CN111368452B - 一种基于平漂球探空数据构建温度廓线的方法 - Google Patents

一种基于平漂球探空数据构建温度廓线的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于平漂球探空数据构建温度廓线的方法，包括如下步骤：探空数据获取：分别获取平漂球上升段和/或下降段探空数据、平漂段探空数据；温度场数据划分：分别根据垂直分辨率、水平分辨率将垂直温度场数据、水平温度场数据划分为若干个子区间；重构温度函数：分别对划分后的每一子区间重构温度函数，并对重构的温度函数进行求解，基于重构温度函数计算每一子区间的温度变化率；温度垂直梯度、温度平流计算：将每一子区间的温度变化率进行拼接，得到温度垂直梯度、温度水平梯度，基于温度水平梯度、风场数据计算温度平流，完成温度廓线的构建。本发明温度垂直梯度和温度平流计算精度高，能够为数值天气预报提供更为精确的数据。

Description

一种基于平漂球探空数据构建温度廓线的方法
技术领域
本发明涉及高空气象探测技术领域，特别是涉及一种基于平漂球探空数据构建温度廓线的方法。
背景技术
常规高空气象探测，简称探空，作为综合气象观测的重要组成，不仅满足天气、气候的需求，还是地基遥感的参考。目前，探空仍然是综合气象观测的重要组成部分。虽然多年以来探空资料需求一直旺盛，但各国探空模式无明显改进，仍采用每天两次(世界时00h、12h)传统为主，部分国家采用火箭或飞机下投探空仪进行空间加密，我国在汛期或重大天气过程进行同站时间加密，这两种方式的消耗都很大，难以正常维持。近期国外学者对探空下降数据开展了尝试性研究，非洲季风多学科分析、亚太区域的观测系统研究与预报实验等项目利用气球随高空稳定风跨海实施下降探空，但由于这种气球材料高昂，单只经费达数万美元，难以日常施放；美国斯坦福太空计划的高空气球系统实现了10-25km平漂，由于其采用不断排气和配压舱的方式来保持高度导致气球上升非常缓慢，不能满足WMO对气球升速的要求。
温度变化是表征气候变化最重要的因子之一，而温度的垂直梯度和温度平流变化是气候研究中最重要的问题之一。通常情况下，采用差分代替微分来计算温度梯度和温度平流，但是观测数据中的微小误差会造成计算结果的巨大误差。众所周知，数值天气预报是在离散的时空间里求解偏微分方程组的初(边)值问题，连续系统的离散化误差和初始场误差分别是数值天气预报的主要误差来源之一，数值天气预报的发展正是围绕如何克服这些误差而展开的。一方面，数值天气预报是一个初值问题，即已知一个现时大气状态的估计，用模式来预报其演变。对于一个预报模式而言，初始条件的确定是一个非常重要而复杂的问题，气象工作者为提高初始场的分析精度提出了各种资料同化方法：如最优插值法、三维和四维变分法、Kalman滤波方法等等；另一方面，用来描述大气运动规律的偏微分方程组是非线性的，难以直接求解，只能借助数值方法求解，因此如何将偏微分方程组离散化就是一个十分重要的问题，国内外学者就偏微分方程的时空间差分格式进行了广泛的研究，提出了许多差分格式，并对其收敛性做了深入地探讨。但是，气象学者在研究各种差分格式精度的时候，都有一个共同的前提，即不计观测数据的误差。然而，观测数据误差是客观存在的。
因此，如何利用观测温度场准确计算温度梯度和温度平流是目前亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于平漂球探空数据构建温度廓线的方法，以解决上述现有技术存在的问题，温度垂直梯度和温度平流计算精度高，能够为数值天气预报提供更为精确的数据。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种基于平漂球探空数据构建温度廓线的方法，包括如下步骤：
探空数据获取：分别获取平漂球上升段和/或下降段探空数据、平漂段探空数据；所述平漂球上升段和/或下降段探空数据包括垂直温度场数据；所述平漂段探空数据包括水平温度场数据、风场数据；
温度场数据划分：确定垂直分辨率、水平分辨率，分别根据垂直分辨率、水平分辨率将垂直温度场数据、水平温度场数据划分为若干个子区间；
