CN103901505B - 一种基于湿球效应的云顶高度探测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于湿球效应的云顶高度探测方法及装置，探测方法包括：升起探空仪，使探空仪向上穿越云层；通过设置在所述探空仪上的第一温度元件和第二温度元件采集温度数据，所述第一温度元件为表面不吸湿的温度元件，所述第二温度元件为表面吸湿的温度元件；根据所述温度数据确认产生湿球效应的时间点，将所述产生湿球效应的时间点的所述探空仪的高度记录为云顶高度。本发明能够利用穿云过程中无线探空仪获取的数据自动判别云顶高度，为云高判定研究提供了新方法与新途径。

Description

一种基于湿球效应的云顶高度探测方法及装置

技术领域

本发明涉及气象探测领域，尤其涉及一种基于湿球效应的云顶高度探测方法及装置。

背景技术

云是漂浮于大气中的小水滴或冰晶微粒的可见聚合体，是水汽在空气中的凝结（或凝华）现象。在天气系统发展、降水形成和大气辐射传输等物理过程中，云都扮演着极其重要的角色，所以对云的各种参数的测量非常重要。而云高作为重要的云宏观物理特征参数，对空气质量、日照率、大气辐射传输、边界层湍流以及飞行安全都有着重要的影响，也是气候诊断分析中的重要因子。

云高信息一般包括对云底高度和云顶高度的测量数据。地基测量云底高度的仪器和方式有很多，例如云幕气球，其通过气球从地面升至云底所经历的时间来测量云底高度；再例如云幕灯和旋转光束云高仪，其测距原理是利用已知数据根据直角三角形的边角关系得到天顶方向的云底高度；再例如激光雷达或激光云高仪，其采用激光垂直向上观测，接收在云的边界处产生的后向散射信号，通过分析激光回波的变化，判别云底位置；此外，中国科学院大气物理研究所研制的云观测设备采用红外辐射计对全天空进行扫描得到云底亮温，进而反演得到云底高度。除了以上介绍的几种测量方式外，还有一种比较精确的直接观测手段，就是通过飞机进行直接观测，但是成本太高，难以提供长期连续的云边界信息。

对于云顶的测量，目前主要通过卫星遥感，根据其亮温值来反演云顶高度，由于云的光学遮挡，在夜晚或有高、中云覆盖的情况下，中、低云层难以得到准确结果；另一种测量云顶的方式是通过毫米波测云雷达，其有较宽的多普勒带宽，方向性好，受地面杂波影响较小，能穿透较厚的低云，并能探测到相当大部分的中、高层云，通过反演获得相应的云顶、底高度，其最主要的问题就是降水对电磁波的衰减严重，因而主要用来探测未形成降水的云层高度、厚度。由于目前的探测设备各自的一些不足，因此这些设备在业务上还未能得到广泛的应用。

此外，作为常规气象观测手段，无线电探空仪被广泛地应用于大气参数的获取，其测量的温度、相对湿度和气压的垂直分布资料是研究大气热力学和动力学过程的基础数据。近年来我国探空技术发展迅速，无线电探空仪探测系统（包括温度、气压、湿度感应元件，探空数据处理软件）也已经更新换代，数据采样率由分钟级提高到秒级，对应的采样点高度间隔由50米量级提高到10米量级，能够得到探空仪上升路径中更多的温、湿度变化细节。因此，随着高空气象观测自动化程度的提高，从常规探空资料中获取的气象信息（特别是云高信息），能够为数值预报、大气遥感、云雾物理、人工影响天气等的研究提供更多的重要科学依据。无线电探空仪在上升过程中可以穿过云层，从理论来讲可以根据探空资料中相对湿度廓线的变化分析出云的垂直分布（包括云顶、云底高度，云层厚度，以及多层云的垂直分布）。鉴于利用常规探空资料中湿度的变化进行云高判识的可行性，国内外研究人员不断探索利用探空资料判定云顶和云底高度的方法。但是目前探空仪湿度元件的测量误差还比较大，在云层中实际测得的相对湿度有的超过100%，有的还不到95%，如果用相对湿度100%或95%等具体数值来判断是否有云层存在，其结果必然会出现一定数量的误判。另外在高空中，湿度并不是形成云的唯一条件，在相对湿度达到90%以上时，若其它条件不满足，也可能没有形成云。因此，仅仅依靠探空仪测得的相对湿度来进行云层判断还存在较大的误差。

