一种利用地基红外测云仪间接测量大气可降水量的方法

摘要

本发明公开了一种利用地基红外测云仪间接测量大气可降水量的方法。其步骤如下：(1)建立天顶红外亮温、近地面环境温度以及PWV的统计回归模型并利用最小二乘法对模型求解，得到各因子的回归系数；(2)利用地基红外测云仪的测量数据判断天顶无云区域并获得该区亮温值；(3)将地基红外测云仪获取的天顶无云区天顶红外亮温、近地面环境温度代入回归模型，估算PWV并进行自适应调整。

说明书

技术领域

本发明属于地面气象观测领域，涉及一种大气可降水量的测量方法，尤其是一种利 用地基红外测云仪间接测量大气可降水量的方法。

背景技术

大气可降水量(PWV)在地基红外测云过程中有着重要影响。在8-14μm的大气窗 区波段，水汽是非常重要的影响因素。PWV测量的不准确会造成云检测结果的误差。目 前较为准确的PWV测量方法主要有探空仪资料积分计算法和地基GPS反演法。然而，由 于探空资料每天只有两次，难以满足地基红外测云传感器的高时间分辨率需求；而地基 GPS反演法则由于不少台站尚未安装相关设备，PWV数据无法保证。

目前地基红外测云技术所需的PWV数据一般通过仪器自身配置温湿度传感器，利用 地面气象资料推算法来获得。其主要是根据PWV与近地面温度、湿度的统计关系来估算 大气中PWV的含量。这种统计关系建立的依据是：大气中的水汽绝大部分集中在对流层 下半部，近地层水汽含量在整层大气水汽含量中占有很大比重，因此PWV在很大程度上 取决于近地面水汽含量的大小，即与近地面的温度、湿度应有明显的相关。但是仅仅依 赖近地面的气象要素进行整层大气水汽含量的推算必然存在误差，这种气候统计关系得 到的PWV难以完全与实际PWV相一致。从而导致地基红外测云仪进行云检测时出现偏 差。

在红外波段，水汽有许多重要的吸收带，因此，天空向下的红外辐射受水汽的影响 较大，在物理本质上二者有很大的关联性。另外，由于地基红外测云仪提供了丰富的天 空向下红外辐射，并且在测云的同时，又通过环境参数测量机构提供了近地面空气的温 度、湿度，从而为联合众多资料推算PWV提供了可能的新途径。

发明内容

为了解决传统的利用地面气象要素估算PWV不准确从而造成地基红外测云仪云检 测出现偏差的问题，本发明的目的是，提出一种基于天顶无云情况下大气向下红外辐射 结合近地面温度估算PWV的方法。

为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是：一种利用地基红外测云仪间接测量 大气可降水量的方法，该方法包括以下步骤：

(1)建立天顶红外亮温、近地面环境温度以及PWV的统计回归模型并利用最小二 乘法对模型求解，得到各因子的回归系数；

天顶红外亮温、近地面环境温度以及PWV的统计回归模型为Y＝a₀+a₁×PWV+a₂×T。 其中，Y为天顶红外亮温，a₀、a₁和a₂为待拟合的系数；各系数求解后，得到PWV＝(Y-a₀- a₂×T)/a₁；T为近地面环境温度；

进行天顶红外亮温、近地面环境温度以及PWV的统计回归模型求解的数据收集时间 范围不少于1年，同时进行数据匹配：数据匹配的时间点为对应的探空时次，数据包括 地基红外测云仪获得的天顶大气向下红外辐射值数据和近地面环境温度数据、探空数据 和人工地面气象观测数据；将探空数据积分计算得出PWV，将大气向下红外辐射值转换 为天空亮温值；然后，基于探空数据和人工观测数据挑选出天顶无云的天顶红外亮温数 据，并建立数据集；这里的天顶指的是天顶角10°以内的区域。(实际使用时，若天顶角 为0°时无云，则取该点的亮温作为数据集，若该点有云，则在天顶角10°以内搜索无云 区，并将其亮温经过天顶角修正后作为数据集。)

(2)利用地基红外测云仪的测量数据判断天顶无云区域并获得该区亮温值。进行 天空亮温随天顶角的分布情况分析和天顶区域红外辐射图像的纹理分析，并进行综合判 断。

其中，天空亮温随天顶角的分布情况分析的做法是：统计天空亮温随天顶角的分布 情况；由于有云情况下天空亮温随天顶角的分布与晴空条件下天空亮温随天顶角的分布 具有明显的差异，该步骤主要用于得到天空有云无云情况，并标记云点；

其中，天顶区域红外辐射图像的纹理分析的方法是：将红外辐射图像以5×5的小区 间进行纹理分析，采用局部二值模式(LBP算法)算法进行纹理特征提取，并进行采用 图像分割的方法标记云点；

其中，无云区综合判断的方法是。将上述步骤分别标记的云点和非云点进行综合， 若均判为非云点，则认为该点为无云，否则记为有云。若在10°天顶角以内存在无云区， 则将无云区天空亮温经过天顶角修正后，取中间值作为晴空区的天空亮温并存储。否则 认为天顶有云，存储天顶角0°对应的天空亮温并标记为云的亮温。