重构温度函数：分别对划分后的每一子区间重构温度函数，并对重构的温度函数进行求解，得到每一子区间的重构温度函数，基于重构温度函数计算每一子区间的温度变化率；
温度垂直梯度、温度平流计算：将每一子区间的温度变化率进行拼接，得到温度垂直梯度、温度水平梯度，基于温度水平梯度、风场数据计算温度平流，完成温度廓线的构建。
优选地，所述温度场数据划分包括：
将所述垂直温度场数据在垂直方向上划分为若干个子区间；
将所述水平温度场数据在东西方向、南北方向均划分为若干个子区间。
优选地，所述重构温度函数的具体方法包括如下步骤：
构建重构函数：分别对所述垂直温度场数据、所述水平温度场数据在东西方向、南北方向的每一子区间构建为三次自然样条函数；
求解重构函数：采用一维一阶数值微分算法分别对每一子区间重构函数的待定系数进行求解，得到所述垂直温度场数据、所述水平温度场数据在东西方向、南北方向每一子区间的重构函数；
求解每一子区间的温度变化率：分别对所述垂直温度场数据、所述水平温度场数据在东西方向、南北方向每一子区间的重构函数进行一阶求导，得到每一子区间的温度变化率。
优选地，温度垂直梯度的计算方法包括：
对垂直温度场数据每一子区间的温度变化率按照垂直温度场数据划分前顺序进行拼接，得到温度垂直梯度。
优选地，温度平流的计算方法包括：
分别对水平温度场数据在东西方向、南北方向每一子区间的温度变化率按照水平温度场数据划分前顺序进行拼接，得到温度东西方向水平梯度Gx、温度南北方向水平梯度Gy；
基于风场数据、温度东西方向水平梯度Gx、温度南北方向水平梯度Gy计算温度平流Gx，y：
Gx，y＝-(uGx+vGy)
其中u表示东西方向风速，v表示南北方向风速。
一种平漂球探空系统，包括平漂球载体，所述平漂球载体包括外球、内球、降落伞，所述内球套接在所述外球内部，所述内球与所述降落伞相连；
所述外球、内球分别作为上升、平漂的载体，所述降落伞作为下降的载体；
所述平漂球载体上载有载荷，所述载荷包括控制模块、探空仪；
所述控制模块包括分离器、探测高度控制装置；
所述分离器用于所述内球、所述降落伞的分离；
所述探空仪用于进行探空数据的采集。
本发明公开了以下技术效果：
(1)本发明采用平漂球探空系统进行数据的采集，分别通过外球、内球带动探空仪进行上升、平漂段数据采集，通过降落伞带动探空仪进行下降段数据采集，所需能量极低，有效降低了探空数据采集的成本；
(2)本发明通过探空数据的分割与重构进行温度垂直梯度和温度平流计算，能够有效解决观测误差的不适定问题，计算结果的相对误差较现有技术中的中央差分法低两个量级，且计算结果的相对误差稳定的维持在较小的水平，计算精度高，能够为数值天气预报提供更为精确的数据。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于平漂球探空数据构建温度廓线的方法流程图；
图2为本发明探空系统结构示意图；其中，1为外球，2为内球，3为降落伞，4为控制模块，5为探空仪；
图3为本发明实施例中平漂球上升段和下降段观测温度分布图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1所示，本实施例提供一种基于平漂球探空数据构建温度廓线的方法，包括如下步骤：
S1、探空数据获取：分别获取平漂球上升段和/或下降段探空数据、平漂段探空数据；
由平漂球上升段和/或下降段观测得到的探空数据包括垂直温度场数据，垂直温度场数据为垂直温度分布函数T(z)，其中，T(z)表示温度T随高度z变化的函数；
由平漂球平漂段观测得到的探空数据包括水平温度场数据、风场数据；温度场数据为水平温度T(x，y)，其中，T(x，y)表示温度随水平风向变化的函数，x表示东西方向距离，y表示南北方向距离；风场数据包括东西方向风速u、南北方向风速v。
S2、温度场数据划分：确定垂直分辨率、水平分辨率，分别根据垂直分辨率、水平分辨率将垂直温度T(z)、水平温度T(x，y)等距划分为若干个子区间；具体包括：
