專利名稱：利用超導(dǎo)重力連續(xù)觀測(cè)確定大氣水汽垂直分布的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種確定大氣水汽垂直分布的方法，尤其涉及一種利用超導(dǎo)重力 連續(xù)觀測(cè)確定大氣水汽垂直分布的方法。
背景技術(shù)：
空氣中的水汽含量是氣象學(xué)的重要參數(shù)，特別是降水下雪等天氣與生產(chǎn)、生 活和軍事行動(dòng)密切相關(guān)，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性尤為重要。長(zhǎng)期以來，空間水汽分布的觀測(cè)， 主要依賴探空氣球、水汽輻射計(jì)等。數(shù)據(jù)的時(shí)間空間密度分布十分有限。人們一 直試圖改進(jìn)空間水汽含量的觀測(cè)，不惜巨資研究地基和天基的氣象元素觀測(cè)技 術(shù)，如水汽輻射觀測(cè)、氣象雷達(dá)觀測(cè)、空間與地面聯(lián)合的GPS反演空間水汽含量
、、
技術(shù)等，以期改善空間氣象要素特別是水汽的觀測(cè)水平。但受觀測(cè)條件和儀器本 身等限制，目前仍有不少問題有待解決(張慶陽2003)。提高氣象元素觀測(cè)的精 度和時(shí)間空間的分辨率，對(duì)保障和提高天氣預(yù)報(bào)水平具有重要作用。改善這一關(guān) 系國(guó)計(jì)民生和防災(zāi)減災(zāi)的重要觀測(cè)保障技術(shù)，有著重要的政治軍事經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
目前，可以利用地面觀測(cè)確定空間大氣狀態(tài)(葉篤正1991)。理論上，確定 地面某一區(qū)域以上空氣質(zhì)量對(duì)地面點(diǎn)的萬有引力(加速度)和垂直方向的空氣總 質(zhì)量，以及其他必要的氣象元素或經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，可以在一定精度下確定氣體的空間 密度分布和水汽含量。垂直空氣總質(zhì)量可由氣壓觀測(cè)得到，但臺(tái)站近區(qū)域大氣質(zhì) 量對(duì)臺(tái)站的引力沒有直接和現(xiàn)成的觀測(cè)方法。
固體潮和負(fù)荷理論精密局部空間大氣質(zhì)量對(duì)地面的引力如何觀測(cè)得到，這
是問題的關(guān)鍵所在。地面一點(diǎn)受力情況非常復(fù)雜，日、月等天體的引潮力的作用， 地球自轉(zhuǎn)及其擾動(dòng)影響，大氣、海水、陸地水和冰負(fù)荷影響等(Melchior 1980， 管澤霖和寧津生1981，方俊19S4),同時(shí)地球的彈性效應(yīng)也必需考慮。非常幸運(yùn)， 現(xiàn)代固體潮理論和觀測(cè)技術(shù)及其數(shù)據(jù)分析手段(許厚澤和孫和1998)，為該問題
3的解決提供了完善的理論和方法。
固體潮觀測(cè)及數(shù)據(jù)分析技術(shù)，使用地面點(diǎn)連續(xù)重力觀測(cè)，經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理， 利用調(diào)和分析程序，得到實(shí)測(cè)重力潮汐模型信號(hào)和觀測(cè)殘差(Wenzel，1993)。 重力潮汐模型可精確分離日月天體固體潮信號(hào)和海洋潮汐負(fù)荷響應(yīng)信號(hào)，觀測(cè)殘 差被認(rèn)為主要是大氣負(fù)荷的影響，同時(shí)含部分極移、陸地水、地殼運(yùn)動(dòng)和儀器飄 移等重力影響信號(hào)。利用高精度全球大氣負(fù)荷影響模型(Merriam 1992, Sun 1995，羅少聰?shù)?005， Boy 2005， Ne騰yer 2005)，剔除全球大氣負(fù)荷的彈性 效應(yīng)和臺(tái)站遠(yuǎn)區(qū)域的直接效應(yīng)，再采取一些措施，削弱其它的一些殘余信號(hào)，臺(tái) 站近區(qū)域大氣對(duì)地面點(diǎn)的萬有引力可得。
由于高精度高穩(wěn)定性超導(dǎo)重力儀的出現(xiàn)和固體潮理論和數(shù)值分析處理技術(shù) 的成熟，同時(shí)，對(duì)地球的結(jié)構(gòu)物理性質(zhì)認(rèn)知的長(zhǎng)足進(jìn)步，利用超導(dǎo)重力連續(xù)觀測(cè) 和固體潮數(shù)據(jù)分析技術(shù)，可以很好剔除大氣引力之外的作用力，得到臺(tái)站近區(qū)域 大氣的直接引力，作為利用地面氣壓溫度反演空間密度和水汽的條件。利用連續(xù) 精密重力和地面氣壓測(cè)量的方法，確定空間水汽含量變化。這是一全新的理論方 法，有望解決大氣水汽含量觀測(cè)高吋空分辨率的難題，改善提高天氣有預(yù)報(bào)準(zhǔn)確 性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，試圖尋求一種全新的觀測(cè) 方法，以完善和補(bǔ)充近地空間水汽觀測(cè)技術(shù)手段，提供一種利用超導(dǎo)重力連續(xù)觀 測(cè)確定大氣水汽垂直分布的方法。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的
