CN111291476A - 一种对流层顶的高度的估算方法、装置、电子设备和存储介质 - Google Patents

一种对流层顶的高度的估算方法、装置、电子设备和存储介质 Download PDF

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CN111291476A CN202010069058.7A CN202010069058A CN111291476A CN 111291476 A CN111291476 A CN 111291476A CN 202010069058 A CN202010069058 A CN 202010069058A CN 111291476 A CN111291476 A CN 111291476A
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杜仲进
叶世榕
韩尚
夏朋飞
俞旭升
何书镜
单映颖
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Fu Jianshengcehuiyuan
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Abstract

本发明提供一种对流层顶的高度的估算方法、装置、电子设备和存储介质，方法包括：S1、获取大气折射率的垂直分布信息；S2、利用指数模型根据所述垂直分布信息模拟大气折射率的垂直分布情况，得到大气折射率随高度变化的廓线函数f(z)；S3、对所述廓线函数f(z)在高度b上进行局部协方差变换；给定某个a值时，计算出折射率的局部协方差Wf(a，b)在不同高度b处的值。本发明提出利用大气折射率数据，通过对折射率廓线进行局部协方差变换确定对流层顶高度，从而避免因理想的假设所引起的大气反演误差的影响，对流层顶的高度估算的准确度得到了较大的提升，从而利于进一步研究对流层顶结构。

