利用下投探空測量大氣垂直風的方法和裝置與流程
2023-12-04 09:23:36 1
本發明涉及大氣物理技術領域，尤其涉及一種利用下投探空測量大氣垂直風的方法和裝置。
背景技術：
大氣垂直運動主要是因為大氣中熱力、動力條件和地形起伏等因素引起的，系統性垂直運動常出現在水平氣流輻合、輻散區和冷暖氣團的鋒面附近,對流層內的雲、降水等天氣現象常常與大氣垂直運動有關。
因為空氣垂直運動對雲、降水和重力波的影響，對空氣垂直運動的了解對氣象學和氣候學研究都具有重要意義，所以有必要獲取各種尺度的垂直運動信息。然而，在較平穩的大中尺度大氣運動中，大氣的垂直運動量級往往非常小，較顯著的垂直運動無論在水平方向還是垂直方向，多數屬於中小尺度現象，由於其數量級太小，尋找行之有效的直接探測大氣垂直運動的方法，是大氣物理研究者所關心的一個重要問題。
目前，水平風和垂直風廓線可以同時用地基風廓線雷達(balsleyetal.,1988)，聲雷達或雷射雷達(continietal.,2004)進行遙感探測，在目前科技發展水平上，這些探測手段已經取得了進步，但探測覆蓋率仍不能滿足科學研究和應用的需求，有必要發展一種能直接測量水平和垂直風的新系統方案，以提供更多的觀測支持。
廣泛使用的探空資料成為了獲取更詳盡大氣狀態參數的候選方法。首先，探空儀隨氣球上升，通過全球定位系統(gps、gnss、北鬥等)或者l波段雷達的高度數據，從其升速和落速，就可以一定程度地反映空氣運動。不過,探空升空過程中，氣球存在自誘導的側向運動，探空儀也存在單擺式運動，會給測風帶來誤差(maccready,1965)。因此，下投探空的下落速度用於測風特別是垂直風，數據更平滑一些。
目前，在現有技術中風廓線雷達利用晴空回波(大氣湍流)的都卜勒頻移進行主動遙感，高模式的對流層風廓線雷達從原理上可以覆蓋整個對流層高度範圍，但是由於對流層中、上部湍流信號較弱，因此經常出現中間大片高度的缺測。另外，雷達的每個波束越到高空其掃描扇面越大，這對應了更大空間範圍的平均和更長時間的響應，其測量的垂直風代表性顯著下降。風廓線雷達的探測高度還受到雲層的限制，垂直風反演也容易受降雨時雨滴粒子的幹擾。雷射測風雷達的技術方法與風廓線雷達相似，所不同的是前者利用的是氣溶膠粒子的後向散射回波，由於氣溶膠粒子的存在高度一般不超過5km，因此雷射測風雷達的探測高度亦有限。
現有技術中的一種大氣垂直風的探測方法包括：從飛機上下投rd-94型下投探空儀，通過下投探空儀的下降過程中測量的溫度、溼度、氣壓等數據，按照下面的流體力學公式1、公式2計算出靜止空氣中的理想下落速度廓線w0，然後與從高度(或氣壓)中推導的實際下落速度廓線w1相減，得到大氣垂直風的廓線wa。
在公式3.2中，cd為rd-94的阻曳係數，ρ為空氣密度，ab為受力截面積，m為總質量，g為重力加速度。
上述現有技術中的大氣垂直風的探測方法的缺點為：如果想形成一種實用技術，需要cd和ab為常數。然而作為系統主要減速裝置的降落傘為一個不定形狀體(不完全充氣)，且其形狀複雜，受水平風和垂直風推動時截面並不一致，因此把這兩項作為常數會引入不好估算的誤差。
此外，直接用w1與w0之差當作垂直風wa的算法，對經典力學和流體力學進行了過多的簡化，難以獲得準確的結果，測量結果的誤差比較大。
技術實現要素：
本發明的實施例提供了一種利用下投探空測量大氣垂直風的方法和裝置，以實現有效的測量出大氣垂直風。
為了實現上述目的，本發明採取了如下技術方案。
根據本發明的一個方面，提供了一種利用下投探空測量大氣垂直風的裝置，包括：探空氣球、定時切割器、硬殼球、短繩、長繩和gps探空儀，所述探空氣球通過所述短繩與所述硬殼球連接，所述定時切割器安裝在所述硬殼球的上方，所述硬殼球通過所述長繩與所述gps探空儀連接；
