一种中间层顶重力波扰动量参数高度分布反演方法及系统

本发明涉及空间探测，具体涉及一种中间层顶重力波扰动量参数高度分布反演方法及系统。

背景技术：

1、大气中间层顶是地球和地球外部宇宙空间的物质和能量发生交换的重要区域，而重力波是中间层顶活跃的最重要的大气波动之一。大多数起源于低层大气的重力波向上传播到中间层顶，发生波破碎并将其携带的能量沉积在背景中，从而驱动局地空间环境的结构演变。重力波还可以导致极区中间层顶在夏季的绝热冷却和冬季的绝热加热，从而造成夏季极到冬季极在中间层顶的剩余环流。因此，为了定量地评估重力波对背景大气的动力学结构和热学结构的效应，理解大气的垂直耦合过程及其在中间层顶的环流机制，需要建立对重力波活动的更多观测。另一方面，为了实现对亚网格尺度的全球气候更为真实的模拟，也需要更多的观测约束来完善现有的重力波参数化方案。

2、重力波扰动量参数及其在高度上的演变，对定量表征重力波在背景大气上的影响至关重要，其获取依赖于对中间层顶风场的连续观测。然而，对中间层顶的大气进行探测是具有挑战性的，特别是在风场的探测这一方面，这导致目前对重力波及其相关效应的研究是十分稀缺的。目前，只有数量有限且一般只在夜间进行观测的激光雷达可以探测中间层顶的风场。气辉成像仪通常仅能够在特定的高度提供重力波的波长和频率信息，因而很难评估重力波能量和动量随高度的演变及其对背景的影响。过去几十年卫星技术的发展使得对大气的全球性探测成为可能，但有能力对中间层顶这一高度的大气进行探测的卫星却相对较少；此外，卫星观测通常只能解析水平波长较长的重力波(通常对应较低的固有频率)；然而，水平波长较短的高频重力波在中间层顶对动量输运的贡献则超过70％。因此，在中间层顶进行连续可靠的对风场的观测和对高频小尺度的重力波的观测，对于研究重力波的效应和大气垂直耦合的相关机制都至关重要。

3、无线电雷达(如流星雷达，甚高频雷达等)是连续测量中层顶区域大气风场的有效观测手段。其中，甚高频雷达一般都是具有较大功率孔径积的设备，运行和维护的成本相对较高。

4、流星雷达不受昼夜的限制和天气的影响，是被广泛部署的可用于对大气风场和波动进行连续性测量的先进设备。目前国际上已有基于流星雷达反演中间层顶重力波参数的相关技术，但是在反演过程中对大量的流星尾迹漂移数据和风场数据的处理过于消耗计算资源，而目前关于重力波扰动量参数及其高度分布还缺乏成熟的、耗时更短的快速解算方法。在实际应用中，流星雷达每时每刻都要采集并处理海量的观测数据，同时还承担着流星甄选、流星参数解算和大气风场反演等重要的观测任务。原有的重力波扰动量参数高度分布的反演方法中含有大量的累加运算，造成了对计算资源的过度占用，因而使得雷达系统无法进一步承担与高频的小尺度波动相关的大气动力学过程的解析。为了降低时间成本和计算成本，实现重力波所致的对背景大气动力学过程的影响的实时动态分析，需要研发运行可靠的，能够满足实时动态分析要求的中间层顶重力波扰动量参数高度分布的反演方法及系统。

技术实现思路

1、针对现有技术的技术缺陷,本发明提出了一种中间层顶重力波扰动量参数高度分布反演方法及系统,以对中间层顶区域的重力波扰动量参数高度分布提供可靠、快速的解算。

2、本发明方法的技术方案为一种中间层顶重力波扰动量参数高度分布反演方法，包括以下步骤：

3、步骤1：获取多个流星事件以构建流星事件序列，根据每个流星事件的天顶角、方位角、尾迹径向漂移速度扰动和所在高度，构造对应于每个流星事件的数据矩阵、漂移矩阵，以及流星事件所在高度的序列；

