平流层多尺度扰动中能量传输和物质输送的识别方法技术

本申请涉及一种平流层多尺度扰动中能量传输和物质输送的识别方法。所述方法包括：基于往返式智能探空系统的探空数据提取平流层中的湍流参数、惯性重力波参数和重力波参数，根据垂直方向的湍流参数和惯性重力波参数获取湍流扰动特征和惯性重力波扰动特征，根据水平方向的重力波参数获取小尺度重力波扰动特征，根据湍流扰动特征、惯性重力波扰动特征与小尺度重力波扰动特征之间的相互作用关系，识别得到平流层多尺度扰动中的能量传输过程，根据小尺度重力波扰动特征识别得到平流层多尺度扰动中的物质传输过程。采用本方法能够通过提取平流层多尺度扰动特征，根据多尺度扰动特征之间的相互作用关系，准确识别平流层中的能量传输和物质输送过程。量传输和物质输送过程。量传输和物质输送过程。

【技术实现步骤摘要】
平流层多尺度扰动中能量传输和物质输送的识别方法


[0001]本申请涉及大气探测
，特别是涉及一种平流层多尺度扰动中能量传输和物质输送的识别方法。

技术介绍

[0002]根据平流层中的多尺度扰动信息识别平流层中的能量传输和物质输送在气候变化中的作用是过去几十年里最热门的话题之一。目前主流的平流层中水平方向的扰动信息获取方法包括飞机观测和超压气球探测，但是，飞机观测只能用于特定设计的任务，并且数据难以连续累积；超压气球尽管能够实现长时间的沿纬圈漂移，同时获取准拉格朗日观测的平流层重力波场信息，但是考虑大气环流条件，只能在赤道和极区范围内进行飞行试验。受限于观测方式，对平流层中水平方向的扰动信息的获取相对匮乏，影响平流层中的能量传输和物质输送的识别精度。