綜合利用固體潮理論與觀測(cè)技術(shù)、大氣負(fù)荷重力改正理論與模擬、全球地 面氣壓溫度觀測(cè)數(shù)據(jù)等剔除觀測(cè)站地面點(diǎn)約50公里地面以上大氣對(duì)臺(tái)站的引 力之外的其它影響，得到該區(qū)域大氣對(duì)地面點(diǎn)地引力。進(jìn)而反演出大氣垂直水 汽含量。
具體地說，本發(fā)明包括下列步驟
① 利用超導(dǎo)重力儀連續(xù)觀測(cè)(至少30天)得到實(shí)測(cè)重力潮汐模型參數(shù)；
② 剔除日月引力及其固體潮效應(yīng)和海洋潮汐負(fù)荷重力效應(yīng)；③從網(wǎng)絡(luò)獲取全球網(wǎng)格化的氣溫氣壓；
利用全球氣溫氣壓網(wǎng)格資料模擬的地球彈性效應(yīng)和遠(yuǎn)區(qū)的引力效應(yīng)；
⑤ 削弱其它環(huán)境因素和儀器的影響；
⑥ 獲得觀測(cè)臺(tái)站50公里地面范圍大氣對(duì)地面觀測(cè)點(diǎn)的引力；
⑦ 結(jié)合地面精密氣壓和溫度數(shù)值，反演(見附錄)出垂直空氣密度和水 汽分布。
⑧ 反演結(jié)果標(biāo)定、地球模型和研究區(qū)域最優(yōu)化。 本發(fā)明具有下列優(yōu)點(diǎn)、特點(diǎn)和積極效果
1、 本發(fā)明是一種全新的方法。利用重力觀測(cè)和反演技術(shù)獲得水汽含量， 較以往技術(shù)在物理原理上完全不同。本發(fā)明利用牛頓萬有引力定律，以往使用 的是直接觀測(cè)、原子激發(fā)輻射和含水汽空氣光傳播速度特性。
2、 本發(fā)明增加一種觀測(cè)新手段，并可提高大氣垂直水汽觀測(cè)的時(shí)間和空 間分辨率。
3、 結(jié)合風(fēng)速風(fēng)向觀測(cè)可推廣至三維水汽分布觀測(cè)，提高天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例詳細(xì)說明
1、 步驟①
重力潮汐模型參數(shù)確定是利用30天或更長(zhǎng)時(shí)間超導(dǎo)連續(xù)重力觀測(cè)，通過數(shù)據(jù) 預(yù)處理，使用調(diào)和分析程序，得到臺(tái)站重力潮汐模型參數(shù)。
2、 步驟②
利用重力潮汐模型參數(shù)計(jì)算精確的日月引力及其彈性地球重力響應(yīng)和海潮 負(fù)荷重力效應(yīng)，即利用實(shí)測(cè)得到的重力潮汐模型剔除超導(dǎo)重力觀測(cè)的重力潮汐部 分。
3、 步驟③
從網(wǎng)絡(luò)獲取全球網(wǎng)格化的氣溫和氣壓。
4、 步驟
利用全球網(wǎng)格化的氣溫和氣壓，大氣負(fù)荷彈性重力響應(yīng)模型，計(jì)算全球大氣 負(fù)荷彈性效應(yīng)和遠(yuǎn)區(qū)域的直接效應(yīng)。5、 步驟⑤
其它信號(hào)考慮，極移、陸地水、地殼運(yùn)動(dòng)和儀器飄移等重力影響信號(hào)采取相 應(yīng)模型和絕對(duì)重力同址觀測(cè)等消除或減小措施，保證剔除信號(hào)的精度。
6、 步驟⑥
利用步驟① 一 ⑤成果，得到研究區(qū)域大氣對(duì)地面點(diǎn)的引力，從而實(shí)現(xiàn)通過 重力觀測(cè)得到實(shí)測(cè)的臺(tái)站近區(qū)大氣對(duì)地面點(diǎn)的引力。
7、 步驟⑦
反演垂直空氣密度和水汽分布，利用臺(tái)站近區(qū)域的大氣對(duì)地面點(diǎn)產(chǎn)生的引力
和地面氣壓溫度和必要的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，反演垂直空氣密度和水汽分布；實(shí)現(xiàn)利用超 導(dǎo)重力觀測(cè)確定空氣垂直水汽分布。
8、 步驟⑧
反演結(jié)果標(biāo)定、地球模型和研究區(qū)域最優(yōu)化是 將反演結(jié)果和探空結(jié)果比較，檢核改進(jìn)模型和反演的精確性； 利用長(zhǎng)序列的超導(dǎo)重力觀測(cè)，檢驗(yàn)選擇不同的彈性地球負(fù)荷格林函數(shù)和海
洋氣壓響應(yīng)模式，得到最佳的大氣分布結(jié)果，確定全球大氣變化對(duì)地面點(diǎn)重力
場(chǎng)影響模型及其相應(yīng)的彈性地球模型；