发明内容

本发明的目的是要提供一种基于湿球效应的云顶高度探测方法及装置，能够利用穿云过程中无线探空仪获取的数据自动判别云顶高度。

本发明一个进一步的目的是要为云高判定研究提供新方法与新途径。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于湿球效应的云顶高度探测方法，包括：

升起探空仪，使探空仪向上穿越云层；

通过设置在所述探空仪上的第一温度元件和第二温度元件采集温度数据，所述第一温度元件为表面不吸湿的温度元件，所述第二温度元件为表面吸湿的温度元件；

根据所述温度数据确认产生湿球效应的时间点，将所述产生湿球效应的时间点的所述探空仪的高度记录为云顶高度。

可选的，上述的云顶高度探测方法中，根据所述温度数据确认产生湿球效应的时间点的步骤具体包括：

获取同一时刻的所述第一温度元件采集的第一温度值与所述第二温度元件采集的第二温度值，计算所述第一温度值与所述第二温度值的差值，记录出现差值时对应的差值起始时刻和差值达到预定门限值时对应的差值确认时刻；

根据所述第一温度元件采集的温度廓线、所述第二温度元件采集的温度廓线和所述差值确认时刻确定湿球效应区域，如果所述差值起始时刻为所述湿球效应区域的起始点，则确认所述差值起始时刻为所述产生湿球效应的时间点。

可选的，上述的云顶高度探测方法中，还包括：

根据季节参数和地理位置参数调整所述预定门限值。

可选的，上述的云顶高度探测方法中，所述预定门限值的范围为0.5至4摄氏度。

本发明还提供一种基于湿球效应的云顶高度探测装置，包括：

探空仪，用于向上穿越云层；

第一温度元件，为表面不吸湿的温度元件，设置在所述探空仪上；

第二温度元件，为表面吸湿的温度元件，设置在所述探空仪上；

处理单元，用于：根据所述第一温度元件和所述第二温度元件采集的温度数据确认产生湿球效应的时间点，将所述产生湿球效应的时间点的所述探空仪的高度记录为云顶高度。

可选的，上述的云顶高度探测装置中，所述处理单元包括：

计算单元，用于：获取同一时刻的所述第一温度元件采集的第一温度值与所述第二温度元件采集的第二温度值，计算所述第一温度值与所述第二温度值的差值，记录出现差值时对应的差值起始时刻和差值达到预定门限值时对应的差值确认时刻；

识别确认单元，用于：根据所述第一温度元件采集的温度廓线、所述第二温度元件采集的温度廓线和所述差值确认时刻确定湿球效应区域，如果所述差值起始时刻为所述湿球效应区域的起始点，则确认所述差值起始时刻为所述产生湿球效应的时间点。

可选的，上述的云顶高度探测装置中，所述处理单元还包括：

调整单元，用于：根据季节参数和地理位置参数调整所述预定门限值。

可选的，上述的云顶高度探测装置中，所述预定门限值的范围为0.5至4摄氏度。

可选的，上述的云顶高度探测装置中，所述温度元件为珠状表面镀铝温度传感器。

本发明实施例具有以下技术效果：

1）本发明实施例中，通过表面不吸湿的温度元件与表面吸湿的温度元件进行探空仪云间温度测量，在到达云顶时，因为空气中湿度变化，两个温度元件的计量结果将因为“湿球效应”产生明显差值，根据出现这种差值的起始时刻可以准确判断到达云顶的时刻，从而根据到达云顶时刻的探空仪高度来获得云顶高度。简单易行，资料获取方便

2）本发明实施例能够通过探空资料相对湿度和温度上升曲线特征以及云物理特性，获取可靠的云顶高度数据，丰富探空资料的信息，特别是丰富关于云的相关信息，为气象业务中云高的自动观测提供了一种新的思路和解决方案。

3）探空数据是最基本、最广泛的气象观测资料之一，应用本发明实施例能够整体地丰富探空资料的信息，提高探空资料的价值，社会效益显著。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1为本发明方法实施例的步骤流程图；

图2为本发明另一方法实施例的探空过程的温湿度曲线图；

图3为本发明装置实施例的结构图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对具体实施例进行详细描述。

