专利名称：风廓线雷达风计算方法
技术领域：
本发明涉及一种风廓线雷达风计算方法，用于改善风廓线雷达的数据质量。
背景技术：
风廓线雷达(wind profiling radar/wind profiler radar)是一种新型的测风雷达，能够无人值守M小时连续提供大气水平风场、垂直气流、大气折射率结构常数等气象要素随高度的分布，具有时空分辨率高、连续性和实时性好的特点，是进行高空气象探测的重要设备，是当前常规气球测风体制的重要补充，是开展天气预报和气象保障的新手段。风廓线雷达是多普勒收发技术体制的雷达，其测量原理是通过发射电磁波，接受回波信号，经过功率谱分析，在完成湍流目标检测和谱矩计算后，得到多普勒速度。多普勒速度是风和垂直气流在雷达波束指向上的投影分量，气象上风是指空气的水平运动(用U， V表示)，垂直气流(用W表示)是指空气的上下运动。风廓线雷达通过依次向三个以上不同的方向发射电磁波进行探测，得到各个波束指向测量的多普勒速度，便可以联合计算出U、V、W。目前，风廓线雷达一般采用五波束探测，波束指向为一垂四斜，即一个为垂直向上指向天顶测量，另四个为两两相邻波束成方位正交的倾斜指向测量(一般称东、南、西、北波束指向)。现有技术中风廓线雷达一般采用三波束指向测量结果来计算风，即使雷达采用五波束指向测量，也只采用其中的三波束计算风。以东、南、垂直指向三波束测量为例，三波束测量的多普勒速度分别为Vre = U cos α +w sin α(1)Vrn = ν cos α +w sin α(2)Vrz = w(3)其中，Vre, Vrn, Vrz分别是东、南、垂直指向三个波束测量的多普勒速度，α为倾斜波束指向的仰角。联立公式(1)-(3)即可解得U= (Vre-Vrz sin α )/cos α (4)ν = (Vrn-Vrz sin α ) /cos α (5)w = Vrz(6)现有技术采用三波束测量结果计算风的方法，不仅浪费了资源，而且由于湍流回波信号弱，雷达探测容易受到各种干扰的影响，使得一个或多个波束指向的测量数据受到污染，因此，不加选择地采用其中的三波束测量结果计算风，就可能导致计算结果出现异常，直接影响计算风的数据质量，因此需要改进风的计算方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新的风廓线雷达风计算方法，以提高数据可信度和数据获取率。根据风廓线雷达测量原理，风在方位相差180度的两个倾斜波束(下文称这两个
3波束为对称波束，如东与西，南与北)上形成的多普勒速度为大小相等、符号相反。而垂直气流在所有倾斜波束上形成的多普勒速度为大小相等、符号也相同。因此五个波束测量值之间存在某种程度的相关性，充分利用这种相关信息，采用五个波束指向的测量值进行风的联合计算，可以有效克服个别波束受污染情况，提高风的计算质量。例如，地物杂波常常会严重污染垂直波束的测量结果，此时若使用公式(6)计算垂直气流，会造成很大的计算误差。而若使用两个对称波束测量的多普勒速度相加，便可以得到垂直气流。例如，以东、 西两个对称波束为例，测量的多普勒速度分别为Vre = U cos α +w sin α(7)Vrw = -u cos α+w sin α (8)因此，可以得到垂直气流w为W= (Vre+Vrw)/2sina(9)然后再与倾斜波束测量结果联合处理，便可以计算出风。此时0)、(5)两式可改写为U= (Vre-w sin a)/cos a (10)ν = (Vrn-w sin a )/cos a (11)这便是本发明的重要思想。根据本发明的主要方面，该风廓线雷达风计算方法包括以下步骤a、输入五个波束指向的多普勒速度；b、对多普勒速度作一致性平均处理，并判断各波束是否通过一致性检查；C、进行降雨判断；d、进行五波束联合计算风(风的速度矢量)并输出结果。