基于地基微波辐射计反演云中水汽相变过程的方法和装置与流程

本发明涉及一种反演云中水汽相变过程的方法，具体是一种基于地基微波辐射计反演云中水汽相变过程的方法，本发明还涉及反演云中水汽相变过程所用的装置，具体是一种基于地基微波辐射计反演云中水汽相变过程用的装置。本发明属于大气物理和气象领域。

背景技术：

水汽相变过程描绘了空中云和降水形成、发展和演化趋势。混合态降水常常引发恶劣天气，例如：暴雨、冰雹、雷雨大风等强对流天气和暴雪、冻雨引发的路面积水、结冰和低能见度事件对汽车、火车和飞机等交通运输行业来说是极其危险的，因此，对它们的临近预报和预警显得非常重要。在高水平比赛项目如夏季和冬季奥运会、世界足球比赛等，由混合态降水引发的恶劣天气时常会影响比赛结果。经过大量的飞机观测资料分析发现在温度从0℃到-20℃，大约40％的时间都有混合相(固态和液态)云粒子存在的。但是具体来观测这种变化是非常困难，需要仪器有足够高的灵敏度，在云粒子尺度下每隔几分钟进行采样观测。如果在实验室里，通常是建立关于云中水汽相变的种种概念假设，在受控环境中进行复杂的实验。然而在自然云，因为无线电探空仪、机载设备和气象雷达本身的局限性，都不足以对这些概念假设提供可靠的实证证据。

目前还没有发现用观测资料反演云中水汽相变过程的方法，但发现有人利用双偏振雷达探测的多个参数来识别回波中粒子相态，存在目前双偏振雷达因质量不高导致信噪比低难以准确识别回波中粒子相态，还有人利用卫星识别云顶相态，只可以区分出云顶的水云和冰云，不过没有看到云中水汽的固态、液态和气态之间平衡收支的动态变化趋势，不能充分反映出混合相态云中水汽相变过程。

发明人在研究中发现，利用微波辐射计有利于分析灾害性天气过程中对流层快速变化的热力学信息，且能通过其微小尺度(中尺度)现象的温湿度变化能反演出云中水汽相态变化趋势，连同获得从对流层低层到高层的风数据(如风廓线雷达)，将大大有利于混合态降水引发灾害性天气的临近预报和预警服务。

发明人检索到以下相关专利文献：cn103792538a公开了一种基于地基高光谱微波辐射计的大气廓线反演方法，属于微波遥感技术领域。本方法包括以下步骤：设置地基微波辐射计的系统参数；获取背景参数以及背景场误差；建立辐射传输模型，确定大气辐射传输亮温；利用变分方法的迭代过程反演大气廓线。利用它可以通过地基高光谱微波辐射计得到精确反演的大气廓线，特别适用于多通道辐射计和先验数据不足的探测情况，能够完整地利用高光谱辐射计提供的大量频段信息，具有较强的适用性和较小的探测误差。cn103278479a公开了一种大气辐射传输修正系统及修正方法，包括有温度湿度廓线探测系统、气溶胶廓线探测系统、地面大气参数测量系统、总控计算机，温度湿度廓线探测系统包括有地基微波辐射计，地基微波辐射计的信号输出端连接有计算机一；气溶胶廓线探测系统包括有微脉冲激光雷达，微脉冲激光雷达的信号输出端连接有计算机二；地面大气参数测量系统包括有自动气象站、能见度仪、雨量感应器，自动气象站、能见度仪、雨量感应器的信号输出端共同接入计算机三；各计算机分别通过网线连接路由器，总控计算机内安装有大气光学参数控制软件、大气透过率计算软件，计算测量设备所关心的各个波段的平均透过率。

