一种融合无线电掩星观测和ERA5的大气逆温特性估计方法

一种融合无线电掩星观测和era5的大气逆温特性估计方法
技术领域
1.本发明涉及大气边界层特性估计与研究应用领域，具体涉及一种融合无线电掩星观测和era5的大气逆温特性估计方法。


背景技术：

2.大气边界层的逆温结构及其分布特征直接影响着极区海-冰-气之间的物质和能量交换。一方面，极区大气边界层的逆温结构有助于地面与自由大气之间的退耦，通过限制湍流混合和抑制能量交换，加剧极地和全球气候变化。另一方面，极区大气边界层的逆温结构与云的分布有紧密联系，可通过增加向下长波辐射而影响地表能量平衡。因此，精确估计极区大气边界层的逆温结构特征，对于推进气候模式中极区大气边界层参数化方案的合理制定，准确预测未来极区及全球变化趋势具有重要的意义。
3.目前很多学者都开展了极区大气边界层逆温特性的研究工作。无线电探空观测作为传统的大气探测手段，自上世纪90年代以来就用于极区大气边界层逆温特性的估计，但是探空观测不仅空间分辨率低，而且不同仪器类型观测的垂直分辨率具有较大的差别，这使得相关结果难以全面地反映整个极地地区大气边界层的分布和变化特征。数值模型也可以用于大气边界层结构的模拟，但其精度较低，估算的逆温强度通常都偏大。基于中分辨率成像光谱仪(modis)的卫星遥感观测用于逆温特性估计时往往仅限于冬季，且仅适用于无云条件。大气红外探测仪(airs)可用于估计无云和部分有云条件下的极地大气边界层特性，但airs产品的垂直分辨率较低，难以捕捉到极地大气边界层的精细逆温结构特征。gps无线电掩星观测用于极地大气边界层逆温结构具有垂直分辨率高(100m)、精度高、无需仪器校正、长期稳定等优势，但最低探测高度无法到达地表，且在近地表的观测易受多路径误差的影响，使得其估计的大气边界层结构特征存在一定的系统性误差。因此，迫切需要开发一种新的极区大气边界层的逆温特性精确估计的新方法。


技术实现要素：

4.根据上述技术问题，本发明利用gps无线电掩星观测和欧洲中尺度天气预报中心提供的最新一代的大气再分析资料era5的模式层数据，提供一种融合无线电掩星观测和era5的大气逆温特性估计方法。
5.本发明采取的技术方案为：一种融合无线电掩星观测和era5的大气逆温特性估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.步骤一：利用多低轨卫星平台的gps无线电掩星观测数据，提取待测试区域第一高度至地表的大气温度廓线；
7.步骤二：对era5大气再分析资料的模式层数据进行处理，提取所述待测试区域所述第一高度至地表的大气温度廓线；
8.步骤三：用最近邻法，将提取的所述gps无线电掩星观测与所述era5大气再分析资料的大气温度廓线进行时空匹配；
9.步骤四：选取最低探测高度阈值h，将低于所述最低探测高度阈值h的所述era5的大气温度廓线补偿至所述gps无线电掩星观测中，获取完整的高垂直分辨率的大气温度廓线；
10.步骤五：对获取的所述大气温度廓线进行质量控制，估计大气逆温的高度、厚度和强度特性。
11.进一步的，所述步骤一中提取待测试区域的大气温度廓线通过选取所述gps无线电掩星事件的切点位置作为该次无线电掩星观测的位置，判断其是否落入待测试区域。
12.进一步的，所述第一高度为500hpa。
13.进一步的，所述步骤二中提取逐6小时的era5大气再分析资料。
14.进一步的，所述步骤二中对era5大气再分析资料的模式层数据进行处理，包括提取地表位势高和地表压强，计算各模式层对应的位势高度；
15.(2.1)计算各模式层的压强pk[0016][0017]
其中k＝1，2，
…
，137，为各混合层的系数，ps为地表压强；
[0018]
各模式层的压强pk可通过下式计算：
[0019][0020][0021]
(2.2)计算虚温：
[0022]
虚温tv可表示为：
[0023]
tv＝t(1+((r
vap
/r
dry
)-1)q)
[0024]
其中r
vap
，r
dry
分别为水汽和干空气的气体常数，t为温度，q为湿度；
[0025]
