專利名稱：基于無線電掩星探測資料的云底高反演方法
技術領域：
本發明屬于遙感技術領域，特別是一種基于無線電掩星探測資料的云底高反演方法。
背景技術：
云底高作為重要的云宏觀物理參數，在云層與地表之間的能量交換和水汽循環中起著十分重要的作用，是云物理特性研究的主要內容。同時，云底高嚴重制約著現代軍事行動中的諸多作戰單元，如偵查預警、精確制導、空中作戰和垂直登陸等。因此，實現云底高的精確反演與探測具有重要的意義。目前對于云底高的反演與探測主要有地面觀測、衛星遙感及無線電探空儀探測三種方法。其中，地面觀測主要包括目測法、云冪儀、云幕燈和微脈沖雷達等，但其對中云和高云云底高探測的可靠性較低，尤其是在夜間或低云覆蓋全天空的情況下，探測精度更低；衛星遙感對于低云的探測存在視角模糊且無法提供云底高的任何信息，不利于低云云底高的反演；無線電探空儀雖可利用測量的溫度-露點溫度差廓線及相對濕度廓線實現云底高的反演，但探空資料的質量隨高度的升高而降低，探空儀對水汽壓的測量也存在較大誤差，另外，全球探空儀站點數量有限，分布不均勻，且每天僅提供兩個時次的探測資料，無法滿足云底高精確探測的需求。
發明內容
本發明所解決的技術問題在于提供一種基于無線電掩星探測資料的云底高反演方法，實現了全球覆蓋、全天候、高精度、高分辨率和幾乎準實時的云底高反演，為云底高的研究提供了嶄新的探測平臺。實現本發明目的的技術解決方案為一種基于無線電掩星探測資料的云底高反演方法，包括以下步驟步驟1、統計全球范圍內COSMIC掩星垂直探測范圍的分布特征，計算云底高反演受COSMIC垂直探測范圍影響的概率；步驟2、讀取COSMIC掩星探測濕空氣數據中的溫度和水汽壓數據，利用Tetens經驗公式計算飽和水汽壓，再通過相對濕度公式計算得到相對濕度隨高度變化的廓線；步驟3、基于Wang等提出的利用相對濕度廓線數據進行云底高判定的方法，結合步驟2中的相對濕度變化廓線反演得到云底高信息；步驟4、基于Wang等提出的利用相對濕度廓線數據進行云底高判定的方法，采用無線電探空儀探測資料進行云底高反演，對比分析COSMIC掩星和無線電探空儀的云底高反演結果，計算反演的相對偏差。本發明與現有技術相比，其顯著優點為本發明提供了一種全新的利用掩星探測資料實現云底高反演的方法，彌補了以往衛星遙感無法提供底層云云底高度信息以及地面觀測對于中云和高云云底高探測可靠性差的缺陷，得到比無線電探空儀云底高反演精度更高的結果，實現了全球覆蓋、全天候、高精度、高分辨率和幾乎準實時的云底高反演，為云底高的研究提供了嶄新的探測平臺。下面結合附圖對本發明作進一步詳細的描述。
圖1為COSMIC掩星探測的全球分布圖。圖2為實現本發明的流程圖。圖3為掩星與探空儀垂直探測范圍的統計分布圖。其中，圖3(a)、(d)、(g)、(j)分別表示COSMIC掩星在全球、高緯、中緯、低緯地區的最低探測高度分布；圖3(b)、(e)、(h)、 (k)分別表示無線電探空儀在全球、高緯、中緯、低緯地區的最低探測高度分布；圖3(c)、 (f)、(i)、(1)分別表示無線電探空儀在全球、高緯、中緯、低緯地區的最高探測高度分布。圖4為掩星與探空儀云底高反演受其最低探測高度限制的概率以及反演云底高度小于0.1km概率的統計結果。其中，圖4(a)、(b)、(c)、(d)分別表示全球、高緯、中緯、低緯地區的概率分布，橫軸上的1和2分別代表掩星和探空儀受最低探測高度限制的概率和云底高小于0. Ikm的概率，灰色和黑色柱條分別表示掩星和探空儀統計結果。圖5為掩星與探空儀反演云層數不同時，反演結果中高云、中云和低云發生概率的統計結果。其中，圖(a)、(b)、(c)表示高緯地區統計結果，圖(d)、(e)、(f)表示中緯地區統計結果，圖(g)、(h)、⑴表示低緯地區統計結果；圖(a)、(d)、(g)表示掩星檢測到單層云而探空儀檢測到多層云，圖(b)、(e)、(h)表示掩星檢測到多層云而探空儀檢測到單層云，圖(c)、(f)、(i)表示掩星和探空儀檢測到層數不同的多層云；橫軸上的1、2、3分別代表高云、中云、低云；淺灰色和深灰色柱條分別表示掩星和探空儀檢測結果。
具體實施例方式2006年4月15日美國和中國臺灣地區合作發射的COSMIC (Constellation Observing System for Meteorology Ionosphere and Climate)氣象、電離層及氣{侯衛星探測系統可每天提供2000次左右全球分布的掩星事件(如圖1所示)，主要用于氣象與氣候研究、氣候監測、空間天氣和大地測量等的研究。COSMIC可探測從地面至約60km高度的全球大氣參數，具有全球覆蓋、高精度、高垂直分辨率、長期穩定、費用低、全天候和幾乎準實時的探測特點，可反演得到高精度的折射率、溫度、氣壓和水汽壓等氣象參數，而且目前正在設計的C0SMIC-II代探測星座每天將提供約14000次的掩星事件，COSMIC的探測優勢為云底高研究提供了豐富的觀測數據及全新的探測平臺。