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第三章系统的设计 21 火箭发射仰角是由雷达探测的目标云作业部位

归档日期:07-12       文本归类:弹道区      文章编辑:爱尚语录

  第三章系统的设计 21 火箭发射仰角是由雷达探测的目标云作业部位高度 计算出的作业点与目标云水平距离R3及火箭弹道飞行参数而确定。对于火箭 考虑催化剂播撒高度时要考虑雷达站与作业点的海拔高度差 将雷达所测的云体作业部位高度换算到云体相对作业点的高度 结合火箭弹道轨迹 既可查得火箭发射仰角。大连地区的

  第三章系统的设计 21 火箭发射仰角是由雷达探测的目标云作业部位高度 计算出的作业点与目标云水平距离R3及火箭弹道飞行参数而确定。对于火箭 考虑催化剂播撒高度时要考虑雷达站与作业点的海拔高度差 将雷达所测的云体作业部位高度换算到云体相对作业点的高度 结合火箭弹道轨迹 既可查得火箭发射仰角。大连地区的降雨云系均属于冷云或混合性云 结合AgI在 10 层催化速度快、核化率高等特点 对稳定性云系作业可将作业高度选择在 10 15 层之间 30 对积云作业 作业高度可选择在0 之间即在云的较低高度播撒 催化剂可随着上升气流迅速上移到 10 15 层高度。 作业剂量确定方法根据近年辽宁省飞机增雨作业机载PMS探测结果 辽宁省春夏季层状降水云中的冰晶粒子平均数浓度为3 积层混合云中为810个 升。大连地区参考这一探测结果 在催化剂量的确定时 取其平均值作为参考依据。 稳定性降雨云中播撒剂量的确定结合大连作业实际 层状云 积层混合云 的作业高度宜选在4 6km 火箭作业可采用发射仰角为45 65 一枚WR 1B型火箭弹在云中扩散的体积大约在15 40km3之间。 为了提高层状云 积层混合云 的降水效率 云内的冰晶浓度宜增加到20 100电子科技大学硕士学位论文 22 31。大连地区产生降雨性层状云和积层混合云所需的催化剂量按辽宁省平均情况估算 设实际播撒中催化剂的有效成核率比实验室小两个量级 每次作业 可沿风的来向两侧45 90 方向分别发射2 对积层混合云作业时若冰晶浓度由9个 升增加到50个 结合大连作业实际每次可对积云泡发射3 积状云播撒剂量的确定首先将整个积云云体近似看作是圆柱体 催化剂的有效扩散体积为整个云体中温度介于 20所在高度部分。设这一部分云体厚度为Hc 直径 水平尺度 为Dc 则有效催化体积Vc近似为 HcDc41Vc2 对积云进行催化要求在 10 层冰核数浓度应大于102 103个 L。实际操作中以增加100个 升为例 考虑动力和静力催化效果 结合大连实践 对水平尺度大于102km2的孤立积云单体作业时 可对强中心部位下方 每次扇型发射火箭弹5 6枚以上。 雷达物理效果检验分析科学、客观地评价人工增雨作业效果是现代人工影响天气学科研究的重要组成部分。由于它的多学科和复杂性 长期以来这个问题始终未得到更好解决 因此增雨效果的评估仍是本学科当前非常重要的研究课题。 根据大连近几年人影科研与作业实践相结合 总结了火箭增雨作业综合判别指标 研究了火箭增雨作业方案设计及作业决策技术方法 使大连的火箭增雨作业更科学和高效 增雨效益明显提高。应用该技术和方法对2004 2005年大连地区火箭点增雨作业点的多普勒雷达观测资料和PUP软件二次开发产品进行了作业效果统计分析 得到了一些有意义的结论和雷达作业效果分析方法。提出了采用雷达回波强度、云顶高度、垂直积分液态水含量等雷达参数随时间变化特征对作业效果进行分析的基本思路和方法。并由雷达参数随时间的变化特征选择再作业时机 以达到充分开发空中云水资源的目的。 资料来源与分析方法选取了大连2004 2005年的35个作业个例多普勒雷达PPI、RHI数据资料和PUP二次产品资料。