(2.3)计算各模式层上的位势高：
[0026][0027][0028]
其中φs为地表位势高；当k＝1时，αk＝ln2，当k＞1时，
[0029]
进一步的，所述步骤三中的最近邻法，即使用距离最近的点完成所述gps无线电掩星观测与所述era5大气再分析资料的大气温度廓线时间及空间上的匹配。
[0030]
进一步的，所述步骤五中的估计大气逆温高度、厚度和强度特性，需满足：
[0031]
(1)剔除任一层温度值低于-40℃的大气温度廓线；
[0032]
(2)在所述最低探测高度阈值以上的逆温层中，去除逆温厚度小于100m的逆温层；
[0033]
(3)在所述最低探测高度阈值以下的逆温层中，去除逆温厚度小于25m的逆温层；
[0034]
(4)两个逆温层之间的高度间隔小于100m时，合并这两个逆温层；
[0035]
(5)忽略逆温强度低于0.3℃的逆温层。
[0036]
本发明的有益效果：
[0037]
(1)利用多低轨卫星平台上的gps无线电掩星观测开展极区大气逆温特性估计；
[0038]
(2)微波遥感与大气再分析资料融合方法可以覆盖整个极区，且全天候、无需仪器校正、长期稳定、垂直分辨率高、精度高；
[0039]
(3)既能较好地估计近地表的逆温结构特征，还能探测到对流层中上层中的可能出现的逆温层。
附图说明
[0040]
图1为本发明一种融合无线电掩星观测和era5的大气逆温特性估计方法流程图。
[0041]
图2为本发明用于验证结果的北极地区探空测站的分布图。
[0042]
图3为时空匹配的cosmic、era5、rs和本专利提出方法得到的大气温度廓线。
[0043]
图4为时空匹配的grace、era5、rs和本专利提出方法得到的大气温度廓线。
[0044]
图5为时空匹配的kompsat-5、era5、rs和本专利提出方法得到的大气温度廓线。
[0045]
图6为时空匹配的metop-a、era5、rs和本专利提出方法得到的大气温度廓线。
[0046]
图7为时空匹配的metop-b、era5、rs和本专利提出方法得到的大气温度廓线。
[0047]
图8为时空匹配的sac-c、era5、rs和本专利提出方法得到的大气温度廓线。
[0048]
图9为时空匹配的tandem-x、era5、rs和本专利提出方法得到的大气温度廓线。
[0049]
图10为时空匹配的terrasar-x、era5、rs和本专利提出方法得到的大气温度廓线。
具体实施方式
[0050]
为了更好地阐述与理解本发明的技术方案和优点，下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
[0051]
如图1所示，给出了本发明一种融合无线电掩星观测和era5的大气逆温特性估计方法流程图。以下的说明选取北极地区2007年以后的部分gps无线电掩星观测作为实施例，具体的空间范围为
ꢀ‑
180
°
w～180
°
e，60
°
n～90
°
n。
[0052]
s101、利用多低轨卫星平台的gps无线电掩星观测数据，提取待测试区域第一高度至地表的大气温度廓线；
[0053]
gps无线电掩星技术是把gps接收机装在空间运动载体(如低轨卫星)上，根据大气中电磁波折射与大气的温、压、湿等参数的关系，用gps接收机观测到的多普勒频移加上gps接收机本身和gps 卫星的位置和速度信息，反演大气折射率，最终导出温、压、湿等相关参数。本专利所使用的gps无线电掩星数据均来自于美国cosmic 数据分析与存储中心(cdaac；https://cdaac-www.cosmic.ucar.edu/)，具体的数据类型是二级产品中的温湿度廓线资料(wetprf)。所使用的gps无线电掩星数据所在的低轨卫星平台主要有cosmic (constellation observing system for meteorology ionosphere& climate)-1，grace(gravity recovery and climate experiment)， kompsat-5(korea multi-purpose satellite-5)，meteorologicaloperational satellite program(metop)-a/b，paz，sac-c(scientificapplication satellite-c)，tandem-x和terrasar-x等。
