本發(fā)明屬于海洋表面短波輻射測(cè)量校正，具體地說(shuō)涉及一種用于浮標(biāo)短波輻射測(cè)量的校正算法。

背景技術(shù)：

1、隨著全球氣候變化的日益加劇，海洋熱量收支觀測(cè)在氣候研究中的作用愈發(fā)凸顯。在海洋熱收支中，短波輻射尤為關(guān)鍵，它是海洋熱量的最重要來(lái)源。浮標(biāo)系統(tǒng)作為最貼近海表面的儀器搭載平臺(tái)，是海洋邊界層觀測(cè)的重要載體，廣泛應(yīng)用于海洋表面輻射、溫度、氣壓和風(fēng)速等氣象要素的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。浮標(biāo)系統(tǒng)在真實(shí)海洋中受海面波浪影響產(chǎn)生晃動(dòng)，使浮標(biāo)上搭載的儀器也隨之傾斜。

2、測(cè)量輻射主要使用輻射計(jì)，常用輻射計(jì)通常應(yīng)用于固定且水平的安裝環(huán)境，無(wú)法有效適應(yīng)浮標(biāo)這種動(dòng)態(tài)的搭載平臺(tái)。因此，在浮標(biāo)上直接使用這些輻射計(jì)時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)測(cè)量偏差，尤其是當(dāng)浮標(biāo)晃動(dòng)程度較大時(shí)，測(cè)量結(jié)果明顯偏離真實(shí)值。如何對(duì)這些偏差進(jìn)行有效校正，已成為提高海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量、促進(jìn)海洋科學(xué)研究的關(guān)鍵技術(shù)難題。目前，研究人員主要采用統(tǒng)計(jì)平均的方法來(lái)抵消輻射計(jì)傾斜帶來(lái)的偏差。通常將輻射計(jì)的采樣率設(shè)置為每分鐘一次，使用30分鐘的平均數(shù)值來(lái)表征輻射值。然而，浮標(biāo)受波浪、風(fēng)、海流等邊界層動(dòng)力因素影響，其晃動(dòng)并不對(duì)稱。因此，現(xiàn)有的技術(shù)手段在測(cè)量后，難以準(zhǔn)確反演海洋表面短波輻射。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的種種不足，發(fā)明人在長(zhǎng)期實(shí)踐中研究設(shè)計(jì)出一種用于浮標(biāo)短波輻射測(cè)量的校正算法，旨在提高海洋表面短波輻射測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，有效校正由于浮標(biāo)晃動(dòng)引起的入射短波輻射測(cè)量誤差。

2、本發(fā)明的校正算法包括以下步驟。

3、步驟一，根據(jù)測(cè)量得出的浮標(biāo)當(dāng)?shù)氐乩斫?jīng)度信息，太陽(yáng)的年積日和北京時(shí)間，計(jì)算得出太陽(yáng)時(shí)差、太陽(yáng)時(shí)角和太陽(yáng)的赤緯角。

4、步驟二，根據(jù)步驟一計(jì)算得出的太陽(yáng)赤緯角、太陽(yáng)時(shí)角以及測(cè)量得出的浮標(biāo)當(dāng)?shù)氐乩砭暥刃畔?，?jì)算太陽(yáng)的高度角、太陽(yáng)的天頂角和太陽(yáng)的方位角。

5、步驟三，根據(jù)傾角儀測(cè)量得出的輻射計(jì)橫滾角(roll)和俯仰角(pitch)，計(jì)算得出輻射計(jì)傾斜后的天頂方向與輻射計(jì)水平時(shí)的天頂方向之間的夾角。

6、步驟四，根據(jù)傾角儀測(cè)量得出的輻射計(jì)橫滾角(roll)、俯仰角(pitch)以及步驟二計(jì)算得出的太陽(yáng)的方位角，計(jì)算輻射計(jì)傾斜后天頂方向在水平面的投影與正北方向之間的夾角。