利用選定的大氣負(fù)荷模型，選擇距臺(tái)站不同半徑形成的區(qū)域，確定一個(gè)最
小半徑使得臺(tái)站其余區(qū)域的大氣負(fù)荷效應(yīng)時(shí)間序列方差最小，微調(diào)50公里區(qū)
域，使得臺(tái)站近區(qū)的引力計(jì)算最為精確，確定最佳研究區(qū)域。
6附錄水汽反演公式
1、 理想氣體定律空氣滿足理想氣體定律，混合理想氣體狀態(tài)方程的一種 形式是，
尸二^^,r (i)
M
其中，尸是壓力，p是密度，7是溫度，^是通用氣體常數(shù)，M為平均分子量， i = i VM，稱為比氣體常數(shù)。
2、 流體靜力學(xué)平衡當(dāng)空氣處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，空間任意一點(diǎn)垂直方向的氣 體密度和氣壓滿足方程，
c/尸=(2)
dP是垂直氣壓變化.g(z)為該點(diǎn)重力加速度。
3、 空間大氣密度描述
大氣密度的空間分布可表示為地面氣壓、空間溫度垂直分布和水汽含量的函 數(shù).根據(jù)理想氣體定律和垂直方向流體靜態(tài)平衡條件，空間任意一點(diǎn)的氣體密度
和氣壓同時(shí)滿足方程
p②-i^)/[及(z).r(z)] (3)
1 ^尸=—戶(z)g(z)必
式中代z)和7Xz)是隨高程z分布的大氣壓力和溫度函數(shù)，dP是垂直氣壓微分, 稱AW是比氣體常數(shù)空間分布，必是垂直方向高程的微小變化。
4、 萬有引力條件
對(duì)于地面點(diǎn)某一半徑以上空間，大氣對(duì)地面點(diǎn)的引力尸，可表示為，
i/v (4)
這里，,為萬有引力常數(shù)，j為觀測(cè)點(diǎn)到體元"k的距離。 5、反演公式
尋找滿足公式(3)和條件(4)的解，可得反映水汽含量的比氣體常數(shù)c主要參考文獻(xiàn)
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權(quán)利要求
1、一種利用超導(dǎo)重力連續(xù)觀測(cè)確定大氣水汽垂直分布的方法，其特征在于綜合利用固體潮理論與觀測(cè)技術(shù)、大氣負(fù)荷重力改正理論與模擬、全球地面氣壓溫度觀測(cè)數(shù)據(jù)剔除觀測(cè)站地面點(diǎn)約50公里地面以上大氣對(duì)臺(tái)站的引力之外的其它影響，得到該區(qū)域大氣對(duì)地面點(diǎn)地引力；進(jìn)而反演出大氣垂直水汽含量。
2、 按權(quán)利要求1所述的確定大氣水汽垂直分布的方法，其特征在于包括 下列步驟① 利用超導(dǎo)重力儀連續(xù)觀測(cè)得到實(shí)測(cè)重力潮汐模型參數(shù)；② 剔除日月引力及其固體潮效應(yīng)和海洋潮汐負(fù)荷重力效應(yīng)；③ 從網(wǎng)絡(luò)獲取全球網(wǎng)格化的氣溫氣壓；④ 利用全球氣溫氣壓網(wǎng)格資料模擬的地球彈性效應(yīng)和遠(yuǎn)區(qū)的引力效應(yīng)；⑤ 削弱其它環(huán)境因素和儀器的影響；⑥ 獲得觀測(cè)臺(tái)站50公里地面范圍大氣對(duì)地面觀測(cè)點(diǎn)的引力；⑦ 結(jié)合地面精密氣壓和溫度數(shù)值，反演出垂直空氣密度和水汽分布。⑧ 反演結(jié)果標(biāo)定、地球模型和研究區(qū)域最優(yōu)化。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用超導(dǎo)重力連續(xù)觀測(cè)確定大氣水汽垂直分布的方法，涉及一種確定大氣水汽垂直分布的方法。本發(fā)明是綜合利用固體潮理論與觀測(cè)技術(shù)、大氣負(fù)荷重力改正理論與模擬、全球地面氣壓溫度觀測(cè)數(shù)據(jù)等剔除觀測(cè)站地面點(diǎn)約50公里地面以上大氣對(duì)臺(tái)站的引力之外的其它影響，得到該區(qū)域大氣對(duì)地面點(diǎn)地引力；進(jìn)而反演出大氣垂直水汽含量。本發(fā)明是一種全新的方法；增加一種觀測(cè)新手段，并可提高大氣垂直水汽觀測(cè)的時(shí)間和空間分辨率；結(jié)合風(fēng)速風(fēng)向觀測(cè)可推廣至三維水汽分布觀測(cè)，提高天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性。
文檔編號(hào)G01N33/00GK101526516SQ20091006154
公開日2009年9月9日 申請(qǐng)日期2009年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月10日
發(fā)明者周百力, 羅少聰 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所