[0054]
cosmic是由中国台湾地区和美国共同发展的一项多学科卫星任务，主要致力于中性层、电离层和地球引力场等与地球科学有关的研究； cosmic星座包含6颗低轨卫星，使得其掩星观测是所有掩星计划中数据源最充足的掩星资料。grace是一项国际合作的美德双星sst (卫星到卫星跟踪)大地测量任务，涉及德克萨斯大学奥斯汀分校的太空研究中心(csr)、美国宇航局的喷气推进实验室(jpl)、德国航天局(dlr)和德国国家地球科学研究中心(gfz)等机构。 kompsat-5是韩国太空计划的第一个掩星任务，配备双频gps接收器，以生成精确的定轨数据和gps掩星数据。metoppaz由西班牙科学和创新部发展，可以通过接收两个极化天线的gps信号，比较不同天气情况下相位延迟之间的测量相位差，以捕捉强降水事件中的热动力学和液水剖面，为极端降水难度预报提供有利条件；目前其在大气探测方面的任务开展非常有限，有待逐步弥补和完善。sac-c 卫星于2000年11月21日发射，它是由阿根廷、丹麦、意大利、巴西、法国和美国等多个国家共同发展的一个国际地球观测卫星任务，且主要由阿根廷负责卫星的发展；其主要的科学目标是监测陆地和海洋生物圈和环境的状况和动态，开发和利用新的基于全球定位系统的技术来全球测量大气现象以研究天气，季节性、年际和长期气候变化。 tandem-x和terrasar-x双子星由dlr分别于2007年6月15日和 2010年6月21日发射，除了进行全球数字高程模型(dem)的生成外，其上面也装载有gps接收机，可对大气廓线进行观测。
[0055]
gps掩星事件的位置(即掩星地点)用与地球表面相切时的gps 卫星和低轨卫星连线上距离地心最近点的经纬度表示。对gps无线电掩星的wetprf资料进行提取的过程中，我们需要根据每个掩星观测的切点位置判断其是否落在研究区域(即北极地区)内。如果满足条件，则可对该掩星事件的位置，以及位势高、压强、大气温度等廓线进行记录，用于后续数据处理。
[0056]
s102、对era5大气再分析资料的模式层数据进行处理，提取所述待测试区域所述第一高度至地表的大气温度廓线，以及地表位势高和地表压强，计算各模式层对应的位势高度；
[0057]
era5是欧洲中期数值预报中心的第五代再分析资料产品 (https://cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#！/search？type＝dataset)，它重新处理了卫星气候数据集，并运用了rttov11辐射传输模式，使得数据具有更高的时间分辨率。另外，era5同化了更多的观测数据和卫星数据，能更为准确地估计大气状况。era5模式层数据共137层，在500hpa至地表的高度中，era5模式层数据约有42层数据。在近地表的100hpa中，era5模式层数据则约有18层数据。因此，era5 模式层数据可以很好地用于弥补gps无线电掩星观测在近地表的缺陷。但是，由于era5模式层数据并没有提供直接提供每个模式层对应的位势高度和压强，为了获取各模式层上的位势高度和压强，还需要获取地表位势高和地表压强后进行如下计算。
[0058][0059]
式(1)中，k＝1，2，
…
，137，为各混合层的系数(如表1所示)，ps为地表压强。各模式层的压强pk可通过下式计算：
[0060][0061][0062]
虚温tv可表示为：
[0063]
tv＝t(1+((r
vap
/r
dry
)-1)q)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0064]
式(4)中，r
vap
，r
dry
分别为水汽和干空气的气体常数，t为温度，q为湿度。
[0065]
各模式层上的位势高可表示为