7、步驟五，根據(jù)步驟二計(jì)算得出的太陽(yáng)的方位角和太陽(yáng)的天頂角，步驟三計(jì)算得出的輻射計(jì)傾斜后的天頂方向與輻射計(jì)水平時(shí)的天頂方向之間的夾角，步驟四計(jì)算得出的輻射計(jì)傾斜后天頂方向在水平面的投影與正北方向之間的夾角，計(jì)算太陽(yáng)的入射角。

8、步驟六，根據(jù)步驟三計(jì)算得出的輻射計(jì)傾斜后的天頂方向與輻射計(jì)水平時(shí)的天頂方向之間的夾角以及步驟二計(jì)算得出的太陽(yáng)的天頂角和方位角，計(jì)算輻射計(jì)傾斜引起的觀測(cè)視野差異分?jǐn)?shù)。

9、步驟七，輻射計(jì)在水平姿態(tài)下測(cè)量的入射短波總輻射eh可以表示為直射的短波輻射和漫射的短波輻射，即。

10、其中，edir為水平面接收到直射的短波輻射，ediff為水平面接收到漫射的短波輻射。

11、步驟八，輻射計(jì)在非水平姿態(tài)下測(cè)量的入射短波總輻射et可以表示為直射的短波輻射，漫射的短波輻射和下墊面反射的短波輻射，即。

12、其中，e′dir為非水平面接收到直射的短波輻射，e′diff為非水平面接收到漫射的短波輻射，e′ref為非水平面接收到下墊面反射的短波輻射。

13、步驟九：假設(shè)輻射具有各向同性，步驟八中的e′dir、e′diff、e′ref可以與步驟七中的edir、ediff建立轉(zhuǎn)換聯(lián)系，可用以下公式表示。

14、。

15、。

16、。

17、其中，θ為太陽(yáng)的天頂角，ξ為太陽(yáng)的入射角，γ是輻射計(jì)傾斜引起的觀測(cè)視野差異分?jǐn)?shù)，ε為輻射計(jì)水平姿態(tài)下直接輻射占短波總輻射的比例，β為下墊面的反照率。

18、步驟十，輻射計(jì)在非水平姿態(tài)下測(cè)量得到入射的短波總輻射et為。

19、根據(jù)步驟九中e′dir、e′diff、e′ref?與edir?的轉(zhuǎn)換關(guān)系，輻射計(jì)在非水平姿態(tài)下入射的短波總輻射et用公式表示。

20、對(duì)上面的公式變換形式，即。

21、其中，et是輻射計(jì)在非水平姿態(tài)下測(cè)量到的入射短波總輻射，eh是基于輻射計(jì)在非水平姿態(tài)下的測(cè)量結(jié)果，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到的水平面入射短波總輻射，ε是輻射計(jì)水平姿態(tài)下直接輻射占短波總輻射的比例，θ是太陽(yáng)的天頂角，ξ是太陽(yáng)的入射角，β為下墊面的反照率，γ是輻射計(jì)傾斜引起的觀測(cè)視野差異分?jǐn)?shù)。

22、進(jìn)一步地，步驟一中計(jì)算得出太陽(yáng)時(shí)差、太陽(yáng)時(shí)角和太陽(yáng)的赤緯角具體包括以下子步驟。

23、子步驟1.1，根據(jù)公式計(jì)算太陽(yáng)時(shí)差e。其中，其中n為年積日。

24、子步驟1.2，根據(jù)公式計(jì)算太陽(yáng)時(shí)角ω。其中tb為北京時(shí)間，φl(shuí)ong為當(dāng)?shù)氐乩斫?jīng)度。

25、子步驟1.3，根據(jù)公式計(jì)算太陽(yáng)赤緯角δ。其中n為年積日。

26、進(jìn)一步地，步驟二中計(jì)算太陽(yáng)的高度角、太陽(yáng)的天頂角和太陽(yáng)的方位角，具體包括以下子步驟。

27、子步驟2.1，根據(jù)公式計(jì)算太陽(yáng)的高度角h。其中φl(shuí)at為當(dāng)?shù)氐乩砭暥龋臑樘?yáng)赤緯角，ω為太陽(yáng)時(shí)角。