本發明利用COSMIC反演的高精度、高分辨率的溫度和水汽壓數據，通過計算得到相對濕度隨高度變化的廓線，利用該廓線在進入云層時發生突變的特性[J.Wang，W. B. Rossow. Determination of Cloud Vertical Structure from Upper-Air Observations. Journal of Applied Meteorology. 1995,34 2243-2258]實現云底高的反演，為云底高的研究提供了一種全新且高精度的反演技術。本發明是一種基于無線電掩星探測資料的云底高反演方法，通過無線電掩星探測的溫度和水汽壓資料計算出相對濕度隨高度變化的廓線，利用該廓線在進入云層時相對濕度的突變，經過設定相關閾值實現云底高反演的新方法；具體包括以下步驟步驟1、統計全球范圍內COSMIC掩星垂直探測范圍的分布特征，計算云底高反演受COSMIC垂直探測范圍影響的概率；COSMIC掩星和探空儀垂直探測范圍的分布特征為
權利要求
1.一種基于無線電掩星探測資料的云底高反演方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟1、統計全球范圍內COSMIC掩星垂直探測范圍的分布特征，計算云底高反演受COSMIC垂直探測范圍影響的概率；步驟2、讀取COSMIC掩星探測濕空氣數據中的溫度和水汽壓數據，利用Tetens經驗公式計算飽和水汽壓，再通過相對濕度公式計算得到相對濕度隨高度變化的廓線；步驟3、利用步驟2得到的相對濕度隨高度的變化廓線，基于Wang等提出的利用相對濕度廓線進行云底高判定的方法，反演得到各層云的云底高度信息；步驟4、基于Wang等提出的利用相對濕度廓線數據進行云底高判定的方法，采用無線電探空儀探測資料進行云底高反演，對比分析COSMIC掩星和無線電探空儀云底高的反演結果，計算云底高反演的相對偏差。
2.根據權利要求1所述的基于無線電掩星探測資料的云底高反演方法，其特征在于， COSMIC掩星和探空儀的垂直探測范圍的分布特征為
3.根據權利要求1所述的基于無線電掩星探測資料的云底高反演方法，其特征在于， 步驟2中所述Tetens經驗公式為
4.根據權利要求1所述的基于無線電掩星探測資料的云底高反演方法，其特征在于， 步驟3中Wang等提出的利用相對濕度廓線數據進行云底高判定的方法具體描述如下a.從地面向上第一層云云底高的判定(1)相對濕度RH彡87%時對應的高度即判定為該層云的云底高；(2)若該層為非地面層，當相對濕度87%彡RH彡84%且相對于下一層，相對濕度的變化ARH彡3%時，該層高度判定為云底高；(3)若該層為地面層，相對濕度RH彡84%時對應的高度即判定為云底高；b.第二層及以上各層云的判定相對濕度RH ^ 84%時判斷為入云，此時對應高度即為云底高度，以此類推，直至廓線頂端；為降低因垂直分辨率的不同而引起的反演誤差，在利用上述方法實現云底高的反演時，通過線性插值的方法計算相對濕度分別為84%和87%時對應的高度作為云底高度；為防止云層的虛檢測與漏檢測，采用與云底高相同的判定標準實現云頂高的反演，當僅檢測到云底高而未得到云頂高信息(云頂高度大于廓線頂端高度的情形除外)，或濕度層的最大相對濕度RHmax <87%時，該濕度層都不能判定為云層，此時得到的云底高度無效，作舍棄處理。
5.根據權利要求1所述的基于無線電掩星探測資料的云底高反演方法，其特征在于， 步驟4中對掩星和探空儀云底高反演結果進行對比分析具體包括以下步驟步驟41、對COSMIC掩星和無線電探空儀的云檢測結果進行對比，計算其云檢測的匹配概率并分析各自云檢測的特點；步驟42、計算COSMIC掩星和無線電探空儀云底高反演結果受各自垂直探測范圍限制的概率以及云底高度小于0. Ikm的概率；步驟43、當COSMIC掩星和無線電探空儀同時檢測到有云存在時，根據檢測到的云層數是否相同，分別對二者云底高反演結果進行對比分析；當檢測云層數相同時，根據云層數目分別統計掩星與探空儀反演云底高度的平均偏差和標準偏差，計算公式如下
全文摘要
本發明公開了一種基于無線電掩星探測資料的云底高反演方法。首先，統計全球范圍內COSMIC掩星垂直探測范圍的分布特征，計算云底高反演受COSMIC探測范圍影響的概率；其次，讀取COSMIC掩星探測濕空氣數據中的溫度和水汽壓數據；之后，基于Wang等提出的利用相對濕度廓線數據進行云底高判定的方法，結合相對濕度變化廓線反演得到云底高信息；最后基于Wang等提出的利用相對濕度廓線數據進行云底高判定的方法，采用無線電探空儀探測資料進行云底高反演，計算探空儀云底高反演結果與COSMIC云底高反演結果的相對偏差。本發明彌補了以往衛星遙感無法提供底層云云底高度信息以及地面觀測對于中云和高云云底高探測可靠性差的缺陷。
文檔編號G01C5/00GK102230796SQ20111008496
公開日2011年11月2日 申請日期2011年4月6日 優先權日2011年4月6日
發明者嚴衛, 葉晶, 艾未華, 韓丁, 馬寧, 黃云仙 申請人:中國人民解放軍理工大學氣象學院