图1为本发明方法实施例的步骤流程图，如图1所示，本发明实施例提供一种基于湿球效应的云顶高度探测方法，包括：

步骤110，升起探空仪，使探空仪向上穿越云层；

步骤120，通过设置在所述探空仪上的第一温度元件和第二温度元件采集温度数据，所述第一温度元件为表面不吸湿的温度计元件，所述第二温度元件为表面吸湿的温度计元件；

步骤130，根据所述温度数据确认产生湿球效应的时间点，将所述产生湿球效应的时间点的所述探空仪的高度记录为云顶高度。

其中，湿球效应通常是指水份蒸发过程中的制冷效应，地面观测干湿温度计就是应用这一原理测量空气湿度。干湿温度计由两个一样的温度表组成，一个水银球置于空气中，即干球；另一个水银球包着纱布，纱布的延长端浸在水中，即湿球。由于水份蒸发会带走热量，湿球温度表显示的温度就比干球温度表低，这就是“湿球效应”。由于水的蒸发量跟空气的湿度有关，空气湿度越大蒸发量越小，带走的热量越少，干湿球温度差异越小；空气湿度越小蒸发量越大，带走的热量也越大，干湿球温差也就越大。所以可以通过干湿球温差的变化规律来反映当前空气湿度状况。

因此，本发明实施例中，通过表面不吸湿的温度元件/传感器与表面吸湿的温度元件/传感器进行探空仪云间温度测量，在探空仪穿过云顶后，因为空气中相对湿度突然变小，两个温度元件/传感器的计量结果将因为“湿球效应”产生明显差值，根据这种差值的幅度以及出现“湿球效应”的起始时刻可以准确掌握到达云顶的时刻，从而根据到达云顶时刻的探空仪高度来获得云顶高度。

可见，本发明实施例能够可靠地获取云顶高度，简单易行，资料获取方便，为气象业务中云高的自动观测提供了一种全新的解决思路和解决方案。

在本发明的一个实施例中，根据所述温度数据确认产生湿球效应的时间点的步骤具体包括：

获取同一时刻的所述第一温度元件采集的第一温度值与所述第二温度元件采集的第二温度值，计算所述第一温度值与所述第二温度值的差值，记录出现差值时对应的差值起始时刻和差值达到预定门限值时对应的差值确认时刻；

根据所述第一温度元件采集的温度廓线、所述第二温度元件采集的温度廓线和所述差值确认时刻确定湿球效应区域，如果所述差值起始时刻为所述湿球效应区域的起始点，则确认所述差值起始时刻为所述产生湿球效应的时间点。

当然，还可以采用简化的方法，不用确认湿球效应区域，只要所述差值确认时刻在所述差值起始时刻之后的预定时长内出现，就可以认为所述差值起始时刻为所述产生湿球效应的时间点。

其中，湿球效应区域，是指在探空仪穿过云顶后，不吸湿的第一温度元件的温度廓线和吸湿的第二温度元件的温度廓线由重合到分离到再重合的过程，湿球效应区域如图2中矩形虚线框所标识。通过这种湿球效应区域的图形辨别，可以避免因为湿度传感器因结冰损坏造成相对湿度数据错误，从而引起常规的利用相对湿度值来判断云顶位置方法的误判，使得云顶位置的判断更加准确。

在本发明的一个实施例中，第一温度元件的表面设置有防水涂层。通过设置防水涂层来使第一温度元件的表面不吸湿。而第一温度元件的表面可以不做处理，其就会受到湿度的影响，当然，为了增大对湿度的敏感程度，第一温度元件的表面可以设置吸湿材料，例如纱布，元件表面涂白漆，增加表面粗糙度提高吸湿效果之类的，以便增加比对效果。

在本发明的一个实施例中，预定门限值的范围为0.5至4摄氏度。优选的，预定门限值选择为2摄氏度，因为两个温度计的温差达到2摄氏度，就足以排除因测量误差引起的误判可能，可以可靠的确定已经到达云顶。

需要指出的是，预定门限没有固定的值，这要视施放探空仪的季节，云顶的位置而定，因此，在本发明的一个实施例中，还包括：根据季节参数和地理位置参数调整所述预定门限值。

这是因为：两个温度元件在出云顶后，由于湿球效应会产生温度差，这个预定门限要视施放探空仪的季节，云顶的位置而定，如图2中的个例就是上海夏季施放的个例，地面温度高，云顶高度低，所以湿球效应产生的温度差就比较大，如果冬季北方，地面温度就比较低，云顶高度处的温度差就比较小，有可能只有零点几度，所以温度差的幅值无法具体确定。

