[0001] 本发明属于大气科学和遥感研究领域，具体涉及一种基于山地辐射效应的静止卫星陆上窗区通道资料同化方法。

[0002] 近年来，随着卫星探测技术的飞速发展，人们对地球大气、海洋和陆地的观测能力得到显著提升。比如，新一代静止地球轨道卫星提供的高时空分辨率红外亮温观测已被广泛应用于从地表到高层的气象要素反演，以及快速循环同化更新的高分辨率数值预报系统中，在灾害性天气的监控和预警预测中发挥着不可或缺的重要作用。

[0003] 与传统的地面气象观测不同，卫星观测的大气层顶红外亮温提供的是对气象要素的间接测量。为了在数值天气预报中有效利用这些观测数据，需要设计合适的资料同化方案，其中，提高快速辐射传输模型模拟数值模式背景场下的红外亮温精度，是提升卫星资料同化性能的重要发展方向之一。然而相比大洋上空的卫星观测，由于陆地地表发射率和地表温度估计难题，陆上红外亮温模拟值偏离观测较多，进而导致数值模式无法利用这些包含近地层温度、湿度信息的宝贵地表敏感通道资料。

[0004] 以风云四号卫星AGRI成像仪的全圆盘观测区域为例，其显著特点是能够对特定的大范围区域进行连续时空观测，为天气监测和预报提供宝贵的数据支持。然而，在静止卫星的大范围观测区域内，受下垫面地形非均匀性影响，地表辐射和地表温度等热力特征常表现出显著空间异质性。如图1所示，在地形复杂区，地形三维结构特征（坡度、坡向、天空可见因子、地形开阔度）对地表太阳辐射（直接、散射、周围地形反射辐射）的时空分布有着重要影响。例如：山地自身地形坡度、坡向调节太阳入射角度，周围地形遮蔽太阳直接辐射，地形开阔程度影响目标点接收散射和周围地形反射太阳辐射。目前，数值模式常将每个模式网格假定为地形均一的水平面而忽略地形三维结构对网格尺度地表辐射收支的影响。这导致在地形复杂区，模式模拟的地表辐射通量时空分布存在显著误差，难以再现其随地形的非均匀分布特征。

[0005] 总之，数值模式对地形复杂区地表辐射的模拟偏差会显著影响地表温度模拟能力，进而加剧陆上卫星红外亮温模拟偏差，限制窗区通道资料的同化利用率和效果。鉴于此，亟需发展适用于地形复杂区的静止卫星陆上窗区通道资料同化方案。

[0044] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，它们不应该理解成对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。在本发明的描述中，需要理解的是，所用到的术语仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

[0045] 下面结合图1‑图3描述本发明提供的基于山地辐射效应的静止卫星陆上窗区通道资料同化方法。

[0046] 在地形复杂区，如图1所示，地形三维结构特征（坡度、坡向、天空可见因子、地形开阔度）对地表太阳辐射（直接、散射、周围地形反射辐射）的时空分布有着重要影响。由于静止地球轨道卫星的观测区域很大，由地形非均匀性导致的地表辐射和地表温度等热力特性常表现出显著空间异质性。然而，在图2中（a）所示的现有的资料同化方案中，数值模式采用了基于网格地形均一假设的水平面地表辐射方案，忽略次网格地形三维结构特征（坡度、坡向、天空可见因子、地形开阔度）对网格尺度地表辐射收支的影响，使其预报的地形复杂区地表辐射、地表温度在时空分布和量级等方面均存在很大误差，进而导致卫星陆上窗区通道红外亮温能力较差，限制资料同化利用率和效果。

[0047] 基于前文所述，提升地形复杂区静止卫星陆上窗区通道资料同化性能的途径之一是在现有大气数值模式中引入次网格地形三维地表太阳辐射参数化方案，通过真实和细致地刻画地形起伏变化对地表辐射收支的影响，改进数值模式对地表辐射、地表温度以及陆‑气相互作用的模拟精度，继而减小卫星陆上窗区通道的红外亮温模拟偏差，提高资料同化利用率和效果，以期更好应用于快速循环同化更新数值预报系统，提升其天气预测服务性能。由此产生本申请的基于山地辐射效应的静止卫星陆上窗区通道资料同化方法。

