本发明公开了一种反演上对流层与下平流层风场的方法及装置，利用无线电掩星探测到的温度廓线信息进行风场反演，计算获得所述风场的物理特征参数；结合5度水平分辨率的对流层顶层数据对风场进行匹配，得到风场的对流层顶信息；结合0.1度水平分辨率的地形数据对所述风场进行匹配，得到风场的海陆和地形高度信息；结合0.5度水平分辨率的地表和海表温度数据对风场进行匹配，得到所述风场的下垫面温度信息；将计算得到的风场物理特征参数与风场的对流层顶信息、海陆和地形高度信息以及下垫面温度信息进行匹配，构建风场特征参数数据集。上述方法及装置能提供全天候的高时空分辨率的大气风场数据。
1.一种反演上对流层与下平流层风场的方法，其特征在于，所述方法包括：利用无线电掩星探测到的温度廓线信息进行风场反演，计算获得所述风场的物理特征参数；
结合5度水平分辨率的对流层顶层数据对风场进行匹配，得到所述风场的对流层顶信息；
结合0.1度水平分辨率的地形数据对所述风场进行匹配，得到所述风场的海陆和地形高度信息；
结合0.5度水平分辨率的地表和海表温度数据对所述风场进行匹配，得到所述风场的下垫面温度信息；
将计算得到的风场物理特征参数与所述风场的对流层顶信息、海陆和地形高度信息以及下垫面温度信息进行匹配，构建风场特征参数数据集。
2.根据权利要求1所述反演上对流层与下平流层风场的方法，其特征在于，所述利用无线电掩星探测到的温度廓线信息进行风场反演，具体包括：对无线电掩星观测到的温度廓线进行逐2.5km求得气层平均温度，并获取每层上下边界的气压值，获得全球5—40km范围内垂直分辨率为2.5km的气层平均温度廓线数据；
再以正东方向为X轴正方向，正北方向为Y轴正方向，天顶方向为垂直的正方向，利用公式遍历计算所有两两距离小于250km且探测时间相差在1小时内的气层平均温度廓线，获得5—40km垂直分辨率为2.5km的热成风廓线数据；其中，UT为大气风场在X轴上的分量；VT为大气风场在Y轴上的分量；T为气层平均温度；pB和pT分别为气层下边界和上边界位置对应的气压；科氏力参数f是纬度 的函数 ω为地球自转角速度；R为气体常数；
然后采取反距离平方权重插值法，对1小时、3小时、6小时、12小时、1日、5天、10天、1月内的气层平均温度廓线和热成风廓线数据插值至5度水平分辨率的全球格点上，获得全球
5—40km范围内逐小时、逐3小时、逐6小时、逐12小时、逐日、逐候、逐旬、逐月的垂直分辨率为2.5km、水平分辨率为5度的全球热成风格点数据。
3.根据权利要求1所述反演上对流层与下平流层风场的方法，其特征在于，所述风场的物理特征参数具体包括：气层平均温度、平均风速和风向、气层平均温度廓线、风速廓线、风向廓线、东西方向风速廓线和南北方向风速廓线。
4.根据权利要求1所述反演上对流层与下平流层风场的方法，其特征在于，所述结合5度水平分辨率的对流层顶层数据对风场进行匹配，具体包括：使用已有的500公里水平分辨率的对流层顶信息，将风场数据相应的经纬度坐标与之相匹配，以获得该经纬度坐标的对流层顶信息。
5.根据权利要求1所述反演上对流层与下平流层风场的方法，其特征在于，所述风场的对流层顶信息包括：所述风场的格点所在位置的对流层顶高度、温度、气压、位温和对流层顶层厚度。
6.根据权利要求1所述反演上对流层与下平流层风场的方法，其特征在于，所述风场的海陆和地形高度信息具体包括：所述风场的温度、风向和风速廓线所处位置的下垫面状况和大陆架高度。
7.根据权利要求1所述反演上对流层与下平流层风场的方法，其特征在于，所述风场的下垫面温度信息具体包括：所述风场的温度、风向和风速廓线所处位置的下垫面温度。
8.根据权利要求1所述反演上对流层与下平流层风场的方法，其特征在于，所述构建风场特征参数数据集的过程为：将所获得的风场物理特征参数、对流层顶信息、海陆和地形高度信息以及下垫面温度信息按照风场时间的年月日进行编号，以构建风场特征参数数据集。
9.一种反演上对流层与下平流层风场的装置，其特征在于，所述装置包括：热成风计算单元，用于利用无线电掩星探测到的温度廓线信息进行风场反演，计算获得所述风场的物理特征参数；
对流层顶信息获取单元，用于结合5度水平分辨率的对流层顶层数据对风场进行匹配，得到所述风场的对流层顶信息；
