CN114994794B - 一种云团无探测数据区的云粒子相态生长方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种云团无探测数据区的云粒子相态生长方法，依托PARASOL、Aqua、CALIPSO和CloudSat四类卫星载荷数据分别进行伞型云团水平和垂直向云粒子动态协同处理，构建云团无效探测区域的云粒子生长数学模型并重构出云团内数据缺失区域的粒子相态，实现云团粒子相态的动态获取，解决多源异构空间数据的协同及无探测数据区反演的难题，为云、气溶胶等大气协同探测提供新的方法支撑。

Description

一种云团无探测数据区的云粒子相态生长方法

技术领域

本发明涉及大气科学领域，具体涉及一种云团无探测数据区的云粒子相态生长方法。

背景技术

云覆盖地表约三分之二。云是地球辐射收支平衡的关键调节器之一。云特性及其时空变化对全球天气及气候变化影响巨大。云相态的准确判定不仅有助于其他云物理参数的反演，也能为天气预报、气候模式、地球辐射收支、大气及降水循环研究提供依据。现有星载单传感器云相态反演存在一定的局限。单一主动或被动传感器由于仪器性能的差异会导致云粒子相态反演结果存在一定差异，而且现有的多传感器联合探测主要从水平或垂直单方向进行分析，缺少将两者结合起来从空间角度来进行云粒子相态的研究。无论被动探测还是主动探测都是利用云粒子与电磁波相互作用即散射和吸收这一基本物理规律开展研究。被动光学载荷在探测广度上有较大优势，但在探测深度上却存在不足。主动载荷发射的电磁波信号能穿透云顶到达云层内部甚至云底，可获取云团内部垂直廓线的反射信息，但由于载荷主动发射的能量束范围窄而导致其探测广度不足。因此，存在无法获取云团非有效探测区域的三维空间相态信息。

发明内容

本发明的目的在于：针对目前多载荷联合反演云团粒子相态在非有效探测数据区现有反演算法失效的难题，提供了一种云团无探测数据区的云粒子相态生长方法，先对云团有效观测区联合主动(CALIOP和CPR)和被动(POLDER3和MODIS)卫星载荷数据获取异构的云相态数据，并将多源异构的云相态进行空间维度统一，再分别从云团伞状构型的云顶水平向和云团内部垂直向实现云相态动态融合，得到云团有效观测区伞型云相态融合结果集。最后基于有效观测区的云相态融合结果集对云层内探测数据缺失区域开展云粒子相态生长数学模型研究，并重构无探测数据区的云粒子形态，从而获取云团非有效探测区域的三维空间相态信息。解决了无法获取云团非有效探测区域的三维空间相态信息的难题。

本发明的技术方案如下：

本发明公开了一种云团无探测数据区的云粒子相态生长方法，包括以下步骤，

分别获取云团有效观测区联合主动和被动卫星载荷异构的云相态数据，将多源异构的云相态进行空间维度统一；

从云团伞状构型的云顶水平向和云团内部垂直向实现云相态动态融合，得到云团有效观测区伞型云相态融合结果集；

利用云相态融合结果集对云层内探测数据缺失区域开展粒子相态生长数学模型，重构无探测数据区的云粒子形态，获取云团非有效探测区域的三维空间相态信息。

进一步的，所述获取云团有效观测区联合主动和被动星载荷异构的云相态数据具体方法为：利用PARASOL、Aqua、CALIPSO和CloudSat四类卫星获取CALIOP、CPR和POLDER3、MODIS的卫星载荷云相态数据，记为{P_Polder,P_Modis,P_Caliop,P_Cpr}；

进一步的，所述将多源异构云相态进行空间维度统一的具体方法为：选择云相态空间分辨率最高的CALIOP云相态为参考标准维度，对其他CPR、POLDER3和MODIS云相态进行二维重构，得到调整后的云相态

进一步的，所述实现云相态动态融合具体方法为：基于云团有效观测区伞型结构，在伞型结构云顶方向和垂直方向建立四/两载荷多目标最优化融合算法，算法如下：

其中

分别表示POLDER3、MODIS、CALIOP、CPR调整后的云相态反演结果，a,b,c,d分别表示四个载荷云相态在水平融合过程中的权重系数，e,f分别表示两个载荷云相态在垂直融合过程中的权重系数，

