海雾厚度和低云云底高度的实时获取方法

摘要

本发明涉及一种海雾厚度和低云云底高度的实时获取方法。本发明充分利用气象台L波段二次测风雷达和数字式探空仪资料，依次分析了海雾和低云在垂直方向上温度、湿度的分布特征，计算了低层大气有海雾和有低云时的稳定度条件和湍流条件，统计分析归纳出将海雾和低云分离，然后再对海雾厚度和低云云底高度进行计算，获取海雾厚度和低云云底高度。形成的计算机软件将结果自动显示。本发明提供了实时监测的有效方法，即同时建立了一种客观可行的低云云底高度实时自动提取，和对海雾厚度进行实时监测的方法，其实施性强，可信度高，为海面上空飞行安全、海上交通运输、海港和沿海空港作业提供了有效气象资料。

说明书

技术领域

本发明属于海洋环境监测技术，具体涉及一种海雾厚度和低云云底高度的实时获取方法。

背景技术

有海雾时，水平能见度不足1000米，严重影响海上交通运输、海港和沿海空港作业。研究表明，海雾垂直厚度越厚，雾性就越浓，能见度就越差，就越不容易消散。所以海雾厚度是海雾监测的重要内容。但目前还没有对海雾厚度进行实时监测的有效方法。

另外，在中纬度的海面上空，经常出现低云。由于低云云底高度(距离海面的高度)一般在几百米，给飞机起飞、降落造成很大困难。因此，需要对云底高度做出足够准确的判断。虽然，云底高度可以通过云幕仪(ceilometer)测得，但是云幕仪价格昂贵，我国目前还不能生产，而气象人员一般通过目测对低云云底的高度进行估计。人工目测估计低云云底高度精度难以保证，而且主观成分较大，易造成估计值偏高或者偏低，或者贻误起飞降落时机，或者对起飞降落带来隐患。因此，建立一种客观可行的低云云底高度实时获取方法是十分必要的。

目前，我国沿海气象部门陆续配备了新一代探空设备——GFE(L)1型二次测风雷达(工作频率为1675MHz，简称L波段测风雷达)，它与GTS1型数字式电子探空仪相配合，能连续自动测定地面至对流层上层的风向、风速、气温、气压、湿度等气象要素，其垂直分层最多可以每升高7米获取一套数据，从地面开始就可以获取资料，探测精度较上一代无线电探空设备有明显提高。但是，迄今还没有利用L波段二次测风雷达和数字式电子探空仪的资料(以下简称L波段雷达资料)对低云云底高度进行实时自动提取。

发明内容

本发明的目的是提供一种海雾厚度和低云云底高度的实时获取方法，以弥补现有技术的不足。

本发明充分利用了L波段二次测风雷达和数字式探空仪资料垂直分辨率高的特点，考虑了4种出现海雾的和3种出现低云的大气边界层垂直条件，可以有效地将海雾和低云区分开，用温度、湿度和风向风速在垂直方向上每隔30m的实测资料计算出海雾厚度和低云云底高度。

本发明的具体技术路线是利用L波段二次测风雷达和数字式探空仪资料，分析海雾和低云在垂直方向上温度、湿度的分布特征，计算低层大气有海雾和有低云时的稳定度和湍流条件，通过大样本统计分析，归纳出将海雾和低云分开的方法，将海雾与低云分离，然后再对海雾厚度和低云云底高度进行计算，获取海雾厚度和低云云底高度。该方法已经形成计算机软件，读入实时资料后，计算结果在计算机上自动显示。

本发明的海雾厚度和低云云底高度的获取方法或步骤如下：

1、资料预处理：读入数字探空仪实时资料，解码并生成该时刻ASCII码探空数据文件，该文件包含了从地面到对流层上层每30m间隔的高度z、温度t、相对湿度RH、露点温度t_d、气压P、风向ddd、风速ff等，再由生成的探空数据文件中，读入1000m以下各高度层的上述数据，用常规的方法将风向ddd、风速ff分解为经向风分量v和纬向风分量u；

2、依据准饱和层判据：RH≥93％，或者温度露点差t-t_d≤1.2℃的点(层)，判断地面至1000m高度是否有准饱和层和准饱和层的厚度；如果第一层是准饱和层，再判断准饱和层厚度是否大于600m，如果大于600m，，采用判则1确定云底高度，判则1：从第一层向上寻找，找到t-t_d≤0.5℃的高度为云底高度；

