一种粒子平均消光效率因子拟合方法及装置与流程

本发明涉及粒子散射特性技术领域，尤其涉及一种粒子平均消光效率因子拟合方法及装置以及一种电子设备和一种计算机可读介质。

背景技术：

云是由大气中的水蒸气形成的，云中的粒子主要包括大小不一的水滴和形态各异的冰晶，根据大气条件不同云中所含有的粒子也不同。对于云中的水滴，研究者一般将其看作圆形粒子进行处理，而云中的冰晶粒子形状则较为复杂多样。在通常大气条件下冰晶为六方形，一般由两个相对应的六角形平面以及六个矩形的侧面组成，随着不断的增长过程，冰晶可能发展为板状、柱状、针状、枝状、扇状以及更为复杂的形状，但是基本是非球形的。针对不同形状的冰晶粒子，研究者在过去几十年间开展了大量研究。对于冰晶粒子的散射特性参数也开发出了多种计算方法，可实现粒子散射特性的计算。由理论计算获得粒子散射特性为离散的，数据量巨大。根据粒子散射特性进行大气辐射传输时，计算量很大，计算消耗的时间非常长，需要对计算过程简化处理，因此需要将粒子的散射特性进行参数化处理，进而实现计算加速。

平均消光效率因子为描述粒子散射特性的一个参数。因为云中粒子平均消光效率因子性强烈地依赖于粒子的有效直径，因此可以将每个波长处的粒子散射特性参数化为有粒子效尺度的函数。现有技术中，一般是将粒子的平均消光效率因子参数化为粒子有效尺度的多项式，但是采用多项式进行参数化存在一定误差，不准确，由此计算粒子散射特性准确性差。

因此，针对以上不足，需要提供一种提高准确性的粒子平均消光效率因子拟合方法。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，现有技术采用多项式进行粒子平均消光效率因子参数化存在误差，准确度低，针对现有技术中的缺陷，提供了一种粒子平均消光效率因子拟合方法及装置。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种粒子平均消光效率因子拟合方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取粒子平均消光效率因子数据，所述平均消光效率因子数据包括粒子有效尺度和所述粒子有效尺度对应的平均消光效率因子；

对所述平均消光效率因子数据中的粒子有效尺度进行分段划分，得到每一段粒子有效尺度区间对应的平均消光效率因子数据；

对每一段粒子有效尺度区间对应的平均消光效率因子数据进行指数拟合，得到粒子平均消光效率因子拟合结果。

优选地，所述对所述平均消光效率因子数据中的粒子有效尺度进行分段划分，具体包括：

以粒子有效尺度为坐标横轴参数，平均消光效率因子为坐标纵轴参数，查找平均消光效率因子的峰值和峰谷位置，以平均消光效率因子的峰值和峰谷位置对应的粒子有效尺度为节点来划分粒子有效尺度区间。

优选地，根据以下表达式，对每一段粒子有效尺度区间对应的平均消光效率因子数据进行指数拟合：

其中，y表示平均消光效率因子，x表示粒子有效尺度，i表示分段数量，yi0、ai和ti表示拟合系数。

优选地，利用所述粒子平均消光效率因子拟合结果，计算所述粒子有效尺度区间内任一粒子有效尺度对应的平均消光效率因子。

本发明还提供了一种粒子平均消光效率因子拟合装置，该装置包括：

数据获取单元，用于获取粒子平均消光效率因子数据，所述平均消光效率因子数据包括粒子有效尺度和所述粒子有效尺度对应的平均消光效率因子；

分段划分单元，用于对所述平均消光效率因子数据中的粒子有效尺度进行分段划分，得到每一段粒子有效尺度区间对应的平均消光效率因子数据；

数据拟合单元，用于对每一段粒子有效尺度区间对应的平均消光效率因子数据进行指数拟合，得到粒子平均消光效率因子拟合结果。

优选地，所述分段划分单元具体用于执行以下操作：

以粒子有效尺度为坐标横轴参数，平均消光效率因子为坐标纵轴参数，查找平均消光效率因子的峰值和峰谷位置，以平均消光效率因子的峰值和峰谷位置对应的粒子有效尺度为节点来划分粒子有效尺度区间。