以上技术对于本发明如何能够有效反演云中水汽相变过程，并未给出具体的指导方案。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于地基微波辐射计反演云中水汽相变过程的方法，它能弥补目前双偏振雷达因质量不高导致信噪比低难以准确识别粒子相态和卫星只能识别云顶水云和冰云相态的问题，能有效得出目标区混合相态云中水汽随时间和空间的一个相变过程，反映出云中水汽的固态、液态和气态之间平衡收支的动态变化趋势，适用于降水相态预测预报、分析云微物理演变特征以及确定人工增雨(防雹)播云部位和选择合适的作业时机，也可以用于大型活动保障、交通安全运输保障、航空航天安全飞行和工农业安全生产所需气象保障的情况。

为此，本发明还要提供所述的基于地基微波辐射计反演云中水汽相变过程所用的装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种基于地基微波辐射计反演云中水汽相变过程的方法，其技术方案在于它包括如下步骤：

步骤一：获取地基微波辐射计垂直探测目标区实测数据，完成数据一致性检查，即同一云底高度和地面气压p0对应的实测数据，之后进入第二步；

步骤二：利用实测数据和云阈值识别出混合相态云区，所述利用实测数据和云阈值识别出混合相态云区包括以下过程：

(1)通过温度t廓线实测数据可以确定0℃层位置高度；(2)云阈值为rh0，当相对湿度rh＞rh0时即为云区；反之为非云区；通过(1)和(2)即可确定混合相态云区；

步骤三：通过实测数据，计算云中气压p垂直廓线，云中在高度z处的气压p(z)计算公式为

p(z)＝p0*(t0/(t0+gamma_s*z*1000))^{(g/r/gamma_s)}

利用公式计算出p(z)，其中，p0为地面气压，t0为地面气温，gamma_s为干绝热垂直递减率，g为重力加速度，r为干空气比气体常数；

步骤四：利用实测数据结合第三步计算的气压p三种廓线数据，计算出云中水汽压e、液面饱和水汽压es和冰面饱和水汽压ei廓线数据，所述计算出云中水汽压e、液面饱和水汽压es和冰面饱和水汽压ei包含过程：

(1)通过以下公式计算出云中液面饱和水汽压es：

es＝exp(l0+l1*t+l2*t²+l3*t³+l4*t⁴+l5*t⁵+l6*t⁶)

其中l0＝1.809567918；l1＝7.266296315e-2；l2＝-2.99640337e-4；l3＝1.160464233e-6；l4＝-4.606513971e-9；l5＝2.315159066e-11；l6＝-1.103513358e-13，t＝t-273.16

(2)通过以下公式计算出云中冰面饱和水汽压ei：

其中x和y的表达式分别为x＝exp(21.8745584*(t-273.16)/(t-7.66))，

y＝exp(17.2693882*(t-273.16)/(t-35.86))。

(3)通过以下公式计算出云中水汽压e：

e＝0.622*rh/100*es/(0.611+0.622*rh/100*es/p)

其中rh、t、p均为高度为z处的值，计算出水汽压e、液面饱和水汽压es、冰面饱和水汽压ei也是相应高度为z处的值；

步骤五：利用构建的水汽相变模型，反演云中水汽相变过程：

(1)构建水汽相变模型：对于含有水汽、液滴和冰粒子混合相态的云来说，云中水滴和冰粒子的凝结增长或蒸发相变过程与云中水汽压e、液面饱和水汽压es和冰面饱和水汽压ei差异是分别相关的，由于气温在0℃以下es＞ei，因此e、es和ei有三种可能的不等式，构建水汽相变模型如下：

(a)当e＞es＞ei时，在混合相云的上升气流区域，水滴和冰粒双方都在争取水汽，水滴与冰粒子同时增长，将会发生水汽凝结成过冷水滴与水汽凝华成冰相粒子的相变过程；

(b)当es＞e＞ei时，在混合相态云中的上升气流区和下沉气流区出现过冷水滴蒸发，而冰粒子随着水汽扩散增长，也称贝吉隆过程，将会发生过冷水滴蒸发成水汽和水汽凝华成冰相粒子的相变过程；