所述探空氣球上升到指定高度後，所述定時切割器啟動，切斷所述短繩，所述硬殼球、長繩和gps探空儀三個部分作為下投系統下落。
進一步地，所述定時切割器包括定時器、切割器和電池盒，所述定時器由led面板和位於led面板背面的單片機組成，所述定時器與所述切割器和電池盒電路連接，所述定時器在設定的定時時長到達後，輸出控制信號給所述切割器，所述切割器切斷連接所述探空氣球和所述硬殼球的所述短繩。
進一步地，所述硬殼球為兩個中空半球互相嚙合，所述兩個中空半球的尺寸一致，厚度為1～2cm，所述兩個中空半球的交接面一側留有凹槽，另一側留有與所述凹槽對應的凸起的稜，所述兩個中空半球的中間設置有通孔，所述長繩從該通孔中穿過。
進一步地，所述gps探空儀通過所述長繩繫於所述硬殼球的下方，所述gps探空儀包括gps天線、gps接收模塊、溫溼傳感器、氣壓傳感器、信號處理單元、無線發射機和發射機天線，所述gps探空儀的外部用保溫盒封裝，所述gps天線露在所述保溫盒子的頂部，所述溫溼傳感器和所述氣壓傳感器從所述保溫盒的側面伸出；所述發射機天線設置於所述保溫盒子的底部，便於信號向下發送。
進一步地，所述地面接收系統包括：八木天線、數據採集處理計算機、天線支架和多通道探空接收機，所述八木天線用所述天線支架布設在地面，所述多通道探空接收機通過纜線連接所述八木天線，所述多通道探空接收機通過usb-b型接口與所述數據採集處理微機相連。
根據本發明的另一個方面，提供了一種利用下投探空測量大氣垂直風的方法，應用於所述的裝置，包括：
將探空氣球通過短繩與硬殼球連接，將定時切割器安裝在所述硬殼球的上方，所述硬殼球通過長繩與gps探空儀連接；所述探空氣球上升到指定高度後，所述定時切割器啟動，切斷所述短繩，所述硬殼球、長繩和gps探空儀三個部分作為下投系統下落；
根據整個上升和降落過程所述gps探空儀獲得的氣象參數，計算出大氣垂直風的廓線。
進一步地，所述的根據整個上升和降落過程所述gps探空儀獲得的氣象參數，計算出大氣垂直風的廓線，包括：
在整個上升和降落過程中，gps探空儀中的gps接收模塊、溫溼傳感器、氣壓傳感器在每個時鐘間隔分別獲取一組位置坐標數據、大氣溫溼度數據和大氣氣壓數據，gps探空儀中的信號處理單元在每個時鐘間隔從gps接收模塊、溫溼傳感器和氣壓傳感器取一次數據，並編碼為二進位數據幀，將二進位數據幀傳輸給gps探空儀中的無線發射機，由無線發射機發送攜帶二進位數據幀的無線電信號給地面接收系統；
所述地面接收系統中的八木天線接收無線發射機發送的無線電信號，多通道探空接收機解析出所述無線電信號中的二進位數據幀，傳輸給數據採集處理計算機，採集處理計算機通過遙測軟體將所述二進位數據幀解析成溫度t、溼度u、氣壓p、高度h、風速spd、風向dir，以及水平速度u與v、垂直速度w數據，根據解析得到的數據通過求解方程得到大氣垂直風wa。
進一步地，所述的根據解析得到的數據通過求解方程得到大氣垂直風wa，包括：
設va為空氣的真實運動速度，va為按直角坐標系分成xyz方向上的三個速度ua，va，wa，它們的關係滿足公式
在探空氣球的上升階段，地面接收系統根據接收到的定位信息，通過gps測風算法獲得水平風場的風向dir和風速spd廓線，根據風向dir和風速spd廓線計算出ua，va，其中dir以北為零點按順時針旋轉，ua以東為正，va以北為正；
ua＝spd×cos(270-dir)
va＝spd×sin(270-dir)
地面接收系統根據接收到的溫度t、氣壓p用理性氣體密度公式計算出空氣密度ρ的廓線：
公式中r為空氣狀態常數：
設下投系統在x,y,z三個方向上的運動速度為um,vm,wm，在下投系統的下降階段，地面接收系統根據接收到的定位信息，通過差分方法獲得um,vm,wm：
