一种对流层顶的探测方法、装置、设备和介质与流程

1.本发明涉及一种大气气象学和气候学领域，特别涉及一种对流层顶的探测方法、装置、电子设备和存储介质，解决了部分无线电探空产品因为探测高度不足而无法探测对流层顶的难题。


背景技术：

2.对流层顶是对流层与平流层之间的过渡层，是影响对流层和平流层之间物质、能量交换的关键区域。对流层顶处的大气温度、气压、湿度、结构以及环流变换直接影响着近地层的天气与气候。对流层顶结构与全球气候变化密切相关，研究对流层顶结构特征对研究全球气候变化具有重要意义。
3.对流层顶是一个深厚的对流阻滞层，它是以温度垂直递减率急剧减小为主要特征，它阻碍着积雨云顶的垂直发展、气溶胶和水汽的垂直交换。对流层顶在平流层和对流层的交换(strato-sphere-troposphereexchange,ste)中具有相当重要的作用。此外，大气急流、飞机颠簸、臭氧层顶等重要物理、化学现象均与对流层顶的位置、强度及其变动密切相关。
4.对流层顶也是反映各种大气过程的一个很好的指示器，它在气压形势、气团平流、大气环流形势更替等作用下发生变化。在许多数值天气预报模式中，对流层顶均被作为一个特殊的、便于计算的、永久存在于大气之中的高度层"顶"来加以利用。温室效应导致全球变暖是公认的事实，由于温室气体增多导致的对流层变暖和由于臭氧减少导致的平流层变冷可能是对流层抬升的主要原因，对流层顶高度上升已成为全球气候变化的又一标志。
5.对流层顶结构特征的决定因素是对流层顶的高度，现在一般确定对流层顶高度的研究方法主要是由无线探空或无线电掩星温度廓线出发通过cpt(coldpointtropopause，温度最低点对流层顶)或lrt(lapserate tropopause，温度递减率对流层顶)方法确定，进而分析对流层顶参数的全球分布和变化特性。但由于温度廓线的反演过程中假设了上部对流层到平流层的水汽含量可忽略，并且引入了一个先验温度剖面，同时还应用了流体静力平衡方程、理想气体状态方程，而实际大气状态并不遵循这种理想模式，进而导致由探空或掩星温度廓线出发研究对流层顶结构存在误差影响，同时，中纬度地区因受大气急流和强气流活动影响，在对流层中存在多个温度逆温层，温度变化缓慢，从温度廓线出发确定对流层顶比较困难，确定的结果往往存在的误差较大。
6.此外，常用的探测对流层顶的无线电探空产品在高层常出现数据缺失。这是因为在高空，无线电探空气球受气压梯度力作用易发生爆炸。这将导致探空仪器提供的气象参数的高度可能小于对流层顶的高度，导致无线电探空产品无法探测对流层顶。原因是：对流层顶的高度是在10到25km之间变化，为了准确探测流层顶的高度，需要获取从地表到10-30km高度的大气折射率。但是，目前部分探空产品最高只能探测地表到10km或者15km以下高度的大气折射率，无法获取10km或15km以上高度的大气折射率，从而导致高层数据缺失，无法准确探测流层顶的高度。


技术实现要素：

7.本发明的主要目的，是在于提供一种对流层顶的探测方法、装置、设备和介质，通过对折射率廓线进行局部协方差变换确定对流层顶高度，克服目前从温度廓线出发确定对流层顶所存在误差，解决了部分无线电探空产品因为探测高度不足而无法探测对流层顶的难题。
8.第一方面，本发明提供了一种对流层顶的探测方法，包括下述步骤：
9.1、一种对流层顶的探测方法，其特征在于：包括下述步骤：
10.s1、获取地面至经验高度的大气折射率的垂直分布信息，包括地面至探测最高层的大气折射率的垂直分布信息和探测最高层至经验高度的大气折射率的垂直分布信息；所述探测最高层为无线探空产品所能探测的最大高度，所述经验高度为离地面25～30km的高度；
11.s2、利用指数模型根据所述垂直分布信息模拟大气折射率的垂直分布情况，得到气折射率随高度变化的廓线函数f(z)；
12.s3、将对流层顶定义为大气折射率对数的协方差变化的最大值，将大气折射率廓线在高度b上进行局部协方差变换：
[0013][0014]
其中，z为积分区间的高度；z'为高程；a为尺度因子，即对应的有效梯度区间；z
t
为对应有效梯度区间的上边界高度；zb为对应有效梯度区间的下边界高度；dz'表示高程微分。
[0015]
f(z
′
)＝log(n(z
′
)/1000)；
[0016]