海陆和地形高度信息获取单元，用于结合0.1度水平分辨率的地形数据对所述风场进行匹配，得到所述风场的海陆和地形高度信息；
下垫面温度信息获取单元，用于结合0.5度水平分辨率的地表和海表温度数据对所述风场进行匹配，得到所述风场的下垫面温度信息；
特征参数数据集构建单元，用于将计算得到的风场物理特征参数与所述风场的对流层顶信息、海陆和地形高度信息以及下垫面温度信息进行匹配，构建风场特征参数数据集。
一种反演上对流层与下平流层风场的方法及装置
技术领域
[0001] 本发明涉及大气科学研究技术领域，尤其涉及一种反演上对流层与下平流层风场的方法及装置。
背景技术
[0002] 上对流层与下平流层风场是大气科学研究的重要参数之一，其能够解释大气的动力学过程以及内含的相互作用和因果关系，同时上对流层与下平流层风场参数在天气预报、大气环境监测和国防高技术等方面都具有广泛的应用，为了提高卫星资料在天气模式模拟和预报方面的应用能力，研究和揭示风场参数具有重要的科学意义及应用价值。
[0003] 现有技术主要通过卫星云图、地面风廓线雷达、探空气球来获取大气风场的观测资料，与现有技术相比，利用无线电掩星探测技术反演的大气参数(包括大气折射系数、大气温度与压力)廓线具有较高的垂直分辨率，且无线电掩星探测技术可提供地球对流层和平流层之间不分天气状况、不分日夜、全球性分布的大气参数廓线资料，但现有技术中缺乏利用无线电掩星探测结果反演上对流层与下平流层区域风场的技术手段。
发明内容
[0004] 本发明的目的是提供一种反演上对流层与下平流层风场的方法及装置，该方法能提供全天候的高时空分辨率的大气风场数据，从而便于深入认识上对流层与下平流层区域风场的物理特征及其时空分布特征。
[0005] 一种反演上对流层与下平流层风场的方法，所述方法包括：
[0006] 利用无线电掩星探测到的温度廓线信息进行风场反演，计算获得所述风场的物理特征参数；
[0007] 结合5度水平分辨率的对流层顶层数据对风场进行匹配，得到所述风场的对流层顶信息；
[0008] 结合0.1度水平分辨率的地形数据对所述风场进行匹配，得到所述风场的海陆和地形高度信息；
[0009] 结合0.5度水平分辨率的地表和海表温度数据对所述风场进行匹配，得到所述风场的下垫面温度信息；
[0010] 将计算得到的风场物理特征参数与所述风场的对流层顶信息、海陆和地形高度信息以及下垫面温度信息进行匹配，构建风场特征参数数据集。
[0011] 一种反演上对流层与下平流层风场的装置，所述装置包括：
[0012] 热成风计算单元，用于利用无线电掩星探测到的温度廓线信息进行风场反演，计算获得所述风场的物理特征参数；
[0013] 对流层顶信息获取单元，用于结合5度水平分辨率的对流层顶层数据对风场进行匹配，得到所述风场的对流层顶信息；
[0014] 海陆和地形高度信息获取单元，用于结合0.1度水平分辨率的地形数据对所述风场进行匹配，得到所述风场的海陆和地形高度信息；
[0015] 下垫面温度信息获取单元，用于结合0.5度水平分辨率的地表和海表温度数据对所述风场进行匹配，得到所述风场的下垫面温度信息；
[0016] 特征参数数据集构建单元，用于将计算得到的风场物理特征参数与所述风场的对流层顶信息、海陆和地形高度信息以及下垫面温度信息进行匹配，构建风场特征参数数据集。
[0017] 由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法及装置能提供全天候的高时空分辨率的大气风场数据，从而便于深入认识上对流层与下平流层区域风场的物理特征及其时空分布特征。
附图说明
[0018] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
[0019] 图1为本发明实施例所提供反演上对流层与下平流层风场的方法流程示意图；
[0020] 图2为本发明所举实例一次风场反演的效果示意图；
[0021] 图3为本发明所提供的一次风场物理要素匹配方法的应用示意图；
[0022] 图4为本发明实施例所述装置的结构示意图。
具体实施方式
[0023] 下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