将35个个例分成层状云、积层混合云和积状云不同类型云 第三章 系统的设计 23 得到 积层混合云有13个个例 层状云有18个个例 积状云仅有4个个例 表明大连地区的主要降雨云系是稳定性降雨云。这里仅对稳定性降水的作业情况进行了统计和分析。 把火箭一次作业过程 接到作业指令到作业实施完毕 作为一个个例。对每个个例的作业云体的回波强度、云顶高度和垂直积分液态水含量的雷达参数分别计算所选取的各时间点上的数值。一次个例分析的时间选取方法为 作业前30 min和作业后60 min 选取的时间点为每隔10 min一次。对每个个例的雷达不同参数、不同时间点上的数值分别进行统计和分析 从而得到了各参数随时间的变化规律。 雷达回波强度随时间的变化按上述分析方法 对每个个例雷达回波强度 采用体扫0 5度仰角数据 进行统计和分析 得到了一致的变化趋势 见下图 作业前 强度平均值缓慢增大 作业后 先是快速增加 30分左右达最大 之后缓慢减小 变化趋于平稳。由统计结果得知 作业后20 30 min 强度值达最大。因此 作业30 min后 如满足作业条件 可选择再次作业 以充分开发空中云水资源。 035前30前20前10作业后10后20后30后45后60时间 min回波强度 dBz 作业前后层状云和积层混合云平均回波强度值随时间的变化上述变化进行了相关性检验 得到结果为 层状云为80 积层混合云为78 电子科技大学硕士学位论文24 回波顶高随时间的变化层状云作业云体回波顶高的变化 通过对层状云18个个例的雷达体扫资料进行剖面分析 得到作业云体各取值点上RHI数值及平均云顶高度 取雷达回波RHI上0 dbz所在高度为云顶高 随时间的变化趋势 作业前云顶略有升高 作业后云顶先是继续升高 10 min后云顶高度开始逐渐下降 作业30 min后达最低值 后逐渐回升 到60 min 平均顶高值仍大于作业时。 01234567前30前20前10作业后10后20后30后45后60时间 min高度 km 催化云体平均云顶高度值随时间的变化分析发现 对层状云作业后 云顶出现了下塌现象 可能是层状云在催化后 降水和下沉气流加强的拖曳作用引起的 这种情况与对应时间段的回波强度增强是相吻合的。 积层混合云回波顶高变化 分析雷达体扫资料 计算相应时间点上回波的RHI值 经统计和分析 得到了积层混合云顶高随时间的变化趋势 作业前顶高缓慢升高 作业后催化的云体顶高增加明显 升高幅度大于作业前 30 min左右升到最高 后开始缓慢下降 60min时接近作业时平均高度。 同样对其相关性进行了分析 层状云为76 积层混合云为75 垂直积分液态水含量随时间变化特征层状云垂直积分液态水含量的变化 第三章 系统的设计 25 0246810前30前20前10作业后10后20后30后45后60时间 min高度 km 积层混合云顶平均高度值随时间的变化对层状云多普勒雷达垂直积分液态水含量进行统计和分析 得到其平均值随时间的变化规律 作业前其要素值基本不变 作业后要素值随时间明显增大 在20 30 min达最大 之后开始迅速下降 60 min已降为低于作业时的平均值 23 。该结果也表明 对层状云重复作业的最佳时机应选择在作业后30 min左右。该要素随时间的变化规律 通过相关性检验的为64 0051 01 52 02 5前30前20前10作业后10后20后30后45后60时间 min垂直积分液态水含量 kg 层状云垂直积分液态水含量随时间的变化积层混合云垂直积分液态水含量的变化 对积层混合云13个个例的垂直积分液态水含量进行统计和分析 得到了平均值随时间的变化 作业前 其平均值随时间有所增加 30 min内增加了0 作业后其平均值明显增大 20 30 min内达最大 增加了1 之后迅速减电子科技大学硕士学位论文26 60min时的平均值低于作业时的值。因此 对积层混合云再作业时机应选择在作业后30 min。 