一种近地面大风的计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于铁塔与风廓线雷达资料，并联合多普勒天气雷达的近地面 大风计算方法，尤其是一种针对于直线型对流大风的近地面大风计算方法，属于大气科学 (遥感资料分析）研究领域。
【背景技术】
[0002] 大气边界层与人类活动的关系最为密切，其中风速变化对人类生产活动影响很 大，特别是对流大风，对建筑物、电塔等具有很强的破坏力。大气中风速的变化受到多种因 素的影响，具有明显的季节变化、日变化等特征。因此研究边界层内特别是近地面层风速的 变化非常有意义。
[0003] 新一代多普勒雷达具有很高的时空分辨率，时间分辨率为6分钟，速度资料的分 辨率为〇.25km，能够进行全天候连续探测，可以实时跟踪中小尺度天气系统的发生、发展、 消亡和移动规律，是监测和预警强对流天气的重要工具。新一代多普勒雷达具有多普勒测 速功能，能探测径向风场信息，但由于缺少风向信息，无法提供风速矢量。并且在探测大风 过程中，当实际风速超过雷达最大探测范围时，会存在速度模糊的问题，影响速度数据的准 确度，需要对其进行退模糊处理。
[0004] 铁塔观测高度为I Im~196m共7个高度层，时间分辨率为10分钟，铁塔观测数据 准确度高，易于使用，但是由于条件的限制，铁塔高度较低，因此铁塔的观测区间受到铁塔 高度的约束。
[0005] 风廓线雷达是一种新型遥感探测设备，能够对其垂直上空进行全天候的实时探 测，探测时空分辨率高，时间分辨率为6分钟，空间分辨率在边界层能够达到50m，但是风廓 线雷达在近地层大约200m以下会受到地物杂波等因素的影响，回波信号中包含了很多非 气象信号回波，探测准确度降低。
[0006] 将铁塔观测资料与风廓线观测资料结合起来，弥补了铁塔与风廓线雷达各自观测 区间的不足，可以获得近地面至Ikm的拟合风速廓线。
[0007] 由于近地面大风对社会活动影响很大，因此现在越来越注重对其的监测，目前对 近地面风速的监测还主要依赖于地面自动气象站，但是由于条件的限制，自动气象站的布 网密度较低，截止2013年3月20日，江苏共建有自动气象站1145个，平均89. 6km2有一个自 动气象站，各自动站站网间距较大，很难满足小尺度局地对流产生的近地面大风的监测， 并且自动气象站探测风的高度受到限制，探测高度不高。利用铁塔与风廓线雷达相结合，能 够获得近地面至Ikm高度的完整拟合风廓线，结合多普勒天气雷达探测的高分辨率径向风 数据，可以计算获得0. 25km分辨率的更为精确的风速信息，有助于给相关部门提供一种更 为有效精确的近地面大风监测评估手段。
【发明内容】
[0008] 本发明针对于现有地面自动气象站网分布稀疏且探测风速高度较低的不足，提出 了一种创新的、实用性强的近地面层风廓线计算方法。其首要技术目的是解决在缺少自动 气象站地区中不能有效计算近地面大风的问题。
[0009] 为解决上述技术问题，本发明的方法需要使用到铁塔数据、风廓线雷达数据、多普 勒天气雷达数据，本发明的具体技术方案如下：
[0010] 一种近地面大风的计算方法，包括以下步骤：
[0011] (1)利用铁塔和风廓线雷达多年的历史观测资料，统计铁塔和风廓线雷达各自探 测风速随高度的分月逐时分布状况，并拟合得到各时段风速曲线，作为计算近地面大风第 二风速区间的依据；
[0012] (2)统计经过风廓线雷达和铁塔的历史大风个例，得到历史大风个例的风速随高 度分布状况，作为计算近地面大风第二风速区间的依据；
[0013] (3)根据评估地点的地理位置，依照具体距离半径、时间半径，结合多普勒天气雷 达径向速度背景场，在距离半径和时间半径之内寻找最优匹配径向速度值及其地理信息；
[0014] (4)结合多普勒天气雷达站点地理信息，利用最优匹配径向速度值，依据地面风向 计算出高层风；
[0015] (5)根据所需评估的时间选择具体的风速拟合曲线，结合寻找到的最优匹配径向 速度值，依据此曲线计算近地面第一风速区间的分布；
[0016] (6)根据所述步骤（2)，计算第二风速区间的分布，再结合所述步骤（5)得到的第 一风速区间，得到一个完整的近地面风速区间随高度状况。
[0017] 前述的步骤（1)中，统计铁塔和风廓线雷达各自探测风速随高度的分月逐时分布 状况，并拟合得到各时段风速曲线，是按照铁塔统计拟合10~200m区间、风廓线雷达统计 拟合200~1000 m区间分别进行计算，按照分月逐时共计得到576条风速拟合廓线。
