一种对流层气象监测系统及方法

本发明涉及气象监测，具体而言，涉及一种对流层气象监测系统及方法。

背景技术：

1、对流层是近地空间环境的重要组成部分，同时也是与人类生活联系最密切的大气圈层，距离地表最近，平均高度约为11km，与大气层的平流层、同温层不同，对流层中聚集了大量的水汽，大约占据大气层水汽总量的90％。大气中的水汽具有分布不均匀、变化迅速等特点，在水循环、热量平衡过程中发挥着重要作用，是气象监测的重点，通过对流层中的大气水汽监测，可以实现可降水反演和台风暴雨短临预报等功能，对气象预报和极端天气防灾救灾有着重要的作用。

2、当前，对流层气象监测方式包括：探空气球、无线电探空仪、卫星红外遥感、微波遥感等，这些技术存在时间分辨率低、非实时监控、成本高昂且数据处理过程复杂的缺点，无法满足对流层气象监测的需求，不能保证气象预报的准确性。

技术实现思路

1、本发明解决的问题是如何提高气象预报的准确性。

2、为解决上述问题，本发明提供一种对流层气象监测系统及方法。

3、第一方面，本发明提供了一种对流层气象监测系统，包括数据模块、观测方程模块、对流层延迟模块以及气象预测模块，所述数据模块、所述观测方程模块、所述对流层延迟模块以及所述气象预测模块顺次连接；

4、所述数据模块用于通过全球导航卫星系统实时获取对流层数据；

5、所述观测方程模块用于处理所述对流层数据，获取无电离层观测方程；

6、所述对流层延迟模块用于根据所述无电离层观测方程，通过卡尔曼滤波算法获取对流层延迟数据；

7、所述气象预测模块用于将所述对流层延迟数据转化为pwv数据，并根据所述pwv数据输出气象预报。

8、可选地，所述对流层延迟模块包括矩阵单元和递推单元，所述矩阵单元和所述递推单元连接；

9、所述矩阵单元用于根据公式一将所述无电离层观测方程转化为线性矩阵，所述公式一如下所示：

10、l＝bx；

11、其中，l为观测量向量，由公式二获得；b为设计矩阵，由公式三获得；x为待估参数向量，由公式四获得；所述公式二如下所示：

12、

13、所述公式三如下所示：

14、

15、所述公式四如下所示：

16、

17、其中，lp为伪距观测值，lφ为载波相位观测值，s为时间，n为预设值，x,y,z分别为坐标，dtr为钟差，ztd为对流层延迟，为模糊度；

18、所述递推单元用于通过卡尔曼滤波算法递推处理所述线性矩阵，获取所述对流层延迟数据。

19、可选地，还包括多区域预测模块，所述多区域预测模块与所述气象预测模块连接；

20、所述多区域预测模块用于基于所述pwv数据，通过公式五获取其他区域的pwv数据，根据所述其他区域的pwv数据输出其他区域的气象预报，所述公式五如下所示：

21、

22、其中，pwvi,j为网格图中点(i,j)处的pwv数据，pwvk为第k个测站的pwv数据，dk为点(i,j)处距离所述第k个测站的距离，c为归一化常数。

23、可选地，还包括交互模块，所述交互模块分别与所述数据模块、所述观测方程模块、所述对流层延迟模块、所述气象预测模块、所述时空统一模块以及所述多区域预测模块连接；

24、所述交互模块用于控制并显示所述数据模块、所述观测方程模块、所述对流层延迟模块、所述气象预测模块、所述时空统一模块以及所述多区域预测模块的工作状态。

25、可选地，所述交互模块设有拓展接口，所述拓展接口用于根据需求，调用所述数据模块、所述观测方程模块、所述对流层延迟模块、所述气象预测模块、所述时空统一模块以及所述多区域预测模块的数据，实现拓展功能。

26、可选地，所述数据模块包括获取单元、误差单元、解码单元、预处理单元、改正单元以及整合单元；

27、所述获取单元用于获取完整的原始观测数据、导航电文、精密钟差轨道改正数、测站坐标和天线文件；

28、所述误差单元用于处理所述原始观测数据，获得多路径误差、硬件延迟以及观测噪声；

29、所述解码单元用于将所述原始观测数据和所述精密钟差轨道改正数转化为解码观测数据和解码精密钟差轨道改正数；

30、所述预处理单元用于对所述解码观测数据和导航电文进行周跳探测，获得精准观测数据和精准导航电文，还用于对所述精密钟差轨道改正数进行插值，获得高精度精密钟差轨道改正数；

31、所述改正单元用于对所述天线文件进行相位改正，获得天线改正量；

32、所述整合单元用于整合所述测站坐标、所述多路径误差、所述硬件延迟、所述观测噪声、所述精准观测数据、所述精准导航电文、所述高精度精密钟差轨道改正数以及所述天线改正量为所述对流层数据。