该雷达参数随时间变化规律通过相关性检验的为70 0051 01 52 02 53 03 54 04 5前30前20前10作业后10后20后30后45后60时间 min垂直积分液态水含量 kg 系统的模块化设计在本系统中 根据人工增雨作业决策指挥的实施流程 把系统主要分成了两个部分 雷达产品生成和人工增雨作业实时决策指挥。在雷达产品生成部分采用了动态库技术并且规定了统一接口 方便了用户的再开发。 在人工增雨作业决策指挥部分则根据系统的功能和分工 把整个系统分为相互独立的4个功能运行模块。 雷达产品的自动生成本系统以雷达为载体 实时接收雷达探测到的体扫资料 并根据需要生成二次产品 如在系统中自动选择了强度PPI、回波顶高、垂直积分液态含水量、合成反射率等产品 为人工增雨实施时作业决策指挥提供基本的依据。在系统运行的过程中 用户可以根据自己的需要选择不同的模块。当选择好模块后 用户可以自行配置模块 生成自己所需的产品。当用户选择配子模块后 用户只需要选中自己所需的产品即可。 第三章 系统的设计 27 在雷达产品的二次开发和生成过程中 采用了Windows的多线程技术和动态连接库技术 当有雷达探测资料生成时 系统自动调用模块 当产品生成后系统自动释放模块 释放系统占用资源。由于产品生成部分采用了多线程技术 使得系统能合理的分配资源。 回波移动的自动跟踪由于系统主要利用天气雷达实时跟踪降水回波 并对有增雨作业潜力的云、最佳作业站点及作业时机等做出实时预警分析和判断 所以这就要求系统能对回波的移动做出很好的预报。 为了能较准确地得到雷达回波移向、移速等信息 可利用雷达回波的概率密度分布来确定 当系统第一次进入 首先寻找强度权重中心。考虑地物影响 选择30km以外的回波 找到该时刻最强回波所在位置 以该位置为中心 采用区域生长法搜索 20dBz的回波区域 然后以强度为权重 找出强回波权重中心 作为雷达回波中心 当系统再次进入 以上次回波中心作为重心 考虑回波移动的范围 在最大可能范围内 将回波周围以15 界分为24个区 在每一个区选择一个回波中心 以此为中心 计算相关系数r 22ZijZZijZrZijZZijZ 其中Z为第一次回波中心所在区域各点的回波强度Z′为目标区域各点的回波强度。最后选择相关性最大的区域作为回波移动的大致区域 并在这个区域计算每一点的概率密度分布 nijN 其中n为每一点周围满足一定相关程度的点的个数N为每一点周围点的总数。首先找出最大可能的移动概率 利用寻找权重中心的方法找到新的权重中心 其次 利用两次权重中心计算回波的移向、移速 最后 再重新按照第一次系统进入时的方法确定新的权重中心。 人工增雨作业决策指挥模块根据增雨作业的主要步骤 将指挥系统的主要功能分为4个模块人工增雨潜力分析和车辆适时调度模块 作业时机选择和作业方案输出模块 二次作业判断模块 作业结束判别模块。具体思路如下 电子科技大学硕士学位论文28 当作业火箭车到达作业基站后作业车辆聚集待命地 系统自动启动以MICAPS资料 气象预报信息 水文墒情资料 增雨作业天气预警 火箭增雨作业指挥管理平台guanguanli 平台 降雨落区分析 确定本次增雨作业目标区域 确定作业项目 作业车辆及待命地 基站 指挥作业车辆提前基站待命 多普勒雷达作业指挥决策平台 基站周围增雨潜力云指标判别 权重分析及回波移向移速分析 作业点射程内潜力云类型分析 作业时机选择判据指标分析 输出最佳增雨作业站点 及火箭车出发时间 调度方案反馈到指挥管理平台 作业参数反馈到指挥管理平台 指挥车辆出发到相应作业站点 空域申请 指挥作业 作业反馈 社会需水分析 启动作业车辆GPS监控系统 雷达探测资料 探空资料 作业结束 通知车辆返回 作业点输出作业仰角、方位角 及用弹量等作业参数 第三章 系统的设计 29 作业基站为中心、周围预设点 实施作业的站点 为监测点的作业潜力云分析判别模块。一是对未来移入预设点上空的作业潜力云的增雨潜力进行分析 即通过雷达回波强度 20 、回波云顶高度 15 、云顶温度 40 、垂直积分液态水含量 25 等要素进行权重打分 系统自动分析并输出 当潜力值 65 增雨潜力值从而确定最佳增雨站点 二是确定车辆出发时间。