基于两种雷达的大气运动垂直速度检测方法及系统

摘要

本发明提出了一种基于两种雷达的大气运动垂直速度检测方法及系统，所述方法包括以下步骤：步骤S1：通过风廓线雷达探测得到大气运动垂直速度谱数据，并通过云雷达探测得到降水粒子运动垂直速度谱数据；步骤S2：将探测得到的大气运动垂直速度谱数据及降水粒子运动垂直速度谱数据输出至数据处理器；步骤S3：所述数据处理器将所述大气运动垂直速度谱中(V

说明书

技术领域

本发明涉及大气科学技术领域，特别涉及一种基于风廓线雷达及 云雷达的大气运动垂直速度检测方法及系统。

背景技术

风廓线雷达是通过向高空发射不同方向的电磁波束，接收并处理 这些电磁波束因大气垂直结构不均匀而返回的信息进行高空风场探 测的一种遥感设备。风廓线雷达利用多普勒效应能够探测其上空风 向、风速等气象要素随高度的变化情况，具有探测时空分辨率高、自 动化程度高等优点。风廓线雷达能够提供以风场为主的多种数据产 品，其基本数据产品包括径向速度、谱宽、信噪比、水平风向、水平 风速、垂直速度和反映大气湍流的折射率结构常数cn2等的廓线。

风廓线雷达采用多普勒技术可以获得大气运动相对于雷达的径 向速度，通过进行多射向的速度测量，在一定的假定条件下可估测出 回波信号所在高度上的风向、风速和垂直运动，从而获取大气风廓线 资料。

如图1a所示，在晴好天气的情况下，风廓线雷达的探测精度较 高，风廓线雷达测得的径向速度V_r是大气的垂直运动速度w；但在降 水天气的情况下，风廓线雷达对降水粒子非常敏感，因此，在降水条 件下特别是在对流性降水条件下风廓线雷达测风性能会受到影响。如 图1b所示，当有降水粒子存在时，由于其后向散射信号常常大于大 气湍流的散射，按照风廓线雷达检测多普勒谱中最大信号(Spectral  Peak)的方法，测得的V_r是降水粒子下落速度v_p，从而造成测风误差， Wuertz等人(1988)分析了降水对风廓线雷达探测精度的影响，得 到的结果是：在均匀性降水条件下精度为2m/s，是晴空条件下1m/s 的精度的两倍，在随时间和空间变化剧烈的降水条件下，其探测误差 达到4m/s以上，原因是垂直运动速度修正不合理和降水的不均匀。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于两种雷达的大气运动垂直速度检 测方法及系统，能修正降水条件下风廓线雷达探测到的大气垂直运动 速度，提高降水条件下风廓线雷达探测大气运动的准确度。

为达到上述目的，本发明提出了一种基于两种雷达的大气运动垂 直速度检测方法，两种雷达分别为风廓线雷达及云雷达，包括以下步 骤：

步骤S1：将风廓线雷达及云雷达的天线均指向探测区的天空， 通过风廓线雷达探测得到包括大气运动垂直速度及降水粒子垂直运 动速度的垂直速度谱，并通过云雷达探测得到降水粒子运动垂直速度 谱；

步骤S2：将风廓线雷达探测得到的垂直速度谱及云雷达探测得 到降水粒子运动垂直速度谱输出至数据处理器；

步骤S3：所述数据处理器根据云雷达探测到的降水粒子运动垂 直速度谱得到降水粒子运动垂直速度V_r及降水粒子运动垂直速度谱 的谱宽σ_w，并将风廓线雷达探测得到的垂直速度谱中(V_r-σ_w，V_r+σ_w) 或(V_r-σ_w/2，V_r+σ_w/2)区间定位为检测屏蔽区；