f(z)＝log(n(z)/1000)；
[0017]
s4、用于给定某个2a值时，计算出折射率的局部协方差wf(2a,b)在不同高度b处的值；其中，wf(2a,b)在某高度处取得的局部极大值反映出折射率函数在该高度处发生突变，此时，当wf(2a,b)取极大值时所对应的高度b即为对流层顶高度。
[0018]
第二方面，本发明提供了一种对流层顶的高度的估算装置，包括：
[0019]
获取模块，用于获取大气折射率的垂直分布信息，包括地面至探测最高层的大气折射率的垂直分布信息和探测最高层至经验高度的大气折射率的垂直分布信息；所述流层顶层为无线探空产品所能探测的最大高度，所述经验高度为离地面25～30km的高度；
[0020]
模拟模块，用于指数模型根据所述垂直分布信息模拟大气折射率的垂直分布情况，得到大气折射率随高度变化的廓线函数f(z)；
[0021]
局部协方差变换模块，用于对所述廓线函数f(z)在高度b上进行局部协方差变换：
[0022][0023]
其中，z为积分区间的高度；z'为高程；a为尺度因子，即对应的有效梯度区间；z
t
为对应有效梯度区间的上边界高度；zb为对应有效梯度区间的下边界高度；dz'表示高程微分。
[0024]
f(z
′
)＝log(n(z
′
)/1000)；
[0025]
f(z)＝log(n(z)/1000)；
[0026]
对流程顶高度计算模块，用于给定某个2a值时，计算出折射率的局部协方差wf(2a,b)在不同高度b处的值；wf(2a,b)在某高度处取得的局部极大值反映出折射率函数在该高度处发生突变，此时，当wf(2a,b)取极大值时所对应的高度b即为对流层顶高度。
[0027]
第三方面，本发明提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现第一方面所述的方法。
[0028]
第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现第一方面所述的方法。
[0029]
本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：本发明实施例为避免理想大气状态的假设所引起的大气反演误差的影响，提出利用大气折射率数据，通过对折射率廓线进行局部协方差变换确定对流层顶高度，大大减小了误差，从而利于进一步研究对流层顶结构。更重要的是，对流层顶的高度是在10到25km之间变化，而现有的探空产品对探空高度的限制，部分探空产品仅探测地表到15km甚至10km以下高度的大气折射率，从而导致高层数据缺失，为了补足缺失的高层数据，本发明实施例通过模型计算的方式获取从地表到25-30km高度的大气折射率，从而弥补了流层顶附近的高层大气折射率数据，极大地保证了所探测的流层顶高度的准确性。
[0030]
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
[0031]
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
[0032]
图1为本发明实施例一中方法中的流程图；
[0033]
图2为本发明实施例中获得得探测最高层至经验高度的大气折射率的垂直分布信息的流程图；
[0034]
图3为本发明实施例二中装置的结构示意图；
[0035]
图4为本发明实施例三中电子设备的结构示意图；
[0036]
图5为本发明实施例四中介质的结构示意图。
具体实施方式
[0037]
本技术实施例是在于提供一种对流层顶的探测方法、装置、设备和介质，通过对折射率廓线进行局部协方差变换确定对流层顶高度，克服目前从温度廓线出发确定对流层顶所存在误差，解决了部分无线电探空产品因为探测高度不足而无法探测对流层顶的难题。
[0038]
本技术实施例中的技术方案，总体思路如下：为避免上述假设所引起的大气反演误差的影响，提出利用大气折射率数据，通过对折射率廓线进行局部协方差变换确定对流层顶高度，大大减小了误差，从而利于进一步研究对流层顶结构。更重要的是，为了弥补现有的探空产品因探空高度的限制而导致的高层数据缺失，本发明通过模型计算的方式获取从地表到28-32公里高度的大气折射率，从而弥补了流层顶附近的高层大气折射率数据，极大地保证了所探测的流层顶高度的准确性。
