本发明涉及气象遥感技术领域，尤其涉及一种气象卫星的对流层顶风场反演方法、装置、存储介质及计算机设备。
背景技术：
大气对流层顶是对流层的上边界，是对流层和平流层之间的过渡层。在这个区域，大气属性，例如位涡、水汽、温度，以及化学属性含量，例如臭氧、二氧化硫、二氧化碳和很多氮氧化物浓度都会发生突变。大气对流层顶不仅会受到天气发展影响而具有日变化特征，还会随纬度和季节变化发生改变。
大气中的动量主要集中在对流层中高层，特别是在对流层顶附近(10km左右)，它们通常以波(波长约为6000km或更短)的形式向前传播，在传播过程中经过数天到一周的能量耗散，逐渐减弱。从过去大量的观测发现，位于对流层顶的高空风速量级通常为10～100m/s，并具有随着高度逐渐增大，以及随纬度和季节变化的特征。从流场的形式看，它们通常表现为平直气流和旋转气流(带有气旋性或反气旋性弯曲的气流)。从一张对流层顶风场图中，可以清楚地观察中高纬度地区高空急流(风速≥30m/s的强风速带)的位置和强度演变；而且还能追踪气旋和反气旋的位置，以及气流发生汇合和疏散的区域。这些在大气动力学中具有重要物理含义的特征和指标对气候变化以及天气预报都具有非常关键的指示作用。
在过去几十年中，对流层顶风场主要依赖于无线电探空测风仪直接观测获得，这些资料空间分布非常稀疏，两个观测站点的距离平均在200km～300km。随着高分辨率的数值模式的发展，例如ecmwf-interim全球再分析数据，科学家可以借助三维风场，通过垂直插值得到对流层顶高度上的风场分布情况。这种基于数值预报资料的对流层顶风场的空间和时间分辨率分别约为75km和6小时，且该数值预报资料具有严重的时间滞后性，由于需要加入观测资料进行订正，时间上通常会滞后3个月。目前全球数值模式的最高分辨率为0.25°，约为25km，时间分辨率最高为1小时，无法满足天气预报中实时获取高时空分辨率资料要求。基于此，有必要反演得到一种实时的高时空分辨率的大气对流层顶风场反演方法。
技术实现要素：
本发明提供了一种基于气象卫星的对流层顶风场反演方法及装置，该方法及装置能够基于气象卫星的观测资料及有关信息，反演得到高分辨率的时间及空间对流层顶风场数据，便于深入认识大气对流层顶风场及其时空分布特征。
本发明提供了一种基于气象卫星的对流层顶风场反演方法，包括以下步骤：
基于气象卫星观测数据反演获得对流层顶气压数据；
计算各纬度的科里奥利力，基于所述各纬度的科里奥利力和所述对流层顶气压数据获得所述对流层顶风场的风速分量数值,并根据纬度值确定所述风场的风速分量方向；
基于所述风场的风速分量数值和方向反演出对流层顶风场的风速；
将反演出的对流层顶风场的风速数据输出，以区分对流层顶风场的风速。
根据本发明的实施例，所述基于气象卫星观测数据反演获得对流层顶气压数据，包括：
基于气象卫星反演的温度廓线资料，计算温度垂直递减率最小值或温度最低值所在高度的气压来获得对流层顶气压；
或者利用气象卫星的臭氧探测仪的资料反演得到大气臭氧总量，并基于大气臭氧总量通过回归计算式获得臭氧对流层顶气压；
或者通过气象卫星多通道扫描辐射成像仪的水汽通道和红外通道反演的亮温、中层平均比湿、高层平均比湿、卫星观测时间、经纬度及卫星天顶角信息，通过回归计算式获得对流层顶气压。
根据本发明的实施例，在基于气象卫星观测数据反演获得对流层顶气压数据之后，且在所述计算各纬度的科里奥利力之前，所述方法还包括以下步骤：
基于卫星像素点行列号与经纬度的对应关系，将所述对流层顶气压数据从卫星观测投影模式转换到等经纬度投影模式。
根据本发明的实施例，获得所述科里奥利力的计算式为，
其中，ω＝7.292×10-5弧度/秒,π＝3.14159弧度/度；
所述弧度
其中，
根据本发明的实施例，基于地转平衡原理和所述科里奥利力，计算所述对流层顶风场的风速数值，包括：
获得对流层顶风场风速的分量，所述对流层顶风场风速的分量计算式为：
其中，
采用差分法对计算式(3)进行数值化处理求解，所述南北风风速分量
其中，
采用差分法对计算式(4)进行数值化处理求解，所述东西风风速分量
其中，
根据本发明的实施例，基于纬度值确定所述对流层顶风场的风速分量方向设置为：若纬度值为-90°～0°，则风场的风速分量方向符号取数值的反值。
根据本发明的实施例，获得所述对流层顶风场的风速的计算式为：
