专利名称：基于无线电掩星探测资料的云底高反演方法
技术领域：
本发明属于遥感技术领域，特别是一种基于无线电掩星探测资料的云底高反演方法。
背景技术：
云底高作为重要的云宏观物理参数，在云层与地表之间的能量交换和水汽循环中起着十分重要的作用，是云物理特性研究的主要内容。同时，云底高严重制约着现代军事行动中的诸多作战单元，如侦查预警、精确制导、空中作战和垂直登陆等。因此，实现云底高的精确反演与探测具有重要的意义。目前对于云底高的反演与探测主要有地面观测、卫星遥感及无线电探空仪探测三种方法。其中，地面观测主要包括目测法、云幂仪、云幕灯和微脉冲雷达等，但其对中云和高云云底高探测的可靠性较低，尤其是在夜间或低云覆盖全天空的情况下，探测精度更低；卫星遥感对于低云的探测存在视角模糊且无法提供云底高的任何信息，不利于低云云底高的反演；无线电探空仪虽可利用测量的温度-露点温度差廓线及相对湿度廓线实现云底高的反演，但探空资料的质量随高度的升高而降低，探空仪对水汽压的测量也存在较大误差，另外，全球探空仪站点数量有限，分布不均勻，且每天仅提供两个时次的探测资料，无法满足云底高精确探测的需求。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种基于无线电掩星探测资料的云底高反演方法，实现了全球覆盖、全天候、高精度、高分辨率和几乎准实时的云底高反演，为云底高的研究提供了崭新的探测平台。实现本发明目的的技术解决方案为一种基于无线电掩星探测资料的云底高反演方法，包括以下步骤步骤1、统计全球范围内COSMIC掩星垂直探测范围的分布特征，计算云底高反演受COSMIC垂直探测范围影响的概率；步骤2、读取COSMIC掩星探测湿空气数据中的温度和水汽压数据，利用Tetens经验公式计算饱和水汽压，再通过相对湿度公式计算得到相对湿度随高度变化的廓线；步骤3、基于Wang等提出的利用相对湿度廓线数据进行云底高判定的方法，结合步骤2中的相对湿度变化廓线反演得到云底高信息；步骤4、基于Wang等提出的利用相对湿度廓线数据进行云底高判定的方法，采用无线电探空仪探测资料进行云底高反演，对比分析COSMIC掩星和无线电探空仪的云底高反演结果，计算反演的相对偏差。本发明与现有技术相比，其显著优点为本发明提供了一种全新的利用掩星探测资料实现云底高反演的方法，弥补了以往卫星遥感无法提供底层云云底高度信息以及地面观测对于中云和高云云底高探测可靠性差的缺陷，得到比无线电探空仪云底高反演精度更高的结果，实现了全球覆盖、全天候、高精度、高分辨率和几乎准实时的云底高反演，为云底高的研究提供了崭新的探测平台。下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。
图1为COSMIC掩星探测的全球分布图。图2为实现本发明的流程图。图3为掩星与探空仪垂直探测范围的统计分布图。其中，图3(a)、(d)、(g)、(j)分别表示COSMIC掩星在全球、高纬、中纬、低纬地区的最低探测高度分布；图3(b)、(e)、(h)、 (k)分别表示无线电探空仪在全球、高纬、中纬、低纬地区的最低探测高度分布；图3(c)、 (f)、(i)、(1)分别表示无线电探空仪在全球、高纬、中纬、低纬地区的最高探测高度分布。图4为掩星与探空仪云底高反演受其最低探测高度限制的概率以及反演云底高度小于0.1km概率的统计结果。其中，图4(a)、(b)、(c)、(d)分别表示全球、高纬、中纬、低纬地区的概率分布，横轴上的1和2分别代表掩星和探空仪受最低探测高度限制的概率和云底高小于0. Ikm的概率，灰色和黑色柱条分别表示掩星和探空仪统计结果。图5为掩星与探空仪反演云层数不同时，反演结果中高云、中云和低云发生概率的统计结果。其中，图(a)、(b)、(c)表示高纬地区统计结果，图(d)、(e)、(f)表示中纬地区统计结果，图(g)、(h)、⑴表示低纬地区统计结果；图(a)、(d)、(g)表示掩星检测到单层云而探空仪检测到多层云，图(b)、(e)、(h)表示掩星检测到多层云而探空仪检测到单层云，图(c)、(f)、(i)表示掩星和探空仪检测到层数不同的多层云；横轴上的1、2、3分别代表高云、中云、低云；浅灰色和深灰色柱条分别表示掩星和探空仪检测结果。
具体实施例方式2006年4月15日美国和中国台湾地区合作发射的COSMIC (Constellation Observing System for Meteorology Ionosphere and Climate)气象、电离层及气{侯卫星探测系统可每天提供2000次左右全球分布的掩星事件(如图1所示)，主要用于气象与气候研究、气候监测、空间天气和大地测量等的研究。COSMIC可探测从地面至约60km高度的全球大气参数，具有全球覆盖、高精度、高垂直分辨率、长期稳定、费用低、全天候和几乎准实时的探测特点，可反演得到高精度的折射率、温度、气压和水汽压等气象参数，而且目前正在设计的C0SMIC-II代探测星座每天将提供约14000次的掩星事件，COSMIC的探测优势为云底高研究提供了丰富的观测数据及全新的探测平台。