[发明专利]一种基于量子游走的临近空间大气状态模拟方法及装置

说明书

本发明公开了一种基于量子游走的临近空间大气状态模拟方法及装置，所述方法包括：首先，基于临近空间大气随纬度的变化特征，将研究区域按纬度分割为多个条带；其次，条带构造的一维拓扑网络，用量子游走模拟条带间气体分子的相互作用和转移过程，得到临近空间大气的所有可能的演化模式；然后，以观测的大气密度数据作为边界条件，基于逐步回归筛选出各条带实际存在的演化模式；最后，构建临近空间大气多演化模式和大气密度参数值之间的映射机制，实现临近空间大气状态的模拟与调优。本发明能取得较高的模拟精度，可以有效揭示临近空间大气中复杂结构特征；且可以为基于稀疏的卫星观测数据生成连续的数据观测场提供方法支撑。

技术领域

本发明属于大气科学、量子理论领域，具体涉及一种基于量子游走的临近空间大气状态模拟方法及装置。

背景技术

临近空间作为高密度大气与低密度大气的过渡区，涵盖了复杂的空间环境过程、大气活动以及各种物理化学过程，使其具有复杂的时间和空间尺度变化，对人类生活和气候变化有重要影响。然而，现有临近空间大气观测数据分布稀疏，难以全面细致地反应临近空间大气的时空分布结构和演化特征。因此，基于模拟的思路在有限观测数据的支撑下反演临近空间大气的演化模式，有助于探究临近空间大气的演化特征和扩散机理，对进一步开发和利用临近空间具有重要价值。

大气模式是用于临近空间大气模拟的重要途径。目前被广泛使用的大气模式主要包括标准大气模式、参考大气模式和数值模式三类。标准大气模式将临近空间大气抽象为理想化的、稳态的气体/流体，并基于理想气体定律/流体静力学方程来模拟全球或区域大气在理想环境状态下的理论数值。典型的标准大气模式包括美国标准大气1962、美国标准大气增补1966和美国标准大气1976。虽然标准大气模式能反映稳态条件下大气参量总体趋势，但经验参数或平均状态参数对大气参量的高度近似使得标准大气模式难以实现临近空间大气的准确模拟与特征解析。参考大气模式(经验大气模式)是利用大气理论和大气探测数据建立起来的经验模型，能够描述特定地理位置、区域或全球大气参量的垂直分布。代表性的参考大气模式有空间委员会国际参考大气模式(CIRA)系列、质谱仪与非相干散射雷达(MSIS)系列和水平风场模式(HWM)系列。通常，参考大气模式以大气探测数据为辅助数据进行数值逼近和数据同化，从而实现临近空间大气参量的模拟。由于临近空间大气具有复杂的变化规律和较强的局域特征，使得现有的参考大气模式的模拟结果与实测数据差异较大，难以满足精细化大气模拟的需求。数值模式是基于大气环流模式框架的模式，它综合考虑了大气运动的基本特征和各种物理化学过程，根据输入的控制以及参数化方案的选取，对大气参量进行更为准确的模拟。数值模式常用于中高层大气的物理化学现象的原理性探究。目前，常见的大气数值模式有加拿大中层大气模式(CMAM)、全球热层-电离层-中间层-电动力学环流耦合模式(TIME-GCM)、整层大气的通用气候模式WACCM)等。即使数值模式能取得较好的模拟结果，但参数复杂，计算开销大以及模拟结果对输入参数以及参数率定过程的强依赖性也限制了模型的拓展和应用。此外，有研究表明当出现极端天气时，现有大气模型模拟误差可达到100％甚至更高，说明这些大气模式对异常事件较为敏感，难以对异常事件导致的大气突变及时响应。

部分学者还基于参数修正和反演的思路发展了临近空间大气模拟模型，可将其总结为线性化模型和非线性化模型。如苗娟等以神舟飞船探测数据为基础，提出了一种基于实时大气密度观测数据的修正方法。常欣卓等人结合校准后MSIS模型以及太阳与地磁活动指数构建了自适应回归神经网络(NARX)大气密度预测模型，为提高低轨卫星短期轨道预报精度提供了思路。

总之，以上大气模拟模型都基于确定性视角来模拟临近空间大气，而忽略了大气演化的本源特性，即气体分子的随机扩散和相互作用。导致这些模型难以在模拟精度和计算测数据的约束下，构建临近空间大气参量与大气演化模式间的映射关系，从而实现临近空间大气参量的动态模拟。

发明内容

发明目的：本发明提出一种基于量子游走的临近空间大气状态模拟方法，在很好平衡模拟精度和计算复杂度的同时，实现临近空间大气参量的动态模拟。