优选地，所述数据拟合单元根据以下表达式，对每一段粒子有效尺度区间对应的平均消光效率因子数据进行指数拟合：

其中，y表示平均消光效率因子，x表示粒子有效尺度，i表示分段数量，yi0、ai和ti表示拟合系数。

优选地，所述数据拟合单元还用于执行以下操作：

利用所述粒子平均消光效率因子拟合结果，计算所述粒子有效尺度区间内任一粒子有效尺度对应的平均消光效率因子。

另一方面本发明还提供了一种电子设备，其特征在于，包括：

一个或多个处理器；

存储装置，用于存储一个或多个程序，

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如权前述任一所述的方法。

本发明还提供了一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如前述任一所述的方法。

实施本发明的粒子平均消光效率因子拟合方法及装置，具有以下有益效果：

1、本发明方案利用粒子平均消光效率因子随粒子有效尺度的变化特点，对平均消光效率因子数据进行了分段划分；

2、本发明方案基于分段划分后平均消光效率因子数据的变化特点，利用指数拟合方式对分段数据进行拟合，拟合精度更高；

3、本发明方案通过粒子平均消光效率因子的分段指数拟合，实现了粒子平均消光效率因子的参数化，克服了现有技术采用多项式进行参数化存在误差的缺陷，提高了准确度；

4、本发明方案实现粒子平均消光效率因子参数化后，可应用于后续大气辐射传输计算，并有效地提高计算速度。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的粒子平均消光效率因子拟合方法的流程图；

图2是分段划分的结果示意图；

图3是不同方法得到的粒子平均消光效率因子拟合结果对比图；

图4是本发明实施例二提供的粒子平均消光效率因子拟合装置的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的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。

实施例一

如图1所示，本发明实施例提供的粒子平均消光效率因子拟合方法，具体包括以下步骤：

首先步骤s1，获取粒子平均消光效率因子数据，所述平均消光效率因子数据包括粒子有效尺度和所述粒子有效尺度对应的平均消光效率因子。

平均消光效率因子为描述粒子散射特性的一个参数，粒子平均散射特性数据为粒子散射特性相关研究得到的已知数据，具体使用时，按照数据存储格式读取该粒子平均散射特性数据，包括波长、粒径和平均消光效率因子数据等，由此可得到粒子平均消光效率因子数据。该平均消光效率因子数据为包括粒子有效尺度和每个粒子有效尺度对应的平均消光效率因子的一组离散数据。本发明中的粒子表示云中的冰晶粒子。

随后在步骤s2中，对所述平均消光效率因子数据中的粒子有效尺度进行分段划分，得到每一段粒子有效尺度区间对应的平均消光效率因子数据。

在一些更优选的实施例中，所述对所述平均消光效率因子数据中的粒子有效尺度进行分段划分，具体包括：

以粒子有效尺度为坐标横轴参数，平均消光效率因子为坐标纵轴参数，查找平均消光效率因子的峰值和峰谷位置，以平均消光效率因子的峰值和峰谷位置对应的粒子有效尺度为节点来划分粒子有效尺度区间。

由于粒子平均消光效率因子强烈依赖于粒子有效尺度，即粒子平均消光效率因子随粒子有效尺度变化，因此本发明实施例中，将粒子有效尺度作为坐标横轴参数，将平均消光效率因子作为坐标纵轴参数，根据该组平均消光效率因子数据中平均消光效率因子的峰值和峰谷位置，也就是说，查询该组平均消光效率因子数据中平均消光效率因子取值为峰值及峰谷时对应的粒子有效尺度作为分段节点，将该组平均消光效率因子数据中的粒子有效尺度划分为多个区间，能够充分利用粒子平均消光效率因子与粒径的相关性。

