基于WRF模式构建地基微波辐射计大气温湿廓线反演算法制造技术

本发明专利技术公开了一种基于WRF模式构建地基微波辐射计大气温湿廓线反演算法。本发明专利技术提出WRF模式产品代替探空资料建立地基微波辐射计大气温湿廓线反演算法，以解决距探空站点远或附近无探空站点地基微波辐射计无法构建反演算法或者反演精度不高的问题；通过设置WRF模式嵌套方案和分辨率，使得WRF模式产品地址与微波辐射计部署地高度一致，并且根据一些主流算法构建算法库，丰富了算法多样性，为建立更加本地化的反演算法和提高微波辐射计反演精度增加了可能；本发明专利技术能够获得更高精度的结果，通过本发明专利技术的方法，地基微波辐射计能够在任意地点进行部署，并且根据监测需要构建走航反演算法库，为微波辐射计走航观测奠定了基础。础。础。

【技术实现步骤摘要】
基于WRF模式构建地基微波辐射计大气温湿廓线反演算法


[0001]本专利技术涉及气象观测技术，具体涉及一种基于WRF模式产品构建地基微波辐射计大气温湿廓线反演算法。

技术介绍

[0002]大气温湿廓线是能够准确地反映大气的运动和热力状态变化的重要参数，对其准确及时的测量能够有效提升天气预报的性能。由于实时性强、灵活性和可信度高的特点，无线电探空气球已成为国内外大气廓线探测的主要手段。受限于成本制约，探空站点的分布较少，观测间隔较长，这导致探空数据越来越难以满足当前短时临近天气预报和科学研究的需求。卫星遥感监测可以实现大范围区域高频次的大气监测，但是由于其自上而下的观测方式，对大气边界层的探测常常存在限制，大气温湿廓线反演精度不高。地基微波辐射计作为一种典型的被动遥感探测设备，可以实时、连续且无人值守地测量地表垂直10km的大气辐射亮温，并反演出大气温湿廓线数据，可以在探空空白区、无人区、海岛甚至南极等特殊环境工作，弥补了探空观测时间不连续的缺点，对提高中小尺度天气系统监测精度和强天气预报能力具有重要的意义。
[0003]微波辐射计反演算法的构建依赖历史探空资料，且其反演算法与地点具有极强的相关关系，在水汽和液态水廓线的反演上表现的尤为明显。目前，在构建地基微波辐射计的算法时，通常会利用附近的探空数据进行训练。这种方法在微波辐射计部署地与探空站点距离较近的情况下是可行的。然而，对于微波辐射计部署地与探空站点距离较远或者缺乏探空资料的区域，由于临近探空站点与地基微波辐射计之间存在一定距离，气象特征可能存在局地差异。因此，使用这种方法建立的反演模型在微波辐射计部署地的代表性可能较低，导致反演得到的大气温湿廓线精度较差。雷连发利用第五代欧洲中期天气预报中心全球气候再分析 (The Fifth Generation ECMWF Atmospheric Reanalysis of the Global Climate, ERA5)资料代替传统探空资料来构建微波辐射计反演算法，时间分辨率为1小时，空间分辨率为0.25
°
，这种方法在一定程度上提高了微波辐射计反演的精度，但由于再分析资料的空间分辨率限制，无法实现再分析资料的位置和微波辐射计部署地同址。同时再分析资料代表的是某个格点的平均气象状态，其0.25
°
的空间分辨率无法模拟γ中尺度及其以下尺度的天气现象，微波辐射计单点观测、全时监测的特点对于这类尺度的天气现象具有较强的监测能力，空间分辨率高的资料对于微波辐射计算法的构建具有重要意义。
[0004]天气研究与预报模式(The Weather Research and Forecasting Model, WRF Model)是一种大气动力学数值模型，它由美国国家大气研究中心(National Center for Atmospheric Research, NCAR)和美国国家海洋和大气管理局(NationalOceanic and Atmospheric Administration, NOAA)共同开发。WRF模式基于非静力气象方程和原则上的大气边界层相互作用，采用有限差分法或有限元方法求解数值方程，用来模拟大气中各种物理、化学和生物过程。WRF模式可以在全球、区域和局地尺度上进行气象预报和气候模拟。它具有高分辨率、高精度和灵活性等优点，可以对各种天气现象进行模拟和预报，包括降
水、温度、湿度、风速等。相比探空资料，WRF模式模拟的资料时空分辨率更高，本地化特征更强，这为在无探空历史资料的地区使用微波辐射计提供了可能。由于WRF模式可以模拟全球所有位置，能够满足辐射计在任意位置的使用。目前，该模式已经在大气研究中得到了广泛的应用。
[0005]地基微波辐射计部署在探空站点，可以利用探空资料作为训练样本，通过前向辐射传输模式模拟观测亮温，将模拟亮温和大气温湿廓线结合，作为训练样本用于反演模型的构建，从而获得大气温湿廓线反演模型。对于没有探空站的地基微波辐射计站点，通常会使用临近探空站点的探空资料及其模拟亮温，建立反演模型。由于临近探空站点与地基微波辐射计站点之间的海拔、位置不同，气象特征存在局部差异，因此建立的反演模型在微波辐射计站点处可能代表性不强，从而导致反演的大气温湿廓线与真实大气存在一定的偏差。