3、根据不同的海雾发生条件，分别判断是否是海雾，如果是海雾，再给出海雾的厚度：如果第一层是准饱和层，且饱和层厚度小于600m，则计算准饱和层之上是否有干层，干层的判则是：从RH≥90％的最高高度向上，在200m以内突然降至RH≤60％；如果有干层，则为海雾，且海雾的厚度就是准饱和层的厚度；

如果第一层是准饱和层，但1000m以下没有干层，则计算准饱和层以下60m至以上300m是否有逆温层，其判则如下：在准饱和层高度确定以后，计算准饱和层附近的温度直减率$\gamma =-\frac{\mathrm{\Delta t}}{\mathrm{\Delta z}},$如果γ≤0，则为逆温。如果逆温层厚度≥100m，则为海雾，且海雾的厚度就是准饱和层的厚度；

如果第一层是准饱和层，但不符合干层和逆温层的判则条件，则计算准饱和层以下60m至以上400m是否为湿绝热稳定层；方法如下：首先计算湿绝热温度直减率γ_m：

${\gamma }_m=-\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dz}}=\frac{g}{C_{\mathrm{pd}}}+\frac{L_V}{C_{\mathrm{pd}}}\frac{{\mathrm{dw}}_s}{\mathrm{dz}}$

其中g＝9.8m·s^-2为重力加速度，C_pd＝1004(J·kg^-1·K^-1)为干空气的定压比热，L_v＝2.5×10⁶(J/kg)为水汽凝结潜热，$w_s\approx 0.622\frac{e_s}{P}$为饱和混合比，$e_s=E_0{10}^{\frac{\mathrm{at}}{b+t}}$为温度t下的饱和水汽压，E₀＝6.1hPa为t＝0℃时的饱和水汽压，a＝7.5，b＝273.7；如果满足0<γ≤γ_m，则为湿绝热稳定层；如果湿绝热稳定层的厚度≥200m，则为海雾，且海雾的厚度就是准饱和层的厚度；

如果第一层是准饱和层，但不符合干层和逆温层判则，也不符合湿绝热稳定层条件，则计算准饱和层以下60m至以上200m的Richardson数Ri：

$\mathrm{Ri}=\frac{g}{\overline{{\theta }_v}}\frac{\partial {\theta }_v/\partial z}{{(\partial u/\partial z)}^2+{\left(\text{∂v/∂z}\right)}^2}$

其中${\theta }_v=T_v{\left(\frac{100}{P}\right)}^{R/C_P}$为虚位温，T_v＝T(1+0.608q)为虚温(K)，$q=0.622\frac{e}{P-0.378e}$为比湿(g/kg)，C_p＝C_pd(1+0.86q)为湿空气的定压比热，$e=E_0{10}^{\frac{a{t}_d}{b+t_d}}$为水汽压，t_d为露点温度(℃)R＝R_d(1+0.608q)为湿空气比气体常数，u，v分别为纬向风和经向风分量(m.s^-1)，g为重力加速度(m.s^-2)；如果至少有2层为Ri≤0，则为海雾，且海雾的厚度就是准饱和层的厚度；

如果第一层是准饱和层，但不符合以上干层、逆温层、湿绝热稳定层和Ri≤0的条件，则判断为低云，用判则1确定云底高度；

4、根据下面的湿度条件，得到低云云底高度：如果第一层没有准饱和层，则从地面向上至1000m寻找有无湿层，如果有湿层，再判断湿层厚度是否在300m以上，如果符合，则判断为低云，用判则2确定云底高度。低云云低高度判则2：从第一层向上至1000m，计算最大出现的高度为云底高度；

5、如果从地面向上至1000m不符合湿层的条件，则在1000m以下没有低云，或者云底高度在1000m以上；将以上判识和计算结果直接在计算机上显示即得。

本发明的特点和优点，本发明同时建立了一种客观可行的低云云底高度实时自动提取，和对海雾厚度进行实时监测，其实施性强，可信度高，为海面上空飞行安全、海上交通运输、海港和沿海空港作业提供了有效气象资料。

附图说明

图1是本发明的海雾厚度和低云云底高度获取方法的流程示意图。

具体实施方式

如图1，本发明的海雾厚度和低云云底高度的获取方法或步骤如下：

1、资料预处理。读入数字探空仪实时资料，解码并生成该时刻ASCII码探空数据文件，该文件包含了从地面到对流层上层每30m间隔的高度z、温度t、相对湿度RH、露点温度t_d、气压P、风向ddd、风速ff。再由生成的探空数据文件中，读入1000m以下各高度层的上述数据，用常规的方法将风向ddd、风速ff分解为经向风分量v和纬向风分量u。