表示云顶相态融合结果，

表示垂直廊线上的云相态融合结果。

进一步的，所述得到云团有效观测区伞型云相态融合结果集的具体方法为：根据多目标最优化融合算法获取云顶相态融合结果集

和垂直廓线上的云相态融合结果集

其中X，Y，Z和X′，Y′，Z′表示为X轴Y轴Z轴的坐标。

进一步的，所述开展粒子相态生长数学模型研究具体方法为：联合云团顶部相态

云顶高度h(top)、云底高度h(button)与云廓线粒子相态

以云顶相态融合结果集HF与垂直云相态融合结果集VF的交集Λ＝HF∩VF＝{HVF(x_t,y_t,z_t)}为生长点，构建基于改进的蒙特卡罗规则的相邻粒子相态生长模型；模型如下：

假设生长起点云粒子相态为HVF(x_t,y_t,z_t)，其同层邻近粒子相态可用以下生长公式推导：

其中m,n,l分别为生长终点距离生长起点沿X轴Y轴Z轴的投影单位距离，

分别为左下右下云粒子的蒙特卡罗生长因子。

进一步的，根据所述生长公式和所述蒙特卡罗生长因子，推导当前云粒子左下方和右下方云粒子的相态，并依次循环递推得到下一个相邻云粒子在不同蒙特卡罗生长因子作用下的云粒子相态，构建基于蒙特卡罗方法的相邻云粒子相态生长模型，获取每层未探测区域的云粒子相态，重构整个云团非有效探测区域的三维云粒子相态，实现统一空间下非有效探测数据区的云相态动态协同反演。

与现有的技术相比本发明的有益效果是：

1、本发明一种云团无探测数据区的云粒子相态生长方法，依托PARASOL、Aqua、CALIPSO和CloudSat四类卫星载荷数据分别进行伞形云团水平和垂直向云粒子动态协同处理，构建云团无效探测区云粒子生长数学模型并重构出云团内数据缺失区域的粒子相态，实现云团粒子相态的动态获取，解决多源异构空间数据的协同及无探测数据区反演的难题，为云、气溶胶等大气协同探测提供新的方法支撑；

2、本发明一种云团探测数据区的云粒子相态生长方法，用多种技术协同反演研究可以突破单一识别云相态手段，为大气协同观测和反演提供新技术手段，为气候变化、天气变化、人工干预天气、极端气象灾害防治和飞行器安全飞行等提供新的技术手段。

3、本发明一种云团探测数据区的云粒子相态生长方法，联合多种卫星传感器尤其是主被动探测仪器进行云粒子相态空间协同处理，可以克服多载荷探测有效信息不足和协同方向单一的缺陷，从而获取非有效探测区域云层粒子的相态信息。

具体实施方式

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

下面结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

本发明公开了一种云团无探测数据区的云粒子相态生长方法，包括以下步骤，

分别获取云团有效观测区联合主动和被动卫星载荷异构的云相态数据，利用PARASOL、Aqua、CALIPSO和CloudSat四类卫星获取CALIOP、CPR和POLDER3、MODIS的卫星载荷云相态数据，记为{P_Polder,P_Modis,P_Caliop,P_Cpr}，将多源异构的云相态进行空间维度统一，选择云相态空间分辨率最高的CALIOP云相态为参考标准维度，对其他CPR、POLDER3和MODIS云相态进行二维重构，得到调整后的云相态

从云团伞状构型的云顶水平向和云团内部垂直向实现云相态动态融合，此处伞状构型指云团有效探测区域为伞状构型，基于云团有效观测区伞型结构，在伞型结构云顶方向和垂直方向建立四/两载荷多目标最优化融合算法，算法如下：

其中

分别表示POLDER3、MODIS、CALIOP、CPR调整后的云相态反演结果，a,b,c,d分别表示四个载荷云相态在水平融合过程中的权重系数，e,f分别表示两个载荷云相态在垂直融合过程中的权重系数，

表示云顶相态融合结果，

表示垂直廊线上的云相态融合结果，得到云团有效观测区伞型云相态融合结果集，根据多目标最优化融合算法获取云顶相态融合结果集

和垂直廓线上的云相态融合结果集

其中X，Y，Z和X′，Y′，Z′表示为X轴Y轴Z轴的坐标。

利用云相态融合结果集对云层内探测数据缺失区域开展粒子相态生长数学模型，联合云团顶部相态

云顶高度h(top)、云底高度h(button)与云廓线粒子相态

以云顶相态融合结果集HF与垂直云相态融合结果集VF的交集Λ＝HF∩VF＝{HVF(x_t,y_t,z_t)}为生长点，构建基于改进的蒙特卡罗规则的相邻粒子相态生长模型；模型如下：