(c)当es＞ei＞e时，在这种情况下，因夹带与环境云边界附近的干空气混合而出现过冷水滴与冰粒子消耗过程，同时会发生冰粒子升华成水汽和过冷水滴蒸发成水汽的相变过程。

(2)根据水汽相变模型和步骤四计算结果，反演出混合相态云中的水汽相变过程。

上述技术方案中，本发明的优选方案可以是：所述的步骤三中，所述的垂直廓线是指地基微波辐射计探测高度为地面至空中10km垂直距离，在0-500m，500m-2km和2km-10km高度上分辨率分别为50m、100m和250m一层，共58层的温度t、相对湿度rh、液水含量lint和水汽含量vint观测数据。上述的步骤二中，所述的云阈值是指利用探空秒数据资料根据不同温度计算相对湿度，水面的和冰面的，然后依据相对湿度廓线变化特征即以相对湿度rh0的阈值为云区，其中rh0因季节不同而有所差别。上述的步骤二中，所述的混合相态云区是指在温度零下时云中水汽和过冷水滴、冰相粒子几种粒子共存所在的区域。

一种基于地基微波辐射计反演云中水汽相变过程用的装置，其技术方案在于所述的基于地基微波辐射计反演云中水汽相变过程用的装置包括：获取模块(数据获取模块)，用于通过地基微波辐射计获取探测目标区实测数据；计算模块，利用实测数据，计算出云中水汽压e、液面饱和水汽压es和冰面饱和水汽压ei廓线数据；反演计算模块(反演模块)，用于利用水汽相变模型，反演云中水汽相变过程；图像输出模块，用于图像输出。

上述的计算模块包括：第一计算单元，利用实测数据，计算云中气压(p)垂直廓线；第二计算单元，用于利用实测数据结合步骤三计算出的气压p三种廓线数据，计算出云中水汽压e、液面饱和水汽压es和冰面饱和水汽压ei廓线数据。

本发明提供了一种基于地基微波辐射计反演云中水汽相变过程的方法和装置(属于大气物理和气象领域)，所述方法包括：获取地基微波辐射计分别获取垂直探测目标区实测数据；然后利用实测数据和云阈值识别混合相态云区；再通过实测数据，计算出气压(p)廓线数据；再利用实测数据结合第三步计算出的气压(p)三种廓线数据，计算出云中水汽压(e)、液面饱和水汽压(es)和冰面饱和水汽压(ei)廓线数据；最后，利用构建的水汽相变模型，反演云中水汽相变过程。本发明还提供了实现所述方法的装置。目前还没有发现反演云中水汽相变过程的方法(本发明最大程度弥补了目前双偏振雷达因质量不高导致信噪比低难以准确识别粒子相态和卫星只能识别云顶相态的问题)，利用本发明能有效得出目标区混合相态云中水汽随时间和空间的一个相变过程，反映出云中水汽的固态、液态和气态之间平衡收支的动态变化趋势，特别适用于降水相态预测预报、分析云微物理演变特征以及确定人工增雨(防雹)播云部位和选择合适的作业时机，还可以用于大型活动保障、交通安全运输保障、航空航天安全飞行和工农业(等各种)安全生产所需气象保障的情况。

综上所述，本发明很好地弥补了目前双偏振雷达因质量不高导致信噪比低难以准确识别粒子相态和卫星只能识别云顶水云和冰云相态的问题，能有效得出目标区混合相态云中水汽随时间和空间的一个相变过程，反映出云中水汽的固态、液态和气态之间平衡收支的动态变化趋势(这是已有的其它方法所不具备的)，特别适用于降水相态预测预报、分析云微物理演变特征以及确定人工增雨(防雹)播云部位和选择合适的作业时机，还可以用于大型活动保障、交通安全运输保障、航空航天安全飞行和工农业(等各种)安全生产所需气象保障的情况。