根据本发明的一个方面，一致性平均时间可根据风廓线雷达需求在15-60分钟之间任意设定。根据本发明的一个方面，对边界层风廓线雷达而言，一致性平均时间设定为15 30分钟。根据本发明的一个方面，对流层风廓线雷达而言，一致性平均时间设定为30 60 分钟。根据本发明的一个方面，若判断有降雨时，则进行垂直气流订正。根据本发明的一个方面，五波束联合计算风的过程依赖一致性检查的结果。应当认识到，本发明以上各方面中的特征可以在本发明的范围内自由组合，而并不受其顺序的限制——只要组合后的技术方案落在本发明的实质精神内。
为了更清楚地说明本发明中的技术方案，下面将对本发明的附图作简单地介绍， 其中图1显示了根据本发明的风廓线雷达风计算方法的流程图。
具体实施例方式下文将结合本发明的优选实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
需要明白，下文的描述(包括附图)仅仅是示例性的，而非对本发明的限制性描述。在以下描述中可能会涉及到具体数字，然而也需要明白的是，这些数字也仅仅是示例性的，本领域技术人员可以参照本发明的内容任意选取适当数字。图1显示了根据本发明的风廓线雷达风计算方法的流程图。根据本发明的第一实施例，首先对输入东南西北中五个方向波束指向的多普勒速度作一致性平均处理，即，对同一波束指向在同一距离处多次测量值(多普勒速度)进行平均。优选地，一致性平均时间设定为例如15-60分钟，例如，对边界层风廓线雷达进行 15 30分钟的平均，对流层风廓线雷达进行30 60分钟的平均。首先对例如东向波束在一致性平均时间内在同一个高度处，测得例如10个径向速度样本wl. . . wlO,首先将wl和 w2. ..wlO分别做比较，差异小于一致性窗口宽度的数据放到数组si中，同理，可分别得到数组s2. . . slO，挑出样本数最多的数组，计算出样本数相当于总样本数的百分比。若该百分比大于一致性样本门限，则通过一致性检查，用这个集合的径向速度(多普勒速度)数据计算出平均多普勒速度。如果小于一致性样本门限，则未通过一致性检查，该高度的平均径向速度不予计算。对五个波束都作这样的一致性平均处理，并检测是否通过一致性检查。在一致性平均处理之后进行降雨判断。无降雨时，垂直指向波束测量的是垂直气流，晴空时垂直气流一般都很小，使垂直指向波束的谱峰位于零速度附近。而当降雨发生时，垂直波束测量的是垂直气流与雨滴落速的共同作用，此时垂直指向波束测量值一般明显变大，根据这一点可以进行降雨判断。在低模式的垂直指向波束测量的低层高度，连续选取数个高度层径速值，若每个高度的径速都为负，且其绝对值都大于“落速”阈值，而其平均值大于“均速”阈值，则判断为有降雨，否则为无降雨。在下一步进行风的计算时，可以根据降雨的判断结果，选择是否进行垂直气流订正。例如，若判断无降雨时，不采用垂直气流订正；若判断有降雨时，采用垂直气流订正。之后，进行五波束联合计算风，得到风速、风向。针对一致性检查的不同结果，进行具体的计算，其过程如下(例如)(i)若四个倾斜波束(东、南、西、北波束)测量的多普勒速度都通过了一致性平均，则可以利用两两对称波束，以(9)式先求出垂直气流，东西波束计算出wl，南北波束计算出w2，两者平均后求得w，即W= (Vrl+Vr2+Vr3+Vr4)/4sina。再利用求得的w，分别结合东、北波束和西、南波束测量的多普勒速度，利用(10)、(11)式分别求得风分量ul、Vl和 u2、v2。