假设生长起点云粒子相态为HVF(x_t,y_t,z_t)，其同层邻近粒子相态可用以下生长公式推导：

其中m,n,l分别为生长终点距离生长起点沿X轴Y轴Z轴的投影单位距离，

分别为左下右下云粒子的蒙特卡罗生长因子，云顶高度h(top)指云团顶部在天空中所达到的垂直方向最大高度；云底高度h(button)指的是云团底部距离地面观测点的垂直距离。云底高度作为表征云宏观特性的关键参数，在云层与地表之间的能量交换中起着重要作用。

重构无探测数据区的云粒子形态，获取云团非有效探测区域的三维空间相态信息；根据所述生长公式和所述蒙特卡罗生长因子，推导当前云粒子左下方和右下方云粒子的相态，并依次循环递推得到下一个相邻云粒子在不同蒙特卡罗生长因子作用下的云粒子相态，构建基于蒙特卡罗方法的相邻云粒子相态生长模型，获取每层未探测区域的云粒子相态，重构整个云团非有效探测区域的三维云粒子相态，实现统一空间下非有效探测数据区的云相态动态协同反演。

联合卫星队列“A-Train”主被动载荷获取同时云观测数据，对云团非有效探测区域进行云粒子相态空间协同处理具有重要的理论意义和实际应用价值。本发明正是依托PARASOL、Aqua、CALIPSO和CloudSat四类卫星载荷数据分别进行伞形云团水平和垂直向云粒子动态协同处理，构建云团无效探测区域的云粒子生长数学模型并重构出云团内数据缺失区域的粒子相态，实现云团粒子相态的动态获取，解决多源异构空间数据的协同及无探测数据区反演的难题，为云、气溶胶等大气协同探测提供新的方法支撑。

以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (4)

1.一种云团无探测数据区的云粒子相态生长方法，其特征在于，包括以下步骤，

分别获取云团有效观测区联合主动和被动卫星载荷异构的云相态数据，将多源异构的云相态进行空间维度统一，具体方法为：

利用PARASOL、Aqua、CALIPSO和CloudSat四类卫星获取CALIOP、CPR和POLDER3、MODIS的卫星载荷云相态数据，记为；

选择云相态空间分辨率最高的CALIOP云相态为参考标准维度，对其他CPR、POLDER3和MODIS云相态进行二维重构，得到调整后的云相态；

从云团伞型的云顶水平向和云团内部垂直向实现云相态动态融合，得到云团有效观测区伞型云相态融合结果集；

所述实现云相态动态融合具体方法为：基于云团有效观测区伞型结构，在伞型结构云顶方向和垂直方向建立四/两载荷多目标最优化融合算法，算法如下：

其中，，，分别表示POLDER3、MODIS、CALIOP、CPR调整后的云相态反演结果，分别表示四个载荷云相态在水平融合过程中的权重系数，分别表示两个载荷云相态在垂直融合过程中的权重系数，表示云顶相态融合结果，表示垂直廊线上的云相态融合结果，和分别为云顶水平方向、垂直方向相态融合冗余；

利用云相态融合结果集对云层内探测数据缺失区域开展粒子相态生长数学模型，重构无探测数据区的云粒子形态，获取云团非有效探测区域的三维空间相态信息。

2.根据权利要求1所述的一种云团无探测数据区的云粒子相态生长方法，其特征在于，所述得到云团有效观测区伞型云相态融合结果集的具体方法为：根据多目标最优化融合算法获取云顶相态融合结果集HF=和垂直廓线上的云相态融合结果集VF=，其中X，Y，Z和X´，Y´，Z´表示为X轴Y轴Z轴的坐标。

3.根据权利要求2所述的一种云团无探测数据区的云粒子相态生长方法，其特征在于，所述开展粒子相态生长数学模型研究具体方法为：联合云团顶部相态、云顶高度、云底高度与云廓线粒子相态，以云顶相态融合结果集HF与垂直云相态融合结果集VF的交集为生长点，构建基于改进的蒙特卡罗规则的相邻粒子相态生长模型；模型如下：

假设生长起点云粒子相态为，其同层邻近粒子相态可用以下生长公式推导：

其中分别为生长终点距离生长起点沿X轴Y轴Z轴的投影单位距离，，分别为左下右下云粒子的蒙特卡罗生长因子。

4.根据权利要求3所述的一种云团无探测数据区的云粒子相态生长方法，其特征在于，根据所述生长公式和所述蒙特卡罗生长因子，推导当前云粒子左下方和右下方云粒子的相态，并依次循环递推得到下一个相邻云粒子在不同蒙特卡罗生长因子作用下的云粒子相态，构建基于蒙特卡罗方法的相邻云粒子相态生长模型，获取每层未探测区域的云粒子相态，重构整个云团非有效探测区域的三维云粒子相态，实现统一空间下非有效探测数据区的云相态动态协同反演。