其中，v为对流层顶风场的风速，
本发明还提供了一种基于气象卫星的对流层顶风场反演装置，所述装置包括：
气象卫星对流层顶气压信息获取单元，用于获取经过气象卫星反演得到的对流层顶气压数据；
科里奥利力计算单元，基于纬度获得科里奥利力；
对流层顶风场风速计算单元，基于所述科里奥利力和所述对流层顶气压数据采用差分法获得对流层顶风场风速数据；
反演结果输出单元，用于将回归反演得到的所述对流层顶风场数据输出，并区分对流层顶风场的风速。
本发明还提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现以上内容中任一项所述基于气象卫星的对流层顶风场反演方法的步骤。
本发明还提供了一种计算机设备，包括：
存储器，其上存储有计算机程序；以及
处理器，用于执行所述存储器中的所述计算机程序，以实现以上内容中任一项所述基于气象卫星的对流层顶风场反演方法的步骤。
与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：
1、本发明基于气象卫星反演得到的对流层顶气压数据及有关资料来对大气动力对流层顶风场进行反演，本发明的反演方法得到的对流层顶风场结果与现有技术反演的结果保持一致，具备有效性。
2、本发明基于气象卫星的观测数据反演得到对流层顶气压数据，再反演大气对流层顶风场，能够获得比现有方法更高的空间分辨率和时间分辨率的对流层顶风场信息，能获得更加细致的对流层顶风场结构，能获得对流层顶的中尺度涡旋信息,有利于获得更高的时空分辨率对流层顶的天气气候特征，也有利于监测和预报对流层天气，并对航空飞行安全保障具有重要作用。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明实施例的一种基于动力约束的气象卫星的大气对流层顶风场反演处理方法流程示意图；
图2是本发明实施例的一种基于动力约束的风云四号a星多通道扫描成像辐射计资料动力对流层顶风场的反演处理方法流程图；
图3是本发明实施例的fy4a/agri通道9(水汽通道5.8-6.7μm)亮温灰度图像(2018年1月21日00:00utc)；
图4是本发明实施例的ecmwf-interim全球再分析资料(空间分辨率0.75°×0.75°)动力对流层顶风场分布图(2018年1月21日00:00utc)
图5是本发明实施例的fy4a/agri生成的动力对流层顶风场分布图(2018年1月21日00:00utc)
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明作进一步地详细说明，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
第一实施例
图1是本发明实施例的一种基于动力约束的气象卫星的大气对流层顶风场反演处理方法流程示意图；
图2是本发明实施例的一种基于动力约束的风云四号a星多通道扫描成像辐射计资料动力对流层顶风场的反演处理方法流程图；
图3是本发明实施例的fy4a/agri通道9(水汽通道5.8-6.7μm)的亮温灰度图像(2018年1月21日00:00utc)；
图4是本发明实施例的ecmwf-interim全球再分析资料(空间分辨率0.75°×0.75°)动力对流层顶风场分布图(2018年1月21日00:00utc)
图5是本发明实施例的fy4a/agri生成的动力对流层顶风场分布图(2018年1月21日00:00utc)。
气象卫星自上而下对地球进行观测，在长期实时监测大气对流层顶方面具有得天独厚的优势。目前，国际上利用不同卫星资料已经可以实现对流层顶(包括热力对流层顶、动力对流层顶和臭氧对流层顶等)气压的反演，但目前还没有基于卫星资料的大气对流层顶风场产品。
根据大气动力学理论，风场是大气作用力的结果，气压梯度力是大气运动的一种基本大气作用力。在对流层顶附近，由于远离下垫面，因此不受摩擦力的影响，风场可以近似满足地转平衡。即在这种假设下，风场是气压梯度力和科里奥利力合力的结果。气流会从相对高压区向低压区流动，在北半球受科里奥利力的作用，气流向右偏折，在南半球向左偏折。因此，利用上述气压和风场的动力约束关系，可在多种气象卫星资料上实现大气对流层顶风场反演。
