响，位置信息必然产生一定的误差，即大气湍流误差。风速风向短时间内的高频波动表征的是测风的误差，根据大气湍流随高度变化的规律，风速越大，风速风向的变化幅度越小，其变化幅度随高度的增加呈变小的趋势，即大气湍流尺度随高度增加呈增大的趋势，大气湍流产生的波动随高度的增加是减小的。因此，当大气湍流尺度较小时，会带来一定的测风误差，当大气湍流尺度较大时，湍流的波动减小，湍流带来的误差减弱。
[0014]由于设备的定位误差、小尺度湍流、钟摆效应等的影响，风速风向在短时间内呈现高频波动，风曲线呈现抖动特征。因此，用秒间隔数据计算的风速风向随时间的波动很大，无法直接应用于常规气象业务中。在业务应用时，通常采用平滑处理，去除风速风向的高频变化。
[0015]然而，高空风的测量误差与平滑的时间间隔、计算层厚度有直接关系。对风速风向进行平滑处理时，不同计算时间间隔、计算层厚度或者不同的平滑尺度，对于同一次测量数据的处理结果将是不同的。时间间隔越短，计算层厚度越小，测风误差越大，但能在一定程度上呈现风速变化的真实细节。如图1左侧所示。时间间隔越长，计算层厚度越大，平滑曲线对风速波动的衰减越大，测风误差越小，但掩盖了更多风的实际波动特性，如图1右侧所示。然而，当计算时间间隔过长或过短、计算层厚度过大或过小，都不能代表高空风的真实特性。因此，针对实际业务使用需求，根据大气湍流特性、定位设备测量性能等，通过设计最优平滑时间间隔和计算层厚度，减小探测误差的同时保留更多的风速真实变化细节。
[0016](3)抖动率的提出
[0017]高空风探测数据为秒间隔采样数据，通过测风传感器每秒获取位置信息，进而处理为风速、风向。对于秒间隔采样数据，由于设备定位误差、小尺度大气湍流、钟摆效应、气球侧滑效应等的影响，用间隔很小的数据计算风速风向，数据随时间的波动很大，呈现明显的波动状态，即抖动特征，如图2所示。为正确认识抖动的特征，需采用正确的抖动量化方式。为此，我们定义了抖动和抖动率的概念。抖动即为数据在有效瞬间时间序列上的短期性振荡，抖动率即为数据在单位时间内的振荡幅度。
[0018]数据的抖动有两种主要类型：确定性抖动和随机性抖动，确定性抖动包括风速随高度的自然变化及大尺度大气湍流等造成的客观风速变化产生的抖动，随机性抖动则为定位误差、钟摆效应、小尺度大气湍流等测量误差造成的抖动。在高空气象探测过程中，可以认为确定性误差是由大气自身产生的，不因人为原因而改变，随机性误差是由测量造成的，可以通过人为进行改变。在实际业务中，可以通过数据平滑处理，去除风速风向的高频变化，减小抖动。
[0019]通过抖动率的变化，直观显示数据的波动特征，表征数据的测量误差。平滑时间越短，计算层厚度越小，越能呈现风速变化的真实细节，但测风误差越大，抖动越明显。平滑时
间间隔越长，计算层厚度越大，平滑曲线对风速波动的衰减越大，测风误差越小，抖动越平缓，但掩盖了更多风的实际波动特性，同时造成相位滞后。因此，在实际业务中，应设定最优平滑时间间隔，确定最优计算层厚度，减小探测误差的同时保留更多的风速变化细节。
[0020]鉴于此，本专利技术设计了一种基于风速抖动率的高空风探测数据最优计算层厚度设计方法。

技术实现思路

[0021](一)要解决的技术问题
[0022]本专利技术要解决的技术问题是如何提供一种基于风速抖动率的高空风探测数据计算层厚度设本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于风速抖动率的高空风探测数据计算层厚度设计方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：S1、通过采用导航定位仪，借助气球、挂绳开展高空风探测，基于导航定位数据获取高空风秒数据；S2、计算业务化高空风数据使用最小二乘法拟合方法，选取单摆周期整数倍作为拟合时间，对拟合时间内的高空风秒数据进行处理计算，获取拟合时段内的平均东西风速u、南北风速v；S3、计算风速抖动率通过南北风速v、东西风速u在单位时间内的变化，定义拟合风速抖动率F；计算公式如下：其中Fu为东西风速抖动率，Fv为南北风速抖动率；u
i
、v
i
、t
i
为探空仪位于第i高度层时的东西风速、南北风速和对应时刻；n为高空风拟合周期数；将南北风速抖动率、东西风速抖动率合成为风速抖动率：风速抖动包括确定性抖动和测量误差抖动；测量误差抖动率dF表示为：其中dFu为东西风测量误差抖动率，dFv为南北风测量误差抖动率，Fuw、Fvw为由风速自身变化和大气湍流产生的确定性抖动率；测量误差合成抖动率为：S4、通过计算抖动率变化量，获取大气风场确定性抖动率依次使用1个单摆周期1T、2个单摆周期2T、
……
、j个单摆周期j*T作为拟合时间，迭代计算风速抖动率变化量，随着拟合时间间隔逐渐增加，则抖动率变化量逐渐减小，当抖动率变化量小于一定阈值时，用风速抖动率代替风速自身变化和大气湍流产生的大气风场确定性抖动率，从而获取大气风场确定性抖动率；S5、通过计算抖动率变化率，获取拟合的最优单摆周期倍数通过大气风场确定性抖动率代入测量误差抖动率的计算公式和测量误差合成抖动率计算公式，获得测量误差合成抖动率，计算抖动率变化率，进而获取最优单摆周期倍数k；S6、获取最优计算层厚度通过最优单摆周期倍数计算最优拟合时间，根据探空气球上升速度，获取对应的最优计算层厚度，
h＝w
·
k
·
T其中h为最优计算层厚度，w为气球上升速度，k为通过S5获取的最优单摆周期倍数，T为气球所配挂绳的摆动周期。2.如权利要求1所述的基于风速抖动率的高空风探测数据计算层厚度设计方法，其特征在于，所述步骤S1中，观测站的位置以及北斗测风时气球的位置均是用经度、纬度和高程给出的，所采用的是WGS
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84地心坐标系。3.如权利要求2所述的基于风速抖动率的高空风探测数据计算层厚度设计方法，其特征在于，在卫星导航测风提供气球所在位置的经纬度和高度时，若计算风向风速，要将WGS
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84地心坐标系的经度、纬度、高度参数变为站心坐标系的三维极坐标参数，然后再进行风向风速的计算，以统一定位测风算法。4.如权利要求3所述的基于风速抖动率的高空风探测数据计算层厚度设计方法，其特征在于，在高空风探测时，使用的是基于北斗导航定位的高空气象探测系统，采样频率1Hz，即每秒获取一组经纬度定位信息，根据间隔1秒的定位信息，计算秒级风向风速。5.如权利要求1所述的基于风速抖动率的高空风探测数据计算层厚度设计方法，其特征在于，所述步骤S2中，单摆周期通过下式计算：其中，L为挂绳长度。6.如权利要求1所述的基于风速抖动率的高空风探测数据计算层厚度设计方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵小平，朱晶晶，郭学文，钟文安，党建涛，黄红艳，裴军林，甘思旧，樊晶，陈峥光，
申请(专利权)人：海南省气候中心，
类型：发明
国别省市：