[0048] 实施例1：本实施例提供一种基于山地辐射效应的静止卫星陆上窗区通道资料同化方法，整体如图2中（b）所示，在资料同化方案中增加了虚线框内的更新模块及其直接增益。发展出适用于地形复杂区的静止卫星陆上窗区通道资料同化方案。首先，针对静止卫星的固定观测区域，基于高分辨率地形高程数据建立微观地形因子静态基础数据集。其次，在大气数值模式中引入次网格地形三维地表太阳辐射参数化方案实现地表辐射修正的快速计算，优化模式对地形复杂区地表辐射和地表温度的刻画能力，进而减小陆上红外亮温模拟偏差随地形的高度敏感性，提高卫星窗区通道资料的同化利用率和效果。

[0049] 本实施例的基于山地辐射效应的静止卫星陆上窗区通道资料同化方法，具体步骤为：

[0050] S1、针对静止卫星的固定观测区域，基于ALOS 12.5m全球高分辨率地形高程数据，o分别计算各个次网格格点的坡度 （坡面与水平面的夹角，0 90 变化）、坡向 （坡面法向量~
o o
在水平面上的投影与正北方向的夹角，0 360 变化，正北为0）、天空可见因子 （目标点~
上空半球可见天空比例，0 1变化），以及遮蔽系数 （取值为0或1），建立微观地形因子静~
态基础数据集；

[0051] 坡度 、坡向 、天空可见因子 ，以及遮蔽系数 的计算式分别为：

[0052]

[0053]

[0054]

[0055]

[0056] 其中， 、 分别为在海拔高度 采用交错差分格式求得的在 、方向的梯度；Ko o代表从0 360 逐10 积分的总方向数， 和 分别为第k个方向上的方位角和最大地形高~
度仰角。

[0057] S2、根据微观地形因子静态基础数据集，进行次网格向网格尺度的聚合计算，获取网格尺度随时间无关的地形修正量 、 、 、 以及 ，作为网格尺度静态修正因子；

[0058] 地形修正量 、 、 、 以及 的计算式分别为：

[0059]

[0060]

[0061]

[0062]

[0063]

[0064] 其中，n代表模式网格内次网格点i的总数， 和 分别为太阳天顶角和方位角；， ； 为次网格点i的坡度， 为次网格点
i的坡向， 为次网格点i的天空可见因子， 为次网格点i的遮蔽系数。

[0065] 需要说明的是，上述网格尺度的地形修正量只需在大气数值模式运行前根据S1建立的微观地形因子静态基础数据集，针对模拟区域一次性建立即可，后续用于在大气数值模式运行中实现地表太阳辐射的快速实时修正计算，不影响模式运行计算效率。

[0066] S3、根据山地辐射理论，山地某点处地表向下太阳辐射通量由太阳直接辐射、太阳散射辐射 和接收到的周围地形反射太阳辐射 三部分组成。因此以网格尺度静态修正因子，实时修正太阳直接辐射 、太阳散射辐射和接收到的周围地形反射太阳辐射 三部分，三个部分的计算式分别为：

[0067]

[0068]

[0069]

[0070] 其中 和 分别为大气数值模式根据平面辐射方案计算的地表下行直接和散射太阳辐射， 为太阳常数，为地表反射率。

[0071] S4、基于耦合山地太阳辐射效应的大气数值模式，建立考虑山地太阳辐射效应的静止卫星陆上地表敏感通道资料同化方案，包括：

[0072] S41、运行耦合山地太阳辐射效应的大气数值模式，进行地表太阳辐射的实时快速修正计算；

[0073] S42、在每个同化分析时刻，提取大气数值模式预报场中的地表温度以及大气温度、湿度和气压廓线，结合地表发射率图集，采用快速辐射传输模型作为观测算子得到数值模式背景场下的红外亮温模拟值；

[0074] S43、根据模拟和观测亮温差异筛选有效卫星数据，采用三维变分或集合卡曼滤波等方法融合卫星观测，优化模式背景场中的温度、湿度以及云水等大气物理变量分布，得到用于下一大气积分时刻的模式分析初始场。

[0075] 为了验证本实施例的效果，以风云四号卫星AGRI成像仪覆盖区域内，东亚地区为实例，对比传统方案和本方案在东亚地区地表下行短波辐射和地表温度模拟性能的差异。