步骤S4：所述数据处理器在所述检测屏蔽区以外对所述风廓线 雷达探测得到的垂直速度谱进行检测处理得到大气垂直运动速度。

进一步，在上述基于两种雷达的大气运动垂直速度检测方法中， 所述步骤S4具体包括：

所述数据处理器检测所述风廓线雷达探测得到的垂直速度谱中 检测屏蔽区外的速度功率值，选取风廓线雷达的功率最大值对应的速 度值为大气垂直运动速度。

另，本发明还提供一种基于两种雷达的大气运动垂直速度检测系 统，包括：风廓线雷达、云雷达及连接于所述风廓线雷达、云雷达的 数据处理器，所述风廓线雷达、云雷达的天线均指向探测区的天空， 所述风廓线雷达用于探测得到包括大气运动垂直速度及降水粒子垂 直运动速度的垂直速度谱；

所述云雷达用于探测得到降水粒子运动垂直速度谱；

所述数据处理器用于根据云雷达探测到的降水粒子运动垂直速 度谱得到降水粒子运动垂直速度V_r及降水粒子运动垂直速度谱的谱 宽σ_w，并将风廓线雷达探测得到的垂直速度谱中(V_r-σ_w，V_r+σ_w)或 (V_r-σ_w/2，V_r+σ_w/2)区间定位为检测屏蔽区；

所述数据处理器还用于在所述检测屏蔽区以外对所述风廓线雷 达探测得到的垂直速度谱进行检测处理得到大气垂直运动速度。

进一步，在上述基于两种雷达的大气运动垂直速度检测系统中， 所述数据处理器还用于检测所述风廓线雷达探测得到的垂直速度谱 中检测屏蔽区外的速度功率值，选取风廓线雷达的功率最大值对应的 速度值为大气垂直运动速度。

本发明通过将云雷达探测到的降水粒子运动垂直速度作为修正 风廓线雷达大气垂直运动速度的参考并定位检测屏蔽区，从而修正降 水条件下风廓线雷达探测到的大气垂直运动速度，提高降水条件下风 廓线雷达探测大气运动的准确度。

附图说明

图1a为晴好天气下风廓线雷达的多普勒速度谱的示意图；

图1b为降水天气下风廓线雷达的多普勒速度谱的示意图；

图2为本发明基于两种雷达的大气运动垂直速度检测方法的流 程示意图；

图3a为风廓线雷达探测得到大气运动垂直速度谱的示意图；

其中，A为晴好天气下大气运动垂直速度谱线，B为降水天气下 大气运动垂直速度谱线；

图3b为天气雷达或云雷达探测得到降水粒子垂直速度谱的示意 图；

其中，C为降水粒子的垂直速度谱线；

图3c为修正后风廓线雷达大气运动垂直速度谱的示意图；

图4为本发明基于两种雷达的大气运动垂直速度检测系统的示 意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

请参阅图2，图2为本发明基于两种雷达的大气运动垂直速度检 测方法的流程示意图。本发明一种基于两种雷达的大气运动垂直速度 检测方法，两种雷达分别为风廓线雷达及云雷达，包括以下步骤：

步骤S1：将风廓线雷达及云雷达的天线均指向探测区的天空， 通过风廓线雷达探测得到包括大气运动垂直速度及降水粒子垂直运 动速度的垂直速度谱，并通过云雷达探测得到降水粒子运动垂直速度 谱；

请一并参阅图3a，图3a为风廓线雷达探测得到大气运动垂直速 度谱的示意图。图3a中，纵轴代表风廓线雷达的功率，横轴代表大 气运动垂直速度V_r。此时，降水条件下风廓线雷达探测到的大气垂直 运动速度存在较大的误差，需要进行修正。

请一并参阅图3b，图3b为云雷达的天线探测得到降水粒子的垂 直速度谱的示意图。图3b中，纵轴代表云雷达的功率，横轴代表降 水粒子运动垂直速度。所述云雷达为波长从厘米到毫米的雷达，也可 为天气雷达。当所述云雷达的天线指向探测区的天空探测，其仅仅能 探测云滴和降水粒子运动垂直速度，由于风廓线雷达及云雷达是在同 一区域同时进行探测，因此，云雷达探测到的降水粒子运动垂直速度 作为修正风廓线雷达探测到的大气垂直运动速度的参考。

