微波波段大气透过率快速计算方法及装置与流程

本发明涉及气体吸收参数化，特别是涉及一种微波波段大气透过率快速计算方法及装置。

背景技术：

1、星载被动微波观测数据已广泛应用于数据同化和遥感领域。在这类定量应用中，快速辐射传输模式通常用作观测算子，将背景廓线与卫星观测相联系，并提供相应的大气和地表参数的雅可比矩阵。由于其波长较长，微波的定量应用大都基于晴空状态。大气透过率计算是快速辐射传输模式的重要组成部分，其结果直接影响模式模拟的精度，特别是晴空条件下的辐射传输模拟。目前已经提出了许多计算气体吸收的方法，其中基于统计回归的大气透过率计算方法被广泛应用于各种主流辐射传输模式(例如：rttov、crtm和arms)中。

2、在统计回归方法中，首先采用精确的逐线积分模式建立单色透过率数据库，然后基于此样本库，通过回归计算气体吸收。因此，单色透过率数据库的准确性决定了该方法的效果。过去，毫米波传播模型mpm和rosenkranz模型(rosenkranz,1975,1998)被广泛用于生成微波波段的单色透过率数据库。mpm和rosenkranz模型均采用相同的线吸收参数，但在吸收线的选择上有所不同。此外，两模式在连续介质吸收的计算上也有所差异。随着国际上提出了新型微波探测载荷ici，其探测通道频率超过了200ghz。为了满足新型载荷定量应用的需求，turner等人(2019)在mpm的基础上开发了amsutran，以提高微波辐射传输模拟精度。在amsutran中，特别关注了氧气、臭氧、水蒸气和氮气的吸收处理。monortm是另一种微波逐线积分模式。理论上，在耦合mt-ckd连续吸收模型和hitran数据库后，monortm具有模拟全光谱波段的能力。此外，有研究通过比较amsutran、rosenkranz模型和mpm模型来评估monortm本身的准确性。然而，很少有研究使用monortm来进行大气透过率计算。

3、另一方面，微波大气透过率是基于固定压力水平下的计算方法，而数值预报模型和再分析数据都有各自的垂直坐标系。快速辐射传输模式与背景廓线垂直坐标的不匹配使得模式中需要进行垂直插值。大气参数必须从用户输入的压力水平插值到辐射传输模式水平。大气透过率计算完成后，还需要再次插值得到背景廓线的大气透过率。因此，垂直插值不仅会影响正演辐射传输模拟的精度，还会影响雅可比矩阵的计算。为了解决这个问题，rochon等人(2007)开发了一种插值方法，该插值方法已被rttov,crtm和arms采用。然而，在微波水汽吸收通道中这种垂直插值方法仍然带来了显著的偏差。

4、但是，现有的大气透过率计算方法在微波逐线积分模型进行计算时，仅考虑了氧气和水汽的吸收，大大限制了计算的精度；另外，垂直插值方法影响快速辐射传输模式的精度，但现有的插值方法在微波水汽吸收通道的偏差仍然显著。

技术实现思路

1、本发明提供了一种微波波段大气透过率快速计算方法，用以有效提高微波辐射传输的模拟精度并适应微波载荷的未来发展及应用需求，所述微波波段大气透过率快速计算方法包括：

2、基于全球范围的代表性廓线集，构建微波单色大气透过率数据库；

3、根据微波单色大气透过率数据库和星载仪器通道的光谱响应函数，确定星载仪器各通道的通道平均透过率；

4、根据星载仪器各通道的通道平均透过率确定全球范围的代表性廓线集各气压层上的大气透过率回归系数；

5、构建大气廓线计算预测因子；

6、根据大气廓线计算预测因子和大气透过率回归系数，确定全球范围的代表性廓线集各气压层上的大气透过率；

7、根据全球范围的代表性廓线集各气压层上的大气透过率及用户输入的气压层，确定用户输入大气廓线的微波波段大气透过率。

8、具体实施中，所述基于全球范围的代表性廓线集，构建微波单色大气透过率数据库，包括：

9、获取全球范围的代表性廓线集；

10、基于全球范围的代表性廓线集，通过逐线积分模式构建微波单色大气透过率数据库。

11、具体实施中，所述基于全球范围的代表性廓线集，通过逐线积分模式构建微波单色大气透过率数据库，通过如下公式进行计算：

12、

13、其中，τ表示微波单色大气透过率；v表示波长；p表示气压；θ表示观测天顶角；k(v,t,δp)表示气体吸收系数；t表示温度。

14、具体实施中，所述根据微波单色大气透过率数据库和星载仪器通道的光谱响应函数，确定星载仪器各通道的通道平均透过率，包括：

15、获取星载仪器通道的光谱响应函数；

16、将微波单色大气透过率数据库和星载仪器通道的光谱响应函数进行卷积，获得星载仪器各通道的通道平均透过率。

17、具体实施中，所述将微波单色大气透过率数据库和星载仪器通道的光谱响应函数进行卷积，获得星载仪器各通道的通道平均透过率，通过如下公式进行计算：

18、

19、其中，τj(v)表示特定通道从第j层到大气层顶的微波单色大气透过率；v表示特定通道的频率；τch,j表示特定通道在第j层的平均微波单色大气透过率；srf(v)表示光谱响应函数。