(3)将地基红外测云仪获取的天顶无云区天顶红外亮温、近地面环境温度代入PWV 的统计回归模型，估算PWV并进行自适应调整，具体方式是：

若存在天顶无云区天顶红外亮温，则根据公式PWV＝(Y-a₀-a₂×T)/a₁得到PWV的初 猜值；若不存在，则按照传统的地面温湿度估算PWV作为初猜值；然后，将初猜PWV 代入已事先建好的查找表中，得到辐射阈值，并利用该辐射阈值进行云检测，将该云检 测结果与纹理云检测结果进行比较；若本步骤的云检测结果小于纹理云检测结果1成以 上，则将PWV以0.1mm的步长向下调整，直至两者相差1成以内停止。否则，将PWV以 0.1mm的步长向上调整，直至两者相差1成以内停止。将此时的PWV作为估算结果存储。

本发明的有益效果：在红外光谱波段，水汽有许多重要的吸收带，因此，天空向下 的红外辐射受水汽的影响较大，在物理本质上二者有很大的关联性。并通过环境参数测 量机构提供了近地面空气的温度、湿度，从而为联合众多资料推算准确的PWV。

附图说明

图1是本发明提出的一种利用地基红外测云仪间接测量大气可降水量的流程图。

图2是利用本发明提出的方法推算的PWV与仅利用近地面温湿度估算的PWV以及 探空资料计算的PWV之间的差异。

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明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。

图1是本发明提出的一种利用地基红外测云仪间接测量大气可降水量的流程图。所 述方法的具体实施方式如下：

(1)建立天顶红外亮温、近地面环境温度以及PWV的统计回归模型并利用最小二 乘法对模型求解，得到各因子的回归系数。具体步骤是：

步骤1：建立数据集。时间范围不少于1年，数据匹配时间点为对应的探空时次，数 据包括地基红外测云仪获得的天顶大气向下红外辐射值数据和近地面环境温度数据、探 空数据和人工地面气象观测数据。将探空数据积分计算得出PWV，将大气向下红外辐射 值转换为天空亮温值。然后，基于探空数据和人工观测数据挑选出天顶无云的数据，并 建立数据集。这里的天顶指的是天顶角10°以内的区域。实际使用时，若天顶角为0°时 无云，则取该点的亮温作为数据集，若该点有云，则在天顶角10°以内搜索无云区，并 将其亮温经过天顶角修正后作为数据集。

步骤2：建立统计回归模型。将天空亮温值作为因变量，PWV和近地面环境温度T 作为自变量。8-14μm天空向下的红外辐射与水汽含量有关，而PWV作为表征大气柱内 水汽含量的物理量，在物理本质上与天空向下的红外辐射息息相关；另外，仪器接收到 的红外辐射既包括天空向下的红外辐射，也包括周围环境发射的红外辐射，因此近地面 环境温度也是仪器接收到的红外辐射的一个重要影响因子。根据以上论述，可以建立回 归模型：Y＝a₀+a₁×PWV+a₂×T。其中，Y为天空亮温，a₀、a₁和a₂为待拟合的系数。

步骤3：最小二乘法对模型求解。该步骤中，主要是通过n组观测样本建立多元线性 回归模型，写成矩阵的形式其中X表示自变量PWV和T的矩阵。定义 最小二乘法就是寻找系数矩阵A使得偏差Q最小。因此，由 可得：A＝(X^TY)^-1X^TY。从而求得上述模型的各个系数。

于是，可以得到：

PWV＝(Y-a₀-a₂×T)/a₁。   (1)

(2)利用地基红外测云仪的测量数据判断天顶无云区域并获得该区亮温值。具体 步骤有：

步骤1：天空亮温随天顶角的分布情况分析。由于有云情况下天空亮温随天顶角的 分布与晴空条件下天空亮温随天顶角的分布具有明显的差异，该步骤主要用于得到天空 有云无云情况，并标记云点；

步骤2：天顶区域红外辐射图像的纹理分析。将红外辐射图像以5×5的小区间进行纹 理分析，采用局部二值模式(LBP算法)算法进行纹理特征提取，并进行采用图像分割 的方法标记云点；

步骤3：无云区综合判断。将步骤1和步骤2中分别标记的云点和非云点进行综合， 若步骤1和2中均判为非云点，则认为该点为无云，否则记为有云。若在10°天顶角以内 存在无云区，则将无云区天空亮温经过天顶角修正后，取中间值作为晴空区的天空亮温 并存储。否则认为天顶有云，存储天顶角0°对应的天空亮温并标记为云的亮温。

(3)将地基红外测云仪获取的天顶无云区天顶红外亮温、近地面环境温度代入回 归模型，估算PWV并进行自适应调整。具体步骤为：

步骤1：初猜PWV。若存在天顶无云区天顶红外亮温，则根据公式(1)得到PWV 的初猜值；若不存在，则按照传统的地面温湿度估算PWV作为初猜值。

步骤2：调整PWV。将初猜PWV代入已事先建好的查找表中，得到辐射阈值，并利 用该辐射阈值进行云检测，将该云检测结果与(2)中纹理云检测结果进行比较。若本 步骤的云检测结果小于(2)中的云检测结果1成以上，则将PWV以0.1mm的步长向下调 整，直至两者相差1成以内停止。否则，将PWV以0.1mm的步长向上调整，直至两者相 差1成以内停止。将此时的PWV作为估算结果存储。图2是利用本发明提出的方法推算的 PWV与仅利用近地面温湿度估算的PWV以及探空资料计算的PWV之间的差异。可见利 用本发明进行PWV估计与探空资料计算的PWV更为接近。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细 说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明， 凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发 明的保护范围之内。