将所述垂直温度T(z)在垂直方向上，即平漂球上升和/或下降的方向上划分为若干个子区间；
将所述水平温度T(x，y)在东西方向上的分量T(x)、在南北方向上的分量T(y)均划分为若干个子区间；
S3、重构温度函数：分别对等距划分后的每一子区间重构温度函数，对重构温度函数进行求解，得到每一子区间的重构温度函数，基于重构温度函数计算每个子区间的温度变化率，具体包括如下步骤：
S3.1、构建重构函数：分别对垂直温度T(z)、水平温度T(x，y)在东西方向上的分量T(x)、水平温度T(x，y)在南北方向上的分量T(y)每一子区间构建重构函数T*(z)、T*(x)、T*(y)；
T*(z)、T*(x)、T*(y)均为分片的三次自然样条函数，具体如下式所示：
T*(z)＝azi+bzi(z-zi)+czi(z-zi)2+dzi(z-zi)3，z∈[zi，zi+1]；
T*(x)＝axj+bxj(x-xj)+cxj(x-xj)2+dxj(x-xj)3，x∈[xj，xj+1]；
T*(y)＝ayk+byk(y-yk)+cyk(y-yk)2+dyk(y-yk)3，y∈[yk，yk+1]；
其中az、bz、cz、dz为垂直重构温度T*(z)的待定系数；ax、bx、cx、dx为水平东西方向重构温度T*(x)的待定系数；ay、by、cy、dy为水平南北方向重构温度T*(y)的待定系数；i＝0，1，…，nz-1，nz为垂直温度子区间的个数；j＝0，1，…，nx-1，nx为水平温度东西方向子区间的个数；k＝0，1，…，ny-1，ny为水平温度南北方向子区间的个数。
S3.2、求解重构函数：采用一维一阶数值微分算法分别对T*(z)、T*(x)、T*(y)的待定系数进行求解，将计算出的待定系数分别代入T*(z)、T*(x)、T*(y)，得到垂直重构温度T*(z)、水平东西方向重构温度T*(x)、水平南北方向重构温度T*(y)。
S3.3、求解每一子区间的温度变化率：分别对垂直重构温度T*(z)、水平东西方向重构温度T*(x)、水平南北方向重构温度T*(y)进行一阶求导，得到垂直温度、水平温度东西方向、水平温度南北方向每个子区间的温度变化率
Figure BDA0002413838830000081
Figure BDA0002413838830000082
Figure BDA0002413838830000083
Figure BDA0002413838830000084
S4、温度垂直梯度、温度平流计算：分别对垂直温度、水平温度每个子区间的温度变化率进行拼接，得到温度垂直梯度、温度水平梯度，基于温度水平梯度、风场数据计算温度平流，完成温度廓线的构建。
温度垂直梯度是大气温度随气压高度变化而出现的递增或递减的现象，是描述温度在大气中以何种速率在垂直方向变化的物理量，在同一季节内，温度垂直梯度在不同高度变化显著，是大气分层的一个重要指标。温度水平梯度是大气温度在水平方向的变化，是描述温度在大气中以何种速率向某个方向变化的物理量，温度水平梯度的大小是影响温度平流强弱的一个因素，梯度越大，平流越强，在大气中温度平流能够反映天气扰动过程。
温度平流是冷暖空气水平运动引起的温度降低或升高的现象，一方面，温度平流在天气系统的发生发展及天气现象的产生过程中起着重要作用；另一方面，从预报角度，温度平流对天气系统的指示意义更直接，能更好地反映天气系统的发生发展。
温度垂直梯度的计算方法包括：
对垂直温度每个子区间的温度变化率
Figure BDA0002413838830000091
按照垂直温度T(z)划分前顺序进行拼接，得到温度垂直梯度Gz。
温度平流的计算方法包括：
计算温度水平梯度：分别对水平温度东西方向、水平温度南北方向每个子区间的温度变化率
Figure BDA0002413838830000092
按照水平温度T(x，y)划分前顺序进行拼接,得到温度东西方向水平梯度Gx、温度南北方向水平梯度Gy；
通过下式计算温度平流Gx，y：
Gx，y＝-(uGx+vGy)。