20、具体实施中，所述根据星载仪器各通道的通道平均透过率确定全球范围的代表性廓线集各气压层上的大气透过率回归系数，包括：

21、获取全球范围的代表性廓线集中各气压层的温度信息、水汽含量信息及臭氧含量信息；

22、根据各气压层的温度信息、水汽含量信息及臭氧含量信息构建回归系数预测因子；

23、根据星载仪器各通道的通道平均透过率及回归系数预测因子，确定全球范围的代表性廓线集各气压层上的大气透过率回归系数。

24、具体实施中，所述根据星载仪器各通道的通道平均透过率及回归系数预测因子，确定全球范围的代表性廓线集各气压层上的大气透过率回归系数，通过如下公式进行计算：

25、

26、其中，cj,i表示拟合系数；xj,i表示回归系数预测因子；τch,j表示特定通道在第j层的平均微波单色大气透过率；n表示预测因子个数；j表示第j层大气层；i表示第i个预测因子。

27、具体实施中，所述构建大气廓线计算预测因子，包括：

28、获取用户输入的任意气压层的大气温度信息、水汽含量信息及臭氧含量信息；

29、将任意气压层的大气温度信息、水汽含量信息及臭氧含量信息插值至全球范围的代表性廓线集气压层，获得大气廓线计算预测因子。

30、具体实施中，所述将任意气压层的大气温度信息、水汽含量信息及臭氧含量信息插值至全球范围的代表性廓线集气压层，获得大气廓线计算预测因子，包括：

31、将任意气压层的水汽含量信息及臭氧含量信息转换为任意气压层的水汽压信息及臭氧气压信息；

32、将任意气压层的大气温度信息、水汽压信息及臭氧气压信息插值至全球范围的代表性廓线集气压层，获得大气廓线计算预测因子。

33、具体实施中，所述将任意气压层的水汽含量信息及臭氧含量信息转换为任意气压层的水汽压信息及臭氧气压信息，通过如下公式进行计算：

34、

35、其中，表示水汽质量混合比；表示水汽压信息；p(j)表示第j层气压；mdry表示干空气的摩尔质量；表示水汽的摩尔质量；

36、

37、其中，mo3表示臭氧的摩尔质量；wo3表示臭氧质量混合比；po3表示臭氧气压信息。

38、具体实施中，所述根据全球范围的代表性廓线集各气压层上的大气透过率及用户输入的气压层，确定用户输入大气廓线的微波波段大气透过率，包括：

39、获取用户输入的气压层；

40、将全球范围的代表性廓线集各气压层上的大气透过率插值至用户输入的气压层，获得用户输入大气廓线的微波波段大气透过率。

41、本发明还提供了一种微波波段大气透过率快速计算装置，包括：

42、数据库构建模块，用于基于全球范围的代表性廓线集，构建微波单色大气透过率数据库；

43、平均透过率计算模块，用于根据微波单色大气透过率数据库和星载仪器通道的光谱响应函数，确定星载仪器各通道的通道平均透过率；

44、回归系数生产模块，用于根据星载仪器各通道的通道平均透过率确定全球范围的代表性廓线集各气压层上的大气透过率回归系数；

45、预测因子构建模块，用于构建大气廓线计算预测因子；

46、大气透过率计算模块，用于根据大气廓线计算预测因子和大气透过率回归系数，确定全球范围的代表性廓线集各气压层上的大气透过率；

47、大气透过率插值模块，用于根据全球范围的代表性廓线集各气压层上的大气透过率及用户输入的气压层，确定用户输入大气廓线的微波波段大气透过率。

48、本发明还提供了一种计算机设备，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计算机程序时实现所述微波波段大气透过率快速计算方法。

49、本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有所述微波波段大气透过率快速计算方法的计算机程序。

50、本发明提供的微波波段大气透过率快速计算方法及装置，其中，该方法具有如下有益效果：

51、(1)在构建高精度全球代表性的微波单色大气透过率数据库时，在考虑氧气、水汽吸收的同时，还增加了对臭氧和氮气的吸收，从而有效提高了数据库本身的精度；

52、(2)从原本只单纯考虑水汽局地变化的基础上增加了对臭氧局地变化的考虑，提高了微波波段大气透过率的计算精度；

53、(3)优化了水汽和臭氧的垂直插值方法，能够有效减少由于垂直插值而带来的微波波段大气透过率的计算误差。