当前气象卫星资料的空间覆盖度大，空间和时间分辨率高，例如，fy4a、himawari-8或者goes-r等国际上新一代静止气象卫星的多通道扫描辐射成像仪空间分辨率一般为2km～4km，时间分辨率为5分钟～30分钟，fy-4a静止气象卫星上搭载的干涉式大气垂直探测仪的空间分辨率为16km，时间分辨率为1小时～3小时；再如，极轨卫星上搭载的可见光红外扫描辐射计空间分辨率为1km，臭氧探测仪轨道扫描的空间分辨率通常也在24km左右。均远高于当前的数值模式(目前全球数值模式最高分辨率为0.25°，约25km，时间分辨率最高为1小时)和探空观测(空间分辨率约200km～300km，时间分辨率为12小时)，因此，利用气象卫星资料获得的时空连续分布的对流层顶风场产品，对气候变化研究、大气环流监测和中尺度灾害性天气预报以及航空飞行安全保障方面均具有重要应用前景。
本发明提供了一种基于气象卫星的对流层顶风场反演方法，包括以下步骤：
首先，基于气象卫星观测数据反演获得对流层顶气压数据。
具体为，根据指定时间检查对应时间的卫星是否已经反演了对流层顶的气压数据。如果已经存在fy4a/agri数据文件、ncepgdas/fnl全球分析和预报资料反演的对流层顶气压数据，则直接读取。如果在指定的时间卫星还未反演对应时间的对流层顶的气压数据，则输入相关的卫星观测数据，反演对流层顶气压数据。
具体为，基于气象卫星反演的温度廓线资料，计算温度垂直递减率最小值或温度最低值所在高度的气压来获得对流层顶气压数据。
具体为使用fy-3的gnos极轨气象卫星上的全球导航卫星掩星探测仪、fy-3的hiras红外高光谱大气探测仪、fy-3的mwts微波温度计资料反演得到大气温度廓线，或使用静止气象卫星fy-4a的giirs上搭载的干涉式大气垂直探测仪反演得到的大气温度廓线，并通过计算温度垂直递减率最小值或温度最低值所在高度的气压来可获得热力对流层顶气压。
或者使用气象卫星的臭氧探测仪的资料反演得到大气臭氧总量，并通过回归公式计算臭氧对流层顶气压。
具体为使用aura卫星上的omi气象卫星上搭载的臭氧探测仪的资料反演得到大气臭氧总量，并通过回归公式计算臭氧对流层顶气压。
或者使用气象卫星多通道扫描辐射成像仪的水汽通道和红外通道反演的亮温、中层平均比湿、高层平均比湿、卫星观测时间、经纬度及卫星天顶角信息，通过回归公式计算对流层顶气压。
可以使用fy-3的virr气象卫星可见光红外扫描辐射计或fy-4的agri气象卫星多通道扫描辐射成像仪的水汽和红外通道反演的亮温、中层平均比湿、高层平均比湿以及卫星观测时间、经纬度及卫星天顶角信息，通过回归公式计算动力对流层顶气压，详见现有技术的专利文件。
其中，fy4a/agril1b数据来自国家卫星气象中心，文件名为
fy4a-_agri--_n_disk_1047e_l1-_fdi_mult_nom_20180121000000_20180121001459_4000m_v0001.hdf，
以及文件名为
fy4a-_agri--_n_disk_1047e_l1-_geo-_mult_nom_20180121000000_20180121001459_4000m_v0001.hdf的数据。此外，还使用了ncepgdas/fnl(globaldataassimilationsystem/finaloperationalglobalanalysisandforecast,gdas/fnl)全球分析和预报资料(空间分辨率0.25°×0.25°)，文件名为gdas1.fnl0p25.2018012100.f00.grib2.nc。
其中，fy4a/agril1b数据为hdf5格式，包含了高层水汽通道9(波长5.8μm～6.7μm)、中层水汽通道10(波长为6.9μm～7.3μm)、长波红外通道12(波长10.3μm～11.3μm)和长波红外通道13(波长11.5μm～12.5μm)通道计数值、定标系数、卫星天顶角、经纬度数据等；
动力对流层顶回归预测模型是基于fy4a/agri长时间序列卫星观测资料与geos-5/merra-2再分析的动力对流层顶气压(空间分辨率0.5°×0.625°)建立的匹配样本数据集，利用随机森林回归法计算得到，动力对流层顶气压回归预测模型文件名为train_model_50ensembles_cntrlrun_s.m。