附图说明

图1为本发明的(第一个实施例)基于地基微波辐射计反演云中水汽相变过程的方法的流程图。

图2为本发明的(第一个实施例)中所述的混合相态降水过程中多普勒雷达回波随时间演变特征的示意图。

图3为本发明的(第一个实施例)中所述的混合相态云区识别示意图。

图4为本发明的(第一个实施例)中包括云中水汽相变过程随时间演变的示意图。

图5为本发明的(第二个实施例)基于地基微波辐射计反演云中水汽相变过程用的装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1、图2、图3、图4所示，本发明的(第一个实施例)基于地基微波辐射计反演云中水汽相变过程的方法包括如下步骤：

步骤一(即s101)：获取地基微波辐射计垂直探测目标区实测数据(即探测目标区温度t、相对湿度rh、云底高度cb和地面气压p0实时观测数据)，完成一致性检查，即同一云底高度和地面气压p0对应的实测数据，之后进入第二步；步骤一具体的，完成云中水汽相态过程主要由液面饱和水汽压、冰面饱和水汽压、云中水汽压等因素决定，液面饱和水汽压、冰面饱和水汽压计算需要用到温度、相对湿度实测数据，此外，云中水汽压计算需要用到气压数据。目前，地基微波辐射计一般采用天顶探测方式，探测数据有温度、相对湿度、地面气压和云底高度。基于此，本发明实施例中，通过地基微波辐射计获取目标区温度t、相对湿度rh、云底高度cb和地面气压p0实测数据，用以后续反演目标区域的云中水汽相态过程。

本发明实施例将实验地点(即上述探测目标区)选定在有地基微波辐射计地点，并重点关注混合相态降水天气。这是由于混合态降水常常引发恶劣天气，且常伴随着剧烈的云中水汽相变过程。其中，先后有4个对流单体经过探测目标区，发生了雷雨大风和冰雹等灾害性天气的多普勒雷达回波随时间演变的特征，如图2所示。

步骤二(即s102)：利用实测数据和云阈值识别出混合相态云区，所述利用观测数据和云阈值识别出混合相态云区包括以下过程：

(1)通过温度t廓线实测数据可以确定0℃层位置高度；(2)云阈值为rh0，当相对湿度rh＞rh0时即为云区；反之为非云区；通过(1)和(2)即可确定混合相态云区；其中，得到的混合相态云区图像如图3所示。

步骤三(即s103)：通过实测数据，计算云中气压p垂直廓线，所述计算云中气压p垂直廓线包含过程：气压总是随高度递减，大气在水平方向上分布比较均匀，在一定范围内云中在高度z处的气压p(z)计算公式为

p(z)＝p0*(t0/(t0+gamma_s*z*1000))^{(g/r/gamma_s)}

利用公式计算出p(z)，其中，p0为地面气压，t0为地面气温，gamma_s为干绝热垂直递减率，g为重力加速度，r为干空气比气体常数。

步骤四(即s104)：利用实测数据结合第三步计算的气压p三种廓线数据，计算出云中水汽压e、液面饱和水汽压es和冰面饱和水汽压ei廓线数据，所述计算出云中水汽压e、液面饱和水汽压es和冰面饱和水汽压ei包含过程：

(1)通过以下公式计算出云中液面饱和水汽压es：

es＝exp(l0+l1*t+l2*t²+l3*t³+l4*t⁴+l5*t⁵+l6*t⁶)

其中l0＝1.809567918；l1＝7.266296315e-2；l2＝-2.99640337e-4；l3＝1.160464233e-6；l4＝-4.606513971e-9；l5＝2.315159066e-11；l6＝-1.103513358e-13，t＝t-273.16

(2)通过以下公式计算出云中冰面饱和水汽压ei：

其中x和y的表达式分别为

x＝exp(21.8745584*(t-273.16)/(t-7.66))，

y＝exp(17.2693882*(t-273.16)/(t-35.86))。

(3)通过以下公式计算出云中水汽压e：

e＝0.622*rh/100*es/(0.611+0.622*rh/100*es/p)

