技术领域
[0001] 本发明涉及一种基于风廓线雷达的低空大气风切变和湍流监测方法，属于大气科学领域。
相关背景技术
[0002] 低空经济是指垂直范围1000米以下、根据实际需要可以延伸至不超过3000米的低空空域范围内，以民用有人或无人驾驶航空器为主，以载人、载货等多场景低空飞行活动为牵引，辐射带动相关领域融合发展的综合性经济形态。气象服务保障作为低空经济服务保障体系的一部分，具有非常重要的作用，对规划适航空域、设计安全合理的航路航线、协调制订低空空域飞行计划具有重要的技术支撑作用。在晴空条件下，影响飞行安全的大气运动因素主要包括风切变和湍流影响，风切变又分为水平风风切变和垂直风风切变，传统的方法难以同时准确获得大气运动在水平和垂直方向上的运动情况，大气运动在水平维度和垂直维度上的不均一性是影响飞行安全的重要因素。而晴空湍流又是一种非常复杂而又普遍存在的大气运动现象，其强弱和变化趋势对飞行安全具有很大的影响。
[0003] 由于晴空大气风切变和湍流对飞行安全危害很大，而已有的一些基于探空计算风切变的方法，受限于探空站网密度较低，以江苏省为例全省仅有3个探空站，且每日仅有2 3~次探空，时空分辨率较低，难以满足用户对高时空分辨率服务的需求。而风廓线雷达具有很高的时空分辨率，时间分辨率一般为6分钟，垂直高度分辨率根据雷达不同一般在50m 60m，~
且站点密度较高，以江苏省为例目前已经布网23部且未来还有忘继续增加。因此，使用风廓线雷达，能够进行全天候连续探测，可以实时观测测站上空的风速、风向、风切变和湍流情况，是监测晴空条件下大气运动状况的重要工具，有助于给相关部门提供一种更为有效的低空大气状况的监测和预警手段。
具体实施方式
[0013] 下面将结合附图1‑3和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0014] 参照图1，本实施例公开了一种基于风廓线雷达的低空大气风切变和湍流监测方法，主要包括以下步骤：步骤S1：基于风廓线雷达五波束探测径向速度资料，可以计算获得五组垂直风速廓线，依据获得的垂直风速廓线，分别计算得到垂直风速在垂直方向上任意给定高度区间的垂直风切变指数。具体计算过程如下：
如图1所示，风廓线雷达一次探测按照既定的顺序向东南西北中五个方向发射五个波束进行探测，每个波束探测又分为1 gatenum个距离库（gatenum为距离库数量），每个~
距离库库长为GL（低模式探测下GL一般为50m 60m）。每个波束和垂直方向夹角为 ，定义风~
廓线雷达探测的五个波束径向速度为 ，则每个波束中每个距离库径向速度定义为 ，其中i=L、N、W、E、S，分别代表中波束、北波束、西波束、东波束和南波束，j=1、2、3……gatenum。
[0015] 对于中波束，垂直速度 ，对于其他四个波束，垂直速度，对于任意给定高度区间H1和H2，定义垂直风的垂直切变指数为：
（1）
按照公式（1），即可以计算获得五组垂直风的垂直风切变指数廓线。
[0016] 步骤S2：基于风廓线雷达五波束探测径向速度资料，使用三波束水平风反演理论可以计算获得四组水平风速廓线，依据获得的水平风速廓线，分别计算得到水平风速在垂直方向上任意给定高度区间的垂直风切变指数。具体计算过程：当采用三波束水平风反演理论时，中波束指向天顶，径向速度等于垂直速度，即，两个倾斜波束(东和南波束、东和北波束、西和北波束、西和南波束共四组)在方位角上相差90°，测量的是径向速度 ，根据公式（2）和公式（3），可以由两个倾斜波束和中波束组合推导出2个水平风分量 、，进而计算出四组水平风速 、水平风向（i=1 4）：
~
， （2）
， （3）
同样，定义任意给定高度区间H1和H2的水平风垂直切变指数为：
（4）
按照公式（4），即可以计算获得四组水平风的垂直风切变指数廓线。