[0024] 本发明实施例的方法利用了无线电掩星观测数据，结合对流层顶高度信息、地形数据对海陆识别、下垫面温度信息，进行具有地理信息的风场反演，以及针对风场的物理特征参数计算，最终形成数据集；这对深入研究风场的水平和垂直结构、不同地形环境及下垫面条件下的风场物理特征参数提供了技术支持和数据保证。下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例所提供反演上对流层与下平流层风场的方法流程示意图，所述方法包括：
[0025] 步骤11：利用无线电掩星探测到的温度廓线信息进行风场反演，计算获得所述风场的物理特征参数；
[0026] 在该步骤中，所述利用无线电掩星探测到的温度廓线信息进行风场反演的过程具体为：
[0027] 首先，对无线电掩星观测到的温度廓线进行逐2.5km求得气层平均温度，并获取每层上下边界的气压值，获得全球5—40km范围内垂直分辨率为2.5km的气层平均温度廓线数据；垂直分辨率是指在同一温度廓线上，相邻上下两层温度观测结果的最小空间间隔。具体实现中，上述无线电掩星观测温度廓线计算过程为每2.5km内25个无线电掩星观测温度层结进行算术平均，获得对应大气层的平均温度并记录所述气层上下边界位置对应的气压值。
[0028] 再以正东方向为X轴正方向，正北方向为Y轴正方向，天顶方向为垂直的正方向，利用公式
[0029]
[0030]
[0031] 遍历计算所有两两距离小于250km且探测时间相差在1小时内的气层平均温度廓线，获得5—40km垂直分辨率为2.5km的热成风廓线数据；其中，UT为大气风场在X轴上的分量；VT为大气风场在Y轴上的分量；T为气层平均温度；pB和pT分别为气层下边界和上边界位置对应的气压；科氏力参数f是纬度 的函数 为地球自转角速度；g为重力加速度；R为气体常数。
[0032] 具体计算中，还可以采用中央差分格式进行计算热成风计算，利用所述公式的中央差分格式可表示为
[0033]
[0034]
[0035] 其中，Tnorth为两两气层平均温度廓线中位置相对偏北的廓线，同理，Tsouth、Teast和Twest分别两两气层平均温度廓线中位置偏南、偏东和偏西的廓线；pB和pT分别为两气层平均温度廓线气层下边界和上边界位置对应的气压的平均值。
[0036] 最后，完成上述热成风廓线数据的格点化，具体可以采取反距离平方权重插值法，对1小时、3小时、6小时、12小时、1日、5天、10天、1月内的气层平均温度廓线和热成风廓线数据插值至5度水平分辨率的全球格点上，获得全球5—40km范围内逐小时、逐3小时、逐6小时、逐12小时、逐日、逐候(5天)、逐旬(10天)、逐月的垂直分辨率为2.5km、水平分辨率为5度的全球热成风格点数据。
[0037] 这里，反距离权重法是对廓线位置进行线性加权来决定输出的格点值，加权与距离成反比，廓线位置距离输出格点越远，对输出格点的影响越小。当一个廓线位置与一个格点重合时，该廓线位置被给予一个实际为1.0的权重，所有其它廓线位置的权重为0.0。换言之，该格点被赋给与廓线位置一致的值。反距离权重因其插值原理易于理解、算法简单便于实现，且插值后能够保留原廓线真值，常被作为离散点空间分析的传统方法之一。
[0038] 另外，上述风场的物理特征参数具体可以包括：气层平均温度、平均风速和风向、气层平均温度廓线、风速廓线、风向廓线、东西方向风速廓线和南北方向风速廓线。
[0039] 其中，气层平均温度为给定气层上平均温度的全球水平分布。
[0040] 平均风速为给定气层上平均风速的全球水平分布。
[0041] 平均风向为给定气层上平均风速的全球水平分布。规定正北方向为0°，正东、正南、正西按顺时针依次为90°、180°和270°。
[0042] 气层平均温度廓线为全球5至40km范围内垂直分辨率为2.5km的气层平均温度廓线。
[0043] 风向廓线为全球5至40km范围内垂直分辨率为2.5km的气层平均风向廓线。
[0044] 风速廓线为全球5至40km范围内垂直分辨率为2.5km的气层平均风速廓线。