[0066][0067][0068]
式(6)中，φs为地表位势高；当k＝1时，αk＝ln 2，当k＞1时，
[0069][0070]
表1 era5模式层数据的混合层系数
[0071][0072][0073]
s103、用最近邻法，将提取的所述gps无线电掩星观测与所述 era5大气再分析资料的大气温度廓线进行时空匹配；
[0074]
在获取了北极地区gps无线电掩星观测从500hpa至最低探测高度，以及era5模式层数据逐6小时从500hpa至地表的大气温度廓线后，就要开始进行两者之间的时空匹配。由于era5数据的时间分辨率为6小时，因此gps无线电掩星观测与era5数据的最大时间间隔为3小时，这使得基于最近邻法就可以完成时间域上的匹配。当使用空间分辨率为0.5
°×
0.5
°
era5数据时，假设在北极地区0.5
°
的空间距离上的两个点之间的温度不存在显著差异，亦可以使用最近邻法完成空间域上的匹配。
[0075]
s104、选取最低探测高度阈值h，将低于所述最低探测高度阈值 h的所述era5的大气温度廓线补偿至所述gps无线电掩星观测中，获取完整的高垂直分辨率的大气温度廓线；
[0076]
在完成gps无线电掩星观测和era5的大气温度廓线在时间域和空间域上的匹配后，设置gps无线电掩星观测的最低探测高度阈值h(本次实施例中选取h＝500m)，对gps无线电掩星观测和era5 的大气温度廓线进行数据融合。需要说明的是，如果gps无线电掩星观测在距离地表h高度范围内没有有效观测时，该大气温度廓线将不参与大气逆温特性的估计，需要进行剔除。针对era5提取的大气温度廓线，进一步截取地表至gps无线电掩星最低观测高度范围内的大气温度廓线，然后将该部分的大气温度廓线与原始的gps无线电掩星观测的大气温度廓线按照高度顺序进行融合，即获取得到自 500hpa至地表之间的完整的高垂直分辨率的大气温度廓线。
[0077]
s105、步骤五：对获取的所述大气温度廓线进行质量控制，估计大气逆温的高度、厚度和强度特性。
[0078]
利用融合gps无线电掩星观测和era5模式层数据得到的完整的大气温度廓线，估计掩星切点位置的大气逆温高度、厚度和强度等特性。逆温高度指某一随高度升高而温度升高的大气逆温层的最低高度，逆温高度指某一逆温层的顶部与底部的高度差，而逆温强度指某一逆温层的顶部与底部所在位置的温度差。为了保证估计的大气逆温特性的有效性和质量，本专利获取得到的大气温度廓线进行逆温特性估计时需要注意以下几点约定：
[0079]
(1)大气温度廓线的任一高度的温度值不低于-40℃，否则不参与逆温特性估计；
[0080]
(2)在gps无线电掩星最低观测高度以上的逆温层中，忽略逆温厚度小于100m的逆温层；
[0081]
(3)在gps无线电掩星最低观测高度以下的逆温层中，忽略逆温厚度小于25m的逆温层；
[0082]
(4)当多层逆温出现时，如果不同逆温层之间的高度间隔小于 100m时，需要将高度间隔小于100m的逆温层进行合并；
[0083]
(5)忽略逆温强度低于0.3℃的逆温层。
[0084]
为了客观评价本专利提出方法的有效性，本专利还进一步引入了北极地区的国际气象组织框架内的探空(rs)观测站来进行大气逆温特性估计。本专利选取的探空测站数据来源于美国国家气候数据中心的第二代高质量全球无线电探空资料集(igra2； https://www.ncei.noaa.gov/products/weather-balloon/integrated-global-ra diosonde-archive)，它包括了全球2700多个分布式站点(无线电探空仪和探空气球)的露点温度、压强、水汽压等大气参数的数据集。探空装置一般每天在世界协调时(utc)的0和12时进行观测，也有部分站点除了在utc 0和12h进行观测外，还在utc 6和18h进行观测。igra2的每个站点数据中的压力、温度和位势高度均经过了严格的质量控制。考虑到探空测站分布较为
稀疏，在对本专利提出方法估计的大气逆温特性进行评价时，仅选取了与探空测站的空间距离小于50km，且观测时间间隔在3小时以内的gps无线电掩星观测进行比较。此外，在利用igra2数据估计大气逆温特性时，忽略逆温厚度小于10m的逆温层。