技术实现思路

[0003]基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种平流层多尺度扰动中能量传输和物质输送的识别方法。
[0004]一种平流层多尺度扰动中能量传输和物质输送的识别方法，所述方法包括：
[0005]获取往返式智能探空系统探测得到的上升阶段探空数据，采用索普分析法对上升阶段探空数据进行平流层中垂直方向上的湍流参数的提取，得到湍流参数；
[0006]采用速度图分析法对上升阶段探空数据进行平流层中垂直方向上的惯性重力波参数的提取，得到惯性重力波参数；
[0007]获取往返式智能探空系统探测得到的平漂阶段探空数据，根据结构函数和奇异测度对平漂阶段探空数据进行平流层中水平方向上的小尺度重力波参数的提取，获取包括Hurst参数和间歇性参数的小尺度重力波参数；
[0008]根据湍流参数和惯性重力波参数获取湍流扰动特征和惯性重力波扰动特征，根据小尺度重力波参数获取小尺度重力波扰动特征，根据湍流扰动特征和惯性重力波扰动特征与小尺度重力波扰动特征之间的相互作用关系，识别得到平流层多尺度扰动中的能量传输过程，根据小尺度重力波扰动特征识别得到平流层多尺度扰动中的物质传输过程。
[0009]在其中一个实施例中，湍流参数包括湍流尺度、湍流动能耗散率以及湍流扩散系数。
[0010]在其中一个实施例中，惯性重力波参数包括惯性重力波的垂直波长、水平波长、固有频率、垂直传播方向、水平传播方向、动能、势能、纬向动量通量以及垂向动量通量。
[0011]在其中一个实施例中，采用速度图分析法对上升阶段探空数据进行平流层中垂直方向上的惯性重力波参数的提取，得到惯性重力波参数，包括：
[0012]针对平流层中高度区间为18
‑
25km中的上升阶段探空数据进行背景廓线剔除，获取扰动场，通过对扰动场进行Lomb
‑
Scargle功率谱分析，获取惯性重力波的垂直波长；
[0013]通过对垂直波长进行谐波拟合，拟合得到惯性重力波的振幅和相位，根据惯性重力波的振幅与相位之间的极化关系进行速度图分析，得到惯性重力波的水平波长、固有频率、垂直传播方向、水平传播方向、动能、势能、纬向动量通量以及垂向动量通量。
[0014]在其中一个实施例中，根据结构函数和奇异测度对平漂阶段探空数据进行平流层中水平方向上的小尺度重力波参数的提取，获取包括Hurst参数和间歇性参数的小尺度重力波参数，包括：
[0015]根据q阶结构函数对平漂阶段探空数据进行平流层中水平方向上的小尺度重力波参数的提取，得到Hurst参数；
[0016]根据q阶奇异测度对平漂阶段探空数据进行平流层中水平方向上的小尺度重力波参数的提取，得到间歇性参数。
[0017]在其中一个实施例中，根据q阶结构函数对平漂阶段探空数据进行平流层中水平方向上的小尺度重力波参数的提取，得到Hurst参数，包括：
[0018]计算q阶结构函数S
q
(r)，表示为
[0019]S
q
(r)＝<|u
L
(x+r)
‑
u
L
(x)|
q
>＝<|δu
L
(r)|
q
>＝C
q
r
ζ(q)
，q≥0
[0020]其中，u
L
表示水平方向上的准拉格朗日测量结果，δu
L
(r)表示与位置无关的统计特征，C
q
表示常数，ζ(q)表示与阶数q有关的函数，r表示分离距离，x表示数据序列上的坐标点；
[0021]根据q阶结构函数S
q
(r)对平漂阶段探空数据进行平流层中水平方向上的小尺度重力波参数的提取，得到q阶参数为选取q＝1时的q阶参数作为Hurst参数，表示为H1＝H(1)，且H1∈(0，1)。
[0022]在其中一个实施例中，根据q阶奇异测度对平漂阶段探空数据进行平流层中水平方向上的小尺度重力波参数的提取，得到间歇性参数，包括：
[0023]根据q阶奇异测度对平漂阶段探空数据进行平流层中水平方向上的小尺度重力波参数的提取，得到间歇性参数，表示为
[0024][0025]其中，间歇性参数C1∈(0，1)，表示q阶广义维，K(q)表示q阶曲线，K
′
(1)为该曲线在q＝1处的线性拟合斜率。
[0026]在其中一个实施例中，Hurst参数和间歇性参数的拟合区间统一为[η，R
w
]，其中，R
w
表示重力波外尺度，η＝4l表示四倍奈奎斯特波长。
[0027]在其中一个实施例中，根据小尺度重力波扰动特征识别得到平流层多尺度扰动中的物质传输过程，包括：
[0028]根据小尺度重力波扰动特征与平流层不同气压层的臭氧质量混合比和位势涡度之间的相互关系，识别得到平流层多尺度扰动中的臭氧输送过程。
[0029]上述平流层多尺度扰动中能量传输和物质输送的识别方法，基于往返式智能探空系统的上升阶段和平漂阶段的探空数据，提取得到平流层中的湍流参数、惯性重力波参数以及小尺度重力波参数，根据垂直方向上的湍流参数和惯性重力波参数获取湍流扰动特征
和惯性重力波扰动特征，根据水平方向上的小尺度重力波参数获取小尺度重力波扰动特征，根据湍流扰动特征和惯性重力波扰动特征与小尺度重力波扰动特征之间的相互作用关系，识别得到平流层多尺度扰动中的能量传输过程，根据小尺重力波扰动特征识别得到平流层多尺度扰动中的物质传输过程。采用本方法能够通过提取探空数据中的多尺度波动参数，获取平流层中的多尺度扰动特征，从而可以根据不同尺度的扰动特征相互作用关系，准确识别平流层中的能量传输和物质输送过程。
附图说明
[0030]图1为一个实施例中平流层多尺度扰动中能量传输和物质输送的识别方法的流程示意图；
[0031]图2为一个实施例中采用索普分析法提取湍流参数的流程示意图；
[0032]图3为一个实施例中采用速度图分析法提取惯性重力波参数的流程示意图；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种平流层多尺度扰动中能量传输和物质输送的识别方法，其特征在于，所述方法包括：获取往返式智能探空系统探测得到的上升阶段探空数据，采用索普分析法对所述上升阶段探空数据进行平流层中垂直方向上的湍流参数的提取，得到湍流参数；采用速度图分析法对所述上升阶段探空数据进行平流层中垂直方向上的惯性重力波参数的提取，得到惯性重力波参数；获取往返式智能探空系统探测得到的平漂阶段探空数据，根据结构函数和奇异测度对所述平漂阶段探空数据进行平流层中水平方向上的小尺度重力波参数的提取，获取包括Hurst参数和间歇性参数的小尺度重力波参数；根据所述湍流参数和惯性重力波参数获取湍流扰动特征和惯性重力波扰动特征，根据所述小尺度重力波参数获取小尺度重力波扰动特征，根据所述湍流扰动特征和惯性重力波扰动特征与小尺度重力波扰动特征之间的相互作用关系，识别得到平流层多尺度扰动中的能量传输过程，根据所述小尺度重力波扰动特征识别得到平流层多尺度扰动中的物质传输过程。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述湍流参数包括湍流尺度、湍流动能耗散率以及湍流扩散系数。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述惯性重力波参数包括惯性重力波的垂直波长、水平波长、固有频率、垂直传播方向、水平传播方向、动能、势能、纬向动量通量以及垂向动量通量。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用速度图分析法对所述上升阶段探空数据进行平流层中垂直方向上的惯性重力波参数的提取，得到惯性重力波参数，包括：针对平流层中高度区间为18
‑
25km中的上升阶段探空数据进行背景廓线剔除，获取扰动场，通过对所述扰动场进行Lomb
‑
Scargle功率谱分析，获取惯性重力波的垂直波长；通过对所述垂直波长进行谐波拟合，拟合得到惯性重力波的振幅和相位，根据惯性重力波的振幅与相位之间的极化关系进行速度图分析，得到惯性重力波的水平波长、固有频率、垂直传播方向、水平传播方向、动能、势能、纬向动量通量以及垂向动量通量。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据结构函数和奇异测度对所述平漂阶段探空数据进行平流层中水平方向上的小尺度重力波参数的提取，获取包括Hurst参数和间歇性参数的小尺度重力波参数，包括：根据q阶结构函数对所述平漂阶段探空数据进行平流层中水平方向上的小尺度重力波参数的提取，得到Hurst参数；根据q阶奇异测度对所述平漂阶段探空数据进...

【专利技术属性】
技术研发人员：盛峥，何阳，廖麒翔，何明元，季倩倩，张杰，王莹，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：