2、判断地面至1000m高度是否有准饱和层和准饱和层的厚度。依据准饱和层判据：RH≥93％，或者温度露点差t-t_d≤1.2℃的点(层)。如果第一层(距离地面30米高度处)是准饱和层，再判断准饱和层厚度是否大于600m，如果大于600m，则是低云。采用判则1确定云底高度。低云云低高度判则1：从第一层向上寻找，找到t-t_d≤0.5℃的高度为云底高度。

3、根据下面不同的海雾发生条件，分别判断是否是海雾，如果是海雾，再给出海雾的厚度：如果第一层是准饱和层，且饱和层厚度小于600m，则计算准饱和层之上是否有干层，干层的判则是：从RH≥90％的最高高度向上，在200m以内突然降至RH≤60％。如果有干层，则为海雾，且海雾的厚度就是准饱和层的厚度。

如果第一层是准饱和层，但1000m以下没有干层，则计算准饱和层附近(准饱和层以下60m至以上300m)是否有逆温层，其判则如下：在准饱和层高度确定以后，计算准饱和层附近的温度直减率$\gamma =-\frac{\mathrm{\Delta t}}{\mathrm{\Delta z}},$如果γ≤0，则为逆温。如果逆温层厚度≥100m，则为海雾，且海雾的厚度就是准饱和层的厚度。

如果第一层是准饱和层，但不符合干层和逆温层的判则条件，则计算准饱和层附近(准饱和层以下60m至以上400m)是否为湿绝热稳定层。方法如下：首先计算湿绝热温度直减率γ_m：

${\gamma }_m=-\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dz}}=\frac{g}{C_{\mathrm{pd}}}+\frac{L_V}{C_{\mathrm{pd}}}\frac{{\mathrm{dw}}_s}{\mathrm{dz}}$

其中g＝9.8m·s^-2为重力加速度，C_pd＝1004(J·kg^-1·K^-1)为干空气的定压比热，L_v＝2.5×10⁶(J/kg)为水汽凝结潜热，$w_s\approx 0.622\frac{e_s}{P}$为饱和混合比，$e_s=E_0{10}^{\frac{\mathrm{at}}{b+t}}$为温度t下的饱和水汽压，E₀＝6.1hPa为t＝0℃时的饱和水汽压，a＝7.5，b＝273.7。如果满足0<γ≤γ_m，则为湿绝热稳定(含湿绝热中性)层。如果湿绝热稳定层的厚度≥200m，则为海雾，且海雾的厚度就是准饱和层的厚度。

如果第一层是准饱和层，但不符合干层和逆温层判则，也不符合湿绝热稳定层条件，则计算准饱和层附近(准饱和层以下60m至以上200m)的Richardson数Ri：

$\mathrm{Ri}=\frac{g}{\overline{{\theta }_v}}\frac{\partial {\theta }_v/\partial z}{{(\partial u/\partial z)}^2+{\left(\text{∂v/∂z}\right)}^2}$

其中${\theta }_v=T_v{\left(\frac{100}{P}\right)}^{R/C_P}$为虚位温，T_v＝T(1+0.608q)为虚温(K)，$q=0.622\frac{e}{P-0.378e}$为比湿(g/kg)，C_p＝C_pd(1+0.86q)为湿空气的定压比热，$e=E_0{10}^{\frac{a{t}_d}{b+t_d}}$为水汽压，t_d为露点温度(℃)R＝R_d(1+0.608q)为湿空气比气体常数，u，v分别为纬向风和经向风分量(m.s^-1)，g为重力加速度(m.s^-2)。如果至少有2层为Ri≤0，则为海雾，且海雾的厚度就是准饱和层的厚度。

如果第一层是准饱和层，但不符合以上干层、逆温层、湿绝热稳定层和Ri≤0的条件，则判断为低云，用判则1确定云底高度。

4、根据下面的湿度条件，得到低云云底高度：如果第一层没有准饱和层，则从地面向上至1000m寻找有无湿层(湿层的条件是RH≥85％)。如果有湿层，再判断湿层厚度是否在300m以上，如果符合，则判断为低云。用判则2确定云底高度。低云云低高度判则2：从第一层向上至1000m，计算最大出现的高度为云底高度。

5、如果从地面向上至1000m不符合湿层的条件，则在1000m以下没有低云，或者云底高度在1000m以上。

6、将以上判识和计算结果直接在计算机上显示。

不难将以上方法编制成计算机软件，探空完成后，启动该程序，就可以在计算机终端上显示出海雾厚度和云底高度，或者显示出云底高度在1000米以上。