具体应用时，先读取一个波长的平均消光效率因子数据，记作e(s(j))，j＝1,…,n，其中s(j)为第j个粒子有效尺度，n为粒子有效尺度的个数，e(s(j))为第j个粒子有效尺度对应的粒子平均消光效率因子。再计算获取该组粒子平均消光效率因子数据中平均消光效率因子取值的峰值和峰谷，根据峰值和峰谷位置将该组粒子平均消光效率因子数据进行分段划分，其中，峰值和峰谷位置表示所述平均消光效率因子为峰值或峰谷时对应的粒子有效尺度。记录平均消光效率因子为峰值和峰谷时对应的粒子有效尺度，作为分段节点，以该分段节点将该组平均消光效率因子中的粒子有效尺度划分为多个区间，需要说明的是，该分段节点需包括前述平均消光效率因子数据中第一个粒子有效尺度和最后一个数粒子有效尺度。随后，根据得到的分段节点，从第一个分段节点开始，也即平均消光效率因子数据的第一个粒子有效尺度开始，到第二个分段节点，作为第一个分段，依次取相邻的两个分段节点将粒子有效尺度进行分段划分，直到最后一个分段节点，也即平均消光效率因子数据的最后一个粒子有效尺度，由此得到多个粒子有效尺度区间，及每一段粒子有效尺度区间对应的平均消光效率因子数据，记为分段数据，该分段数据包括分段节点和分段数量，例如，有m个分段节点时，根据该分段节点得到的分段数量为m-1。

参照图2所示，其中es(1)表示第一个分段节点对应的平均消光效率因子，即第一个粒子有效尺度对应的平均消光效率因子，es(3)表示最后一个分段节点对应的平均消光效率因子，即最后一个粒子有效尺度对应的平均消光效率因子，该平均消光效率因子数据中包含一个峰值，对应第二个分段节点，es(2)表示该第二个分段节点对应的平均消光效率因子，根据该峰值位置将平均消光效率因子数据中的粒子有效尺度划分为两段。

最后在步骤s3中，对步骤s2分段得到的每一段粒子有效尺度区间对应的平均消光效率因子数据进行指数拟合，得到粒子平均消光效率因子拟合结果。

由于云中粒子平均消光效率因子与粒子有效尺度相关，因此可以将每个波长处的粒子散射特性参数化为粒子有效尺度的函数。而现有技术中一般是将粒子的平均消光效率因子参数化为粒子有效尺度的多项式，但是采用多项式进行拟合存在一定误差。而本发明提出采用对分段数据进行指数拟合的方法，有效提高了拟合精度。

在一些优选的实施例中，步骤s3中所述对每一段粒子有效尺度区间对应的平均消光效率因子数据进行指数拟合，根据以下表达式得到：

其中，y表示平均消光效率因子，x表示粒子有效尺度，i表示分段数量，yi0、ai和ti表示拟合系数。应该理解的是，当分段数量为i时，对应的应包含i+1个分段节点。

具体应用时，先对分段数据中第一段数据采用指数拟合的方式进行拟合，具体公式如下：

其中，y10、a1和t1表示拟合系数。

再对分段数据中的其它段数据，依次对每一段数据进行指数拟合，最终形成平均消光效率因子的分段指数拟合，得到粒子平均消光效率因子拟合结果，表达式如下所示：

其中，y表示平均消光效率因子，x表示粒子有效尺度，i表示分段数量，yi0、ai和ti表示拟合系数。

以图2所示的分段数据为例，首先以第一段数据包含的3个粒子有效尺度及其对应的平均消光效率因子为数据输入，进行指数拟合。然后再以第二段数据包含的15个粒子有效尺度及其对应的平均消光效率因子为数据输入，进行指数拟合。

在其他一些优选的实施例中，利用所述粒子平均消光效率因子拟合结果，计算所述粒子有效尺度区间内任一粒子有效尺度对应的平均消光效率因子。

实际应用中，得到粒子平均消光效率因子拟合结果后，依次将平均消光效率因子的分段数据以及粒子平均消光效率因子拟合结果存入参数化数据文件，该参数化数据文件包括分段节点i+1、分段数量i，以及每段粒子有效尺度区间对应的拟合系数yi0、ai和ti。