本发明利用COSMIC反演的高精度、高分辨率的温度和水汽压数据，通过计算得到相对湿度随高度变化的廓线，利用该廓线在进入云层时发生突变的特性[J.Wang，W. B. Rossow. Determination of Cloud Vertical Structure from Upper-Air Observations. Journal of Applied Meteorology. 1995,34 2243-2258]实现云底高的反演，为云底高的研究提供了一种全新且高精度的反演技术。本发明是一种基于无线电掩星探测资料的云底高反演方法，通过无线电掩星探测的温度和水汽压资料计算出相对湿度随高度变化的廓线，利用该廓线在进入云层时相对湿度的突变，经过设定相关阈值实现云底高反演的新方法；具体包括以下步骤步骤1、统计全球范围内COSMIC掩星垂直探测范围的分布特征，计算云底高反演受COSMIC垂直探测范围影响的概率；COSMIC掩星和探空仪垂直探测范围的分布特征为
权利要求
1.一种基于无线电掩星探测资料的云底高反演方法，其特征在于，包括以下步骤 步骤1、统计全球范围内COSMIC掩星垂直探测范围的分布特征，计算云底高反演受COSMIC垂直探测范围影响的概率；步骤2、读取COSMIC掩星探测湿空气数据中的温度和水汽压数据，利用Tetens经验公式计算饱和水汽压，再通过相对湿度公式计算得到相对湿度随高度变化的廓线；步骤3、利用步骤2得到的相对湿度随高度的变化廓线，基于Wang等提出的利用相对湿度廓线进行云底高判定的方法，反演得到各层云的云底高度信息；步骤4、基于Wang等提出的利用相对湿度廓线数据进行云底高判定的方法，采用无线电探空仪探测资料进行云底高反演，对比分析COSMIC掩星和无线电探空仪云底高的反演结果，计算云底高反演的相对偏差。
2.根据权利要求1所述的基于无线电掩星探测资料的云底高反演方法，其特征在于， COSMIC掩星和探空仪的垂直探测范围的分布特征为
3.根据权利要求1所述的基于无线电掩星探测资料的云底高反演方法，其特征在于， 步骤2中所述Tetens经验公式为
4.根据权利要求1所述的基于无线电掩星探测资料的云底高反演方法，其特征在于， 步骤3中Wang等提出的利用相对湿度廓线数据进行云底高判定的方法具体描述如下a.从地面向上第一层云云底高的判定(1)相对湿度RH彡87%时对应的高度即判定为该层云的云底高；(2)若该层为非地面层，当相对湿度87%彡RH彡84%且相对于下一层，相对湿度的变化ARH彡3%时，该层高度判定为云底高；(3)若该层为地面层，相对湿度RH彡84%时对应的高度即判定为云底高；b.第二层及以上各层云的判定相对湿度RH ^ 84%时判断为入云，此时对应高度即为云底高度，以此类推，直至廓线顶端；为降低因垂直分辨率的不同而引起的反演误差，在利用上述方法实现云底高的反演时，通过线性插值的方法计算相对湿度分别为84%和87%时对应的高度作为云底高度；为防止云层的虚检测与漏检测，采用与云底高相同的判定标准实现云顶高的反演，当仅检测到云底高而未得到云顶高信息(云顶高度大于廓线顶端高度的情形除外)，或湿度层的最大相对湿度RHmax <87%时，该湿度层都不能判定为云层，此时得到的云底高度无效，作舍弃处理。
5.根据权利要求1所述的基于无线电掩星探测资料的云底高反演方法，其特征在于， 步骤4中对掩星和探空仪云底高反演结果进行对比分析具体包括以下步骤步骤41、对COSMIC掩星和无线电探空仪的云检测结果进行对比，计算其云检测的匹配概率并分析各自云检测的特点；步骤42、计算COSMIC掩星和无线电探空仪云底高反演结果受各自垂直探测范围限制的概率以及云底高度小于0. Ikm的概率；步骤43、当COSMIC掩星和无线电探空仪同时检测到有云存在时，根据检测到的云层数是否相同，分别对二者云底高反演结果进行对比分析；当检测云层数相同时，根据云层数目分别统计掩星与探空仪反演云底高度的平均偏差和标准偏差，计算公式如下
全文摘要
本发明公开了一种基于无线电掩星探测资料的云底高反演方法。首先，统计全球范围内COSMIC掩星垂直探测范围的分布特征，计算云底高反演受COSMIC探测范围影响的概率；其次，读取COSMIC掩星探测湿空气数据中的温度和水汽压数据；之后，基于Wang等提出的利用相对湿度廓线数据进行云底高判定的方法，结合相对湿度变化廓线反演得到云底高信息；最后基于Wang等提出的利用相对湿度廓线数据进行云底高判定的方法，采用无线电探空仪探测资料进行云底高反演，计算探空仪云底高反演结果与COSMIC云底高反演结果的相对偏差。本发明弥补了以往卫星遥感无法提供底层云云底高度信息以及地面观测对于中云和高云云底高探测可靠性差的缺陷。
文档编号G01C5/00GK102230796SQ20111008496
公开日2011年11月2日 申请日期2011年4月6日 优先权日2011年4月6日
发明者严卫, 叶晶, 艾未华, 韩丁, 马宁, 黄云仙 申请人:中国人民解放军理工大学气象学院