天氣預(yù)報已成為人們生活中必不可少的部分,現(xiàn)代天氣預(yù)報的結(jié)果主要來源于數(shù)值天氣預(yù)報模式。數(shù)值天氣預(yù)報本質(zhì)上是一種初值優(yōu)化問題,即在一定的初始場和邊界約束條件下,求解模型的方程組,對接下來某個時間段的大氣狀態(tài)變化規(guī)律進行預(yù)測。數(shù)值天氣預(yù)報的預(yù)報質(zhì)量與初始場信息的質(zhì)量直接相關(guān)。將掩星資料同化進數(shù)值天氣預(yù)報模式中可以明顯改善初始場質(zhì)量,提高其預(yù)報質(zhì)量。在掩星資料同化技術(shù)中,現(xiàn)有的大氣參數(shù)求解算法存在一些不足。本課題提出了一種基于同步微擾隨機近似(Simultaneous perturbation stochastic approximation, SPSA)的大氣參數(shù)求解方法。該方法利用梯度估計引導(dǎo)搜索過程逼近最優(yōu)解,避開了復(fù)雜的代價函數(shù)求導(dǎo)過程,可實現(xiàn)性好。本文的主要研究內(nèi)容及創(chuàng)新工作如下：(1)主要介紹了掩星觀測的相關(guān)知識,并重點研究了掩星資料同化技術(shù)。本文首先研究了掩星觀測技術(shù)的基本原理,并推導(dǎo)了掩星資料同化的代價函數(shù),掩星資料同化技術(shù)本質(zhì)上是一種高維、梯度難以計算的函數(shù)優(yōu)化問題；然后根據(jù)觀測資料不同將觀測算子分成了大氣折射率算子和彎曲角算子,并對每種算子進行了細分,總結(jié)了各類觀測算子的優(yōu)缺點；最后概括并分析了現(xiàn)有的大氣參數(shù)求解算法,指出了現(xiàn)有算法在觀測算子復(fù)雜時可行性差等不足。(2)提出了一種基于SPSA算法的大氣參數(shù)求解算法。同時根據(jù)代價函數(shù)的實際特點,本文對SPSA算法進行如下改進：根據(jù)待優(yōu)化參數(shù)特點,以迭代步長向量代替迭代步長因子并且利用方差進一步調(diào)整迭代步長向量。SPSA算法在高維、難求導(dǎo)的優(yōu)化問題中應(yīng)用廣泛,適合求解掩星資料同化技術(shù)的代價函數(shù)極小值。本文通過大量的對比實驗驗證了改進型SPSA算法求解大氣參數(shù)的有效性,科學性。針對現(xiàn)有大氣參數(shù)求解算法的不足,本文提出了基于掩星資料同化的改進型SPSA大氣參數(shù)求解方法。本文的相關(guān)方法豐富了掩星同化技術(shù)理論,這些方法不僅有理論上的創(chuàng)新性,也有一定的實際應(yīng)用價值。
【學位單位】：合肥工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2016
【中圖分類】：P456.7;P412.27
【部分圖文】：