然后，基于卫星像素点行列号与经纬度的对应关系，将所述对流层顶气压数据从卫星观测投影模式转换到等经纬度投影模式。
其中，等经纬度网格大小为为0.04°×0.04°。
再计算各纬度的科里奥利力，基于所述科里奥利力采用差分法获得所述对流层顶风场的风速分量数值,并根据纬度值确定所述风场的风速分量方向。
本实施例中，计算科里奥利力的计算式为，
其中，ω＝7.292×10-5弧度/秒,π＝3.14159弧度/度；
本实施例中，弧度
其中，
本实施例，基于地转平衡原理和所述科里奥利力，计算所述对流层顶风场的分量数值的步骤如下：
所述对流层顶风场的分量计算式为，
其中，
采用差分法对计算式(3)进行数值化处理求解，所述
其中，
采用差分法对计算式(4)进行数值化处理求解，所述
其中，
本实施例中，根据纬度值确定风场的风速风量方向，具体设置如果纬度值为-90°～0°，则意味着处于南半球，风场的风量方向符号需要取反值；如果纬度值为0°～90°，则意味着处于北半球，风场的风量方向符号无需变化。
再根据所述风场的风速分量数据获得对流层顶风场的风速。
风场的风速v按计算式(6)计算获得，
其中，
最后，将反演得到的对流层顶风场数据输出，并区分对流层顶风场的风速。
具体地，将求解后的风速数值大于30米/秒的对流层顶风场标记为高空急流，然后将反演的对流层顶风场结果以0.04°×0.04°的分辨率按像元输出到二进制文件；或根据作图需要，进行降分辨率处理，在x,y方向分别间隔25个格点取值，以1°×1°分辨率制作；或以图像文件展示，以箭头、风向杆及流线的形式表示风场，并用不同颜色表示大于30m/s的对流层顶风速，即高空急流所在的位置。
具体计算示例，假设对流层顶高度上气压差δp＝10hpa，在纬度30°处，等压线间的截距δn＝1°，大气密度取ρ＝0.032kg/m3,地球纬圈相隔一度的距离取1.137×105m,地球经圈相隔一度的距离取1.137×105×cos(30°)＝9.8×104m,地球自转角速度取为7.292×10-5rad/s，对流层顶风场风速分量计算式为：
对流层顶风场风速v计算式为：
风速数值大于30m/s，需要标记为高空急流。
其中，附图图3的图中暗区(亮温高值区)代表高层水汽低值区，灰白色区域则表示高层水汽高值区。
对比图4和图5，可以看到两者的空间分布和强风速区的位置和强度有非常高的一致性。不仅如此，由于空间分辨率高的特点，fy4a/agri反演的对流层顶风场的结构更加细致，一些中尺度涡旋也能很好地反映出来，例如图5中中高纬度标注“c”所在的地方上的气旋性环流有3个涡旋中心，它们与卫星图像上逗点云系对应，更加准确地反映出了实际大气环流的结构，而相比之下，图4中只能看到一个。这些特性对监测和预报对流层天气发展以及航空飞行安全保障方面均具有重要应用前景。图中，“c”表示对流层顶气旋，原图彩色填色区为高空急流位置，黑白图参考图中气旋之外北半球中国区域沿纬度方向的气流，及南半球南极洲沿维度方向的气流。
综上所述，本实施例具有如下优点：
1、本发明基于气象卫星反演得到的对流层顶气压数据及有关资料来对大气动力对流层顶风场进行反演，本发明的反演方法得到的对流层顶风场结果与现有技术反演的结果保持一致，具备有效性。
2、本发明基于气象卫星的观测数据反演得到对流层顶气压数据，再反演大气对流层顶风场，能够获得比现有方法更高的空间分辨率和时间分辨率的对流层顶风场信息，能获得更加细致的对流层顶风场结构，能获得对流层顶的中尺度涡旋信息,有利于获得更高的时空分辨率对流层顶的天气气候特征，也有利于监测和预报对流层天气，并对航空飞行安全保障具有重要作用。
第二实施例
对于第一实施例的方法，本发明的实施例还提供了一种基于气象卫星的对流层顶风场反演装置，所述装置包括：
气象卫星对流层顶气压信息获取单元，用于获取经过气象卫星反演得到的对流层顶气压数据；
科里奥利力计算单元，基于纬度获得科里奥利力；
对流层顶风场风速计算单元，基于科里奥利力采用差分法获得对流层顶风场风速数据；
反演结果输出单元，用于将回归反演得到的对流层顶风场数据输出，并区分对流层顶风场的风速。
上述装置中各单元的具体实施过程为上述方法实施例中的内容。
第三实施例
