空中云系可凝结水量的遥感探测系统与探测方法

摘要

本发明公开的一种用于空中云系可凝结水量的遥感探测系统，包括用于获取云底和云顶高度值的米散射激光雷达、用于获取大气温度廓线数据的转动拉曼激光雷达、用于获取气流垂直运动速度的测风激光雷达和用于判断是否存在降雨的微雨雷达；米散射激光雷达、转动拉曼激光雷达、测风激光雷达、微雨雷达均连接至数据处理系统。本发明的探测方法包括：1、对天空进行垂直观测，2、获得云底高度和云顶高度，3、计算云底和云顶的饱和水汽密度，4、获取垂直气流运动速度，5、计算在一段时间范围内大气中的可凝结水量，6、计算云中的可凝结水量。本发明可以实现空中可凝结水量的高精度探测，解决了现有大气科学领域无法实现空中可凝结水量观测的难题。

说明书

技术领域

本发明涉及遥感技术与大气科学技术领域，具体涉及一种空中云系可凝结水量的探测系统，本发明还涉及利用该系统进行空中云系可凝结水量的探测方法。

背景技术

我国的大气水资源非常丰富，然而研究表明大气中最多只有14％-18％的水汽能形成降水，在一些干旱地区甚至只有2％，比如新疆地区的水汽含量仅有1.78％降落至地面，超过98％的水汽成为过路水，这些都表明我国大气水资源具有巨大的开发潜力。开发水资源的第一步就是需要对某地区的空中云水资源量即云系降水潜力进行正确评估。人们已经尝试采用模式数据对空中已有云水数据进行评估，但是由于没有直接观测数据提供，模式数据存在很多的偏差和不确定性。云系降水潜力不是一个孤立值，包含云中已有云水、水平输入云水及垂直输入云水，与云中的各种宏微观参数紧密联系。在北方大气稳定时段降水发生与否主要取决于水汽供应和上升气流的分布，也就是大气中的可凝结水量。空气的上升运动，把低层的水汽输送到高空，是成云致雨的重要条件之一。国内外学者通过地基设备、飞机和卫星探测来对云的宏微观物理特性开展了很多的观测研究。但是在由上升气流导致的云水可凝结量观测中，目前并没有现成可用的仪器和方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种空中云系可凝结水量的遥感探测系统，该系统可以实现空中云系可凝结水量的高精度探测，解决了现有大气科学领域无法实现空中可凝结水量观测的难题，可以为人工影响天气作业提供技术支撑手段。

本发明的另一个目的是提供利用上述系统进行空中云系可凝结水量的探测方法。

本发明所采用的技术方案是，空中云系可凝结水量的遥感探测系统，包括用于获取云底和云顶高度值的米散射激光雷达、用于获取大气温度廓线数据的转动拉曼激光雷达、用于获取气流垂直运动速度的测风激光雷达和用于判断是否存在降雨的微雨雷达；米散射激光雷达、转动拉曼激光雷达、测风激光雷达、微雨雷达均连接至数据处理系统。

本发明的特征还在于，米散射激光雷达发射的激光波长为355nm。

测风激光雷达发射的激光波长为1550nm。

微雨雷达为Ka波段雷达。

本发明所采用的另一技术方案是，空中云系可凝结水量的遥感探测方法，包括如下步骤：

步骤1、选择有云天，将米散射激光雷达、转动拉曼激光雷达、测风激光雷达和微雨雷达同时对天空进行垂直观测；

步骤2、获取米散射激光雷达的后向散射信号P(z)，计算得到云底高度Hbc和云顶高度Htc；

获取转动拉曼激光雷达的后向散射信号反演出温度廓线，根据温度廓线计算出云底和云顶的饱和水汽密度SH(t)；

计算出云底和云顶的饱和水汽密度SH(t)的具体步骤为：

步骤2.1、根据转动拉曼激光雷达获取的后向散射信号PH(T,z)和PL(T,z)，PH(T,z)和PL(T,z)反演得到大气温度廓线数据，回波信号波长分别为352.7nm和353.9nm，公式表示如下：

A、B、C为系统常数，具体数值随激光雷达系统参数而变化，需要利用探空数据对A、B、C数值进行标定。

步骤2.2、根据云底高度Hb和云顶高度Htc确定云底温度Tb和云顶温度Ttc；

步骤2.3、根据云底和云顶的温度数据计算云底和云顶的饱和水汽压eb(T)和etc(T)，温度廓线T的单位为℃，饱和水汽压的计算公式如下式所示：

e(T)＝610.8×exp[17.27T/(T+237.3)]； (2)