[0039]
实施例一
[0040]
如图1所示，本实施例提供一种对流层顶的探测方法，包括下述步骤：
[0041]
s1、获取地面至经验高度的大气折射率的垂直分布信息，包括地面至探测最高层的大气折射率的垂直分布信息和探测最高层至经验高度的大气折射率的垂直分布信息；所述探测最高层为无线探空产品所能探测的最大高度，所述经验高度为离地面25～30km的高度，即比对流层顶的最大高度(约为20km)稍高；
[0042]
其中，所述地面至探测最高层的大气折射率的垂直分布信息是由无线探空产品提供的高垂直分辨率的大气折射率的垂直分布信息；
[0043]
如图2所示，所述探测最高层至经验高度的大气折射率的获得过程如下：
[0044]
判断大气资料的顶层调试是否小于2.5*(7+cos(2*lat))，若是，则要获取探测最高层至经验高度的大气折射率。具体过程如下:
[0045]
1、利用大气压强估算出探测最高层至经验高度的天顶干延迟：
[0046]
通过对大量大气观测数据(如探空资料)进行分析可知原始的大气资料探测最高层高度上的水汽压接近0，因此，探测最高层以上部分的大气延迟主要是干延迟。因此可基于saastamoinen干延迟模型，利用大气压强估算出探测最高层至经验高度的天顶干延迟zhd
top
：
[0047][0048]
式(1)中，p
top
表示探测最高层大气压强；表示探测最高层大气所处的纬度；h
top
表示探测最高层大气的高度；
[0049]
2、利用大气干折射率nd与天顶干延迟zhd
top
之间的函数关系，近似估算大气层等效高度：
[0050]
其中，天顶干延迟zhd
top
与大气干折射率nd之间的函数关系表示为：
[0051][0052]
式(2)中，dh表示大气高程；nd表示大气干折射率，并随大气高程dh呈现出近似折射变化，近似折射变化公式如下：
[0053][0054]
式(3)中，n
top
表示探测最高层的大气干折射率；hd表示大气层等效高度；
[0055]
联合式(2)和式(3)后得到：
[0056][0057]
则利用搜索法求得最佳的大气层等效高度hd，搜索法即给hd一个初始值，带入方程(4)，不断的迭代，使得方程(4)最优时的hd便为要求的最终结果。其中：
[0058]hest
＝40.136+0.14872
·
(t-273.16)；
[0059]hest
表示对流层中层的最大高度，是个定值；t表示大气层的温度；
[0060]
3、根据获取的大气层等效高度，基于nd随高程近似指数变化模型外推不同高度层上的nd：
[0061]
由于探测最高层高度上的水汽压接近0，因此，探测最高层至经验高度的大气折射
率n接近等于大气干折射率，即n＝nd。从而在求得最佳的大气层等效高度hd后，基于公式(3)计算探测最高层至经验高度的大气干折射率nd，即可获得探测最高层至经验高度的大气折射率n。
[0062]
s2、从原始大气产品如探空资料提供的温度、压强、相对湿度中获取大气折射率n。再结合s1中获取的大气折射率n，可以进行大气折射率对数的协方差变化来探测对流层顶。
[0063]
s3、将对流层顶定义为大气折射率对数的协方差变化的最大值，将大气折射率廓线在高度b上进行局部协方差变换：
[0064][0065]
其中，z为积分区间的高度；z'为高程；a为尺度因子，即对应的有效梯度区间；z
t
为对应有效梯度区间的上边界高度；zb为对应有效梯度区间的下边界高度；dz'表示高程微分。
[0066]
f(z
′
)＝log(n(z
′
)/1000)；
[0067]
f(z)＝log(n(z)/1000)；
[0068]
其中，将大气折射率廓线在高度b上进行局部协方差变换的过程如下：
[0069]
先用数值估计的方法对式(5)进行如下的协方差变换：
[0070]
找到一个最小值i
l
，满足z(i
l
)》z
l
＝max(zb,z-a)；
[0071]
找到一个最大值iu，满足z(iu)《zu＝min(z
t
,z+a)；
[0072]
采用梯形法计算积分如下：
[0073][0074]
式(7)中，zi表示第i个积分区间的高度，hi表示第i个高度，hi＝f
i-fj，j是计算协方差变换中某点的值，对应式(5)中的z，即z＝zj；
[0075]
将f(z)线性外推到z(i
