一种利用地基红外测云仪间接测量大气可降水量的方法
【专利摘要】本发明公开了一种利用地基红外测云仪间接测量大气可降水量的方法。其步骤如下：(1)建立天顶红外亮温、近地面环境温度以及PWV的统计回归模型并利用最小二乘法对模型求解，得到各因子的回归系数；(2)利用地基红外测云仪的测量数据判断天顶无云区域并获得该区亮温值；(3)将地基红外测云仪获取的天顶无云区天顶红外亮温、近地面环境温度代入回归模型，估算PWV并进行自适应调整。
【专利说明】一种利用地基红外测云仪间接测量大气可降水量的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于地面气象观测领域，涉及一种大气可降水量的测量方法，尤其是一种 利用地基红外测云仪间接测量大气可降水量的方法。
【背景技术】
[0002] 大气可降水量（PWV)在地基红外测云过程中有着重要影响。在8-14 μ m的大气窗 区波段，水汽是非常重要的影响因素。PWV测量的不准确会造成云检测结果的误差。目前较 为准确的PWV测量方法主要有探空仪资料积分计算法和地基GPS反演法。然而，由于探空 资料每天只有两次，难以满足地基红外测云传感器的高时间分辨率需求；而地基GPS反演 法则由于不少台站尚未安装相关设备，PWV数据无法保证。
[0003] 目前地基红外测云技术所需的PWV数据一般通过仪器自身配置温湿度传感器，利 用地面气象资料推算法来获得。其主要是根据PWV与近地面温度、湿度的统计关系来估算 大气中PWV的含量。这种统计关系建立的依据是：大气中的水汽绝大部分集中在对流层下 半部，近地层水汽含量在整层大气水汽含量中占有很大比重，因此PWV在很大程度上取决 于近地面水汽含量的大小，即与近地面的温度、湿度应有明显的相关。但是仅仅依赖近地面 的气象要素进行整层大气水汽含量的推算必然存在误差，这种气候统计关系得到的PWV难 以完全与实际PWV相一致。从而导致地基红外测云仪进行云检测时出现偏差。
[0004] 在红外波段，水汽有许多重要的吸收带，因此，天空向下的红外辐射受水汽的影响 较大，在物理本质上二者有很大的关联性。另外，由于地基红外测云仪提供了丰富的天空 向下红外辐射，并且在测云的同时，又通过环境参数测量机构提供了近地面空气的温度、湿 度，从而为联合众多资料推算PWV提供了可能的新途径。
【发明内容】
[0005] 为了解决传统的利用地面气象要素估算PWV不准确从而造成地基红外测云仪云 检测出现偏差的问题，本发明的目的是，提出一种基于天顶无云情况下大气向下红外辐射 结合近地面温度估算PWV的方法。
[0006] 为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是：一种利用地基红外测云仪间接测 量大气可降水量的方法，该方法包括以下步骤：
[0007] (1)建立天顶红外亮温、近地面环境温度以及PWV的统计回归模型并利用最小二 乘法对模型求解，得到各因子的回归系数；
[0008] 天顶红外亮温、近地面环境温度以及PWV的统计回归模型为Y = afai XPWV+a2XT。其中，Y为天顶红外亮温，apai和a2为待拟合的系数；各系数求解后，得 到PWV = (Y-acra'TVai ;T为近地面环境温度；
[0009] 进行天顶红外亮温、近地面环境温度以及PWV的统计回归模型求解的数据收集时 间范围不少于1年，同时进行数据匹配：数据匹配的时间点为对应的探空时次，数据包括地 基红外测云仪获得的天顶大气向下红外辐射值数据和近地面环境温度数据、探空数据和人 工地面气象观测数据；将探空数据积分计算得出PWV，将大气向下红外辐射值转换为天空 亮温值；然后，基于探空数据和人工观测数据挑选出天顶无云的天顶红外亮温数据，并建立 数据集；这里的天顶指的是天顶角10°以内的区域。（实际使用时，若天顶角为0°时无云， 则取该点的亮温作为数据集，若该点有云，则在天顶角10°以内搜索无云区，并将其亮温经 过天顶角修正后作为数据集。）
[0010] (2)利用地基红外测云仪的测量数据判断天顶无云区域并获得该区亮温值。进 行天空亮温随天顶角的分布情况分析和天顶区域红外辐射图像的纹理分析，并进行综合判 断。