4、步骤2：将中间层顶区域等间隔划分为多个高度区间，根据每个流星事件的所在高度将每个流星事件都安置在与其对应的高度区间；

5、步骤3：在每一个高度区间上，将位于同一高度区间的所有流星事件对应的步骤1所得的数据矩阵和漂移矩阵以一一对应的方式垂直串联，构造位于该高度区间的联合数据矩阵和联合漂移矩阵；

6、步骤4：在每一个高度区间上，根据对应的联合数据矩阵和联合漂移矩阵，通过最小二乘拟合法得到位于对应高度区间的重力波扰动量参数矩阵；

7、步骤5：根据所有重力波扰动量参数矩阵，将其按高度顺序串联，得到重力波扰动量参数在中间层顶的不同高度上的分布矩阵。

8、步骤6：重力波扰动量参数在中间层顶的不同高度上的分布矩阵，用于定量分析重力波的动量通量在不同高度上的变化，并通过进一步的对重力波动量通量的散度的计算，从而求解重力波对中间层顶背景大气的动力学效应，尤其是重力波对风场所造成的曳力。

9、作为优选，步骤1所述流星事件序列，具体为：

10、met＝[met1 met2 ... metx ... metn]

11、其中，met表示流星事件序列，metx表示流星事件序列中第x个流星事件，n表示流星事件序列中流星事件的总数，x∈[1，n]；

12、步骤1所述构造对应于每个流星事件的数据矩阵，具体如下：

13、第x个流星事件的天顶角为θx，第x个流星事件的方位角为φx，第x个流星事件的尾迹径向漂移速度扰动为vr′x；

14、第x个流星事件的数据矩阵ax为：

15、

16、其中，ax为第x个流星事件的数据矩阵，x∈[1，n]；

17、步骤1所述构造对应于每个流星事件的漂移矩阵，具体如下：

18、

19、其中，vx为第x个流星事件的漂移矩阵，x∈[1，n]；

20、设流星事件所在高度的序列为ht，具体为：

21、ht＝[ht1 ht2 ... htx ... htn]

22、其中，htx表示与第x个流星事件metx对应的流星事件的所在高度，n表示流星事件序列中流星事件的总数，x∈[1，n]；

23、作为优选，步骤2所述将中间层顶区域等间隔划分为多个高度区间，具体为：

24、对中间层顶区域等间隔地标记高度刻度，设高度刻度序列为h，具体为：

25、h＝[h1 h2 ... ha ... hm]

26、其中，ha表示中间层顶区域中第a个高度刻度，m表示高度刻度序列h中高度区间的总数，a∈[1，m-1]；

27、设与高度刻度序列h对应的高度区间序列为i，具体为：

28、i＝[i1 i2 ... ia ... im-1]

29、其中，ia表示高度区间序列中的第a个高度区间，位于高度刻度ha和高度刻度ha+1之间，m-1表示高度区间序列i中高度区间的总数，a∈[1，m-1]；

30、第x个流星事件metx对应的流星事件的所在高度htx，x∈[1，n]，n表示流星事件序列中流星事件的总数，具体计算如下：

31、如果：

32、ha≤htx＜ha+1

33、则将与htx对应的metx置于高度区间ia之内；

34、对流星事件序列met中的所有n个流星事件，均按照上述流程进行处理，直到将每一个流星事件都安置在与其对应的高度区间之内；

35、作为优选，步骤3所述构造位于该高度区间的联合数据矩阵和联合漂移矩阵，具体为：

36、设对应于高度区间ia的流星事件区间集为metsa，具体为：

37、metsa＝[meta，1 meta，2 ... meta，m ... meta，n]

38、其中，meta，m表示位于高度区间ia之内的第m个流星事件，n表示位于高度区间ia之内的流星事件的总数，m∈[1，n]；

39、设对应于流星事件区间集metsa的数据矩阵集为asa，具体为：

40、asa＝[aa，1 aa，2 ... aa，m ... aa，n]

41、其中，aa，m表示位于高度区间ia之内的第m个流星事件meta，m对应的数据矩阵，n表示位于高度区间ia之内的流星事件的总数，m∈[1，n]；

42、设对应于流星事件区间集metsa的漂移矩阵集为msa，具体为：

43、vsa＝[va，1 va，2 ... va，m ... va，n]