最后求得平均值 U= (ul+u2)/2, ν = (vl+v2)/2，从而得到 u、ν、w ；(ii)若有三个斜波束通过一致性平均(记为Vrl、Vr2、Vrf)，则三个斜波束中必有两个是对称波束(例如东、西波束或南、北波束)，设为Vrl、Vr2，则根据(9)式，利用这两个对称波束首先求出w = (Vrl+Vr2)/2sin α ；再利用求得的w和Vr3，分别与Vrl、Vr2组合成三波束，利用(10)、(11)式分别求得ul、vl和u2、v2;最后平均后求得U= (ul+u2)/2, ν = (vl+v2)/2，从而得到 u、v、w ；(iii)若只有两个斜波束通过一致性平均，分两种情况①若两个斜波束为非对称波束，则可以与垂直波束一起构成三波束测风，用 (4)-(6)式求得 U、ν、w;②若两个斜波束为对称波束，则首先用(9)式求得W，再在另两个未通过一致性平均的正交方位波束中选择一致性判断时样本最多的一个，与这两个斜波束联合，采用(IO)-(Il)式，分别求出 ul、vl 和 u2、v2 ；最后平均求得 u = (ul+u2)/2,v = (vl+v2)/2，从而得至丨J U、V、w ；(iv)若只有一个斜波束通过一致性平均，则在正交方位的斜波束中找出虽未通过一致性检查，但一致性判断时样本最多的一个，与垂直波束一起组成三波束测风，采用 (4)-(6)式求得 U、ν、w ；(ν)若全部都没有通过一致性平均，则利用两两对称波束，以(9)式先求出垂直气流，东西波束计算出wl，南北波束计算出w2，两者平均后求得w，即w = (Vr 1 +Vr2+Vr3+Vr4) /4sin α。再利用求得的w，分别结合东、北波束和西、南波束测量的多普勒速度，利用(10)、(11)式分别求得风分量ul、Vl和u2、v2。最后求得平均值u = (ul+u2) /2, ν = (vl+v2) /2，从而得到 u、v、w。根据以上不同情况，在计算得到U、ν、w后，便可获得风的速度矢量，也即得到风速 (速率)和风向。这样计算得到的风，其数据可信度和数据获取率大大提高。以上根据优选的实施方式对本发明作了详细的描述，不过需要理解的是，本发明的范围并不局限于这些具体的实施方式，而是包括本领域技术人员根据本发明的公开能够做出的任何改动和变更。
权利要求
1.一种风廓线雷达风计算方法，其包括以下步骤a、输入五个波束指向的多普勒速度；b、对所输入的多普勒速度作一致性平均处理，并判断各波束是否通过一致性检查；c、进行降雨判断；d、进行五波束联合计算风并输出结果。
2.根据权利要求1所述的风廓线雷达风计算方法，其特征在于，所述一致性平均处理中的一致性平均时间，可根据风廓线雷达的需求在15-60分钟中任意设定。
3.根据权利要求1所述的风廓线雷达风计算方法，其特征在于，对边界层风廓线雷达而言，所述一致性平均处理中的一致性平均时间设定为15 30分钟。
4.根据权利要求1所述的风廓线雷达风计算方法，其特征在于，对流层风廓线雷达而言，所述一致性平均处理中的一致性平均时间设定为30 60分钟。
5.根据权利要求1所述的风廓线雷达风计算方法，其特征在于，在所述降雨判断的过程中，若判断有降雨，则进行垂直气流订正。
6.根据权利要求1所述的风廓线雷达风计算方法，其特征在于，所述五波束联合计算风的过程依赖所述一致性检查的结果。
全文摘要
本发明涉及一种风廓线雷达风计算方法，其包括输入五个波束指向的多普勒速度，并对输入的多普勒速度作一致性平均处理，并判断各波束是否通过一致性检查；进行降雨判断；以及，进行五波束联合计算风并输出结果。本发明能够提高风廓线雷达风计算中的数据可信度和数据获取率。
文档编号G01S7/02GK102426352SQ20111031582
公开日2012年4月25日 申请日期2011年10月17日 优先权日2011年10月17日
发明者张鹏, 李妙英, 胡明宝, 贺宏兵, 陈楠 申请人:中国人民解放军理工大学气象学院