参照图2所示，本实施例提供一种平漂球探空系统，包括平漂球载体，所述平漂球载体包括外球1、内球2和降落伞3，所述内球2套接在所述外球1内部，所述内球2与所述降落伞3相连；所述外球1、内球2分别作为上升、平漂的载体，所述降落伞3作为下降的载体；所述平漂球载体上载有载荷，所述载荷包括控制模块4、探空仪5；所述控制模块4包括分离器、探测高度控制装置；
所述分离器用于所述内球2、所述降落伞3的分离；
所述探空仪5用于进行探空数据的采集；本实施例探空仪5采用轻型化设计，重量在100g以下，采用了集成卫星导航、数据处理和射频信号处理气象专用芯片，可兼容全球主流导航卫星系统。
所述平漂球探空系统为往返平漂球探空系统，上升1h-平漂h-下降1h。
所述平漂球探空系统还包括地面接收设备，所述地面接收设备为多通道接收机。本实施例地面接收设备包括8个通道，其中7个用于跟踪多个探空仪、分离器，1个用于数据管理。
平漂球探空系统工作原理如下：
平漂球上升探测：
由外球1作为载体携带探空仪5进行自由上升实现上升探测；考虑到外球1水平方向近似为随气团运动，忽略探空仪5、吊索浮力以及向心力等微小影响，考虑空气阻力在上升过程起到抑制速度的作用，平漂球施放后加速上升，阻力迅速增大，与净举力达到平衡。
平漂球平漂探测：
探空平漂是外球1到达指定高度爆破后，以内球2作为载体携带探空仪5做近似平衡的水平运动；内球2在垂直方向处于近似动态平衡，水平方向随气团运动，运动平衡通过地面适宜的净举力实现。
平漂球下降探测：
到达预定时间后，内球2与降落伞3、探空仪5分离，以降落伞3为载体携带探空仪5实现探空加密；下降过程中，由于从低密度向高密度的环境运动，存在垂直加速度，开始时，降速较快，水平方向由于降落伞受力不同于气球，不能简单地认为是随气团运动；因此，下降相对上升、平漂比较复杂。
为进一步验证本发明基于平漂球探空数据构建温度廓线的方法的可行性及精度，本实施例对中央差分法与本发明方法进行了试验对比。
温度垂直梯度效果对比：
在规则网格点上生成平漂球上升段和下降段的观测温度，如图3所示，由于下降段数据较少，本实施例采用上升段观测温度进行试验，其中，观测温度由精确温度叠加均匀分布随机误差[-δ，δ]构成。
首先，去观测误差δ＝0.2℃，改变观测密度，取垂直分辨率为5m、10m、50m，100m，分别采用中央差分法和本发明方法计算温度垂直梯度，并计算相对应的相对误差
Figure BDA0002413838830000111
ρ1*，结果如表1所示。
表1
Figure BDA0002413838830000121
然后，取垂直分辨率为10m，改变观测误差，分别取δ＝0.1℃，δ＝0.2℃，δ＝0.5℃，分别采用中央差分法和本发明方法计算温度垂直梯度，并计算相对应的相对误差
Figure BDA0002413838830000122
ρ1*，结果如表2所示。
表2
Figure BDA0002413838830000123
从表1、表2可以看出，当观测误差δ不变时，即所用仪器不变，在计算温度垂直梯度时，中央差分法和一维一阶数值微分法计算观测量偏导数的相对误差随观测密度的加密而急剧增大。同时，两种方法计算得到的精度量级一致，但数值微分法相对较差，这是由于平漂球在垂直方向上的探测是十分精确，因此，本发明的优势无法体现。如果测量数据有误差则测量数据求偏导是不适定问题，本发明方法能够较好的解决该类问题。
温度平流效果对比：
在规则网格点上生成观测风场，观测风场由精确风场叠加均匀分布随机误差[-δ，δ]产生。
首先，温度和风速的观测误差取δ＝0.2，选取网格点的分辨率为0.005×0.005°，0.01×0.01°，0.05×0.05°，分别采用中央差分法和本发明方法计算温度平流，并计算相对应的相对误差
Figure BDA0002413838830000131
ρ2*，结果如表3所示。
表3
Figure BDA0002413838830000132
从表3中可以看到，观测误差δ不变时，即所用仪器不变，在计算温度平流时，中央差分法和本发明方法计算观测量偏导数的相对误差随观测密度的加密而急剧增大。从量级上看，采用本发明方法计算得到的温度平流精度较中央差分法要高两个量级，并且采用本发明方法计算得到的温度平流相对误差稳定的维持在较小的水平上，这说明利用观测数据求偏导的问题是一个不适定问题，本发明方法较好的解决该类问题。
