基于NCEP資料的對流層低仰角折射剖面建模研究

李栩晗 邵逸瑄 李穎珊 蘇思琦

摘 要 由于大氣中對流層存在大氣電特性的不均勻性引起大氣的折射效應(yīng)，影響到高空中的衛(wèi)星向地面數(shù)據(jù)通信，從而對我們生活中的實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)生了影響。本文根據(jù)NCEP資料，利用溫度、濕度、氣壓等各種大氣參數(shù)數(shù)據(jù)以及Thayer方法建立了折射剖面模型——三維格點(diǎn)模型。該模型不僅可以給出水平梯度，而且還能反映出不同高度的水平梯度的變化，以及不同地區(qū)折射率的水平梯度的變化規(guī)律，可以進(jìn)一步大大提高大氣折射剖面的準(zhǔn)確度，并且精準(zhǔn)地確定出無線電波在其中傳播的射線路徑，從而可以提高無線電波在對流層空間的傳播數(shù)據(jù)精度。隨后，利用所得模型進(jìn)行應(yīng)用實(shí)踐，選取青島地區(qū)作為研究對象，收集了其2007年至2009年總共三年的數(shù)據(jù)資料，利用公式將水汽壓。和高度單位轉(zhuǎn)換得到并計算出對流層折射指數(shù)，最后得到了不同層的氣壓層的折射指數(shù)與地面折射指數(shù)的具體關(guān)系，為解決實(shí)際應(yīng)用問題提供了新思路。

關(guān)鍵詞 NCEP資料 對流層 折射指數(shù) 三維格點(diǎn)模型

中圖分類號：P421文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0引言

從上個世紀(jì)七十年代以來，電子科學(xué)飛速發(fā)展，許多科學(xué)技術(shù)都與無線電波有關(guān)，而對流層大氣電特性的不均勻性引起大氣的折射效應(yīng)，使得無線電外測系統(tǒng)的角度、距離、速度等測量值都具有一定的誤差，尤其在低仰角條件下，這樣的誤差往往更大，顯著影響著雷達(dá)通訊的質(zhì)量、飛行器的定位等。因此，必須對對流層大氣在低仰角條件下的折射進(jìn)行研究和建模，對其誤差進(jìn)行修正。

隨著無線電外側(cè)和導(dǎo)航實(shí)業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)外對大氣折射的研究取得了非常大的進(jìn)步。歸納起來主要有以下幾個方面：

（1）對大氣折射修正方法的研究。除了基礎(chǔ)理論研究外，還根據(jù)無線電外測系統(tǒng)的工作特點(diǎn)和要求，研究出各種無線電系統(tǒng)的電波折射誤差修正方法。

（2）針對大氣折射修正殘差的研究，即研究修正方法和大氣測量等因素引起的修正誤差源對大氣折射誤差修正產(chǎn)生的影響，并根據(jù)各種不同測量參數(shù)（諸如距離、仰角、距離變化率等）推導(dǎo)出大氣折射修正后的剩余誤差模型。

（3）對直接測量或減小大氣折射誤差新方法的研究。這是目前研究的最新課題。

（4）研究地球外部大氣折射指數(shù)n的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、量值及變化，稱之為“無線電氣候?qū)W"。它不僅研究大氣的瞬時特性，還研究大氣隨時間、地點(diǎn)變化的規(guī)律以及大氣折射指數(shù)的各種模型（線性模型、指數(shù)模型、分段模型、雙指數(shù)模型、離散模型）;大氣探測手段也是該研究的重要組成部分。高精度探測設(shè)備（59型探空儀、大氣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（ADAS）、微波折射率儀）更精確、客觀地描述了大氣結(jié)構(gòu)參數(shù)，為大氣折射修正提供了必要的條件。這是目前研究的難點(diǎn)問題。

同時，目前國內(nèi)外使用的大多數(shù)映射函數(shù)在低仰角的情況下，精度都比較差。因此，發(fā)展適用于低高度角的折射模型，研究大氣的水平梯度也是目前折射修正的重要研究任務(wù)之一。就此而言，準(zhǔn)確獲取電波射線路徑上的折射率剖面或者建立相對準(zhǔn)確的映射函數(shù)，深入開展對流層大氣折射研究是很有必要的。

1數(shù)據(jù)與方法

1.1數(shù)據(jù)資料

NCEP資料是建模的主要數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)，該數(shù)據(jù)經(jīng)過同化后輸入到模式當(dāng)中，用于天氣的預(yù)報。隨著研究的深入，數(shù)值預(yù)報技術(shù)的發(fā)展，越來越多的研究需要豐富的格點(diǎn)資料支持。美國國家環(huán)境預(yù)報中心（NCEP）和美國國家大氣研究中心（NCAR）對全球從1948年到現(xiàn)在的氣象資料進(jìn)行再分析形成格點(diǎn)資料。這些資料對外公開，可以隨時下載。NCEP/NCAR分析資料內(nèi)容豐富，成為目前氣象研究、業(yè)務(wù)應(yīng)用的重要數(shù)據(jù)來源。這些資料可以由許多圖形軟件輸出圖形，也可以自己編寫程序輸出所需要的要素。NCEP資料包括17層的基本要素場、物理量場以及大氣上行、下行輻射、太陽輻射、云量、對流層頂?shù)臍鉁亍鈮旱取?shù)據(jù)的反演分析處理已經(jīng)有現(xiàn)成的程序，直接可用。

1.2方法介紹

根據(jù)分子物理學(xué)知識，折射率與大氣的特性參數(shù)有著一定關(guān)系，許多研究表明，折射率N可以表示為大氣狀態(tài)參量（溫度T、水汽壓e、壓強(qiáng)P）的函數(shù)。目前國際上通常采用Smith和Weintraub給出的參數(shù)化方案：