[0018] 前述的步骤（2)中，统计经过风廓线雷达和铁塔的历史大风个例，是选择经过风 廓线雷达站点和铁塔站点的历史大风个例，对其拟合得到风速廓线。
[0019] 前述的步骤（3)中，距离半径、时间半径，是按照具体的评估精度要求设置。
[0020] 前述的步骤（3)中，根据评估地点的地理位置，依照具体距离半径、时间半径，结 合多普勒天气雷达径向速度背景场，在距离半径和时间半径之内寻找径向速度最大值及其 地理信息，其寻找径向速度最大值的方法是在综合考虑时间半径与距离半径的前提下，搜 索径向风数据文件中的径向风速度最大值的。
[0021] 前述的步骤（4)中，寻找到的最优匹配径向速度值已经过退速度模糊处理，径向 速度数据准确性提高，并且假设地面至Ikm高度之间风向近似相等，结合地面风向，计算出 高层风。
[0022] 前述的步骤（5)中，根据所需评估的时间选择具体的风速曲线，结合寻找到的径 向速度最大值，依据此曲线计算近地面第一风速区间的分布，是依据所需评估的时间，从步 骤（1)中获得的分月逐时分高度区间的576条风速拟合廓线中选取两条拟合廓线计算近地 面第一风速区间的风速V nl，计算公式如下：
[0023] Vnl= V-(VtiQ1i)-VdiQi2))
[0024] 其中，V为高层风速，Vti为步骤（1)获得的拟合风廓线上对应评估地雷达径向风 高度Ii 1处的风速，VDl为步骤（1)获得的拟合风廓线上对应近地面高度1!2处的风速。
[0025] 前述的步骤（6)中，根据步骤（2)，计算第二风速区间的分布，再结合步骤（5)得到 的第一风速区间，得到一个完整的近地面风速区间随高度状况，第二风速区间的风速Vn2计 算公式如下：
[0026] Vn2= V-(Vt2O1i)-Vd2Q12))
[0027] 其中，V为在相应径向风数据文件中的寻找的径向风速度最大值，Vt2为步骤（2)获 得的拟合风廓线上高度匕处对应评估地雷达径向风高度处的风速，Vd2为步骤（2)获得的拟 合风廓线上近地面高度h2处的风速。
[0028] 再结合所述步骤（5)得到的第一风速区间，得到完整的近地面风速区间随高度状 况。完整的近地面风速区间为：
[0029] [min (Vnl, Vn2), max (Vnl, Vn2)]
[0030] 其中，min为求最小值函数，max为求最大值函数。
[0031] 本发明的近地面大风的计算方法，其主要优点有以下三个方面：
[0032] 本发明使用的风廓线拟合公式，是使用多年的铁塔观测资料和风廓线雷达观测资 料进行统计之后从而得到的风速廓线，分月逐时分高度共有576个拟合廓线，考虑了风廓 线随季节和时间的分布趋势，准确度更高。
[0033] 利用经过退模糊处理的多普勒天气雷达的速度资料，计算近地面大风，分辨率与 准确率都较高。
[0034] 结合拟合的风廓线，利用多普勒径向速度反演近地面大风，解决不同用户对对流 性地面大风产生灾害及时性评估的需求，在近地面大风监测评估上填补了空白。
【附图说明】
[0035] 图1为本发明近地面大风的计算方法流程图；
[0036] 图2为基于铁塔与风廓线雷达资料的风廓线统计拟合分析流程图；
[0037] 图3为结合多普勒天气雷达径向速度背景场寻找最优匹配速度方法的流程图； 图4为结合多普勒天气雷达站点和大风发生地理信息获得雷达径向和地面风向之间 夹角Q示意图。
【具体实施方式】
[0038] 下面将结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0039] 本发明近地面大风的计算方法流程如图1所示，本发明的实现主要包括以下步 骤：
[0040] 步骤1，参见图2,利用铁塔和风廓线雷达多年的历史观测资料，统计铁塔和风廓 线雷达各自探测风速随高度的分月逐时分布状况，并拟合得到各时段风速曲线，作为计算 近地面大风第一风速区间的依据，其中利用铁塔资料统计拟合10~200m风速廓线，利用风 廓线雷达统计拟合200~1000 m风速廓线。选择一元三次方程作为曲线拟合函数：
[0041 ]
[0042] 其中P 为速度，X为高度，a〇, al，a2, a3分别为各项系数，利用最小二乘法求 解系数即使偏差平方和最小时的a0, al，a2, a3值，即使其满足：
[0043]
[0044] 其中y;为高度x ;处的实际风速值，供为高度Xi处的曲线计算值，m为需要拟 合