[發(fā)明專利]一種對(duì)流層層析方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210005801.1
• 申請(qǐng)日: 2022-01-04
• 公開（公告）號(hào): CN114357770B
• 公開（公告）日: 2022-10-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳必焰;譚井樹
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/20
• 分類號(hào): G06F30/20;G06F17/11;G01W1/10
• 代理公司: 長(zhǎng)沙歐諾專利代理事務(wù)所(普通合伙) 43234
• 代理人: 歐穎;張文君

本發(fā)明提供一種對(duì)流層層析方法，包括在現(xiàn)有GNSS測(cè)量的水汽數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，加入靜止衛(wèi)星風(fēng)云4A獲得的分層大氣可降水量觀測(cè)值數(shù)據(jù)，所述風(fēng)云4A獲得的分層大氣可降水量觀測(cè)值包括低層水汽觀測(cè)值、中層水汽觀測(cè)值和高層水汽觀測(cè)值，并合理確定GNSS測(cè)量的水汽數(shù)據(jù)與風(fēng)云4A獲得的分層大氣可降水量觀測(cè)值數(shù)據(jù)這兩類水汽數(shù)據(jù)的權(quán)比，得到一種更準(zhǔn)確的對(duì)流層層析模型，并在該對(duì)流層層析模型下進(jìn)行對(duì)流層層析。本發(fā)明將高時(shí)空分辨率的風(fēng)云衛(wèi)星分層水汽數(shù)據(jù)附加到層析模型，能夠大大降低傳統(tǒng)層析模型的不適定性，構(gòu)建更準(zhǔn)確的對(duì)流層層析模型，從而得到較好的對(duì)流層水汽密度分布。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于氣象預(yù)報(bào)領(lǐng)域，具體涉及大氣水汽探測(cè)和一種對(duì)流層的層析方法。

背景技術(shù)

水汽在大氣中含量雖然較少，但是它是全球能量收支平衡中的重要因素，而由于水汽的相變效應(yīng)，具有雨、霧、云、雪等各種狀態(tài)，是引起天氣變化的重要因素，同時(shí)也是災(zāi)害性天氣形成和演變的主要驅(qū)動(dòng)力。在天氣預(yù)報(bào)中，對(duì)大氣中水汽含量、水汽的變化以及時(shí)間和空間分布情況的了解決定了短時(shí)臨近預(yù)報(bào)的成敗，對(duì)于大氣中濕度場(chǎng)的分析會(huì)直接影響到數(shù)值預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。對(duì)流層是地球大氣層中與地面相接的最底層，其大氣密度最高，集中了超過90％以上的大氣水汽。在空間大地測(cè)量中，對(duì)流層延遲已逐漸成為現(xiàn)代空間測(cè)地技術(shù)的重要研究方向，而由于對(duì)流層水汽在時(shí)空上的不穩(wěn)定特性，使得水汽引起的信號(hào)延遲成為影響空間大地測(cè)量精度的主要因素之一。因此探測(cè)獲取高精度的水汽含量對(duì)于做出更加準(zhǔn)確的氣象預(yù)報(bào)和加強(qiáng)極端天氣災(zāi)害的預(yù)警以及空間大地測(cè)量研究的發(fā)展具有重要的意義。

傳統(tǒng)大氣水汽探測(cè)方法有：水汽輻射計(jì)、無線電探空儀以及氣象衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)等等，而利用全球?qū)Ш蕉ㄎ?GNSS)技術(shù)遙感大氣水汽含量則是九十年代發(fā)展起來的新興大氣探測(cè)技術(shù)。當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)穿過對(duì)流層的時(shí)候，會(huì)與所接觸的大氣介質(zhì)相互作用，進(jìn)而產(chǎn)生在時(shí)間和傳播路徑上的延遲效應(yīng)，即產(chǎn)生折射。通過建立延遲量與大氣折射率之間的函數(shù)關(guān)系，從而估計(jì)出重要的氣象參數(shù)---大氣可降水量(PWV)。作為傳統(tǒng)大氣探測(cè)方法的有力補(bǔ)充，GNSS探測(cè)水汽同時(shí)具有覆蓋全球、實(shí)時(shí)連續(xù)性、全天候以及高精度等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代水汽探測(cè)的重要手段。由于天頂可降水量只包含對(duì)流層水汽含量的一維信息，無法直接反映大氣水汽含量的垂直分布信息，因此限制了其在氣象研究中的應(yīng)用。1992年，基于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的斷層掃描技術(shù)，Bevis首次提出了對(duì)流層層析技術(shù)，即利用沿著從各個(gè)方向穿透模型空間的不同射線的斜路徑可降水量(SWV)來重建對(duì)流層水汽密度圖像。基于GNSS對(duì)流層層析技術(shù)可有效獲取高精度、高時(shí)空密度的水汽四維分布，同時(shí)具有用低廉、操作簡(jiǎn)單、全天候監(jiān)測(cè)等諸多優(yōu)勢(shì)，為掌握對(duì)流層水汽的時(shí)空變化提供了可能。可以說，研究對(duì)流層層析技術(shù)對(duì)于加強(qiáng)全球大氣水汽多維動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)、推動(dòng)現(xiàn)代氣象預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)發(fā)展等方面具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

對(duì)流層層析模型的不適定性問題是影響層析結(jié)果精度的主要原因，目前該問題常用的解決方法主要包括以下幾類：

優(yōu)化層析網(wǎng)格劃分模型：層析網(wǎng)格的劃分不再是粗略地規(guī)則劃分，而是根據(jù)地面GNSS臺(tái)站和衛(wèi)星星座的分布，或是結(jié)合地形等因素對(duì)層析網(wǎng)格進(jìn)行自適應(yīng)劃分，使得網(wǎng)格盡可能多地被GNSS信號(hào)線穿過，降低層析模型的不適定性。但由于GNSS信號(hào)線的“倒錐形”分布特征，此方法作用有限，仍然存在大量網(wǎng)格未被GNSS信號(hào)線穿過。

添加經(jīng)驗(yàn)性約束條件：依據(jù)水汽在對(duì)流層中分布的特征，添加經(jīng)驗(yàn)性的約束條件，主要包括水平約束、垂直約束以及邊界約束等，參與層析方程的解算，以獲得較為可靠的層析解。然而由于大氣系統(tǒng)存在不穩(wěn)定性，經(jīng)驗(yàn)約束常常與實(shí)際水汽分布不符合，就會(huì)導(dǎo)致層析解失真，難以獲得可靠的層析結(jié)果。

融合多源水汽信息：將非GNSS水汽信息作為強(qiáng)約束引入層析模型，可減弱由經(jīng)驗(yàn)性約束條件不準(zhǔn)確帶來的解算結(jié)果失真效應(yīng)。目前已被引入的包括：全球再分析或預(yù)報(bào)的水汽資料、合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量的PWV差分?jǐn)?shù)據(jù)、中分辨率成像光譜儀以及大氣紅外探測(cè)儀等衛(wèi)星傳感器獲取的PWV影像。這些外部水汽信號(hào)均是穿過了層析模型頂部到模型底部網(wǎng)格的完整PWV信號(hào)，可以改善層析模型的不適定性，但改善程度有限，同時(shí)容易增加層析方程組的冗余。