基于ERA5再分析资料的大气折射率剖面估计方法技术

本发明专利技术提供了一种基于ERA5再分析资料的大气折射率剖面估计方法，包括基于ERA5资料获取观测区域预设年段的各气象要素逐小时数据，并统计各月份不同时段、各天气条件下的边界层和对流层高度，修正大气折射率分段模型中的分层高度；基于修正后的大气折射率分段模型，统计各月份不同时段、不同天气条件下各分段高度层内的折射率梯度，建立大气折射率剖面估计模型参数库；设置观测区域的约束条件，调用该大气折射率剖面估计模型参数库中对应的模型参数，输入地面大气折射率，得到大气折射率剖面估计结果。从而实现对大气折射率分段模型的修正，有效地提高模型精度，使得大气折射率精细模型的建立不再受限于气象站的分布和累积观测数据的影响。测数据的影响。测数据的影响。

【技术实现步骤摘要】
基于ERA5再分析资料的大气折射率剖面估计方法


[0001]本专利技术涉及大气折射误差修正
，具体地，涉及一种基于ERA5再分析资料的大气折射率剖面估计方法。

技术介绍

[0002]雷达等设备发射电磁波对空中目标或大气环境进行探测时，由于大气的不均一性，电磁波在大气中传播时，其传播路径、传播速度和多普勒频移会因折射效应发生变化，从而影响雷达的测量精度。随着雷达等硬件设备及信号处理技术的不断提高和优化，大气折射已经成为制约雷达测量精度的重要因素之一，因此，获取精确的大气折射率剖面，对提高雷达测量精度有重要意义。
[0003]大气折射率剖面获取的主要方法包括：直接探测法和统计模型法。直接探测法主要指通过在地面释放探空气球，获取大气环境参数在各个高度层上的变化，进一步通过计算得到大气折射率剖面，其主要缺点在于探空气球单次释放时间长、成本高、探测高度有限，远不能满足现有雷达等设备大气折射修正的需求。统计模型法通过对大气折射率的多次探测建立统计模型后，可基于地面一点大气折射率得到大气折射率剖面，因此大气折射率剖面取决于大气结构。我国幅员辽阔、四季分明，不同地区、不同季节、不同天气条件下的大气结构和性质都有所不同，由单一的统计模型计算大气折射率剖面，必然存在误差。常用且经典的大气折射率分段模型中对大气的分层高度固定为1km和9km，极有可能与实际大气空间结构情况不一致，应基于实际大气结构对其进行修正，提高模型精度；另外，若探测区域没有足够多的大气参数廓线数据，则无法建立统计模型。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种基于ERA5再分析资料的大气折射率剖面估计方法。
[0005]第一方面，本申请实施提供一种基于ERA5再分析资料的大气折射率剖面估计方法，包括：
[0006]步骤1：获取观测区域的ERA5再分析资料中，预设年段的多个目标压力层结上的大气温度、湿度的逐小时数据，以及云量、总降水的逐小时数据；
[0007]步骤2：将预设年段对应的各种逐小时数据按照月份和小时区间分别进行分组，并根据降水和云量数据区分不同天气条件，以及根据不同天气条件进行分组的细化；
[0008]步骤3：根据统计的各月份不同时段、不同天气条件下边界层高度，以及对流层高度，修正大气折射率分段模型中的分层高度；
[0009]步骤4：计算各月份不同时段、不同天气条件下的大气折射率廓线；
[0010]步骤5：基于修正后的大气折射率分段模型，统计各月份不同时段、不同天气条件下各分段高度层内的折射率梯度，建立观测区域的大气折射率剖面估计模型参数库；
[0011]步骤6：设置观测区域的约束条件，调用所述大气折射率剖面估计模型参数库中对
应的模型参数，输入地面大气折射率，得到所述观测区域的大气折射率剖面估计结果；其中，所述约束条件包括：月份、观测时间段、天气条件。
[0012]可选地，所述步骤2包括：
[0013]步骤2.1：将预设年段对应的各种逐小时数据按照12个自然月，以及2小时间隔进行分组，其中，将2n～2n+2小时区间记为2n小时区间，n为小于12的自然数；
[0014]步骤2.2：分别判断每个小时区间的天气条件，若在对应小时区间内出现降水，则将天气条件设置为：降水；若在对应小时区间内未出现降水，则将天气条件设置为非降水；
[0015]步骤2.3：若天气条件为非降水，则判断对应小时区间内的云量数据，若云量占比大于等于30％，则将对应小时区间的天气条件设置为：多云；若云量占比小于30％，则将对应小时区间的天气条件设置为：晴天。
[0016]可选地，所述步骤3包括：
[0017]步骤3.1：将观测区域的ERA5再分析资料中各个气压层根据压高公式转换为分层高度，所述压高公式如下：
[0018]ΔH＝287.05287T
v
(lnp1‑
lnp2)/g(1)
[0019][0020][0021]其中，
△
H为分层高度，T
v
为层间平均虚温，单位为K；p1和p2分别为相邻两高度上的气压，g为重力加速度，为层间平均绝对温度，单位为K；为层间平均相对湿度，单位为％；为温度对应的饱和水气压，单位为hPa；为层间平均气压，单位为hPa，为层间平均摄氏温度；
[0022]由于大气压力随高度按对数递减，将公式(2)中大气压的平均值，按对数平均方法计算，计算公式如下：
[0023][0024]步骤3.2：基于ERA5再分析资料中边界层高度的逐小时数据，统计每个月各个时刻、不同天气条件下边界层高度的平均值；