[0045] 举例来说，如图2所示为本发明所举实例一次风场反演的效果示意图，通过上述过程对无线电掩星观测的温度廓线进行反演计算，获得的风场物理特征参数廓线，图2中：a代表5至40km每2.5km气层的平均温度；b代表5至40km各气层风速的大小；c代表5至40km各气层的风向。
[0046] 步骤12：结合5度水平分辨率的对流层顶层数据对风场进行匹配，得到所述风场的对流层顶信息；
[0047] 在该步骤中，所述结合5度水平分辨率的对流层顶层数据对风场进行匹配具体包括：
[0048] 使用已有的500公里(约5度格点)水平分辨率的对流层顶资料，将风场数据相应的经纬度坐标与之相匹配，以获得该格点的对流层顶信息。
[0049] 上述风场的对流层顶信息具体包括：所述风场的格点所在位置的对流层顶高度、温度、气压、位温和对流层顶层厚度。
[0050] 步骤13：结合0.1度水平分辨率的地形数据对所述风场进行匹配，得到所述风场的海陆和地形高度信息；
[0051] 在该步骤中，具体使用已有的10公里(约0.1度格点)水平分辨率的海陆地形标识地图和地形高度，将温度、风向和风速廓线相应的经纬度坐标与之相匹配，以决定该像素点位于陆地或海洋，并获取相应的地形高度信息。
[0052] 上述风场的海陆和地形高度信息具体包括：所述风场的温度、风向和风速廓线所处位置的下垫面状况(如海洋、陆地、冰面等)和大陆架高度(陆地为海拔高度、水域为深度)。
[0053] 步骤14：结合0.5度水平分辨率的地表和海表温度数据对所述风场进行匹配，得到所述风场的下垫面温度信息；
[0054] 在该步骤中，所述风场的下垫面温度信息具体包括：所述风场的温度、风向和风速廓线所处位置的下垫面(如海洋、陆地、冰面等)温度。
[0055] 如图3所示为本发明所提供的一次风场物理要素匹配方法的应用示意图，图3中：a表示经过步骤11所列过程，获得的25至27.5气层内平均温度(灰色格)以及气层内平均风速的大小(箭头长度)以及风向；b代表经过步骤12的过程，获得的风场各个格点对应经纬度上的对流层顶高度；c表示经过步骤13的过程所得风场各个格点对应经纬度上的地形高度；d表示经过步骤14的过程所得风场各个格点对应经纬度的下垫面温度。
[0056] 步骤15：将计算得到的风场物理特征参数与所述风场的对流层顶信息、海陆和地形高度信息以及下垫面温度信息进行匹配，构建风场特征参数数据集。
[0057] 在该步骤中，构建风场特征参数数据集的具体过程为：
[0058] 将所获得的风场物理特征参数、对流层顶信息、海陆和地形高度信息以及下垫面温度信息按照风场时间的年月日进行编号，以构建风场特征参数数据集。其中，所构建的数据集的文件名包含风场格点位置、时间等信息，以方便用户使用。
[0059] 基于上述的方法，本发明实施例还提供了一种反演上对流层与下平流层风场的装置，如图4所示为本发明实施例所述装置的结构示意图，所述装置包括：
[0060] 热成风计算单元41，用于利用无线电掩星探测到的温度廓线信息进行风场反演，计算获得所述风场的物理特征参数；
[0061] 对流层顶信息获取单元42，用于结合5度水平分辨率的对流层顶层数据对风场进行匹配，得到所述风场的对流层顶信息；
[0062] 海陆和地形高度信息获取单元43，用于结合0.1度水平分辨率的地形数据对所述风场进行匹配，得到所述风场的海陆和地形高度信息；
[0063] 下垫面温度信息获取单元44，用于结合0.5度水平分辨率的地表和海表温度数据对所述风场进行匹配，得到所述风场的下垫面温度信息；
[0064] 特征参数数据集构建单元45，用于将计算得到的风场物理特征参数与所述风场的对流层顶信息、海陆和地形高度信息以及下垫面温度信息进行匹配，构建风场特征参数数据集。
[0065] 上述装置中各单元的具体实施过程如上述方法实施例所述。
[0066] 综上所述，本发明实施例所提供的方法及装置能更好地表征上对流层与下平流层区域高垂直分辨率的风场三维结构特征及物理属性特征，便于在科学研究和业务应用中认识风场在不同天气系统和地理环境中的物理特征，为天气气候预报、大气环境监测提供观测事实。
[0067] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