步骤S2：将风廓线雷达探测得到的垂直速度谱及云雷达探测得 到降水粒子运动垂直速度谱输出至数据处理器；

步骤S3：所述数据处理器根据云雷达探测到的降水粒子运动垂 直速度谱得到降水粒子运动垂直速度V_r及降水粒子运动垂直速度谱 的谱宽σ_w，并将风廓线雷达探测得到的垂直速度谱中(V_r-σ_w，V_r+σ_w) 或(V_r-σ_w/2，V_r+σ_w/2)区间定位为检测屏蔽区I；

请参阅图3c，将所述大气运动垂直速度谱中(V_r-σ_w，V_r+σ_w)或 (V_r-σ_w/2，V_r+σ_w/2)区间定位为检测屏蔽区I，不在检测屏蔽区I内 进行检测，从而修正降水条件下风廓线雷达探测的大气垂直运动速 度。

步骤S4：所述数据处理器在所述检测屏蔽区以外对所述风廓线 雷达探测得到的垂直速度谱进行检测处理得到大气垂直运动速度V_a。

其中，所述步骤S4具体包括：

所述数据处理器检测所述风廓线雷达探测得到的垂直速度谱中 检测屏蔽区外的速度功率值，选取风廓线雷达的功率最大值对应的速 度值为大气垂直运动速度V_a。

例如，大气运动垂直速度谱的范围为-20m/s到20m/s，检测屏蔽 区I为(V_r-σ_w/2＝2m/s，V_r+σ_w/2＝4m/s)，即在(-20m/s，20m/s) 区间里，所述数据处理器只在(-20m/s，2m/s)及(4m/s，20m/s) 区间检测速度功率值，选取风廓线雷达的功率最大值对应的速度值为 大气垂直运动速度V_a，例如，在速度为-2m/s处检测到功率最大值， 那么-2m/s就是大气垂直运动速度。

请参阅图4，本发明还提供一种基于两种雷达的大气运动垂直速 度检测系统，包括：风廓线雷达10、云雷达20及连接于所述风廓线 雷达10、云雷达20的数据处理器30，所述风廓线雷达10、云雷达 20的天线均指向探测区的天空，所述风廓线雷达10用于探测得到包 括大气运动垂直速度及降水粒子垂直运动速度的垂直速度谱；所述云 雷达20用于探测得到降水粒子运动垂直速度谱；所述数据处理器30 用于根据云雷达探测到的降水粒子运动垂直速度谱得到降水粒子运 动垂直速度V_r及降水粒子运动垂直速度谱的谱宽σ_w，并将风廓线雷 达探测得到的垂直速度谱中(V_r-σ_w，V_r+σ_w)或(V_r-σ_w/2，V_r+σ_w/2) 区间定位为检测屏蔽区I；所述数据处理器30还用于在所述检测屏 蔽区I以外对所述风廓线雷达探测得到的垂直速度谱进行检测处理 得到大气垂直运动速度。

所述数据处理器还用于检测所述风廓线雷达探测得到的垂直速 度谱中检测屏蔽区I外的速度功率值，选取风廓线雷达的功率最大值 对应的速度值为大气垂直运动速度。

例如，大气运动垂直速度谱的范围为-20m/s到20m/s，检测屏蔽 区I为(V_r-σ_w/2＝2m/s，V_r+σ_w/2＝4m/s)，即在(-20m/s，20m/s) 区间里，所述数据处理器只在(-20m/s，2m/s)及(4m/s，20m/s) 区间检测速度功率值，选取风廓线雷达的功率最大值对应的速度值为 大气垂直运动速度V_a，例如，在速度为-2m/s处检测到功率最大值， 那么-2m/s就是大气垂直运动速度。

相比于现有技术，本发明通过将云雷达探测到的降水粒子运动垂 直速度作为修正大气垂直运动速度的参考并定位检测屏蔽区，从而修 正降水条件下风廓线雷达探测到的大气垂直运动速度，提高降水条件 下风廓线雷达探测大气运动的准确度。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限 制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对 于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件 是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或 本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以 及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情 况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。