本發(fā)明涉及對流層溫度和水蒸氣反演，尤其涉及一種聯合gnss-ro和amsr-e的對流層溫度和水蒸氣反演方法。

背景技術：

1、在大氣科學研究和氣象預報中，準確的溫度和水蒸氣分布信息是非常重要的。傳統(tǒng)的地基觀測和氣象氣球雖能提供局部區(qū)域的高精度數據，但覆蓋范圍有限且成本高。衛(wèi)星遙感技術的發(fā)展，為大氣觀測提供了新的手段。gnss-ro和amsr-e作為兩種重要的衛(wèi)星遙感技術，各自具有獨特的優(yōu)勢和不足。

2、gnss-ro技術通過分析gnss(global?navigation?satellite?system,全球導航衛(wèi)星系統(tǒng))信號在穿過地球大氣層時的折射變化來獲取大氣的溫度、壓力和濕度等信息。其主要原理是利用無線電波在大氣中傳播時發(fā)生的折射和延遲效應，通過接收衛(wèi)星發(fā)射的信號并分析其變化，反演出大氣層的物理特性。gnss-ro技術具有全球覆蓋、高垂直分辨率和全天候工作的優(yōu)勢，不受云層和降水影響。gnss-ro通過測量接收信號的時變相位，可以計算和反演每條射線路徑的彎曲角度，以檢索折射率的垂直剖面，該剖面可用于利用先驗信息檢索溫度和濕度。憑借其邊緣探空幾何結構，gnss-ro能夠提供具有高垂直分辨率(約200米)觀測的全球覆蓋。gnss-ro技術的優(yōu)勢在于高垂直分辨率和高精度，但其水平分辨率較低，難以提供大范圍的水平分布信息。

3、amsr-e是安裝在地球觀測衛(wèi)星上的微波輻射計，通過測量地球表面和大氣層發(fā)射的微波輻射，來獲取地球表面和大氣的溫度、水蒸氣含量、降水、海冰覆蓋、土壤濕度等信息。由于微波能夠穿透云層，因此amsr-e可以在各種天氣條件下進行觀測。其數據在氣象研究和預報中有著廣泛應用。amsr-e技術的優(yōu)勢在于高水平分辨率和對大范圍區(qū)域的覆蓋能力，但其垂直分辨率較低，對垂直結構的刻畫不夠細致。

4、因此，亟需一種更為全面、精確可靠的對流層溫度和水蒸氣反演方法。

技術實現思路

1、本發(fā)明的主要目的在于提供一種聯合gnss-ro和amsr-e的對流層溫度和水蒸氣反演方法，可以更全面、準確地反演出大氣的三維溫度和水蒸氣分布。

2、為實現上述目的，本技術提供一種聯合gnss-ro和amsr-e的對流層溫度和水蒸氣反演方法，所述方法包括：

3、基于gnss-ro技術計算和反演獲得每條射線路徑的彎曲角度觀測值，作為gnss-ro觀測數據；

4、基于輻射傳輸模型得出amsr-e前向算子，并由amsr-e獲取亮度溫度觀測值，作為amsr-e觀測數據；

5、利用添加物理約束條件進行改進后的1dvar算法聯合同化所述gnss-ro觀測數據和所述amsr-e觀測數據；

6、采用牛頓法迭代求解大氣狀態(tài)向量；通過收斂準則完成對所述大氣狀態(tài)向量的迭代求解，完成對分層大氣的溫度和水蒸氣反演。

7、可選的，所述基于gnss-ro技術計算和反演獲得每條射線路徑的彎曲角度觀測值，作為gnss-ro觀測數據，包括：

8、通過以下公式計算反演得到一維彎曲角度β(a)作為gnss-ro觀測數據，其中a為影響參數：

9、

10、其中n為折射率，r為從曲率中心到所述射線路徑上某一點的距離，所述a定義為切點位置的rn。

11、可選的，所述方法還包括：

12、在所述目標函數基礎上使用拉格朗日乘數法添加所述物理約束條件，獲得所述改進后的1dvar算法；所述改進后的1dvar算法的目標函數表示為：

13、l(x,λ)＝j(x)+λ·g(x)