步骤2.4、根据水面饱和水汽压和温度计算得出云顶和云底饱和水汽密度SHtc(t)和SHb(t)，饱和水汽密度计算公式如下；

S

利用测风激光雷达获取大气中的风速数据，并得到垂直气流运动速度v；

利用微雨雷达获得Ka波段回波信号；

步骤3、结合步骤2获得的Ka波段回波信号对垂直气流运动速度v进行修正；

步骤3中结合步骤2获得的Ka波段回波信号对垂直气流运动速度v进行修正的具体步骤为：

步骤3.1、根据微雨雷达获得的回波信号判断云层附近是否有降雨；

步骤3.2、如果没有发生降雨，则测风激光雷达得到的数值即为实际大气垂直运动速度v；

如果空中发生降雨，垂直速度数据判断为无效，这时停止探测。

步骤4、根据计算得出的饱和水汽密度SH(t)和大气中垂直运动速度v，利用下面公式计算得到在一段时间t0范围内大气中的可凝结水量Pcong

步骤5、根据云底高度Hb和云顶高度Htc计算进入到云层中的凝结水Pcong_bc及从云顶逃逸出去的可凝结水Pcong_tc；进入到云层中的凝结水减去云顶逃逸出去的凝结水即为云中的可凝结水量

P

本发明的遥感探测系统可以实现空中可凝结水量的高精度探测，解决了现有大气科学领域无法实现空中可凝结水量直接观测的难题，可以为人工影响天气作业、大气降水预报预测、及云水资源评估提供技术支撑手段。

附图说明

图1是本发明空中云系可凝结水量探测系统的结构示意图；

图2是本发明空中云系可凝结水量探测方法的原理流程图。

1.米散射激光雷达，2.转动拉曼激光雷达，3.测风激光雷达，4.微雨雷达，5.数据处理系统。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的一种用于空中云系可凝结水量的遥感探测系统，包括用于获取云底和云顶高度值的米散射激光雷达1、用于获取大气温度廓线数据的转动拉曼激光雷达2、用于获取气流垂直运动速度的测风激光雷达3和用于判断是否存在降雨的微雨雷达4；米散射激光雷达1、转动拉曼激光雷达2、测风激光雷达3、微雨雷达4均连接至数据处理系统5。

米散射激光雷达1发射的激光波长为355nm；测风激光雷达3发射的激光波长为1550nm；微雨雷达4为Ka波段雷达。

本发明的一种用于空中云系可凝结水量的遥感探测方法，包括如下步骤：

步骤1、选择有云天，将米散射激光雷达1、转动拉曼激光雷达2、测风激光雷达3和微雨雷达4同时对天空进行垂直观测；

步骤2、获取米散射激光雷达1的后向散射信号P(z)，计算得到云底高度Hbc和云顶高度Htc；

获取转动拉曼激光雷达2的后向散射信号反演出温度廓线，根据温度廓线计算出云底和云顶的饱和水汽密度SH(t)；

计算出云底和云顶的饱和水汽密度SH(t)的具体步骤为：

步骤2.1、根据转动拉曼激光雷达2获取的后向散射信号PH(T,z)和PL(T,z)，PH(T,z)和PL(T,z)反演得到大气温度廓线数据，回波信号波长分别为352.7nm和353.9nm，公式表示如下：

A、B、C为系统常数，具体数值随激光雷达系统参数而变化，需要利用探空数据对A、B、C数值进行标定。

步骤2.2、根据云底高度Hb和云顶高度Htc确定云底温度Tb和云顶温度Ttc；

步骤2.3、根据云底和云顶的温度数据计算云底和云顶的饱和水汽压eb(T)和etc(T)，温度廓线T的单位为℃，饱和水汽压的计算公式如下式所示：

e(T)＝610.8×exp[17.27T/(T+237.3)]； (7)

步骤2.4、根据水面饱和水汽压和温度计算得出云顶和云底饱和水汽密度SHtc(t)和SHb(t)，饱和水汽密度计算公式如下；

S

利用测风激光雷达3获取大气中的风速数据，并得到垂直气流运动速度v；

利用微雨雷达4获得Ka波段回波信号；

步骤3、结合步骤2获得的Ka波段回波信号对垂直气流运动速度v进行修正；

步骤3中结合步骤2获得的Ka波段回波信号对垂直气流运动速度v进行修正的具体步骤为：

步骤3.1、根据微雨雷达4获得的回波信号判断云层附近是否有降雨；

步骤3.2、如果没有发生降雨，则测风激光雷达3得到的数值即为实际大气垂直运动速度v；

如果空中发生降雨，垂直速度数据判断为无效，这时停止探测。

步骤4、根据计算得出的饱和水汽密度SH(t)和大气中垂直运动速度v，利用下面公式计算得到在一段时间t0范围内大气中的可凝结水量Pcong

步骤5、根据云底高度Hb和云顶高度Htc计算进入到云层中的凝结水Pcong_bc及从云顶逃逸出去的可凝结水Pcong_tc；进入到云层中的凝结水减去云顶逃逸出去的凝结水即为云中的可凝结水量

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