l
)以下，并在下限处进行修正：
[0076][0077]
其中，m表示中间变化参数，其可表示为m＝(f(i
l
+1)-f(i
l
))/(z(i
l
+1)-z(i
l
))≈f'(z
l
)，δz可表示为δz＝z(i
l
)-z
l
》0；z
l
积分下标。
[0078]
将f(z)线性外推到z(iu)以上，并在上限处进行修正：
[0079][0080]
其中，m＝(f(iu)-f(i
u-1))/(z(iu)-z(i
u-1))≈f'(zu)，并且
[0081]
δz＝z
u-z(iu)》0
[0082]
则，在zj处的协方差变换wf(2a,b)通过(7)、(8)、(9)三个式子求和除以2a得到。
[0083]
s4、用于给定某个2a值时，计算出折射率的局部协方差wf(2a,b)在不同高度b处的值；
[0084]
wf(2a,b)在某高度处取得的局部极大值反映出折射率函数在该高度处发生突变，此时，当wf(2a,b)取极大值时所对应的高度b即为对流层顶高度。
[0085]
上述实施例避免因理想大气状态的假设所引起的大气反演误差的影响，提出利用大气折射率数据，通过对折射率廓线进行局部协方差变换确定对流层顶高度，大大减小了误差，从而利于进一步研究对流层顶结构。此外，本实施例也解决了现有探空产品因探测高度不足而无法探测对路层顶的难题。
[0086]
基于同一发明构思，本技术还提供了与实施例一中的方法对应的装置，详见实施例二。
[0087]
实施例二
[0088]
如图2所示，在本实施例中提供了一种对流层顶的高度的估算装置，包括获取模块、模拟模块、局部协方差变换模块以及对流程顶高度计算模块。
[0089]
获取模块，用于获取大气折射率的垂直分布信息，包括地面至探测最高层的大气折射率的垂直分布信息和探测最高层至经验高度的大气折射率的垂直分布信息；所述流层顶层为无线探空产品所能探测的最大高度，所述经验高度为离地面25～30km的高度；
[0090]
所述地面至探测最高层的大气折射率的垂直分布信息是由无线探空产品提供的高垂直分辨率的大气折射率的垂直分布信息；
[0091]
所述探测最高层至经验高度的大气折射率的获得过程如下：
[0092]
基于saastamoinen干延迟模型，利用大气压强估算出探测最高层至经验高度的天顶干延迟zhd
top
：
[0093][0094]
式(1)中，p
top
表示探测最高层大气压强；表示探测最高层大气所处的纬度；h
top
表示探测最高层大气的高度；
[0095]
其中，天顶干延迟zhd
top
与大气干折射率nd之间的关系表示为：
[0096][0097]
式(2)中，dh表示大气高程；nd表示大气干折射率，并随大气高程dh呈现出近似折射变化，近似折射变化公式如下：
[0098][0099]
式(3)中，n
top
表示探测最高层的大气干折射率；hd表示大气层等效高度；
[0100]
联合式(2)和式(3)后得到：
[0101][0102]
则利用搜索法求得最佳的大气层等效高度hd，其中：
[0103]hest
＝40.136+0.14872
·
(t-273.16)；
[0104]hest
表示对流层中层的最大高度，是个定值；t表示大气层的温度；
[0105]
在求得最佳的大气层等效高度hd后，基于公式(3)计算大气顶层至30km高度之间的大气折射率n，n＝nd。
[0106]
模拟模块，从原始大气产品如探空资料提供的温度、压强、相对湿度中获取大气折射率n。再结合s1中获取的大气折射率n，可以进行大气折射率对数的协方差变化来探测对流层顶。
[0107]
局部协方差变换模块，用于对所述廓线函数f(z)在高度b上进行局部协方差变换：
[0108][0109]
其中，z为积分区间的高度；z'为高程；a为尺度因子，即对应的有效梯度区间；z
t
为对应有效梯度区间的上边界高度；zb为对应有效梯度区间的下边界高度；dz'表示高程微分。
[0110]
f(z
′
)＝log(n(z
′
)/1000)；
[0111]
f(z)＝log(n(z)/1000)；
[0112]
所述将大气折射率廓线在高度b上进行局部协方差变换的过程如下：
[0113]
先用数值估计的方法对式(5)进行如下的协方差变换：
[0114]
找到一个最小值i
l
，满足z(i