14、其中，λ是拉格朗日乘數，g(x)為表示溫度和水蒸氣的關系的物理約束條件，j(x)為改進前的1dvar算法的目標函數。

15、可選的，所述物理約束條件為：

16、

17、其中q為水汽混合比，rh為相對濕度，es(t)是在溫度t下的飽和水汽壓，p是氣壓。

18、可選的，所述采用牛頓法迭代求解大氣狀態(tài)向量，包括：

19、設定大氣狀態(tài)向量x的初始狀態(tài)x0＝xb，和初始拉格朗日乘數λ0；

20、計算第k次迭代時拉格朗日函數對x和λ的梯度，分別為：

21、

22、

23、將x和λ作為聯合變量，構造系統(tǒng)的hessian矩陣：

24、

25、由上式計算第k次迭代時的hessian矩陣：

26、

27、求解以下線性系統(tǒng)：

28、

29、得到更新方向dx和dλ；

30、更新大氣狀態(tài)變量xk+1和拉格朗日乘數λk+1：

31、xk+1＝xk+αkdx

32、λk+1＝λk+αkdλ

33、其中αk是步長，通過線搜索確定。

34、可選的，所述收斂準則包括：

35、設置條件中的tk-tk-1<0.1k且ek-ek-1<0.1hpa。

36、本技術另一方面提供一種對流層溫度和水蒸氣反演裝置，包括：

37、第一觀測模塊，用于基于gnss-ro技術計算和反演獲得每條射線路徑的彎曲角度觀測值，作為gnss-ro觀測數據；

38、第二觀測模塊，用于基于輻射傳輸模型得出amsr-e前向算子，并由amsr-e獲取亮度溫度觀測值，作為amsr-e觀測數據；

39、聯合同化模塊，用于利用添加物理約束條件進行改進后的1dvar算法聯合同化所述gnss-ro觀測數據和所述amsr-e觀測數據；

40、求解收斂模塊，用于采用牛頓法迭代求解大氣狀態(tài)向量；通過收斂準則完成對所述大氣狀態(tài)向量的迭代求解，完成對分層大氣的溫度和水蒸氣反演。

41、本技術另一方面提供一種電子設備，包括存儲器和處理器，所述存儲器存儲有計算機程序，所述計算機程序被所述處理器執(zhí)行時，使得所述處理器執(zhí)行如第一方面及其任一種可能的實現方式的步驟。

42、本技術另一方面提供一種計算機可讀存儲介質，存儲有計算機程序，所述計算機程序被處理器執(zhí)行時，使得所述處理器執(zhí)行如第一方面所述的方法中的各個步驟。

43、本技術提供一種聯合gnss-ro和amsr-e的對流層溫度和水蒸氣反演方法，通過基于gnss-ro技術計算和反演獲得每條射線路徑的彎曲角度觀測值，作為gnss-ro觀測數據；基于輻射傳輸模型得出amsr-e前向算子，并由amsr-e獲取亮度溫度觀測值，作為amsr-e觀測數據；利用添加物理約束條件進行改進后的1dvar算法聯合同化所述gnss-ro觀測數據和所述amsr-e觀測數據；采用牛頓法迭代求解大氣狀態(tài)向量；通過收斂準則完成對所述大氣狀態(tài)向量的迭代求解，完成對分層大氣的溫度和水蒸氣反演；該方法相比傳統(tǒng)1dvar反演算法，通過在目標函數中添加物理約束條件的方式，可以獲得更為精確可靠的對流層溫度和水蒸氣反演結果，且gnss-ro提供了高垂直分辨率的溫度和濕度廓線信息，而amsr-e則提供了高空間分辨率的水平分布信息，可以通過聯合使用兩者的數據進一步全面、準確地反演出大氣的三維溫度和水蒸氣分布。