技术实现思路

[0006]为了解决以上现有技术中存在的不足，本专利技术提出了一种基于WRF模式产品构建地基微波辐射计大气温湿廓线反演算法，WRF模式产品代替探空资料构建地基微波辐射计大气温湿廓线反演算法，以克服微波辐射计部署地距探空站点远或无探空站点，导致微波辐射计无法构建反演算法或反演精度不高的问题，从而实现微波辐射计在全球范围内任意地点的部署和走航观测。
[0007]本专利技术的基于WRF模式产品构建地基微波辐射计大气温湿廓线反演算法，包括以下步骤：1）根据地基微波辐射计部署位置，设定模拟区域，确定模拟区域内采用的模型网格的水平网格和垂直网格的分辨率和范围，设置模拟的起始时间、结束时间以及时间步长；获取静态地形数据和网格化气象数据，将静态地形数据和网格化气象数据插值到模型网格上，并对初始和边界条件进行插值处理，得到初始场文件；2）设置大气辐射、云微物理、湍流和地表过程物理参数，运行天气研究与预报WRF模式，WRF模式调用初始场文件，模拟运行完成后得到WRF模式产品；3）根据微波辐射计部署地的坐标点，提取微波辐射计部署地的坐标点附近对应WRF模式产品中的高度、气压、相对湿度、水汽混合比和大气温湿廓线，并按照天气分类方案将WRF模式产品分为晴天、云天和阴天三类；4）将分好类的WRF模式产品输入适合于微波的大气辐射传输模型，利用辐射传输模式进行正向模拟亮温，得到与地基微波辐射计的探测波段对应的模拟亮温；将模拟亮温和WRF模式产品中的大气温湿廓线组成样本集；将样本集按照设定的比例分成训练样本集和验证样本集；5）建立多个反演算法，将训练样本集输入各个反演算法进行训练，并用验证样本集进行验证，对训练好的各个反演算法进行比较，采用效果最好的反演算法作为最优反演算法；反演算法的输入是模拟亮温，输出为大气温湿廓线；6）地基微波辐射计观测得到亮温，根据微波辐射计自身传感器数据进行天气分类，将亮温质控后，输入至最优反演算法，得到对应时刻的大气温湿廓线。
[0008]在步骤1）中，对设定的模拟区域设置区域嵌套方案和分辨率，区域嵌套方案中的
区域嵌套层数的设定取决于所需的分辨率范围、计算资源可用性，分辨率和层数关系较为复杂，且受多种因素影响，综合考虑，区域嵌套层数设定在2~5层；将最里面的区域嵌套层的分辨率范围设置为1~3km，以确保微波辐射计部署位置和WRF模式产品位置高度一致。
[0009]在步骤3）中，微波辐射计部署地的坐标点附近是以地基微波辐射计为中心半径2~5公里范围内。
[0010]在步骤3）中，天气分类方案为：设定相对湿度阈值，相对湿度阈值范围在80%～90%，所有高度层的相对湿度都低于相对湿度阈值视为晴天；近地面处相对湿度低于相对湿度阈值，600~10本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于WRF模式产品构建地基微波辐射计大气温湿廓线反演算法，其特征在于，所述大气温湿廓线反演算法包括以下步骤：1）根据地基微波辐射计部署位置，设定模拟区域，确定模拟区域内采用的模型网格的水平网格和垂直网格的分辨率和范围，设置模拟的起始时间、结束时间以及时间步长；获取静态地形数据和网格化气象数据，将静态地形数据和网格化气象数据插值到模型网格上，并对初始和边界条件进行插值处理，得到初始场文件；2）设置大气辐射、云微物理、湍流和地表过程物理参数，运行天气研究与预报WRF模式，WRF模式调用初始场文件，模拟运行完成后得到WRF模式产品；3）根据微波辐射计部署地的坐标点，提取微波辐射计部署地的坐标点附近对应WRF模式产品中的高度、气压、相对湿度、水汽混合比和大气温湿廓线，并按照天气分类方案将WRF模式产品分为晴天、云天和阴天三类；4）将分好类的WRF模式产品输入适合于微波的大气辐射传输模型，利用辐射传输模式进行正向模拟亮温，得到与地基微波辐射计的探测波段对应的模拟亮温；将模拟亮温和WRF模式产品中的大气温湿廓线组成样本集；将样本集按照设定的比例分成训练样本集和验证样本集；5）建立多个反演算法，将训练样本集输入各个反演算法进行训练，并用验证样本集进行验证，对训练好的各个反演算法进行比较，采用效果最好的反演算法作为最优反演算法；反演算法的输入是模拟亮温，输出为大气温湿廓线；6）地基微波辐射计观测得到亮温，根据微波辐射计自身传感器数据进行天气分类，将亮温质控后，输入至最优反演算法，得到对应时刻的大气温湿廓线。2.如权利要求1所述的大气温湿廓线反演算法，其特征在于，在步骤1）中，对设定的模拟区域设置区域嵌套方案和分辨率，区域嵌套层数设定在2~5层；将最里面的区域嵌套层的分辨率范围设置为1~3km。3.如权利要求1所述的大气温湿廓线反演算法，其特征在于，在步骤3）中，微波辐射计部署地的坐标点附近是以地基微波辐射计为中心半径2~5公里范围内。4.如权利要求1所述的大气温湿廓线反演算法，其特征在于，在步骤3）中，天气分类方案为：设定相对湿度阈值，相对湿度阈值范围在80%～90%，所有高度层的相对湿度都低于相对湿度阈值视为晴...

【专利技术属性】
技术研发人员：章露露，刘美景，李婧，李双旭，于浩男，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：