[0017] 步骤S3:使用步骤S2计算的四组水平风速廓线，计算每一距离库上四组水平风速标准差，在此基础上定义并计算获得大气水平维度均一性指数，用来代表风廓线雷达探测范围内大气运动在水平维度上的不均一性情况。
[0018] 具体计算过程：对于风廓线雷达每一个距离库，由步骤S2计算获得了四个水平风速 （i=1 4），~
该组水平速度均值为：
（5）
标准差 为：
（6）
同样，定义大气水平维度均一性指数 ：
（7）
其中abs为取绝对值函数，max为取该距离库四个水平速度最大值函数。当大气水平维度均一性指数 为0时，表明该距离库中大气水平维度各向同性，大气水平运动均一性强，当 大于0时，表明大气水平运动具有不均一性，且 越大，大气水平运动具不均一性越强。
[0019] 步骤S4：基于五波束探测的径向速度谱宽资料，结合其他手段微波辐射计、探空（指的是国家气象站，每日在固定时间施放的观测大气温、压、湿、风状况的探空气球，可以获得大气从底层到高层的温、压、湿、风信息）或者卫星观测的温度廓线，计算获得五组湍流动能耗散率廓线并按照距离订正并进行合成，可以表征风廓线雷达探测范围内的湍流运动强弱。具体计算过程：首先由其他观测手段（微波辐射计、探空、或者卫星等）获得大气温度廓线，插值到和风廓线雷达同样的高度分辨率，获得温度廓线 。湍流耗散率 计算公式如下：
（8）
其中C为常数，N为布维频率， 为风廓线雷达径向观测的径向速度谱宽。布维频率计算公式如下：
（9）
其中g为重力加速度， 为位温， 为常数， 为温度垂直梯度，
， 和 为地面温度和气压，可以由地面观测获得。
[0020] 因此，使用风廓线雷达探测的五个波束的径向速度谱宽，结合温度廓线，可以计算获得五组湍流动能耗散率 廓线。
[0021] 计算得到五组湍流动能耗散率 廓线之后，对五组湍流耗散率进行合成，合成时需要考虑到风廓线雷达探测模式的特点，由于风廓线雷达中波束是垂直探测，其他四个波束呈一定天顶角观测（ 一般是14°15°），在同一种探测模式下，对于第n个距离库，垂直~波束探测的 的高度 ，倾斜波束探测的 的高度
，当探测距离较近时， 和 近似相等误差较小，当探测距
离较远时， 和 误差加大，以 =15°时为例，2000m高度处的误差即达到了70m，超过了一个距离库的大小，此时在合成湍流动能耗散率廓线时有必要对其进行距离订正，将倾斜波束数据订正到以垂直波束高度间隔为标准的情况。对于中波束，以高度代替距离库数表示湍流动能耗散率 ，对于其他波束，订正后的湍流动能耗散率
为：
（10）
其中 表示对倾斜波束插值，插值标准为垂直波束高度间隔。最终合成的湍流动能耗散率廓线为：
（11）
其中，i=L、W、E、S、N，std为标准差， 为求平均函数， 需要满足小于该组数据3倍标准差的条件，否则为异常值进行剔除。
[0022] 步骤S5：使用步骤S1 S4计算结果，结合风廓线雷达连续的高时空分辨率观测，可~以获得低空大气运动在水平维度和垂直维度上实时且连续的风切变情况、风廓线雷达探测范围内不同高度的大气运动均一性情况以及风廓线雷达探测范围内不同高度的大气湍流动能耗散率情况。具体计算过程为：
步骤S1 S4获得了每一个观测时刻的各指数的垂直廓线，当风廓线雷达实时连续~
运行时，便可以获得测站上空各个指数的一个连续时空变化趋势，并随着观测持续不断新增实时资料，为用户提供实时且连续的风切变指数、大气运动均一性指数和湍流动能耗散率情况。
[0023] 以上以较佳实施例公开了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采用等同替换或者等效变换方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