通过比较增雨潜力云和作业车辆到达作业点的时间来确定车辆出发时间。通过以上两点分析 系统自动报警并输出增雨潜力值和车辆调度方案 实现适时调度、高效作业的目的。 当作业车辆到达作业站点后系统自动启动以作业站点为中心的、周围10km内的增雨潜力云的作业实施决策模块。首先对增雨潜力云进行云类型判断。通过不同云类型作业判别指标模型选择作业时机 并根据不同类型云作业参数的计算模式 确定火箭增雨作业的仰角、方位角和用弹量。当作业潜力云满足作业判别指标时系统自动报警并输出作业参数 包括作业仰角、方位角和用弹量等 10。指挥员通过空域申请 将作业指令传达到各作业点 实时指挥作业。 10雷达实时作业决策指挥平台 实施作业结束后作业信息将通过指挥管理平台传达到雷达决策指挥平台 系统将自动启动再作业的判别模块。作业30min 10 若作业点火箭射程内的潜力云满足再作业指标条件系统将再次自动输出作业参数 在未达到结束判别指标时 系统将循环进行再作业判断 以达到充分开发云水资源的目的。 作业结束判别系统由作业结束指标判别并自动输出作业结束的站点。指挥员可通过人机结合决策是否结束 这一模块的目的是通知作业车辆及时返回。 云状自动识别模块当预设作业点的增雨潜力值达到预警指标时 作业车辆点的增雨潜力值达到电子科技大学硕士学位论文 30 预警指标时 作业车辆在接到指挥中心指令后立即到达指定的预设作业点 系统自动启动雷达实时决策作业指挥模块。 首先 系统对作业点周围的云状进行判别 之后进入作业决策判别模块。对于不同的云系 作业决策所采取的技术方案有很大不同 因此如何进行作业云的自动分类判别就成了天气雷达在人工增雨作业中首要解决的问题。目前 国际上在这方面的研究主要集中在利用经验 给出一定的识别指标 具有代表性的是Steiner 提出的BL算法。本系统在传统经验方法的基础上采用基于神经网络的模式识别算法 11 19 初步探讨了对云进行系统分类 达到系统自动进行云状分类的目的。 对流云、层状云以及混合性云降水是大气中常见的三种降水类型云 在微物理特征方面有着明显区别。但实际增雨作业中不可能直接得到云降水的微物理特征 因此可以利用天气雷达探测到的回波降水的结构特点 总结出它们的回波特征从而进行自动识别。SHY95、BL是目前典型的降水分类算法 也是系统利用人工神经网络进行降水自动分类的基础。 不同降水云的基本特征层状云降水的基本特征 空气垂直运动速度满足 VtVt 为雪粒的下降末速度 在这种条件下云上层的冰粒不能被空气运动带到高处而必须下降 结果所有降水粒子的增长发生在下降过程中。在更高层 冰粒主要以水汽凝华方式增长 当它们下降到0 层大约2 5km时出现聚合 aggregation 和结霜 riming 。聚合在0 层大约1km最频繁 使冷凝物在融化前聚集成快速下降的大粒子。雪花融化层在雷达回波图上表现为位于0 层以下厚度约0 5km的水平强回波带 称为亮带。在雷达探测PPI显示上 层状云降水回波通常分布成片 面积较大 强度比对流性降水弱 垂直剖面图上结构较均匀 顶部有时虽有起伏 但相对于对流性降水来说 顶部比较平整 21 对流云降水的基本特征对流性降水过程与层状云明显不同。空气垂直运动速度在1 10m 1或更大等于或大于冰粒雪花的下降速度。降水粒子主要以冲碰方式增长。飞机观测发现 对流云上层上升气流中的冰粒以riming方式增长。由于对流云中强上升气流的水平范围不大 能将大粒子带到高处 在雷达回波图上表现为垂直方向有明显的最强反射率中心 水平方向强度梯度较大 明显区别于层状云中水平方向上的融化层亮带。在PPI上 对流性降水回波通常由分散的回波单体所组成 回波单体随不同的天气过程排列成带状、条状、离散状或其他

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