基于NCEP资料的对流层低仰角折射剖面建模研究

李栩晗 邵逸瑄 李颖珊 苏思琦

摘 要 由于大气中对流层存在大气电特性的不均匀性引起大气的折射效应，影响到高空中的卫星向地面数据通信，从而对我们生活中的实际应用产生了影响。本文根据NCEP资料，利用温度、湿度、气压等各种大气参数数据以及Thayer方法建立了折射剖面模型——三维格点模型。该模型不仅可以给出水平梯度，而且还能反映出不同高度的水平梯度的变化，以及不同地区折射率的水平梯度的变化规律，可以进一步大大提高大气折射剖面的准确度，并且精准地确定出无线电波在其中传播的射线路径，从而可以提高无线电波在对流层空间的传播数据精度。随后，利用所得模型进行应用实践，选取青岛地区作为研究对象，收集了其2007年至2009年总共三年的数据资料，利用公式将水汽压。和高度单位转换得到并计算出对流层折射指数，最后得到了不同层的气压层的折射指数与地面折射指数的具体关系，为解决实际应用问题提供了新思路。

關键词 NCEP资料 对流层 折射指数 三维格点模型

中图分类号：P421文献标识码：A

0引言

从上个世纪七十年代以来，电子科学飞速发展，许多科学技术都与无线电波有关，而对流层大气电特性的不均匀性引起大气的折射效应，使得无线电外测系统的角度、距离、速度等测量值都具有一定的误差，尤其在低仰角条件下，这样的误差往往更大，显著影响着雷达通讯的质量、飞行器的定位等。因此，必须对对流层大气在低仰角条件下的折射进行研究和建模，对其误差进行修正。

随着无线电外侧和导航实业的发展，国内外对大气折射的研究取得了非常大的进步。归纳起来主要有以下几个方面：

（1）对大气折射修正方法的研究。除了基础理论研究外，还根据无线电外测系统的工作特点和要求，研究出各种无线电系统的电波折射误差修正方法。

（2）针对大气折射修正残差的研究，即研究修正方法和大气测量等因素引起的修正误差源对大气折射误差修正产生的影响，并根据各种不同测量参数（诸如距离、仰角、距离变化率等）推导出大气折射修正后的剩余误差模型。

（3）对直接测量或减小大气折射误差新方法的研究。这是目前研究的最新课题。

（4）研究地球外部大气折射指数n的结构特点、量值及变化，称之为“无线电气候学"。它不仅研究大气的瞬时特性，还研究大气随时间、地点变化的规律以及大气折射指数的各种模型（线性模型、指数模型、分段模型、双指数模型、离散模型）;大气探测手段也是该研究的重要组成部分。高精度探测设备（59型探空仪、大气数据采集系统（ADAS）、微波折射率仪）更精确、客观地描述了大气结构参数，为大气折射修正提供了必要的条件。这是目前研究的难点问题。

同时，目前国内外使用的大多数映射函数在低仰角的情况下，精度都比较差。因此，发展适用于低高度角的折射模型，研究大气的水平梯度也是目前折射修正的重要研究任务之一。就此而言，准确获取电波射线路径上的折射率剖面或者建立相对准确的映射函数，深入开展对流层大气折射研究是很有必要的。

1数据与方法

1.1数据资料

NCEP资料是建模的主要数据和基础，该数据经过同化后输入到模式当中，用于天气的预报。随着研究的深入，数值预报技术的发展，越来越多的研究需要丰富的格点资料支持。美国国家环境预报中心（NCEP）和美国国家大气研究中心（NCAR）对全球从1948年到现在的气象资料进行再分析形成格点资料。这些资料对外公开，可以随时下载。NCEP/NCAR分析资料内容丰富，成为目前气象研究、业务应用的重要数据来源。这些资料可以由许多图形软件输出图形，也可以自己编写程序输出所需要的要素。NCEP资料包括17层的基本要素场、物理量场以及大气上行、下行辐射、太阳辐射、云量、对流层顶的气温、气压等。数据的反演分析处理已经有现成的程序，直接可用。

1.2方法介绍

根据分子物理学知识，折射率与大气的特性参数有着一定关系，许多研究表明，折射率N可以表示为大气状态参量（温度T、水汽压e、压强P）的函数。目前国际上通常采用Smith和Weintraub给出的参数化方案：

根据Thayer G. D.给出的大气折射率表达式，利用NCEP的格点数据，利用NCEP资料，提取格点上的大气温度、湿度、压强、位势高度和经、纬度数据;然后通过位势高度求几何高度;根据温度、湿度、压强与折射率关系，计算出三维格点的大气折射率，从而确定折射率剖面所在的几何平面。

具体步骤如下：

（1）利用公开发布的NCEP数值格点资料，通过反演计算提取并得到格点上的大气温度、湿度、压强数据以及格点位势高度和经度、纬度数据。

（2）利用位势高度和几何高度的关系，通过已知位势高度Z求得几何高度H，再结合经纬度格点，生成几何空间三维格点大气温度、湿度、压强数据;位势高度Z和几何高度H的关系式如下：

（3）根据温度、湿度、压强与折射率的关系，计算出几何空间三维格点的大气折射率，折射率的计算方法如下：

其中，Pd为干空气压强，单位为hPa，e为水汽压，单位hPa，T为绝对温度，h表示高度;而ki的取值如下：

2研究结果

针对所得结果，我们对折射指数的各种变化进行了分析，主要分析了对流层中的各气压层（与高度相关，可以用压高公式进行转换）与地面折射指数随着季节以及早、中、晚的变化规律，为模型的参数化提供理论、实验依据以及技术支撑。根据研究目的以及今后实际应用的需要，我们选择青岛地区作为主要研究对象，将其所在区域的对流层大气分为21-26层不等，利用2007年至2009年总共三年的数据，采用拟合的方式，给出了分析比较结果图（见图 1）。

青岛地区海拔比较低，全年地面气压均大于1000毫巴，在数值计算中，对流层大气层根据标准可以分为26个大气分层（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）。

從图中我们可以很明显地看到，在同一观测时段，1-5层的折射指数几乎呈线性衰减，而6-17层的衰减则与地面观测值有关系，当地面观测值较大时，衰减要快，如果换算成高度，则指数随着高度的衰减不再是线性关系，应该是指数关系的形式。

3总结

本文从研究对流层中的大气折射指数出发，结合NCEP数据以及Thayer方法，建立出三维格点模型来计算大气折射指数，从而确定折射率剖面所在的几何平面。随后，以青岛地区为例进行研究，从图中发现在同一时间点下，低层气压层的折射指数与地面折射指数呈线性正比关系;但在较高层数的气压层的折射指数与地面折射指数呈现出指数关系形式，而非线性关系。

经过本文实践论证后，该方法可以使雷达定位系统、全球卫星导航系统（GNSS）以及卫星数据传送等更加精准。除此之外，该方法不仅将海量数据处理过程层层递进、化繁为简;而且利于非大气科学专业学生对对流层大气的特性以及电波在对流层大气中传播的物理过程，建立对流层折射剖面模型有了更加深刻详细的了解。

基金项目：2019年度江苏省高等学校大学生创新创业训练计划项目”基于NCEP资料的对流层低仰角折射剖面建模研究”（NO.201910300103Y）。

参考文献

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