33、可选地，还包括日志模块，所述日志模块分别与所述数据模块、所述观测方程模块、所述对流层延迟模块以及所述气象预测模块连接；

34、所述日志模块用于记录所述数据模块、所述观测方程模块、所述对流层延迟模块以及所述气象预测模块的数据计算信息并输出计算日志。

35、可选地，所述交互模块设有气象面板和参数设置面板，所述气象面板用于显示所述气象预报，所述参数设置面板用于显示所述全球导航卫星系统。

36、第二方面，本发明提供了一种对流层气象监测方法，包括：

37、通过全球导航卫星系统实时获取对流层数据；

38、处理所述对流层数据，获取无电离层观测方程；

39、通过卡尔曼滤波算法处理所述无电离层观测方程，获取对流层延迟数据；

40、将所述对流层延迟数据转化为pwv数据，并根据所述pwv数据输出气象预报。

41、本发明的对流层气象监测系统及方法的有益效果是：

42、通过数据模块使用全球导航卫星系统，可以实时获取稳定的对流层数据，获取的对流层数据误差极小可以忽略，采样率和分辨率高且包含多项气象数据，为后续地计算和气象预报提供了精准丰富的数据，提高了气象预报的准确性；通过观测方程模块构建无电离层观测方程，消除了电离层对对流层气象监测的影响和误差，解决了电离层延迟和对流层延迟的相关性问题，并且为下一步卡尔曼滤波算法计算对流层延迟数据提供了输入数据；对流层延迟模块通过卡尔曼滤波算法计算对流层延迟数据，不需要保存大量的历史数据，节省了系统内存空间，且计算效率更高，更适用于快捷地实时计算；最后由气象预测模块将对流层延迟数据转化为pwv数据，并根据pwv数据输出气象预报，pwv数据衡量了对流层的降水潜力，可以进行实时精准的气象预报。本发明的对流层气象监测系统，可以实时进行准确地气象预报，对于台风、风暴潮、暴雨等极端气象可以发挥重要的作用，此外，还可以应用在防范旱灾、洪灾、海洋灾害等领域，推广性好，具有巨大的实用性潜力。

技术特征：

1.一种对流层气象监测系统，其特征在于，包括数据模块、观测方程模块、对流层延迟模块以及气象预测模块，所述数据模块、所述观测方程模块、所述对流层延迟模块以及所述气象预测模块顺次连接；

2.根据权利要求1所述的对流层气象监测系统，其特征在于，所述对流层延迟模块包括矩阵单元和递推单元，所述矩阵单元和所述递推单元连接；

3.根据权利要求1所述的对流层气象监测系统，其特征在于，还包括时空统一模块，所述时空统一模块与所述观测方程模块连接；

4.根据权利要求3所述的对流层气象监测系统，其特征在于，还包括多区域预测模块，所述多区域预测模块与所述气象预测模块连接；

5.根据权利要求4所述的对流层气象监测系统，其特征在于，还包括交互模块，所述交互模块分别与所述数据模块、所述观测方程模块、所述对流层延迟模块、所述气象预测模块、所述时空统一模块以及所述多区域预测模块连接；

6.根据权利要求5所述的对流层气象监测系统，其特征在于，所述交互模块设有拓展接口，所述拓展接口用于根据需求，调用所述数据模块、所述观测方程模块、所述对流层延迟模块、所述气象预测模块、所述时空统一模块以及所述多区域预测模块的数据，实现拓展功能。

7.根据权利要求1所述的对流层气象监测系统，其特征在于，所述数据模块包括获取单元、误差单元、解码单元、预处理单元、改正单元以及整合单元；

8.根据权利要求1所述的对流层气象监测系统，其特征在于，还包括日志模块，所述日志模块分别与所述数据模块、所述观测方程模块、所述对流层延迟模块以及所述气象预测模块连接；

9.根据权利要求5所述的对流层气象监测系统，其特征在于，所述交互模块设有气象面板和参数设置面板，所述气象面板用于显示所述气象预报和所述其他区域的气象预报，所述参数设置面板用于显示所述全球导航卫星系统。

10.一种对流层气象监测方法，其特征在于，包括：

技术总结
本发明提供一种对流层气象监测系统及方法，涉及气象监测技术领域，该系统包括数据模块、观测方程模块、对流层延迟模块以及气象预测模块，数据模块、观测方程模块、对流层延迟模块以及气象预测模块顺次连接；数据模块用于通过全球导航卫星系统实时获取对流层数据；观测方程模块用于处理对流层数据，获取无电离层观测方程；对流层延迟模块用于根据无电离层观测方程，通过卡尔曼滤波算法获取对流层延迟数据；气象预测模块用于将对流层延迟数据转化为PWV数据，并根据PWV数据输出气象预报。本发明可节省系统内存空间，计算效率更高，更适用于快捷地实时计算，可以实时进行准确地气象预报，对于极端气象可以发挥重要的作用。

技术研发人员：陈克杰,柴海山,朱海,魏国光,李佳峰
受保护的技术使用者：南方科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15