dx,dy,dz可理解為兩次接收間隔期間下投系統沿東向、北向和垂直方向的位移距離；
根據wm計算出下投系統在z方向上的運動加速度所述z方向為垂直方向；
大氣垂直風wa的計算公式如下：
所述m為下投系統的總質量，為所述硬殼球、長繩和gps探空儀的質量總和；所述g為重力加速度；所述v為相對運動的矢量速度，v上相反的箭頭表示形狀阻力的方向總是與物體運動方向相反，v＝vm-va，vm為觀測的gps探空儀矢量運動速度，
由上述本發明的實施例提供的技術方案可以看出，本發明實施例方法通過從地面釋放探空氣球，獲取了大氣水平風場信息，計算更準確。gps探空儀採用緊湊設計，體積小，其迎風截面積僅為0.003m2，對阻曳係數的影響不到0.005。下投探空中使用硬殼球作為減速傘的設計。由於球體為三維對稱體，簡化了阻曳係數的求解，避免了轉動和擺動等複雜運動分析。
本發明附加的方面和優點將在下面的描述中部分給出，這些將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為本發明實施例提供的一種利用下投探空測量大氣垂直風的裝置的結構示意圖；
圖2為本發明實施例提供的一種利用下投探空測量大氣垂直風的方法的處理流程圖；
圖3為本發明實施例提供的一種定時切割器的結構示意圖；
圖4為本發明實施例提供的一種硬殼球3的結構示意圖；
圖5為本發明實施例提供的一種gps探空儀5的結構示意圖；
圖6為本發明實施例提供的一種地面接收系統的結構示意圖。
具體實施方式
下面詳細描述本發明的實施方式，所述實施方式的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施方式是示例性的，僅用於解釋本發明，而不能解釋為對本發明的限制。
本技術領域技術人員可以理解，除非特意聲明，這裡使用的單數形式「一」、「一個」、「所述」和「該」也可包括複數形式。應該進一步理解的是，本發明的說明書中使用的措辭「包括」是指存在所述特徵、整數、步驟、操作、元件和/或組件，但是並不排除存在或添加一個或多個其他特徵、整數、步驟、操作、元件、組件和/或它們的組。應該理解，當我們稱元件被「連接」或「耦接」到另一元件時，它可以直接連接或耦接到其他元件，或者也可以存在中間元件。此外，這裡使用的「連接」或「耦接」可以包括無線連接或耦接。這裡使用的措辭「和/或」包括一個或更多個相關聯的列出項的任一單元和全部組合。
本技術領域技術人員可以理解，除非另外定義，這裡使用的所有術語(包括技術術語和科學術語)具有與本發明所屬領域中的普通技術人員的一般理解相同的意義。還應該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術語應該被理解為具有與現有技術的上下文中的意義一致的意義，並且除非像這裡一樣定義，不會用理想化或過於正式的含義來解釋。
為便於對本發明實施例的理解，下面將結合附圖以幾個具體實施例為例做進一步的解釋說明，且各個實施例並不構成對本發明實施例的限定。
本發明實施例可用於氣象探測，通過釋放探空氣球，將探空儀帶至高空並切割下投，獲得對流層內垂直風廓線產品。
本發明實施例提供的一種利用下投探空測量大氣垂直風的裝置的結構示意圖如圖1所示，圖1中，1為業務用750g乳膠氣球，2為定時切割器，3為空心的泡沫硬殼球，4為長繩，5為gps探空儀，6為短繩。探空氣球1下系短繩6，與硬殼球3連接；定時切割器2安裝在硬殼球上方，切割器緊貼球頂繩結；硬殼球3通過長繩4與探空儀5連接。整個裝置上升到指定高度後，定時切割器啟動，切斷短繩，餘下的硬殼球3,長繩4,gps探空儀5三個部分作為下投系統下落。