参照图3所示为不同方案获取的平均消光效率因子随粒子有效尺度变化的曲线，其中，包括参数化前的平均消光效率因子曲线，即理论数据，采用本发明分段指数拟合方法的平均消光效率因子曲线，以及分别采用三次多项式拟合及六次多项式拟合得到的平均消光效率因子曲线，由图3可明显看出，相对于多项式拟合方法，本发明的分段指数拟合获得的平均消光效率因子曲线与参数化前数据更为接近。

本发明利用对平均消光效率因子的分段数据进行指数拟合得到相应的粒子平均消光效率因子拟合结果，由此可实现粒子平均消光效率因子的参数化，提高了粒子平均消光效率因子参数化的准确性。实际使用时,通过获取不同波长的粒子平均消光效率因子数据,采用本发明的方法,能够实现对不同波长的粒子平均消光效率因子的参数化。在实现粒子平均消光效率因子参数化后，可应用于后续大气辐射传输计算，并有效地提高计算速度。

实施例二

如图4所示，为本发明实施例二提供的粒子平均消光效率因子拟合装置的示意图，该装置包括数据获取单元100、分段划分单元200和数据拟合单元300。

其中，数据获取单元100，用于获取粒子平均消光效率因子数据，所述平均消光效率因子数据包括粒子有效尺度和所述粒子有效尺度对应的平均消光效率因子。

本发明中，由数据获取单元100获取粒子平均消光效率因子数据。平均消光效率因子为描述粒子散射特性的一个参数，粒子平均散射特性数据为粒子散射特性相关研究得到的已知数据，具体使用时，按照数据存储格式读取该粒子平均散射特性数据，包括波长、粒径和平均消光效率因子数据等，由此可得到粒子平均消光效率因子数据。该平均消光效率因子数据为包括粒子有效尺度和每个粒子有效尺度对应的平均消光效率因子的一组离散数据。本发明中的粒子表示云中的冰晶粒子。

该装置还包括分段划分单元200，用于对所述平均消光效率因子数据中的粒子有效尺度进行分段划分，得到每一段粒子有效尺度区间对应的平均消光效率因子数据。

在一些更优选的实施例中，所述分段划分单元200对具体用于执行以下操作：

以粒子有效尺度为坐标横轴参数，平均消光效率因子为坐标纵轴参数，查找平均消光效率因子的峰值和峰谷位置，以平均消光效率因子的峰值和峰谷位置对应的粒子有效尺度为节点来划分粒子有效尺度区间。

根据现有研究可知粒子平均消光效率因子与粒子有效尺度强烈相关，即粒子平均消光效率因子会随粒子有效尺度的改变而变化，因此本发明实施例中，分段划分单元200将粒子有效尺度作为坐标横轴参数，将平均消光效率因子作为坐标纵轴参数，根据该组平均消光效率因子数据中平均消光效率因子的峰值和峰谷位置，也就是说，查询该组平均消光效率因子数据中平均消光效率因子取值为峰值及峰谷时对应的粒子有效尺度作为分段节点，将该组平均消光效率因子数据中的粒子有效尺度划分为多个区间，能够充分利用粒子平均消光效率因子与粒径的相关性。

具体使用时，先读取一个波长的平均消光效率因子数据，记作e(s(j))，j＝1,…,n，其中s(j)为第j个粒子有效尺度，n为粒子有效尺度的个数，e(s(j))为第j个粒子有效尺度对应的粒子平均消光效率因子。再计算获取该组粒子平均消光效率因子数据中平均消光效率因子取值的峰值和峰谷，即该组粒子平均消光效率因子数据中平均消光效率因子的极小值和极大值，根据峰值和峰谷位置将该组粒子平均消光效率因子数据进行分段划分，其中，峰值和峰谷位置表示所述平均消光效率因子为峰值或峰谷时对应的粒子有效尺度，也即是指该组粒子平均消光效率因子数据中平均消光效率因子为极小值或极大值时对应的粒子有效尺度。记录平均消光效率因子为峰值和峰谷时对应的粒子有效尺度，作为分段节点，以该分段节点将该组平均消光效率因子中的粒子有效尺度划分为多个区间，需要说明的是，该分段节点需包括前述平均消光效率因子数据中第一个粒子有效尺度和最后一个数粒子有效尺度。随后，根据得到的分段节点，从第一个分段节点开始，也即平均消光效率因子数据的第一个粒子有效尺度开始，到第二个分段节点，作为第一个分段，依次取相邻的两个分段节点将粒子有效尺度进行分段划分，直到最后一个分段节点，也即平均消光效率因子数据的最后一个粒子有效尺度，由此得到多个粒子有效尺度区间，及每一段粒子有效尺度区间对应的平均消光效率因子数据，记为分段数据，该分段数据包括分段节点和分段数量，例如有m个分段节点时，根据该分段节点得到的分段数量为m-1。