[0076] 一般而言，SKV值越小，目标点可见的半球天空面积越小，地形对地表辐射收支和地表温度的影响越显著。风云四号卫星视场内的地形具有较强的非均匀性，例如在大兴安岭、太行山脉、青藏高原、东南丘陵以及中南半岛等地区，地形起伏非常剧烈。然而，在传统的资料同化方案中，数值模式忽略了地形非均匀性对地表短波辐射和地表温度的影响，导致预报的地表短波辐射和地表温度在时空分布及量级上存在显著偏差，这进一步限制了卫星陆上窗区通道红外亮温的模拟性能和资料同化的利用率。如图3中（a）和图3中（c）所示，传统方案模拟的地表短波辐射和地表温度存在很强的地形敏感性，偏差极值出现在地形起伏最大的地方。与传统方案相比，本方案明显降低了地表短波辐射和地表温度模拟偏差的地形敏感性，平均偏差分别从59.75 降低65%至20.40 ，从1.57K降低53%至0.73K。得益于上述地表短波辐射和地表温度模拟改进，例如对于2018年6月3日18时（UTC）个例，风云四号卫星AGRI的地表敏感通道11（中心波长8.6µm）、12（中心波长10.8µm）和13（中心波长12.0µm）的红外亮温模拟偏差分别由‑0.93K、‑1.22K、‑0.23K修正至‑0.68K、‑
0.95K和0.02K，整体偏差更接近于0，表明本方案能进一步对卫星陆上窗区通道的资料同化性能产生增益。

[0077] 实施例2：本实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，该计算机指令使计算机执行基于山地辐射效应的静止卫星陆上窗区通道资料同化方法，该方法包括如下步骤：

[0078] 针对静止卫星的固定观测区域，基于高分辨率地形高程数据，建立微观地形因子静态基础数据集；

[0079] 根据微观地形因子静态基础数据集，计算大气数值模式模拟区域静态地形修正参数，作为网格尺度静态修正因子；

[0080] 以网格尺度静态修正因子，实时修正模拟区域太阳辐射通量，在大气数值模式中引入次网格地形三维地表太阳辐射效应；

[0081] 基于耦合山地太阳辐射效应的大气数值模式，建立考虑山地太阳辐射效应的静止卫星陆上地表敏感通道资料同化方案。

[0082] 实施例3：本实施例提供一种电子设备，该电子设备可以包括：处理器(processor)、通信接口(Communications Interface)、存储器(memory)和通信总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过通信总线完成相互间的通信。处理器可以调用存储器中的逻辑指令，以执行基于山地辐射效应的静止卫星陆上窗区通道资料同化方法，该方法包括如下步骤：

[0083] 针对静止卫星的固定观测区域，基于高分辨率地形高程数据，建立微观地形因子静态基础数据集；

[0084] 根据微观地形因子静态基础数据集，计算大气数值模式模拟区域静态地形修正参数，作为网格尺度静态修正因子；

[0085] 以网格尺度静态修正因子，实时修正模拟区域太阳辐射通量，在大气数值模式中引入次网格地形三维地表太阳辐射效应；

[0086] 基于耦合山地太阳辐射效应的大气数值模式，建立考虑山地太阳辐射效应的静止卫星陆上地表敏感通道资料同化方案。

[0087] 此外，上述的存储器中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read‑Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

[0088] 实施例4：本实施例提供的是一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，计算机程序可存储在非暂态计算机可读存储介质上，所述计算机程序被处理器执行时，计算机能够执行基于山地辐射效应的静止卫星陆上窗区通道资料同化方法，该方法包括如下步骤：

[0089] 针对静止卫星的固定观测区域，基于高分辨率地形高程数据，建立微观地形因子静态基础数据集；

[0090] 根据微观地形因子静态基础数据集，计算大气数值模式模拟区域静态地形修正参数，作为网格尺度静态修正因子；

[0091] 以网格尺度静态修正因子，实时修正模拟区域太阳辐射通量，在大气数值模式中引入次网格地形三维地表太阳辐射效应；

[0092] 基于耦合山地太阳辐射效应的大气数值模式，建立考虑山地太阳辐射效应的静止卫星陆上地表敏感通道资料同化方案。

[0093] 以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

[0094] 通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

[0095] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。