本發明實施例提供的一種利用下投探空測量大氣垂直風的方法的處理流程如圖2所示，包括如下的處理過程：
該方法的主要方案是：使用探空球釋放探空，將用於降速的硬殼球和gps探空儀帶到高空後切割下投，從上升和下降探測的氣象參數及衛星定位信息中獲得大氣垂直風的廓線信息。
首先，在地面將硬殼球與探空儀用業務探空專用繩索連接，用電子秤獲得泡沫硬殼球、長繩和gps探空儀的總質量m；同時，gps探空儀加電檢測後，放空曠位置定位；gps定位成功後，給氣球充氣；待氣球充好氣後，在硬殼球頂部連上切割器，並與氣球連接；然後，給切割器加電倒計時，釋放探空氣球；倒計時結束後，探空和硬殼球從高空下落；根據整個上升和降落過程所述gps探空儀獲得的氣象參數，就可以計算出大氣垂直風的廓線。
本發明實施例提供的一種定時切割器2的結構示意圖如圖3所示，由定時器7、切割器8和電池盒9組成，定時器能設置定時時間1分鐘到99分鐘，按氣球5米/秒的平均升速，理論上最高可以探測到平流層27km，可滿足整個對流層內的廓線探測。定時器7在定時歸零之後，輸出一個控制信號至切割器8，切割器8切斷繩子。定時器7由led(lightemittingdiode，發光二極體)面板和位於面板背面的c51單片機組成。led面板右側為顯示時間分、秒變化的數碼管，左側有三個按鈕，從上到下分別為「set(設定)」、「min(分調整)」和「sec(秒調整)」。系統預設的定時時間為40分鐘，如果需要改變定時時長，可以按動「分調整」和「秒調整」按鈕分別改動數碼管顯示數字的前兩位(分)和後兩位(秒)，設置完成後按「設定」按鈕完成設置。定時切割器2的背面是電池盒9，使用3節五號電池供電，整個定時切割器2的外部使用保溫材料包裹。
本發明實施例提供的一種硬殼球3的結構示意圖如圖4所示，包括槽10、稜11和通孔12。硬殼球3由輕型材料用模具壓制而成，為兩個中空半球互相嚙合，尺寸一致，厚度1～2cm。如圖4所示，交接面一側留有凹槽10，另一側留有與凹槽10對應的凸起的稜11，半球中間設置有通孔12，長繩4從該通孔12中穿過。
本發明實施例提供的一種gps探空儀5的結構示意圖如圖5所示，gps探空儀5通過長繩4繫於硬殼球3下方，gps探空儀5包括gps天線13、gps接收模塊14、溫溼傳感器15、氣壓傳感器16、信號處理單元17、無線發射機18和發射機天線19，外部用保溫盒封裝。gps天線13露在盒子頂部；溫溼傳感器15和氣壓傳感器16從保溫盒側面伸出；發射機天線19處於盒子底部，便於信號向下發送。
gps接收模塊14、溫溼傳感器15、氣壓傳感器16每個時鐘間隔獲取一組數據(信號值)，信號處理單元17每秒從gps接收模塊14、溫溼傳感器15、氣壓傳感器16取一次數據，並編碼為二進位數據幀，將二進位數據幀傳輸給無線發射機18，由無線發射機18發送攜帶二進位數據幀的無線電信號給地面接收系統。
本發明實施例提供的一種地面接收系統的結構示意圖如圖6所示，包括：八木天線20、數據採集處理計算機21、天線支架22和多通道探空接收機23。八木天線20用天線支架22布設在開闊平坦的地面，多通道探空接收機23通過纜線連接八木天線20，通過usb-b型接口與數據採集處理微機21相連。
八木天線20接收發射機天線19傳回的無線電信號，多通道探空接收機23解析出無線電信號中的二進位數據幀(即探空儀數據幀)，傳輸給數據採集處理計算機21，採集處理計算機21通過遙測軟體將數據幀解讀成溫度t、溼度u、氣壓p、高度h、風速spd、風向dir和水平速度u與v、垂直速度w等變量，進行方程求解得到垂直風wa。使用有八個通道的探空接收機的目的是為了能夠在空中同時接收多個不同頻點的探空儀，實現更加立體的垂直風探測。