其中rh、t、p均为高度为z处的值，计算出水汽压e、液面饱和水汽压es、冰面饱和水汽压ei也是相应高度为z处的值。

步骤五(即s105)：利用构建的水汽相变模型，反演云中水汽相变过程：

(1)构建水汽相变模型：对于含有水汽、液滴和冰粒子混合相态的云来说，云中水滴和冰粒子的凝结增长或蒸发等相变过程与云中水汽压e、液面饱和水汽压es和冰面饱和水汽压ei差异是分别相关的，由于气温在0℃以下es＞ei，因此e、es和ei有三种可能的不等式，构建水汽相变模型如下：

(a)当e＞es＞ei时，在混合相云的上升气流区域，水滴和冰粒双方都在争取水汽，水滴与冰粒子同时增长，将会发生水汽凝结成过冷水滴与水汽凝华成冰相粒子的相变过程；

(b)当es＞e＞ei时，在混合相态云中的上升气流区和下沉气流区出现过冷水滴蒸发，而冰粒子随着水汽扩散增长，也称贝吉隆过程，将会发生过冷水滴蒸发成水汽和水汽凝华成冰相粒子的相变过程；

(c)当es＞ei＞e时，在这种情况下，因夹带与环境云边界附近的干空气混合而出现过冷水滴与冰粒子消耗过程，同时会发生冰粒子升华成水汽和过冷水滴蒸发成水汽的相变过程。

(2)根据水汽相变模型和步骤四(第四步)计算结果，反演出混合相态云中的水汽相变过程。其中，得到的云中水汽相变过程图像如图4所示。

上述各公式中的星号“*”代表乘号。上述的步骤三中，所述的垂直廓线是指地基微波辐射计探测高度为地面至空中10km垂直距离，在0-500m，500m-2km和2km-10km高度上分辨率分别为50m、100m和250m一层，共58层的温度t、相对湿度rh、液水含量lint和水汽含量vint观测数据。

上述的步骤二中，所述的云阈值是指利用探空秒数据资料根据不同温度计算相对湿度，水面的和冰面的，然后依据相对湿度廓线变化特征即以相对湿度rh0的阈值为云区，其中rh0因季节不同而有所差别。所述的混合相态云区是指在温度零下时云中水汽和过冷水滴、冰相粒子几种粒子共存所在的区域。

如图5所示，本发明的(第二个实施例)基于地基微波辐射计反演云中水汽相变过程(所)用的装置包括：

获取模块(数据获取模块)11，用于通过地基微波辐射计获取探测目标区实测数据；计算模块12，利用实测数据，计算出云中水汽压e、液面饱和水汽压es和冰面饱和水汽压ei廓线数据；反演计算模块(反演模块)13，用于利用水汽相变模型，反演云中水汽相变过程；图像输出模块14，用于(装置)图像输出。

上述的计算模块包括：第一计算单元，利用实测数据，计算云中气压(p)垂直廓线；第二计算单元，用于利用实测数据结合步骤三计算出的气压p三种廓线数据，计算出云中水汽压e、液面饱和水汽压es和冰面饱和水汽压ei廓线数据。

目前还没有发现反演云中水汽相变的方法，利用本发明可以最大程度弥补目前双偏振雷达因质量不高导致信噪比低难以准确识别粒子相态和卫星只能识别云顶相态的问题，能有效得出目标区混合相态云中水汽随时间和空间的一个相变过程，反映出云中水汽的固态、液态和气态之间平衡收支的动态变化趋势，特别适用于降水相态预测预报、分析云微物理演变特征以及确定人工增雨(防雹)播云部位，也可以用于大型活动保障、交通安全运输保障、航空航天安全飞行和工农业安全生产所需气象保障的情况。

在本申请所提供的以上实施例中，应该理解到，所公开的方法、装置可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。另外，在本发明实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。