例如，在2013年11月1日山西的一次施放记录中，穿云后，温度1（防水涂层）温度为-8.94℃,温度2（无防水涂层）温度为-9.7℃,两个温度差最大幅值为仅仅0.74℃。

图2为本发明另一方法实施例的探空过程的温湿度曲线图；由于未涂防水涂层的探空仪温度元件（第二温度元件），穿云过程中易收集水，在飞出云顶后，由于周围空气相对湿度突然降低引起水份蒸发，致使温度元件冷却，其测得的温度会出现突然比常规温度元件偏低的现象，本发明实施例利用该种现象来判别云顶高度。

如图2所示，为一次探空过程的温湿度曲线图，探空仪携带两种温度元件（已做防水涂层的第一温度元件和未做防水涂层的第二温度元件）。图中，左边方框内为探空仪测得的温度廓线，右边方框内为相对湿度廓线，温度廓线图上可以看到防水效果好的第一温度元件测得温度与未作防水的第二温度元件测得的温度在云顶位置处有明显的差异，即未作防水的温度元件测得的温度明显低于防水效果好的温度元件测得温度，然后二者温度再逐渐恢复一致（湿球效应区域如图2中矩形虚线框所标识）。

如图2所示：本次探空过程记录的云顶位置大概出现在探空仪施放后350秒的位置处，从左图探空温度曲线可以看到：不论温度元件是否做防水，探空仪施放后其携带的温度元件测得的温度都一致的呈下降的趋势，降至12.5℃，随后，带有防水涂层未受云中水滴影响的温度元件测得的温度从12.5℃上升至16℃左右,未作防水涂层的温度元件测得的温度明显低于防水效果好的温度元件测得温度，其温度持续降低，由12.5℃，降至10℃左右，随后再缓慢地回升，于25秒后与带有防水涂层的温度元件测得的温度廓线变化一致。明显看到，探空仪在出云的时候，不同防水处理的温度元件测得的温度差异明显，未作防水处理测得的温度会出现比常规的带有防水涂层的温度元件测得的温度偏低的现象，并在实际探空过程中，该现象出现的起始位置与云顶的位置一致，所以本发明实施例就基于此现象提出在常规气象业务探空仪上添加一个无防水涂层的温度元件来判别云顶的方法。

图3为本发明装置实施例的结构图。如图3所示，本发明实施例提供一种基于湿球效应的云顶高度探测装置，包括：

探空仪210，用于向上穿越云层；

第一温度元件220，为表面不吸湿的温度元件，设置在所述探空仪上；

第二温度元件230，为表面吸湿的温度元件，设置在所述探空仪上；

处理单元240，用于：根据所述第一温度元件和所述第二温度元件采集的温度数据确认产生湿球效应的时间点，将所述产生湿球效应的时间点的所述探空仪的高度记录为云顶高度。

在本发明的另一个装置实施例中，所述处理单元包括：

计算单元，用于：获取同一时刻的所述第一温度元件采集的第一温度值与所述第二温度元件采集的第二温度值，计算所述第一温度值与所述第二温度值的差值，记录出现差值时对应的差值起始时刻和差值达到预定门限值时对应的差值确认时刻；

识别确认单元，用于：根据所述第一温度元件采集的温度廓线、所述第二温度元件采集的温度廓线和所述差值确认时刻确定湿球效应区域，如果所述差值起始时刻为所述湿球效应区域的起始点，则确认所述差值起始时刻为所述产生湿球效应的时间点。

在本发明的另一个装置实施例中，所述处理单元还包括：调整单元，用于：根据季节参数和地理位置参数调整所述预定门限值。

在本发明的另一个装置实施例中，第一温度元件的表面设置有防水涂层。所述预定门限值的范围为0.5至4摄氏度。所述温度元件为珠状表面镀铝温度传感器，当然也可以为任何能产生湿球效应的温度传感器。