Description

一种对流层顶的高度的估算方法、装置、电子设备和存储介质
技术领域
本发明涉及一种卫星定位及GNSS气象学领域，特别涉及一种对流层顶的高度的估算方法、装置、电子设备和存储介质。
背景技术
对流层顶是对流层与平流层之间的过渡层，是影响对流层和平流层之间物质、能量交换的关键区域。对流层顶处的大气温度、气压、湿度、结构以及环流变换直接影响着近地层的天气与气候。对流层顶结构与全球气候变化密切相关，研究对流层顶结构特征对研究全球气候变化具有重要意义。
对流层顶是一个深厚的对流阻滞层，它是以温度垂直递减率急剧减小为主要特征，它阻碍着积雨云顶的垂直发展、气溶胶和水汽的垂直交换。对流层顶在平流层和对流层的交换(Strato-sphere-Troposphere Exchange,STE) 中具有相当重要的作用。此外，大气急流、飞机颠簸、臭氧层顶等重要物理、化学现象均与对流层顶的位置、强度及其变动密切相关。
对流层顶也是反映各种大气过程的一个很好的指示器，它在气压形势、气团平流、大气环流形势更替等作用下发生变化。在许多数值天气预报模式中，对流层顶均被作为一个特殊的、便于计算的、永久存在于大气之中的高度层"顶"来加以利用。温室效应导致全球变暖是公认的事实，由于温室气体增多导致的对流层变暖和由于臭氧减少导致的平流层变冷可能是对流层抬升的主要原因，对流层顶高度上升已成为全球气候变化的又一标志。
对流层顶结构特征的决定因素是对流层顶的高度，现在一般确定对流层顶高度的研究方法主要是由无线电掩星温度廓线出发通过CPT(Cold Point Tropopause，温度最低点对流层顶)或LRT(Lapse Rate Tropopause，温度递减率对流层顶)方法确定，进而分析对流层顶参数的全球分布和变化特性。但由于温度廓线的反演过程中假设了上部对流层到平流层的水汽含量可忽略，并且引入了一个先验温度剖面，同时还应用了流体静力平衡方程、理想气体状态方程，而实际大气状态并不遵循这种理想模式，进而导致由掩星温度廓线出发研究对流层顶结构存在误差影响，同时，中纬度地区因受大气急流和强气流活动影响，在对流层中存在多个温度逆温层，温度变化缓慢，从温度廓线出发确定对流层顶比较困难，确定的结果往往存在的误差较大。
发明内容
本发明要解决的技术问题，在于提供一种对流层顶的高度的估算方法、装置、设备和介质，从而大大降低目前从温度廓线出发确定对流层顶所存在误差。
第一方面，本发明提供了一种对流层顶的高度的估算方法，包括下述步骤：
S1、获取大气折射率的垂直分布信息；
S2、利用指数模型根据所述垂直分布信息模拟大气折射率的垂直分布情况，得到大气折射率随高度变化的廓线函数f(z)：
Figure BDA0002376831490000021
其中，N0为近地面第一层的大气折射率；e为自然指数；h0为N0所对应的近地面第一层高度；标高
Figure BDA0002376831490000022
hi、hi+1分别为相邻上下层高度， Ni、Ni+1为对应于高度hi、hi+1的大气折射率值；
S3、对所述廓线函数f(z)在高度b上进行局部协方差变换：
Figure BDA0002376831490000023
其中，a为尺度因子，即对应的有效梯度区间；zt为对应有效梯度区间的上边界高度；zb为对应有效梯度区间的下边界高度；
Figure BDA0002376831490000024
为大气折射率廓线f(z)的一个梯度函数，定义为：
Figure BDA0002376831490000031
其中，高度b为当前进行局部协方差变换的高度；z为积分区间的高度。
S4、给定某个a值时，计算出折射率的局部协方差Wf(a，b)在不同高度b 处的值：
Figure BDA0002376831490000032
Wf(a，b)在某高度处取得的局部极大值反映出折射率函数在该高度处发生突变，此时，当Wf(a，b)取极大值时所对应的高度b即为对流层顶高度。
第二方面，本发明提供了一种对流层顶的高度的估算装置，包括：
获取模块，用于获取大气折射率的垂直分布信息；
模拟模块，用于指数模型根据所述垂直分布信息模拟大气折射率的垂直分布情况，得到大气折射率随高度变化的廓线函数f(z)：
Figure BDA0002376831490000033
其中，N0为近地面第一层的大气折射率；e为自然指数；h0为N0所对应的近地面第一层高度；标高
Figure BDA0002376831490000034
hi、hi+1分别为相邻上下层高度，； Ni、Ni+1为对应的折射率值；
局部协方差变换模块，用于对所述廓线函数f(z)在高度b上进行局部协方差变换：
Figure BDA0002376831490000035
其中，a为尺度因子，即对应的有效梯度区间；zt为对应有效梯度区间的上边界高度；zb为对应有效梯度区间的下边界高度；
Figure BDA0002376831490000041
为大气折射率廓线f(z)的一个梯度函数，定义为：
Figure BDA0002376831490000042
其中，高度b为当前进行局部协方差变换的高度，z为积分区间的高度；
计算高度模块，用于给定某个a值时，计算出折射率的局部协方差 Wf(a，b)在不同高度b处的值：
Figure BDA0002376831490000043
Wf(a，b)在某高度处取得的局部极大值反映出折射率函数在该高度处发生突变，此时，当Wf(a，b)取极大值时所对应的高度b即为对流层顶高度。
第三方面，本发明提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现第一方面所述的方法。
第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现第一方面所述的方法。
本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：现有技术中由于从无线电掩星数据反演得到大气温度廓线的过程中，将地球的实际大气状态进行假设从而使其接近理想大气状态，从而导致利用大气温度廓线确定对流层顶高度时会存在较大误差。本发明实施例为避免上述假设所引起的大气反演误差的影响，提出利用大气折射率数据，通过对折射率廓线进行局部协方差变换确定对流层顶高度，大大减小了误差，从而利于进一步研究对流层顶结构。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
图1为本发明实施例一中方法中的流程图；
图2为本发明实施例二中装置的结构示意图；
图3为本发明实施例三中电子设备的结构示意图；
图4为本发明实施例四中介质的结构示意图。