[0085]
图2给出了为了客观评价和验证本专利使用方法提取的大气温度廓线估计的大气逆温特性的精度，所引入的北极地区的探空测站的分布。图3为在加拿大诺曼韦尔斯探空测站(wmo号：71043)附近的cosmic无线电掩星观测的大气温度廓线，以及时空匹配的 era5、rs和本专利方法得到的大气温度廓线。cosmic无线电掩星观测的时间为2007年2月6日10时49分(utc时间，下同)，与 71043探空测站的空间距离约为18km，两者观测时间差为1.17小时。 cosmic和era5估计的大气温度廓线虽然与rs相比存在一定的偏差，但仍具有较好的一致性。相比于cosmic观测，era5的大气温度廓线难以捕捉到在除低对流层以外位置的逆温结构。而相比于 era5结果，cosmic观测的大气温度廓线在低对流层的缺失较为严重。因此，cosmic观测和era5具有很好的互补性。依据上述求逆温特性时的约定，rs共探测到3个逆温层，相应的逆温高度分别为 95、1572和2304m，逆温厚度分别为677、89和424m，逆温强度分别为7、1.8和5.4℃。era5仅捕捉到一个位于近地表的逆温层，逆温高度、厚度和强度分别为：8.6m、1072m和9.4℃。利用本专利方法对cosmic和era5进行融合后，也探测到3个逆温层，它们的逆温高度分别为8.6、1400和2000m，逆温厚度分别为891、300和 400m，逆温强度分别为9.2、2.5和4.1℃，与rs观测估计的逆温特性更加一致。
[0086]
图4为美国阿拉斯加费尔班克斯探空测站(wmo号：70261) 附近时空匹配的grace无线电掩星观测、era5、rs和本专利方法融合的大气温度廓线。grace无线电掩星观测的时间为2008年4 月15日9时46分，与70261探空测站的空间距离约为40.3km，两者观测时间差为2.23小时。rs共探测到2个逆温层，相应的逆温高度分别为135和1827m，逆温厚度分别为140和69m，逆温强度分别为1.6和1.5℃。era5仅捕捉到一个位于近地表的逆温层，逆温高度、厚度和强度分别为：9.1m、116.5m和3.7℃。利用本专利方法对grace 和era5进行融合后，也探测到2个逆温层，它们的逆温高度分别为 9.1和1700m，逆温厚度分别为116.6和300m，逆温强度分别为3.7 和1.2℃，这与rs观测估计的逆温特性更加一致。
[0087]
图5为加拿大维多利亚岛东南岸剑桥湾镇探空测站(wmo号： 71925)附近时空匹配的kompsat-5无线电掩星观测、era5、rs 和本专利方法融合的大气温度廓线。kompsat-5无线电掩星观测的时间为2016年1月2日14时28分，与71925探空测站的空间距离约为21.2km，两者观测时间差为2.48小时。rs共探测到2个逆温层，相应的逆温高度分别为26和2172m，逆温厚度分别为1019和119m，逆温强度分别为13和2.8℃。era5仅捕捉到一个位于近地表的逆温层，逆温高度、厚度和强度分别为：8.5m、1070.2m和14.1℃。利用本专利方法对kompsat-5和era5进行融合后，也探测到2个逆温层，它们的逆温高度分别为8.5和2200m，逆温厚度分别为1291.5和 400m，逆温强度分别为15.1和2.5℃。
[0088]
图6为加拿大伊努维克探空测站(wmo号：71957)附近时空匹配的metop-a无线电掩星观测、era5、rs和本专利方法融合的大气温度廓线。metop-a无线电掩星观测的时间为2008年4月1 日0时18分，与71957探空测站的空间距离约为12.6km，两者观测时间差为0.32小时。rs共探测到3个逆温层，相应的逆温高度分别为218、1492和3200m，逆温厚度分别为96、365和227m，逆温强度分别为0.6、1.6和2.0℃。era5没有捕捉到逆温层。利用本专利方法对metop-a和era5进行融合后，除近地表强度较弱的逆温层没有捕捉到之外，探测到了其他