然后，取网格点的分辨率为0.01°×0.01°分别取δ＝0.1，δ＝0.2，δ＝0.5，分别采用中央差分法和本发明方法计算温度平流，并计算相对应的相对误差
Figure BDA0002413838830000133
ρ2*，结果如表4所示。
表4
Figure BDA0002413838830000141
从表4中可以看到，随着观测误差的增加中央差分法算出的温度平流精度越来越差，而采用本发明方法计算得到的温度平流精度较中央差分法高两个量级，并且比较平稳。
综合表3、表4，采用本发明方法计算得到的温度平流相对误差均比中央差分法低两个量级，并且在加大观测密度或观测误差的情形下，本发明方法的优越性更加明显，说明本发明方法计算温度平流精度得到了极大提高，且相对误差稳定在较小的水平。。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于平漂球探空数据构建温度廓线的方法，其特征在于，包括如下步骤：
探空数据获取：分别获取平漂球上升段和/或下降段探空数据、平漂段探空数据；所述平漂球上升段和/或下降段探空数据包括垂直温度场数据；所述平漂段探空数据包括水平温度场数据、风场数据；
温度场数据划分：确定垂直分辨率、水平分辨率，分别根据垂直分辨率、水平分辨率将垂直温度场数据、水平温度场数据划分为若干个子区间；
重构温度函数：分别对划分后的每一子区间重构温度函数，并对重构的温度函数进行求解，得到每一子区间的重构温度函数，基于重构温度函数计算每一子区间的温度变化率；
温度垂直梯度、温度平流计算：将每一子区间的温度变化率进行拼接，得到温度垂直梯度、温度水平梯度，基于温度水平梯度、风场数据计算温度平流，完成温度廓线的构建；
所述温度场数据划分包括：
将所述垂直温度场数据在垂直方向上划分为若干个子区间；
将所述水平温度场数据在东西方向、南北方向均划分为若干个子区间；
所述重构温度函数的具体方法包括如下步骤：
构建重构函数：分别对所述垂直温度场数据、所述水平温度场数据在东西方向、南北方向的每一子区间构建为三次自然样条函数；
求解重构函数：采用一维一阶数值微分算法分别对每一子区间重构函数的待定系数进行求解，得到所述垂直温度场数据、所述水平温度场数据在东西方向、南北方向每一子区间的重构函数；
求解每一子区间的温度变化率：分别对所述垂直温度场数据、所述水平温度场数据在东西方向、南北方向每一子区间的重构函数进行一阶求导，得到每一子区间的温度变化率。
2.根据权利要求1所述的基于平漂球探空数据构建温度廓线的方法，其特征在于，温度垂直梯度的计算方法包括：
对垂直温度场数据每一子区间的温度变化率按照垂直温度场数据划分前顺序进行拼接，得到温度垂直梯度。
3.根据权利要求1所述的基于平漂球探空数据构建温度廓线的方法，其特征在于，温度平流的计算方法包括：
分别对水平温度场数据在东西方向、南北方向每一子区间的温度变化率按照水平温度场数据划分前顺序进行拼接，得到温度东西方向水平梯度Gx、温度南北方向水平梯度Gy；
基于风场数据、温度东西方向水平梯度Gx、温度南北方向水平梯度Gy计算温度平流Gx，y：
Gx，y＝-(uGx+vGy)
其中u表示东西方向风速，v表示南北方向风速。
4.一种平漂球探空系统用于实现权利要求1～3任一项所述的基于平漂球探空数据构建温度廓线的方法，其特征在于，包括平漂球载体，所述平漂球载体包括外球(1)、内球(2)、降落伞(3)，所述内球(2)套接在所述外球(1)内部，所述内球(2)与所述降落伞(3)相连；
所述外球(1)、内球(2)分别作为上升、平漂的载体，所述降落伞(3)作为下降的载体；
所述平漂球载体上载有载荷，所述载荷包括控制模块(4)、探空仪(5)；
所述控制模块(4)包括分离器、探测高度控制装置；
所述分离器用于所述内球(2)、所述降落伞(3)的分离；
所述探空仪(5)用于进行探空数据的采集。
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