[0025]步骤3.3：根据ERA5再分析资料中大气温湿廓线，计算每个月各个时刻、不同天气条件下对流层高度；统计每个月各个时刻、不同天气条件下对流层高度的平均值；
[0026]步骤3.4：基于每个月各个时刻、不同天气条件下边界层和对流层高度，对大气折射率分段模型分层高度进行修正；其中，修正后的大气折射率分段模型如下：
[0027][0028]式中：高度单位均为km，大气折射率递减系数的单位为km
‑1，N
h
为大气折射率，h0为地面海拔高度，N0为地面大气折射率，h
b
为对应统计月份、时段和天气条件下的边界层高度，c1为h0到h
b
之间的大气折射率递减系数；N
b
为高度h
b
上的大气折射率，h
d
为对应统计月份、时
段和天气条件下的对流层高度，c2为h
b
到h
d
之间的大气折射率递减系数；N
d
为高度h
d
上的大气折射率，c3为h
d
到60km之间的大气折射率递减系数。
[0029]可选地，所述步骤3.3包括：
[0030]步骤3.3.1：设置对流层高度的起始判定高度为7km，从7km高度向上开始查找大气温湿廓线；
[0031]步骤3.3.2：当查找的温度递减率减小为≤2K/km时，且对应高度以上2km内高度层之间的平均温度递减率不超过2K/km，则确定对应高度为对流层高度；
[0032]步骤3.3.3：统计每个月各个时刻、不同天气条件下对流层高度的平均值。
[0033]可选地，所述步骤4包括：
[0034]步骤4.1：计算各个高度层上水汽的分压强，计算公式如下：
[0035][0036]其中，e为大气中的水汽分压强，单位为hPa，RH为大气相对湿度，单位为％；t为大气温度，单位为℃；a、b、c为三个系数；当对水面时，a＝6.1121，b＝17.502，c＝240.97；当对冰面时，a＝6.1121，b＝17.502，c＝240.97；
[0037]步骤4.2：计算各个高度层上大气折射率，计算公式如下：
[0038][0039]其中，N为大气折射率；p本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于ERA5再分析资料的大气折射率剖面估计方法，其特征在于，包括：步骤1：获取观测区域的ERA5再分析资料中，预设年段的多个目标压力层结上的大气温度、湿度的逐小时数据，以及云量、总降水的逐小时数据；步骤2：将预设年段对应的各气象要素逐小时数据按照月份和小时区间分别进行分组，并根据降水和云量数据区分不同天气条件，以及根据不同天气条件进行分组的细化；步骤3：根据统计的各月份不同时段、不同天气条件下边界层高度，以及对流层高度，修正大气折射率分段模型中的分层高度；步骤4：计算各月份不同时段、不同天气条件下的大气折射率廓线；步骤5：基于修正后的大气折射率分段模型，统计各月份不同时段、不同天气条件下各分段高度层内的折射率梯度，建立观测区域的大气折射率剖面估计模型参数库；步骤6：设置观测区域的约束条件，调用所述大气折射率剖面估计模型参数库中对应的模型参数，输入地面大气折射率，得到所述观测区域的大气折射率剖面估计结果；其中，所述约束条件包括：月份、观测时间段、天气条件。2.根据权利要求1所述的基于ERA5再分析资料的大气折射率剖面估计方法，其特征在于，所述步骤2包括：步骤2.1：将预设年段对应的各气象要素逐小时数据按照12个自然月，以及2小时间隔进行分组，其中，将2n～2n+2小时区间记为2n小时区间，n为小于12的自然数；步骤2.2：分别判断每个小时区间的天气条件，若在对应小时区间内出现降水，则将天气条件设置为：降水；若在对应小时区间内未出现降水，则将天气条件设置为非降水；步骤2.3：若天气条件为非降水，则判断对应小时区间内的云量数据，若云量占比大于等于30％，则将对应小时区间的天气条件设置为：多云；若云量占比小于30％，则将对应小时区间的天气条件设置为：晴天。3.根据权利要求1所述的基于ERA5再分析资料的大气折射率剖面估计方法，其特征在于，所述步骤3包括：步骤3.1：将观测区域的ERA5再分析资料中各个气压层根据压高公式转换为分层高度，所述压高公式如下：ΔH＝287.05287T
v
(lnp1‑
lnp2)/g(1))/g(1)其中，
△
H为分层高度，T
v
为层间平均虚温，单位为K；p1和p2分别为相邻两高度上的气压，g为重力加速度，为层间平均绝对温度，单位为K；为层间平均相对湿度，单位为％；为温度对应的饱和水气压，单位为hPa；为层间平均气压，单位为hPa，为层间平均摄氏温度；由于大气压力随高度按对数递减，将公式(2)中大气压的平均值，按对数平均方法计算，计算公式如下：
步骤3.2：基于ERA5再分析资料中边界层高度的逐小时数据，统计每个月各个时刻、不同天气条件下边界层高度的平均值；步骤3.3：根据ERA5再分析资料中大气温湿廓线，计算每个月各个时刻、不同天气条件下对流层高度；统计每个月各个时刻、不同天气条件下对流层高度的平均值；步骤3.4：基于每个月各个时刻、不同天气条件下边界层和对流层高度，对大气折射率分段模型分层高度进...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈俊，王暐，左惠文，曾媛，郭凯斯，苏兴华，
申请(专利权)人：上海航天测控通信研究所，
类型：发明
国别省市：