对于第一实施例的方法，本发明还提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现第一实施例内容中任一项所述基于气象卫星的对流层顶风场反演方法的步骤。
第四实施例
对于第一实施例的方法，本发明还提供了一种计算机设备，包括：
存储器，其上存储有计算机程序；以及
处理器，用于执行所述存储器中的所述计算机程序，以实现第一实施例内容中任一项所述基于气象卫星的对流层顶风场反演方法的步骤。
虽然本发明公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所述技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，本发明的保护范围并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求范围内的所有技术方案。
1.一种基于气象卫星的对流层顶风场反演方法，其特征在于，包括以下步骤：
基于气象卫星观测数据反演获得对流层顶气压数据；
计算各纬度的科里奥利力，基于所述各纬度的科里奥利力和所述对流层顶气压数据获得所述对流层顶风场的风速分量数值,并根据纬度值确定所述风场的风速分量方向；
基于所述风场的风速分量数值和方向反演出对流层顶风场的风速；
将反演出的对流层顶风场的风速数据输出，以区分对流层顶风场的风速。
2.根据权利要求1所述的基于气象卫星的对流层顶风场反演方法，其特征在于，所述基于气象卫星观测数据反演获得对流层顶气压数据，包括：
基于气象卫星反演的温度廓线资料，计算温度垂直递减率最小值或温度最低值所在高度的气压来获得对流层顶气压；
或者利用气象卫星的臭氧探测仪的资料反演得到大气臭氧总量，并基于大气臭氧总量通过回归计算式获得臭氧对流层顶气压；
或者通过气象卫星多通道扫描辐射成像仪的水汽通道和红外通道反演的亮温、中层平均比湿、高层平均比湿、卫星观测时间、经纬度及卫星天顶角信息，通过回归计算式获得对流层顶气压。
3.根据权利要求1所述的基于气象卫星的对流层顶风场反演方法，其特征在于，在基于气象卫星观测数据反演获得对流层顶气压数据之后，且在所述计算各纬度的科里奥利力之前，所述方法还包括以下步骤：
基于卫星像素点行列号与经纬度的对应关系，将所述对流层顶气压数据从卫星观测投影模式转换到等经纬度投影模式。
4.根据权利要求1所述的基于气象卫星的对流层顶风场反演方法，其特征在于，
获得所述科里奥利力的计算式为，
其中，ω＝7.292×10-5弧度/秒,π＝3.14159弧度/度；
所述弧度
其中，
5.根据权利要求4所述的基于气象卫星的对流层顶风场反演方法，其特征在于，
基于地转平衡原理和所述科里奥利力，计算所述对流层顶风场的风速数值，包括：
获得对流层顶风场风速的分量，所述对流层顶风场风速的分量计算式为：
其中，
采用差分法对计算式(3)进行数值化处理求解，所述南北风风速分量
其中，
采用差分法对计算式(4)进行数值化处理求解，所述东西风风速分量
其中，
6.根据权利要求5所述的基于气象卫星的对流层顶风场反演方法，其特征在于，基于纬度值确定所述对流层顶风场的风速分量方向设置为：若纬度值为-90°～0°，则风场的风速分量方向符号取数值的反值。
7.根据权利要求1所述的基于气象卫星的对流层顶风场反演方法，其特征在于，
获得所述对流层顶风场的风速的计算式为：
其中，v为对流层顶风场的风速，
8.一种基于气象卫星的对流层顶风场反演装置，其特征在于，所述装置包括：
气象卫星对流层顶气压信息获取单元，用于获取经过气象卫星反演得到的对流层顶气压数据；
科里奥利力计算单元，基于纬度获得科里奥利力；
对流层顶风场风速计算单元，基于所述科里奥利力和所述对流层顶气压数据采用差分法获得对流层顶风场风速数据；
反演结果输出单元，用于将回归反演得到的所述对流层顶风场数据输出，并区分对流层顶风场的风速。
9.一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现权利要求1至7中任一项所述基于气象卫星的对流层顶风场反演方法的步骤。
10.一种计算机设备，其特征在于，包括：
存储器，其上存储有计算机程序；以及
处理器，用于执行所述存储器中的所述计算机程序，以实现权利要求1至7中任一项所述基于气象卫星的对流层顶风场反演方法的步骤。
技术总结