2个逆温层，它们的逆温高度分别为 1400和3200m，逆温厚度分别为700和300m，逆温强度分别为3.3 和2.3℃。
[0089]
图7为俄罗斯gmo im.e.k.fedorova探空测站(wmo号： 20292)附近时空匹配的metop-b无线电掩星观测、era5、rs和本专利方法融合的大气温度廓线。metop-b无线电掩星观测的时间为2013年12月9日23时32分，与20292探空测站的空间距离约为 19.0km，两者观测时间差为0.45小时。rs共探测到4个逆温层，相应的逆温高度分别为99、514、2193和3390m，逆温厚度分别为126、 288、87和224m，逆温强度分别为4.2、3.8、2.6和0.6℃。era5仅捕捉到一个位于近地表的逆温层，逆温高度、厚度和强度分别为： 8.7m、791.3m和8.1℃。利用本专利方法对metop-b和era5进行融合后，由于分辨率的原因，融合的大气温度廓线合并了rs探测到的2个低层逆温层，共探测到了3个逆温层，它们的逆温高度分别为 8.7、2100和3200m，逆温厚度分别为991、300和300m，逆温强度分别为9.3、1.3和1.1℃。
[0090]
图8为加拿大北极群岛alert探空测站(wmo号：71082)附近时空匹配的sac-c无线电掩星观测、era5、rs和本专利方法融合的大气温度廓线。sac-c无线电掩星观测的时间为2010年10月2 日10时2分，与71082探空测站的空间距离约为49.1km，两者观测时间差为1.95小时。rs共探测到2个逆温层，相应的逆温高度分别为258和2440m，逆温厚度分别为800和228m，逆温强度分别为1.6 和4.6℃。era5仅捕捉到一个位于近地表的逆温层，逆温高度、厚度和强度分别为：8.9m、795.6m和5.3℃。利用本专利方法对sac-c 和era5进行融合后，也探测到了2个逆温层，它们的逆温高度分别为400和2100m，逆温厚度分别为500和500m，逆温强度分别为2.6 和6.4℃。
[0091]
图9为俄罗斯日甘斯克探空测站(wmo号：24343)附近时空匹配的tandem-x(tdx)无线电掩星观测、era5、rs和本专利方法融合的大气温度廓线。tdx无线电掩星观测的时间为2016年4月 9日23时23分，与24343探空测站的空间距离约为49.7km，两者观测时间差为0.6小时。rs共探测到2个逆温层，相应的逆温高度分别为80和1204m，逆温厚度分别为400和260m，逆温强度分别为 7.4和1.6℃。era5仅捕捉到一个逆温层，逆温高度、厚度和强度分别为：71.5m、190m和1.8℃。利用本专利方法对tdx和era5进行融合后，也探测到了2个逆温层，它们的逆温高度分别为71.5和 1300m，逆温厚度分别为528.5和400m，逆温强度分别为6.5和1.5℃。
[0092]
图10为加拿大北极群岛alert探空测站(wmo号：71082)附近时空匹配的terrasar-x(tsx)无线电掩星观测、era5、rs和本专利方法融合的大气温度廓线。tsx无线电掩星观测的时间为2011 年4月11日0时50分，与71082探空测站的空间距离约为34.9km，两者观测时间差为0.83小时。rs共探测到2个逆温层，相应的逆温高度分别为65和3018m，逆温厚度分别为225和477m，逆温强度分别为5.6和4.4℃。era5仅捕捉到位于中对流层的1个逆温层，逆温高度、厚度和强度分别为：2284m、1768.5m和2.0℃。利用本专利方法对tsx和era5进行融合后，也探测到了2个逆温层，它们的逆温高度分别为100和3000m，逆温厚度分别为400和700m，逆温强度分别为1.5和3.0℃。
[0093]
通过上述对比，可以看出本专利使用的方法可以有效估计大气的逆温特性，既能较好地估计近地表的逆温结构特征，还能探测到对流层中上层中的可能出现的逆温层。同时微波遥感与大气再分析资料融合方法可以覆盖整个极区，且全天候、无需仪器校正、长期稳定、垂直分辨率高、精度高；对于准确预测未来极区及全球变化趋势具有重要意义。