大氣垂直風wa的計算從流體力學方程出發，下投探空子系統在大氣流場中的牛頓運動方程可以寫為
公式中，m為下投系統的總質量；g為重力加速度；v為相對運動的矢量速度，v上相反的箭頭表示形狀阻力的方向總是與物體運動方向相反；ρ為空氣密度；r為硬殼球半徑；cd為阻曳係數。又v＝vm-va，vm為觀測的gps探空儀的矢量運動速度；va為空氣的真實運動速度，按直角坐標系可以分成xyz方向上的三個速度ua，va，wa，它們的關係滿足公式：
其中ua和va可從上升段的gps數據中導出(具體可參考vaisala、met或國內gps探空儀公司的測風算法)，wa是需要探測的垂直風。
在z方向，公式3可以寫成
公式4中，um,vm,wm分別表示下投系統在x,y,z三個方向上的運動速度，表示下投系統在z方向(垂直方向)上的運動加速度。
當大氣滿足準靜力平衡條件時，可以將微分項dwa/dt(垂直風加速度)近似為0。令
函數f(wa)中，ua，va可以在探空氣球上升段獲得，um,vm,wm，dwm/dt和ρ等觀測變量可以在下投系統的下降階段獲得，其餘為常量，
在探空氣球上升階段，地面接收系統根據收到的探空儀每秒發送的定位信息，通過gps測風算法獲得水平風場的風向dir和風速spd廓線(即風向和風速隨高度的變化曲線)，然後從風向和風速中計算出ua，va。各變量的規定遵循氣象學中的定義，其中dir以北為零點按順時針旋轉，ua以東為正，va以北為正。
ua＝spd×cos(270-dir)
va＝spd×sin(270-dir)
地面接收系統根據收到的探空儀每秒發送的溫度t，氣壓p數據用理性氣體密度公式計算出空氣密度ρ的廓線，公式中r為空氣狀態常數。
在下投系統的下降階段，地面接收系統根據收到的探空儀每秒發送的定位信息，通過差分方法獲得um,vm,wm的值。
dx,dy,dz可理解為兩次接收間隔期間下投系統沿東向、北向和垂直方向的位移距離。根據wm計算出下投系統在z方向上的運動加速度所述z方向為垂直方向。
因此，根據下降階段實時獲得的參數值，只要解公式5所示的關於wa的方程f(wa)＝0即可得到大氣垂直風的廓線。
綜上所述，本發明實施例的方法通過從地面釋放探空氣球，獲取了大氣水平風場信息，計算更準確。此外，國內獲取飛行空域申請比較困難，從地面開始探測更符合國內需求。
gps探空儀採用緊湊設計，體積小，其迎風截面積僅為0.003m2，對阻曳係數的影響不到0.005(由於國內外製造gps探空儀的公司很多，不保護結構設計和外觀設計)。
下投探空中使用硬殼球作為減速傘的設計。由於球體為三維對稱體，簡化了阻曳係數的求解，避免了轉動和擺動等複雜運動分析。相比中高層大氣用的落球方法，用gps定位代替了都卜勒主動式或被動式跟蹤，在低速運動中定位效果更好。
本領域普通技術人員可以理解：附圖只是一個實施例的示意圖，附圖中的模塊或流程並不一定是實施本發明所必須的。
本說明書中的各個實施例均採用遞進的方式描述，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處。尤其，對於裝置或系統實施例而言，由於其基本相似於方法實施例，所以描述得比較簡單，相關之處參見方法實施例的部分說明即可。以上所描述的裝置及系統實施例僅僅是示意性的，其中所述作為分離部件說明的單元可以是或者也可以不是物理上分開的，作為單元顯示的部件可以是或者也可以不是物理單元，即可以位於一個地方，或者也可以分布到多個網絡單元上。可以根據實際的需要選擇其中的部分或者全部模塊來實現本實施例方案的目的。本領域普通技術人員在不付出創造性勞動的情況下，即可以理解並實施。
以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應該以權利要求的保護範圍為準。