28、子步驟2.2，根據(jù)公式計(jì)算太陽(yáng)的天頂角θ。其中h是太陽(yáng)的高度角。

29、子步驟2.3，根據(jù)公式計(jì)算太陽(yáng)的方位角φs。其中φl(shuí)at為當(dāng)?shù)氐乩砭暥?，δ為太?yáng)赤緯角，h是太陽(yáng)的高度角，ω為太陽(yáng)時(shí)角。

30、進(jìn)一步地，步驟三中計(jì)算輻射計(jì)傾斜后的天頂方向與輻射計(jì)水平時(shí)的天頂方向之間的夾角，具體方法如下。

31、輻射計(jì)傾斜后的天頂方向與輻射計(jì)水平時(shí)的天頂方向之間存在一夾角α，夾角α根據(jù)公式計(jì)算。其中ρ為輻射計(jì)roll方向上傾斜角度，西高東低(ρ>0)，東高西低(ρ<0)；σ為輻射計(jì)pitch方向上傾斜角度，南高北低(σ>0)，北高南低(σ<0)。

32、進(jìn)一步地，步驟四中計(jì)算輻射計(jì)傾斜后天頂方向在水平面的投影與正北方向之間的夾角，具體方法如下。

33、根據(jù)公式計(jì)算輻射計(jì)傾斜后天頂方向在水平面的投影與正北方向之間的夾角φb。其中φs為太陽(yáng)的方位角，ρ為輻射計(jì)roll方向上傾斜角度，σ為輻射計(jì)pitch方向上傾斜角度。

34、進(jìn)一步地，步驟五中計(jì)算太陽(yáng)的入射角，具體方法如下。

35、根據(jù)公式計(jì)算太陽(yáng)的入射角ξ。其中θ是太陽(yáng)的天頂角，α是輻射計(jì)傾斜后的天頂方向與輻射計(jì)水平時(shí)的天頂方向之間的夾角，φs是太陽(yáng)的方位角，φb是輻射計(jì)傾斜后天頂方向在水平面的投影與正北方向之間的夾角。

36、進(jìn)一步地，步驟六中計(jì)算輻射計(jì)傾斜引起的觀測(cè)視野差異分?jǐn)?shù)，具體包括以下子步驟。

37、子步驟6.1，根據(jù)公式計(jì)算輻射計(jì)傾斜引起的立體角變化δω。其中α是輻射計(jì)傾斜后的天頂方向與輻射計(jì)水平時(shí)的天頂方向之間的夾角，φ是太陽(yáng)的方位角，θ是太陽(yáng)的天頂角。

38、使用三角函數(shù)小角度近似以上公式，化簡(jiǎn)為公式。

39、子步驟6.2，根據(jù)公式計(jì)算輻射計(jì)天頂方向傾斜α角時(shí)所引起的觀測(cè)視野差異分?jǐn)?shù)γ。其中δω是輻射計(jì)傾斜引起的立體角變化，α是輻射計(jì)傾斜后的天頂方向與輻射計(jì)水平時(shí)的天頂方向之間的夾角。

40、本發(fā)明的有益效果是：

41、通過(guò)綜合浮標(biāo)的經(jīng)緯度、日期、時(shí)間、輻射計(jì)姿態(tài)信息以及對(duì)應(yīng)姿態(tài)下的入射短波輻射測(cè)量值，構(gòu)建了一個(gè)將非水平面輻照度轉(zhuǎn)換為水平面輻照度的模型。該模型能夠?qū)?shí)際測(cè)量的非水平面入射短波輻射測(cè)量值轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的水平面入射短波輻射值，顯著提高了輻射計(jì)在非水平姿態(tài)下測(cè)量入射短波輻射的測(cè)量精度，一定程度上拓寬了輻射計(jì)的適用范圍，即在保證測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的前提下，不僅可以搭載在穩(wěn)定的平臺(tái)上，也可以搭載在晃動(dòng)的平臺(tái)上，具有廣泛的應(yīng)用前景。