l
)》z
l
＝max(zb,z-a)；
[0115]
找到一个最大值iu，满足z(iu)《zu＝min(z
t
,z+a)；
[0116]
采用梯形法计算积分如下：
[0117][0118]
式(7)中，zi表示第i个积分区间的高度，hi表示第i个高度，hi＝f
i-fj，j是计算协方差变换中某点的值，对应式(5)中的z，即z＝zj；
[0119]
将f(z)线性外推到z(i
l
)以下，并在下限处进行修正：
[0120][0121]
其中，m表示中间变化参数，其可表示为m＝(f(i
l
+1)-f(i
l
))/(z(i
l
+1)-z(i
l
))≈f'(z
l
)，δz可表示为δz＝z(i
l
)-z
l
》0；z
l
积分下标。
[0122]
将f(z)线性外推到z(iu)以上，并在上限处进行修正：
[0123][0124]
其中，m＝(f(iu)-f(i
u-1))/(z(iu)-z(i
u-1))≈f'(zu)，并且
[0125]
δz＝z
u-z(iu)》0
[0126]
则，在zj处的协方差变换wf(2a,b)通过(7)、(8)、(9)三个式子求和除以2a得到。
[0127]
对流程顶高度计算模块，用于给定某个2a值时，计算出折射率的局部协方差wf(2a,b)在不同高度b处的值；
[0128]
对流程顶高度计算模块，用于给定某个2a值时，计算出折射率的局部协方差wf(2a,b)在不同高度b处的值：
[0129]
wf(2a,b)在某高度处取得的局部极大值反映出折射率函数在该高度处发生突变，此时，当wf(2a,b)取极大值时所对应的高度b即为对流层顶高度。
[0130]
由于本发明实施例二所介绍的装置，为实施本发明实施例一的方法所采用的装置，故而基于本发明实施例一所介绍的方法，本领域所属人员能够了解该装置的具体结构及变形，故而在此不再赘述。凡是本发明实施例一的方法所采用的装置都属于本发明所欲保护的范围。
[0131]
基于同一发明构思，本技术提供了实施例一对应的电子设备实施例，详见实施例三。
[0132]
实施例三
[0133]
本实施例提供了一种电子设备，如图3所示，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时，可以实现实施例一中任一实施方式。
[0134]
由于本实施例所介绍的电子设备为实施本技术实施例一中方法所采用的设备，故而基于本技术实施例一中所介绍的方法，本领域所属技术人员能够了解本实施例的电子设备的具体实施方式以及其各种变化形式，所以在此对于该电子设备如何实现本技术实施例中的方法不再详细介绍。只要本领域所属技术人员实施本技术实施例中的方法所采用的设备，都属于本技术所欲保护的范围。
[0135]
基于同一发明构思，本技术提供了实施例一对应的存储介质，详见实施例四。
[0136]
实施例四
[0137]
本实施例提供一种计算机可读存储介质，如图4所示，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，可以实现实施例一中任一实施方式。
[0138]
注，上述实施例中，所有高度的单位须统一，比如均为千米。
[0139]
本技术实施例中提供的技术方案，至少具有如下技术效果或优点：本技术实施例提供的方法、装置、设备及介质，提出利用大气折射率数据，通过对折射率廓线进行局部协方差变换确定对流层顶高度，大大减小了误差，从而利于进一步研究对流层顶结构。
[0140]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、装置或系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0141]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0142]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0143]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0144]
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。