具体实施方式
现有技术中由于从无线电掩星数据反演得到大气温度廓线的过程中，将地球的实际大气状态进行假设从而使其接近理想大气状态，从而导致利用大气温度廓线确定对流层顶高度时会存在较大误差。因此本申请实施例通过提供一种对流层顶的高度的估算方法、装置、设备及介质，以解决上述利用大气温度廓线确定对流层顶高度时会存在较大误差的技术问题。
本申请实施例中的技术方案，总体思路如下：为避免上述假设所引起的大气反演误差的影响，提出利用大气折射率数据，通过对折射率廓线进行局部协方差变换确定对流层顶高度，大大减小了误差，从而利于进一步研究对流层顶结构。
实施例一
本实施例提供一种方法，如图1所示，包括下述步骤：
S1、获取大气折射率的垂直分布信息；其中，所述大气折射率的垂直分布信息是由无线探空产品或无线电掩星产品提供的高垂直分辨率的大气折射率的垂直分布信息；
S2、利用指数模型根据所述垂直分布信息模拟大气折射率的垂直分布情况，得到大气折射率随高度变化的廓线函数f(z)：
Figure BDA0002376831490000061
其中，N0为近地面第一层的大气折射率，其属于无量纲；e为自然指数； h0为N0所对应的近地面第一层高度，单位通常为千米；标高
Figure BDA0002376831490000062
hi、hi+1分别为相邻上下层高度；Ni、Ni+1为对应的折射率值；当hi、hi+1的单位为千米时，标高H的单位也为千米；
S3、对所述廓线函数f(z)在高度b上进行局部协方差变换：
Figure BDA0002376831490000063
其中，a为尺度因子，即对应的有效梯度区间，单位通常是千米；zt为对应有效梯度区间的上边界高度，zb为对应有效梯度区间的下边界高度；
Figure BDA0002376831490000064
为大气折射率廓线f(z)的一个梯度函数，定义为：
Figure BDA0002376831490000065
其中，高度b为当前进行局部协方差变换的高度，单位通常是千米；z 为积分区间的高度，单位也为千米。
S4、给定某个a值时，计算出折射率的局部协方差Wf(a，b)在不同高度b 处的值：
Figure BDA0002376831490000071
Wf(a，b)在某高度处取得的局部极大值反映出折射率函数在该高度处发生突变，此时，当Wf(a，b)取极大值时所对应的高度b即为对流层顶高度。
局部协方差变换的结果随着高度的变化而变化，当给定某个a，计算出折射率的局部协方差Wf(a，b)在不同高度处的值，Wf(a，b)在某高度处取得的极大值反映出折射率函数在该高度处发生突变，此时，当Wf(a，b)取极大值时所对应的高度b即为对流层顶高度。上述实施例确定对流层顶的方法没有因引入静力平衡方程、理想气体方程等的使用所带来的误差影响，因此该方法可以提高确定对流层顶高度的有效率及准确性。
基于同一发明构思，本申请还提供了与实施例一中的方法对应的装置，详见实施例二。
实施例二
在本实施例中提供了一种对流层顶的高度的估算装置，如图2所示，包括：
获取模块，用于获取大气折射率的垂直分布信息；所述大气折射率的垂直分布信息是由无线探空产品或无线电掩星产品提供的高垂直分辨率的大气折射率的垂直分布信息；
模拟模块，用于指数模型根据所述垂直分布信息模拟大气折射率的垂直分布情况，得到大气折射率随高度变化的廓线函数f(z)：
Figure BDA0002376831490000072
其中，N0为近地面第一层的大气折射率；e为自然指数；h0为N0所对应的近地面第一层高度；标高
Figure BDA0002376831490000062
hi、hi+1分别为相邻上下层高度； Ni、Ni+1为对应的折射率值；局部协方差变换模块，用于对所述廓线函数f(z) 在高度b上进行局部协方差变换：
Figure BDA0002376831490000081
其中，a为尺度因子，即对应的有效梯度区间；zt为对应有效梯度区间的上边界高度，zb为对应有效梯度区间的下边界高度，
Figure BDA0002376831490000082
为大气折射率廓线f(z)的一个梯度函数，定义为：
Figure BDA0002376831490000083
其中，高度b为当前进行局部协方差变换的高度，z为积分区间的高度。
计算高度模块，用于给定某个a值时，计算出折射率的局部协方差 Wf(a，b)在不同高度b处的值：
Figure BDA0002376831490000084
Wf(a，b)在某高度处取得的局部极大值反映出折射率函数在该高度处发生突变，此时，当Wf(a，b)取极大值时所对应的高度b即为对流层顶高度。
由于本发明实施例二所介绍的装置，为实施本发明实施例一的方法所采用的装置，故而基于本发明实施例一所介绍的方法，本领域所属人员能够了解该装置的具体结构及变形，故而在此不再赘述。凡是本发明实施例一的方法所采用的装置都属于本发明所欲保护的范围。
基于同一发明构思，本申请提供了实施例一对应的电子设备实施例，详见实施例三。
实施例三
本实施例提供了一种电子设备，如图3所示，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时，可以实现实施例一中任一实施方式。
由于本实施例所介绍的电子设备为实施本申请实施例一中方法所采用的设备，故而基于本申请实施例一中所介绍的方法，本领域所属技术人员能够了解本实施例的电子设备的具体实施方式以及其各种变化形式，所以在此对于该电子设备如何实现本申请实施例中的方法不再详细介绍。只要本领域所属技术人员实施本申请实施例中的方法所采用的设备，都属于本申请所欲保护的范围。
基于同一发明构思，本申请提供了实施例一对应的存储介质，详见实施例四。
实施例四
本实施例提供一种计算机可读存储介质，如图4所示，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，可以实现实施例一中任一实施方式。
注，上述实施例中，所有高度的单位须统一，比如均为千米。
本申请实施例中提供的技术方案，至少具有如下技术效果或优点：本申请实施例提供的方法、装置、设备及介质，提出利用大气折射率数据，通过对折射率廓线进行局部协方差变换确定对流层顶高度，大大减小了误差，从而利于进一步研究对流层顶结构。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、装置或系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/ 或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (6)

