[發明專利]利用超導重力連續觀測確定大氣水汽垂直分布的方法

有效

• 申請號: 200910061543.3
• 申請日: 2009-04-10
• 公開（公告）號: CN101526516A
• 公開（公告）日: 2009-09-09
• 發明（設計）人: 羅少聰;周百力
• 申請（專利權）人: 中國科學院測量與地球物理研究所
• 主分類號: G01N33/00
• 分類號: G01N33/00
• 代理公司: 武漢宇晨專利事務所
• 代理人: 黃瑞棠

技術領域

本發明涉及一種確定大氣水汽垂直分布的方法，尤其涉及一種利用超導重力 連續觀測確定大氣水汽垂直分布的方法。

背景技術

空氣中的水汽含量是氣象學的重要參數，特別是降水下雪等天氣與生產、生 活和軍事行動密切相關，預報準確性尤為重要。長期以來，空間水汽分布的觀測， 主要依賴探空氣球、水汽輻射計等。數據的時間空間密度分布十分有限。人們一 直試圖改進空間水汽含量的觀測，不惜巨資研究地基和天基的氣象元素觀測技 術，如水汽輻射觀測、氣象雷達觀測、空間與地面聯合的GPS反演空間水汽含量 技術等，以期改善空間氣象要素特別是水汽的觀測水平。但受觀測條件和儀器本 身等限制，目前仍有不少問題有待解決(張慶陽2003)。提高氣象元素觀測的精 度和時間空間的分辨率，對保障和提高天氣預報水平具有重要作用。改善這一關 系國計民生和防災減災的重要觀測保障技術，有著重要的政治軍事經濟價值。

目前，可以利用地面觀測確定空間大氣狀態(葉篤正1991)。理論上，確定 地面某一區域以上空氣質量對地面點的萬有引力(加速度)和垂直方向的空氣總 質量，以及其他必要的氣象元素或經驗參數，可以在一定精度下確定氣體的空間 密度分布和水汽含量。垂直空氣總質量可由氣壓觀測得到，但臺站近區域大氣質 量對臺站的引力沒有直接和現成的觀測方法。

固體潮和負荷理論：精密局部空間大氣質量對地面的引力如何觀測得到，這 是問題的關鍵所在。地面一點受力情況非常復雜，日、月等天體的引潮力的作用， 地球自轉及其擾動影響，大氣、海水、陸地水和冰負荷影響等(Melchior?1980， 管澤霖和寧津生1981，方俊1984)，同時地球的彈性效應也必需考慮。非常幸運， 現代固體潮理論和觀測技術及其數據分析手段(許厚澤和孫和1998)，為該問題 的解決提供了完善的理論和方法。

固體潮觀測及數據分析技術，使用地面點連續重力觀測，經過數據預處理， 利用調和分析程序，得到實測重力潮汐模型信號和觀測殘差(Wenzel，1993)。 重力潮汐模型可精確分離日月天體固體潮信號和海洋潮汐負荷響應信號，觀測殘 差被認為主要是大氣負荷的影響，同時含部分極移、陸地水、地殼運動和儀器飄 移等重力影響信號。利用高精度全球大氣負荷影響模型(Merriam?1992，Sun 1995，羅少聰等2005，Boy?2005，Neumeyer?2005)，剔除全球大氣負荷的彈性 效應和臺站遠區域的直接效應，再采取一些措施，削弱其它的一些殘余信號，臺 站近區域大氣對地面點的萬有引力可得。

由于高精度高穩定性超導重力儀的出現和固體潮理論和數值分析處理技術 的成熟，同時，對地球的結構物理性質認知的長足進步，利用超導重力連續觀測 和固體潮數據分析技術，可以很好剔除大氣引力之外的作用力，得到臺站近區域 大氣的直接引力，作為利用地面氣壓溫度反演空間密度和水汽的條件。利用連續 精密重力和地面氣壓測量的方法，確定空間水汽含量變化。這是一全新的理論方 法，有望解決大氣水汽含量觀測高時空分辨率的難題，改善提高天氣有預報準確 性。

發明內容

本發明的目的就是克服現有技術存在的上述問題，試圖尋求一種全新的觀測 方法，以完善和補充近地空間水汽觀測技術手段，提供一種利用超導重力連續觀 測確定大氣水汽垂直分布的方法。

本發明的目的是這樣實現的：

綜合利用固體潮理論與觀測技術、大氣負荷重力改正理論與模擬、全球地 面氣壓溫度觀測數據等剔除觀測站地面點約50公里地面以上大氣對臺站的引 力之外的其它影響，得到該區域大氣對地面點地引力。進而反演出大氣垂直水 汽含量。

具體地說，本發明包括下列步驟：

①利用超導重力儀連續觀測(至少30天)得到實測重力潮汐模型參數；

②剔除日月引力及其固體潮效應和海洋潮汐負荷重力效應；

③從網絡獲取全球網格化的氣溫氣壓；

④利用全球氣溫氣壓網格資料模擬的地球彈性效應和遠區的引力效應；

⑤削弱其它環境因素和儀器的影響；

⑥獲得觀測臺站50公里地面范圍大氣對地面觀測點的引力；

⑦結合地面精密氣壓和溫度數值，反演(見附錄)出垂直空氣密度和水 汽分布。

⑧反演結果標定、地球模型和研究區域最優化。

本發明具有下列優點、特點和積極效果：