[0011] 其中，天空亮温随天顶角的分布情况分析的做法是：统计天空亮温随天顶角的分 布情况；由于有云情况下天空亮温随天顶角的分布与晴空条件下天空亮温随天顶角的分布 具有明显的差异，该步骤主要用于得到天空有云无云情况，并标记云点；
[0012] 其中，天顶区域红外辐射图像的纹理分析的方法是：将红外辐射图像以5X5的小 区间进行纹理分析，采用局部二值模式（LBP算法）算法进行纹理特征提取，并进行采用图 像分割的方法标记云点；
[0013] 其中，无云区综合判断的方法是。将上述步骤分别标记的云点和非云点进行综合， 若均判为非云点，则认为该点为无云，否则记为有云。若在10°天顶角以内存在无云区，则 将无云区天空亮温经过天顶角修正后，取中间值作为晴空区的天空亮温并存储。否则认为 天顶有云，存储天顶角0°对应的天空亮温并标记为云的亮温。
[0014] (3)将地基红外测云仪获取的天顶无云区天顶红外亮温、近地面环境温度代入 PWV的统计回归模型，估算PWV并进行自适应调整，具体方式是：
[0015] 若存在天顶无云区天顶红外亮温，则根据公式PWV = (Y-af^XT)/%得到PWV的 初猜值；若不存在，则按照传统的地面温湿度估算PWV作为初猜值；然后，将初猜PWV代入 已事先建好的查找表中，得到辐射阈值，并利用该辐射阈值进行云检测，将该云检测结果与 纹理云检测结果进行比较；若本步骤的云检测结果小于纹理云检测结果1成以上，则将PWV 以0· 1mm的步长向下调整，直至两者相差1成以内停止。否则，将PWV以0· 1mm的步长向上 调整，直至两者相差1成以内停止。将此时的PWV作为估算结果存储。
[0016] 本发明的有益效果：在红外光谱波段，水汽有许多重要的吸收带，因此，天空向下 的红外辐射受水汽的影响较大，在物理本质上二者有很大的关联性。并通过环境参数测量 机构提供了近地面空气的温度、湿度，从而为联合众多资料推算准确的PWV。
【专利附图】
【附图说明】
[0017] 图1是本发明提出的一种利用地基红外测云仪间接测量大气可降水量的流程图。
[0018] 图2是利用本发明提出的方法推算的PWV与仅利用近地面温湿度估算的PWV以及 探空资料计算的PWV之间的差异。
【具体实施方式】
[0019] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。
[0020] 图1是本发明提出的一种利用地基红外测云仪间接测量大气可降水量的流程图。 所述方法的【具体实施方式】如下：
[0021] (1)建立天顶红外亮温、近地面环境温度以及PWV的统计回归模型并利用最小二 乘法对模型求解，得到各因子的回归系数。具体步骤是：
[0022] 步骤1 :建立数据集。时间范围不少于1年，数据匹配时间点为对应的探空时次， 数据包括地基红外测云仪获得的天顶大气向下红外辐射值数据和近地面环境温度数据、探 空数据和人工地面气象观测数据。将探空数据积分计算得出PWV，将大气向下红外辐射值转 换为天空亮温值。然后，基于探空数据和人工观测数据挑选出天顶无云的数据，并建立数据 集。这里的天顶指的是天顶角10°以内的区域。实际使用时，若天顶角为0°时无云，则取 该点的亮温作为数据集，若该点有云，则在天顶角10°以内搜索无云区，并将其亮温经过天 顶角修正后作为数据集。
[0023] 步骤2 :建立统计回归模型。将天空亮温值作为因变量，PWV和近地面环境温度T 作为自变量。8-14 μ m天空向下的红外辐射与水汽含量有关，而PWV作为表征大气柱内水 汽含量的物理量，在物理本质上与天空向下的红外辐射息息相关；另外，仪器接收到的红外 辐射既包括天空向下的红外辐射，也包括周围环境发射的红外辐射，因此近地面环境温度 也是仪器接收到的红外辐射的一个重要影响因子。根据以上论述，可以建立回归模型：Y = afa'PWV+^XT。其中，Υ为天空亮温，&(|、和a2为待拟合的系数。
[0024] 步骤3 :最小二乘法对模型求解。该步骤中，主要是通过η组观测样本建立多 元线性回归模型，写成矩阵的形式f= 其中X表示自变量PWV和Τ的矩阵。定义
【权利要求】