1.一种对流层顶的高度的估算方法，其特征在于：包括下述步骤：
S1、获取大气折射率的垂直分布信息；
S2、利用指数模型根据所述垂直分布信息模拟大气折射率的垂直分布情况，得到大气折射率随高度变化的廓线函数f(z)：
Figure FDA0002376831480000011
其中，N0为近地面第一层的大气折射率；e为自然指数；h0为N0所对应的近地面第一层高度；标高
Figure FDA0002376831480000012
hi、hi+1分别为相邻上下层高度；Ni、Ni+1分别为对应于高度hi、hi+1的大气折射率值；
S3、对所述廓线函数f(z)在高度b上进行局部协方差变换：
Figure FDA0002376831480000013
其中，a为尺度因子，即对应的有效梯度区间；zt为对应有效梯度区间的上边界高度；zb为对应有效梯度区间的下边界高度；
Figure FDA0002376831480000014
为大气折射率廓线f(z)的一个梯度函数，定义为：
Figure FDA0002376831480000015
其中，高度b为当前进行局部协方差变换，z为积分区间的高度；
S4、给定某个a值时，计算出折射率的局部协方差Wf(a，b)在不同高度b处的值：
Figure FDA0002376831480000016
Wf(a，b)在某高度处取得的局部极大值反映出折射率函数在该高度处发生突变，此时，当Wf(a，b)取极大值时所对应的高度b即为对流层顶高度。
2.根据权利要求1所述的一种对流层顶的高度的估算方法，其特征在于：所述步骤S1中，所述大气折射率的垂直分布信息是由无线探空产品或无线电掩星产品提供的高垂直分辨率的大气折射率的垂直分布信息。
3.一种对流层顶的高度的估算装置，其特征在于：包括：
获取模块，用于获取大气折射率的垂直分布信息；
模拟模块，用于指数模型根据所述垂直分布信息模拟大气折射率的垂直分布情况，得到大气折射率随高度变化的廓线函数f(z)：
Figure FDA0002376831480000021
其中，N0为近地面第一层的大气折射率；e为自然指数；h0为N0所对应的近地面第一层高度；标高
Figure FDA0002376831480000022
hi、hi+1分别为相邻上下层高度；Ni、Ni+1分别为对应于高度hi、hi+1的大气折射率值；
局部协方差变换模块，用于对所述廓线函数f(z)在高度b上进行局部协方差变换：
Figure FDA0002376831480000023
其中，a为尺度因子，即对应的有效梯度区间；zt为对应有效梯度区间的上边界高度；zb为对应有效梯度区间的下边界高度；
Figure FDA0002376831480000024
为大气折射率廓线f(z)的一个梯度函数，定义为：
Figure FDA0002376831480000025
其中，高度b为当前进行局部协方差变换，z为积分区间的高度；
计算高度模块，用于给定某个a值时，计算出折射率的局部协方差Wf(a，b)在不同高度b处的值：
Figure FDA0002376831480000031
Wf(a，b)在某高度处取得的局部极大值反映出折射率函数在该高度处发生突变，此时，当Wf(a，b)取极大值时所对应的高度b即为对流层顶高度。
4.根据权利要求3所述的一种对流层顶的高度的估算装置，其特征在于：所述大气折射率的垂直分布信息是由无线探空产品或无线电掩星产品提供的高垂直分辨率的大气折射率的垂直分布信息。
5.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1或2所述的方法。
6.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1或2所述的方法。
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徐晓华等: "利用COSMIC掩星弯曲角数据分析中国区域对流层顶结构变化", 《地球物理学报》 *
高攀等: "利用GPS掩星弯曲角确定对流层顶高度", 《武汉大学学报(信息科学版)》 *
高攀等: "利用掩星弯曲角协方差变换法确定对流层顶", 《电波科学学报》 *

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112146623A (zh) * 2020-09-22 2020-12-29 中国人民解放军国防科技大学 一种大气边界层顶高度估算方法
CN114415208A (zh) * 2021-12-29 2022-04-29 自然资源部大地测量数据处理中心 一种附加外部数据集信息的地基gnss对流层顶探测方法

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