行ＧＰＳ導(dǎo)航定位。這個最初用于軍事目的的定位系統(tǒng)的普及程度已遠遠超過當??初的預(yù)期。導(dǎo)航定位已經(jīng)成為基本的生活服務(wù)之一。??圖１．１顯示的ＧＰＳ衛(wèi)星星座圖。ＧＰＳ系統(tǒng)包括２４顆常規(guī)王作衛(wèi)星及部分備??用衛(wèi)星，共有６個軌道面，２４顆常規(guī)衛(wèi)星在６個軌道面上均勻分布。ＧＰＳ衛(wèi)星??的軌道高度約為２００００Ｋｍ，屬于中高軌道。ＧＰＳ導(dǎo)航衛(wèi)星會持續(xù)發(fā)射兩個波段??的載波信號，分別是頻率為１５＾．４２?ＭＨｚ的Ｌ１載波信號和頻率為１２２７．６０?ＭＨｚ??的Ｌ２載波信號，它們的波長為１９．０３ｃｍ和２４．４２ｃｍ。在兩個波段的載波信號上，??調(diào)制了多種信號，主要包括Ｃ／Ａ碼（粗碼）和Ｐ碼（精碼）。ＧＰＳ導(dǎo)航系統(tǒng)除了??在基本定位導(dǎo)航和授時服務(wù)應(yīng)用廣泛外，還用于車輛調(diào)度、自動駕駛、災(zāi)害監(jiān)測、??應(yīng)急救援、區(qū)域監(jiān)測等等，服務(wù)了生活的很多方面。??Ｈ??圖１．１?ＧＰＳ系統(tǒng)衛(wèi)星分布圖??Ｆｉｇｌ．ｌ?Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ?ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ?ｍａｐ?ｏｆ?ＧＰＳ?ｓｙｓｔｅｍ??一個完整的ＧＰＳ定位系統(tǒng)是３個互相聯(lián)系的部分構(gòu)成的有機整體

中也與測站標石中也位置之間的偏差，例如對中誤差等等。??Ｗ上對ＧＰＳ導(dǎo)航衛(wèi)星進行觀測時的主要噪聲。在ＧＰＳ接收機跟蹤鎖定衛(wèi)星??載波信號的過程中，可能會出現(xiàn)周跳現(xiàn)象，如圖２．２所示。??若在對ＧＰＳ信號進行觀測時，發(fā)現(xiàn)周跳，必須對周跳進行修復(fù)后，才能繼??續(xù)畑Ｓ信號進行處理。周跳的原因有很多種，例如無線電干擾和障礙物遮擋等??等。在對衛(wèi)星信號進行持續(xù)觀測時，接收機鎖定衛(wèi)星信號后，對衛(wèi)星的載波相位??進行持續(xù)連續(xù)的整周計數(shù)，扣ｆ（Ｐ）會連續(xù)増加。所謂周跳，是指接收機在跟蹤鎖??定衛(wèi)星信號Ｗ后，由于某種原因，接收機無法繼續(xù)跟蹤鎖定載波信號（失鎖現(xiàn)象），??從而整周計數(shù)如會產(chǎn)生跳變。目前，周跳檢測的常用方法有商次差法，多項??式擬合法，衛(wèi)星間求差法和平差殘差法等等。??（２）計算多普勒頻移??載波信號Ｌ１和Ｌ２中包含的噪聲

誤差協(xié)方差矩陣。一般認為不同層的彎曲角是互不相關(guān)的，所Ｗ其誤差協(xié)方差矩??陣Ｒ為對角陣。??圖２．５與圖２．６顯示了背景場誤差協(xié)方差矩陣Ｂ和大氣折射率的誤差協(xié)方差??矩陣Ｒ值的經(jīng)驗值。??圖２．５是背景場數(shù)據(jù)的誤差協(xié)方差矩陣，矩陣中用顏色表示值的大小，所有??的值都在區(qū)間化叫內(nèi)，由圖可知，距對角線越遠，值的絕對值越小；由（１，１）到??ｙ３７，１３７）的子矩陣為大氣溫度的誤差協(xié)方差；。３８，１３８）到（２７午２７４）的子矩陣是大??氣濕度的誤差協(xié)方差；（２７５，２７５）是表面大氣壓的方差系數(shù)。圖２．５中，溫度與濕??度的表標準差每級都具體給出了，而大氣壓的標準差給出了一個大氣表面大氣壓??方差系數(shù)口＾＊。，假設(shè)第ｆ層的大氣壓為ｉ＾則其標準差為￡７＾。＝／＞１＊０＂＾，／。。圖２．６為??大氣折射率的誤差協(xié)方差矩陣，橫豎坐標表示大氣折射率的層級，矩陣中的顏色??表示矩陣元素值的大小。??二［雜判??２５０?－?＼?Ｈ??Ｌ—Ａ．．＼ｌ?圏?＊０?４??說
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本文編號：2842226