1. 一种利用地基红外测云仪间接测量大气可降水量的方法，其特征是包括以下步骤： (1) 建立天顶红外亮温、近地面环境温度以及大气可降水量PWV的统计回归模型并利 用最小二乘法对模型求解，得到各因子的回归系数； 天顶红外亮温、近地面环境温度以及PWV的统计回归模型为Y = afaiXPWV+hXT ; 其中，Y为天顶红外亮温，％、&1和&2为待拟合的系数；各系数求解后，得到PWV = (Y-aa-aWT)/^ ;T为近地面环境温度； 进行天顶红外亮温、近地面环境温度以及PWV的统计回归模型求解的数据收集时间范 围不少于1年，同时进行数据匹配：数据匹配的时间点为对应的探空时次，数据包括地基红 外测云仪获得的天顶大气向下红外辐射值数据和近地面环境温度数据、探空数据和人工地 面气象观测数据；将探空数据积分计算得出PWV，将大气向下红外辐射值转换为天空亮温 值；然后，基于探空数据和人工观测数据挑选出天顶无云的天顶红外亮温数据，并建立数据 集；这里的天顶指的是天顶角10°以内的区域； (2) 利用地基红外测云仪的测量数据判断天顶无云区域并获得该区亮温值；进行天空 亮温随天顶角的分布情况分析和天顶区域红外辐射图像的纹理分析，并进行综合判断； 其中，天空亮温随天顶角的分布情况分析的做法是：统计天空亮温随天顶角的分布情 况；由于有云情况下天空亮温随天顶角的分布与晴空条件下天空亮温随天顶角的分布具有 明显的差异，该步骤主要用于得到天空有云无云情况，并标记云点； 其中，天顶区域红外辐射图像的纹理分析的方法是：将红外辐射图像以5X5的小区间 进行纹理分析，采用局部二值模式（LBP算法）算法进行纹理特征提取，并进行采用图像分 割的方法标记云点； 其中，无云区综合判断的方法是。将上述步骤分别标记的云点和非云点进行综合，若均 判为非云点，则认为该点为无云，否则记为有云。若在10°天顶角以内存在无云区，则将无 云区天空亮温经过天顶角修正后，取中间值作为晴空区的天空亮温并存储。否则认为天顶 有云，存储天顶角0°对应的天空亮温并标记为云的亮温。 (3) 将地基红外测云仪获取的天顶无云区天顶红外亮温、近地面环境温度代入PWV的 统计回归模型，估算PWV并进行自适应调整，具体方式是： 若存在天顶无云区天顶红外亮温，则根据公式PWV = (Υ-%-% X T) /?得到PWV的初猜 值；若不存在，则按照传统的地面温湿度估算PWV作为初猜值；然后，将初猜PWV代入已事 先建好的查找表中，得到辐射阈值，并利用该辐射阈值进行云检测，将该云检测结果与纹理 云检测结果进行比较；若本步骤的云检测结果小于纹理云检测结果1成以上，则将PWV以 0· 1mm的步长向下调整，直至两者相差1成以内停止；否则，将PWV以0· 1mm的步长向上调 整，直至两者相差1成以内停止。将此时的PWV作为估算结果存储。
2. 根据权利要求1所述的利用地基红外测云仪间接测量大气可降水量的方法，其特征 是若天顶角为0°时无云，则取该点的亮温作为数据集，若该点有云，则在天顶角10°以内 搜索无云区，并将其亮温经过天顶角修正后作为数据集。
3. 根据权利要求1所述的利用地基红外测云仪间接测量大气可降水量的方法，其特征 是利用地基红外测云仪的测量数据进行判断天顶无云区域时，采用了天空亮温随天顶角的 分布和红外辐射图像的纹理分析综合判定：进行天顶无云综合判定时，若天空亮温随天顶 角的分布和红外辐射图像的纹理分析中均判为非云点，则认为该点为无云，否则记为有云。
4.根据权利要求1所述的利用地基红外测云仪间接测量大气可降水量的方法，其特 征是若存在天顶无云区天顶红外亮温，则根据公式PWV = (Y-a〇-a2XT)/al得到PWV的初 猜值；若不存在天顶无云区天顶红外亮温，则按照传统的地面温湿度估算PWV作为初猜值； 然后，将初猜PWV代入已事先建好的查找表中，得到辐射阈值，并利用该辐射阈值进行云检 测，将该云检测结果与纹理云检测结果进行比较；若本步骤的云检测结果小于纹理云检测 结果1成以上，则将PWV以0. 1mm的步长向下调整，直至两者相差1成以内停止；否则，将 PWV以0. 1_的步长向上调整，直至两者相差1成以内停止。将此时的PWV作为估算结果存 储。
【文档编号】G01N21/3554GK104155705SQ201410398157
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月13日 优先权日:2014年8月13日
【发明者】刘磊, 高太长, 黄威, 张婷, 韩文宇, 赵世军 申请人:中国人民解放军理工大学