44、其中，va，m表示位于高度区间ia之内的第m个流星事件对应的漂移矩阵，n表示位于高度区间ia之内的流星事件的总数，m∈[1，n]；

45、设以与流星事件区间集metsa中的各个流星事件一一对应的方式垂直串联asa所得到的位于高度区间ia之内的联合数据矩阵为comaa，具体为：

46、

47、设以与流星事件区间集metsa中的各个流星事件一一对应的方式垂直串联vsa所得到的位于高度区间ia之内的联合漂移矩阵为comva，具体为：

48、

49、对高度区间序列i中的所有m-1个高度区间，均按照上述流程进行处理，得到对应于每一个高度区间的所有联合数据矩阵和联合漂移矩阵，两者的序列分别用coma和comv来表示，具体为：

50、coma＝[coma1 coma2 ... comaa ... comam-1]

51、comv＝[comv1 comv2 ... comva ... comvm-1]

52、作为优选，步骤4所述通过最小二乘拟合法得到位于对应高度区间的重力波扰动量参数矩阵，具体为：

53、设对应于高度区间ia的重力波扰动量参数矩阵为gwa，具体为：

54、gwa＝(comatcoma)-1comatcomva

55、对高度区间序列i中的所有m-1个高度区间，均按照上述流程进行处理，得到对应于每一个高度区间的所有重力波扰动量参数矩阵，其序列用gw来表示，具体为：

56、gw＝[gw1 gw2 ... gwa ... gwm-1]

57、作为优选，所述步骤5具体如下：

58、设对应于高度区间序列i的离散高度刻度序列为h′，具体为：

59、h′＝[h′1 h′2 ... h′a ... h′m-1]

60、其中，h′a表示对应于高度区间序列i中第a个高度区间ia的离散高度刻度，具体为：

61、

62、设重力波扰动量参数在中间层顶的不同高度上的分布矩阵为gw_mat，则

63、

64、其中，h′a表示对应于高度区间序列i中第a个高度区间ia的离散高度刻度，gwa为对应于高度区间ia的重力波扰动量参数矩阵，a∈[1，m-1]；

65、本发明还提供了一种中间层顶重力波扰动量参数高度分布反演系统，包括：

66、流星事件的数据矩阵、漂移矩阵计算模块，用于获取多个流星事件以构建流星事件序列，根据每个流星事件的天顶角、方位角、尾迹径向漂移速度扰动和所在高度，构造对应于每个流星事件的数据矩阵、漂移矩阵，以及流星事件所在高度的序列；

67、流星事件高度区间划分模块，用于将中间层顶区域等间隔划分为多个高度区间，根据每个流星事件的所在高度将每个流星事件都安置在与其对应的高度区间；

68、流星事件的联合数据矩阵、联合漂移构造计算模块，用于在每一个高度区间上，将位于同一高度区间的所有流星事件对应的数据矩阵和漂移矩阵以一一对应的方式垂直串联，构造位于该高度区间的联合数据矩阵和联合漂移矩阵；

69、重力波扰动量参数矩阵计算模块，用于根据对应的联合数据矩阵和联合漂移矩阵，通过最小二乘拟合法得到位于对应高度区间的重力波扰动量参数矩阵；

70、分布矩阵构建模块，用于根据所有重力波扰动量参数矩阵，将其按高度顺序串联，得到重力波扰动量参数在中间层顶的不同高度上的分布矩阵；

71、分布矩阵应用模块，用于重力波扰动量参数在中间层顶的不同高度上的分布矩阵，用于定量分析重力波的动量通量在不同高度上的变化，并通过后续进一步的对重力波动量通量的散度的计算，从而求解重力波对中间层顶背景大气的动力学效应，尤其是重力波对风场所造成的曳力。

72、与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

73、该方法可广泛应用于空间探测和空间物理等相关行业。

74、本方法可以反演得到重力波扰动量参数在中间层顶的不同高度上的分布矩阵，且运算时间显著缩短，数值在国际公认的合理区间范围内，与传统方法的计算结果十分接近，两者之间虽然存在误差，但误差百分比小到可以忽略不计。