该装置还包括数据拟合单元300，用于对分段划分单元200分段得到的每一段粒子有效尺度区间对应的平均消光效率因子数据进行指数拟合，得到粒子平均消光效率因子拟合结果。

由于粒子平均消光效率因子与粒子有效尺度相关，因此可以将每个波长处的粒子散射特性参数化为粒子有效尺度的函数。而现有技术中一般是将粒子的平均消光效率因子参数化为粒子有效尺度的多项式，但是采用多项式进行拟合存在一定误差。因此，本发明通过对粒子平均消光效率因子数据进行分段后对分段数据分别进行指数拟合，拟合时充分考虑了平均消光效率因子数据的特性，从而有效提高了拟合精度。

在一些优选的实施例中，数据拟合单元300根据以下表达式，对每一段粒子有效尺度区间对应的平均消光效率因子数据进行指数拟合：

其中，y表示平均消光效率因子，x表示粒子有效尺度，i表示分段数量，yi0、ai和ti表示拟合系数。应该理解的是，当分段数量为i时，对应的应包含i+1个分段节点。

使用时，先对分段数据中第一段数据采用指数拟合的方式进行拟合，具体公式如下：

其中，y10、a1和t1表示拟合系数。

对于分段数据中的其它段数据，依次对每一段数据进行指数拟合，最后形成平均消光效率因子的分段指数拟合，得到拟合结果，表达式如下所示：

其中，y表示平均消光效率因子，x表示粒子有效尺度，i表示分段数量，yi0、ai和ti表示拟合系数。

在其他一些优选的实施例中，数据拟合单元300还用于利用所述粒子平均消光效率因子拟合结果，计算所述粒子有效尺度区间内任一粒子有效尺度对应的平均消光效率因子。

实际应用中，得到粒子平均消光效率因子拟合结果后，依次将平均消光效率因子的分段数据以及粒子平均消光效率因子拟合结果存入参数化数据文件，该参数化数据文件包括分段节点i+1、分段数量i，以及每段粒子有效尺度区间对应的拟合系数yi0、ai和ti。

应该理解地是，本发明的粒子平均消光效率因子拟合装置的原理与前面平均消光效率因子拟合方法相同，因此对于平均消光效率因子拟合方法的实施例的具体阐述也适用于该装置。

本发明的另一实施例还提供了一种电子设备，包括：一个或多个处理器；以及存储装置，用于存储一个或多个程序。

当上述一个或多个程序被上述一个或多个处理器执行，使得该一个或多个处理器实现前述实施例中任一所述的粒子平均消光效率因子拟合方法。

本发明的另一实施例还提供了一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现前述实施例中任一所述的粒子平均消光效率因子拟合方法。

综上所述，本发明提供的粒子平均消光效率因子拟合方法及装置，利用粒子平均消光效率因子随粒子有效尺度变化的特点，对平均消光效率因子数据进行了分段划分，得到分段数据；基于分段划分后平均消光效率因子数据的变化特点，利用指数拟合方式对分段数据进行拟合，拟合精度更高。本发明通过粒子平均消光效率因子的分段指数拟合，实现了粒子平均消光效率因子的参数化，克服了现有技术采用多项式进行参数化准确度低的缺陷，提高了粒子平均消光效率因子参数化的准确性。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。