根據(jù)Thayer G. D.給出的大氣折射率表達(dá)式，利用NCEP的格點(diǎn)數(shù)據(jù)，利用NCEP資料，提取格點(diǎn)上的大氣溫度、濕度、壓強(qiáng)、位勢高度和經(jīng)、緯度數(shù)據(jù);然后通過位勢高度求幾何高度;根據(jù)溫度、濕度、壓強(qiáng)與折射率關(guān)系，計算出三維格點(diǎn)的大氣折射率，從而確定折射率剖面所在的幾何平面。

具體步驟如下：

（1）利用公開發(fā)布的NCEP數(shù)值格點(diǎn)資料，通過反演計算提取并得到格點(diǎn)上的大氣溫度、濕度、壓強(qiáng)數(shù)據(jù)以及格點(diǎn)位勢高度和經(jīng)度、緯度數(shù)據(jù)。

（2）利用位勢高度和幾何高度的關(guān)系，通過已知位勢高度Z求得幾何高度H，再結(jié)合經(jīng)緯度格點(diǎn)，生成幾何空間三維格點(diǎn)大氣溫度、濕度、壓強(qiáng)數(shù)據(jù);位勢高度Z和幾何高度H的關(guān)系式如下：

（3）根據(jù)溫度、濕度、壓強(qiáng)與折射率的關(guān)系，計算出幾何空間三維格點(diǎn)的大氣折射率，折射率的計算方法如下：

其中，Pd為干空氣壓強(qiáng)，單位為hPa，e為水汽壓，單位hPa，T為絕對溫度，h表示高度;而ki的取值如下：

2研究結(jié)果

針對所得結(jié)果，我們對折射指數(shù)的各種變化進(jìn)行了分析，主要分析了對流層中的各氣壓層（與高度相關(guān)，可以用壓高公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換）與地面折射指數(shù)隨著季節(jié)以及早、中、晚的變化規(guī)律，為模型的參數(shù)化提供理論、實(shí)驗依據(jù)以及技術(shù)支撐。根據(jù)研究目的以及今后實(shí)際應(yīng)用的需要，我們選擇青島地區(qū)作為主要研究對象，將其所在區(qū)域的對流層大氣分為21-26層不等，利用2007年至2009年總共三年的數(shù)據(jù)，采用擬合的方式，給出了分析比較結(jié)果圖（見圖 1）。

青島地區(qū)海拔比較低，全年地面氣壓均大于1000毫巴，在數(shù)值計算中，對流層大氣層根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)可以分為26個大氣分層（1000，975，950，925，900，850，800，750，700，650，600，550，500，450，400，350，300，250，200，150，100，70，50，30，20，10）。

從圖中我們可以很明顯地看到，在同一觀測時段，1-5層的折射指數(shù)幾乎呈線性衰減，而6-17層的衰減則與地面觀測值有關(guān)系，當(dāng)?shù)孛嬗^測值較大時，衰減要快，如果換算成高度，則指數(shù)隨著高度的衰減不再是線性關(guān)系，應(yīng)該是指數(shù)關(guān)系的形式。

3總結(jié)

本文從研究對流層中的大氣折射指數(shù)出發(fā)，結(jié)合NCEP數(shù)據(jù)以及Thayer方法，建立出三維格點(diǎn)模型來計算大氣折射指數(shù)，從而確定折射率剖面所在的幾何平面。隨后，以青島地區(qū)為例進(jìn)行研究，從圖中發(fā)現(xiàn)在同一時間點(diǎn)下，低層氣壓層的折射指數(shù)與地面折射指數(shù)呈線性正比關(guān)系;但在較高層數(shù)的氣壓層的折射指數(shù)與地面折射指數(shù)呈現(xiàn)出指數(shù)關(guān)系形式，而非線性關(guān)系。

經(jīng)過本文實(shí)踐論證后，該方法可以使雷達(dá)定位系統(tǒng)、全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）以及衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳送等更加精準(zhǔn)。除此之外，該方法不僅將海量數(shù)據(jù)處理過程層層遞進(jìn)、化繁為簡;而且利于非大氣科學(xué)專業(yè)學(xué)生對對流層大氣的特性以及電波在對流層大氣中傳播的物理過程，建立對流層折射剖面模型有了更加深刻詳細(xì)的了解。

基金項目：2019年度江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目”基于NCEP資料的對流層低仰角折射剖面建模研究”（NO.201910300103Y）。

參考文獻(xiàn)

[1] 張瑜.電波折射誤差實(shí)時修正的公式擬合方法叨[J].飛行器測控學(xué)報，2004，23（01）：21-22.

[2] 劉玉梅，陳金松等.我國不同地區(qū)衛(wèi)星測控對流層折射誤差分析[A].中國宇航學(xué)會飛行器測控專業(yè)委員會，2007年航天測控技術(shù)研討會，2007.

[3] 嚴(yán)豪健.對流層大氣折射延遲改正（II）：當(dāng)前主要研究方向和進(jìn)展[J].天文學(xué)進(jìn)展，1996（03）.

[4] 中國氣象條件下的Hopfield模型.中國空間科學(xué)學(xué)會空間探測專業(yè)委員會第十一次學(xué)術(shù)論文集[C].1998.

[5] Smith， E.K.， S.Weintraub，the constants in the equation for atmospheric refractive index at radio frequencies， Proc[J].IRE， 1953（41）：1035-1037.

[6] Thayer， G.D.A Modified Equation for Radio Refractive of Air[J].Radio Sci，1974，9（10）：803-807.