在本发明的装置实施例中，可以采用气象业务上用的常规探空仪，包括气压传感器、湿度传感器以及带有防水涂层的温度传感器元件，以获得大气中的温、压、湿数据，温度元件加防水涂层是为了避免湿球效应，以测得准确的大气温度。本发明的装置实施例是在常规探空仪基础上添加一个无防水涂层的温度元件，在探空仪入云后，无防水涂层的温度元件表面会吸湿，当探空仪离开云层时，由于周围空气相对湿度突然降低引起水份蒸发，其温度会突然比常规（有防水涂层）温度元件偏低较多（偏低的幅度与云顶以上空气的相对湿度高低相关），然后又逐步接近常规温度元件。因此，当“湿球效应”出现时，探空仪经过的一定是云层的顶部位置。本发明装置实施例就是利用无防水涂层温度元件的“湿球效应”引起的温度测量值的特殊变化规律提出云顶高度判别的新装置。本发明实施例判别云顶的判据是无防水涂层温度元件与有防水涂层温度元件温度差的特殊变化过程，与探空仪探测到的云层的相对湿度究竟是多少无关，也就避免了常规判别方法的误差。由于“湿球效应”只在探空仪出云时才会出现，因此能够准确判断云顶高度。

由上可知，本发明实施例具有以下优势：

1）本发明实施例中，通过表面不吸湿的温度元件/传感器与表面吸湿的温度元件/传感器进行探空仪云间温度测量，在到达云顶时，因为空气中湿度变化，两个温度计的计量结果将因为“湿球效应”产生明显差值，根据这种差值的幅度以及出现的起始时刻可以准确掌握到达云顶的时刻，从而根据到达云顶时刻的探空仪高度来获得云顶高度。简单易行，资料获取方便

2）本发明实施例能够通过探空资料相对湿度和温度上升曲线特征以及云物理特性，获取可靠的云顶高度数据，丰富探空资料的信息，特别是丰富关于云的相关信息，为气象业务中云高的自动观测提供了一种新的思路和解决方案。

3）探空数据是最基本、最广泛的气象观测资料之一，应用本发明实施例能够整体地丰富探空资料的信息，提高探空资料的价值，社会效益显著。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (6)

1.一种基于湿球效应的云顶高度探测方法，包括：

升起探空仪，使探空仪向上穿越云层；

通过设置在所述探空仪上的第一温度元件和第二温度元件采集温度数据，所述第一温度元件为表面不吸湿的温度元件，所述第二温度元件为表面吸湿的温度元件；

根据所述温度数据确认产生湿球效应的时间点，将所述产生湿球效应的时间点的所述探空仪的高度记录为云顶高度；

其中，根据所述温度数据确认产生湿球效应的时间点的步骤具体包括：

获取同一时刻的所述第一温度元件采集的第一温度值与所述第二温度元件采集的第二温度值，计算所述第一温度值与所述第二温度值的差值，记录出现差值时对应的差值起始时刻和差值达到预定门限值时对应的差值确认时刻；

根据所述第一温度元件采集的温度廓线、所述第二温度元件采集的温度廓线和所述差值确认时刻确定湿球效应区域，如果所述差值起始时刻为所述湿球效应区域的起始点，则确认所述差值起始时刻为所述产生湿球效应的时间点。

2.根据权利要求1所述的云顶高度探测方法，其特征在于，还包括：

根据季节参数和地理位置参数调整所述预定门限值。

3.根据权利要求2所述的云顶高度探测方法，其特征在于，所述预定门限值的范围为0.5至4摄氏度。

4.一种基于湿球效应的云顶高度探测装置，其特征在于，包括：

探空仪，用于向上穿越云层；

第一温度元件，为表面不吸湿的温度元件，设置在所述探空仪上；

第二温度元件，为表面吸湿的温度元件，设置在所述探空仪上；

处理单元，用于：根据所述第一温度元件和所述第二温度元件采集的温度数据确认产生湿球效应的时间点，将所述产生湿球效应的时间点的所述探空仪的高度记录为云顶高度；

其中，所述处理单元包括：

计算单元，用于：获取同一时刻的所述第一温度元件采集的第一温度值与所述第二温度元件采集的第二温度值，计算所述第一温度值与所述第二温度值的差值，记录出现差值时对应的差值起始时刻和差值达到预定门限值时对应的差值确认时刻；

识别确认单元，用于：根据所述第一温度元件采集的温度廓线、所述第二温度元件采集的温度廓线和所述差值确认时刻确定湿球效应区域，如果所述差值起始时刻为所述湿球效应区域的起始点，则确认所述差值起始时刻为所述产生湿球效应的时间点。

5.根据权利要求4所述的云顶高度探测装置，其特征在于，所述处理单元还包括：

调整单元，用于：根据季节参数和地理位置参数调整所述预定门限值。

6.根据权利要求5所述的云顶高度探测装置，其特征在于，所述预定门限值的范围为0.5至4摄氏度。