基于微波辐射计的大气温湿廓线遥感探测

利用2010年1-6月甘肃省榆中站(52983)逐日的探空资料和兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL)的地基微波辐射计反演资料,对榆中所在的半干旱地区大气的温度和相对湿度的垂直分布特征进行了分析.通过对比探空资料,讨论了微波辐射计的探测性能和反演效果,并对2013年1-3月微波辐射计反演的温度进行了偏差订正.结果表明微波辐射计反演资料与探空资料反映的温湿垂直分布趋势基本一致,温度的拟合效果优于相对湿度.近地层反演效果较好,温度的相关系数大于0.90,相对湿度的相关系数大于0.80,均通过了显著性水平为0.01的相关性检验.距地2~7km之间,微波辐射计反演的温度小于探空观测值,相对湿度大于探空观测值.温度订正效果显著,但仍存在一定的偏差.     

地基微波辐射计反演温/湿度廓线的BP神经网络训练方案对比

为提高地基微波辐射计反演大气温/湿度廓线的精度,提出了一种直接利用高垂直分辨率探空资料与地基微波辐射计观测亮温训练反演温/湿度廓线BP神经网络方案.基于地基微波辐射计的观测特点,提出了一种基于微波辐射计地面观测资料和探空资料的观测亮温综合质量控制方案,利用质量控制后的观测亮温训练BP神经网络(OBS-BP),并与基于MonoRTM辐射传输模式模拟亮温训练BP神经网络(SIM-BP)的方法进行了对比.结果表明, OBS-BP反演温度廓线的均方根误差随高度逐渐增大,范围为0.62～2.81 K,偏差范围为-0.67～0.43 K,相关系数随高度的升高逐渐减小,变化范围为0.92～0.99;相对湿度廓线的均方根误差在0～4.75 km随高度升高而增大,在4.75 km以上随高度升高而减小,范围为8.21%～24.37%,偏差范围为-3.87%～4.54%,相关系数随高度升高逐渐减小,变化范围为0.13～0.94.将OBS-BP和SIM-BP反演高时间频次的温/湿度廓线的效果进行了对比,得出OBS-BP的反演结果能更好地反映对流层内大气温/湿度演变过程,相对于利用SIM-BP的反演结果, OBS-BP反演温/湿廓线在各个高度层上均优于SIM-BP,与探空资料具有更好的一致性,更适用于实际观测中地基微波辐射计温/湿度廓线的反演.     

利用GMS-5红外资料进行云的分类识别

利用GMS-5 3个红外通道(2个分裂窗区通道和1个水汽通道)的亮温资料,依据各种云不同的辐射特征对其进行分类,由此识别出积雨云(Cb)、浓积云(Cg)、卷云(Ci)、积云(Cu)、中云(Cm)、密云(Dense)等6种主要云类以及雾(Fog)和晴空区域.结合安徽寿县地面观测基准站1998年6、7月份的地面观测资料,对分类结果进行了检验,得到了较为令人满意的结果,准确率接近70%.     

基于BP神经网络的风速观测资料序列订正模型

利用甘肃省河西地区敦煌、酒泉、民勤3个站点2004-2007年自动观测与同期人工观测系统的风速观测资料,采用BP神经网络建立了人工观测风速观测资料序列的订正模型,并进行了模拟效果检验.结果表明:利用BP神经网络建立的订正模型能对风速观测资料进行较高精度的订正,3个站点风速拟合差值相对于原差值明显减小,订正结果与自动观测资料的相关系数均在0.90以上.各个站点的平均相对误差较小,在12%以下,且订正模型的稳定性和可扩展性较好;各个站点的平均相对均方根差为3.20～3.84,效果良好,可为建立均一性时间序列的风速观测资料提供参考.     

MODIS气溶胶光学厚度产品在地面PM_(10)监测方面的应用研究

利用MODIS(中分辨率成像光谱仪)两年的气溶胶光学厚度(AOD)产品与北京地区API转化得到的PM10质量浓度、北京大学站点直接监测的PM10质量浓度以及香港元朗站点监测的PM10质量浓度做相关性分析,发现二者的直接相关程度较低。将AOD除以气溶胶季节标高,得到地面消光系数,与地面PM10质量浓度相关性提高。对地面消光系数进行相对湿度订正,得到计算的质量浓度,与地面实际观测的PM10质量浓度相关性进一步提高。经过两年时间资料的对比分析,证实气溶胶遥感光学厚度经过垂直和湿度影响订正后,可以应用于地面PM10监测。     

云南50年降水均一性与变化趋势分析

均一的观测资料是气候变化研究的基础,对于研究和评估气候变化特征尤为重要.选取全省国家级地面观测台站50年的年降水资料,采用标准正态检验(SNHT)、惩罚最大T检验(PMT)、秩检验(Mann-Kendall)方法进行均一性检验.结果表明云南年降水序列均存在非均一的情况.用SNHT比值和分位数匹配(QM)2种订正方法对检验结果进行均一性订正,并初步分析了订正前后云南50年降水量的线性变化特征.分析表明,订正前后年降水量空间分布特征总体不变,但是局部存在差异,均一性订正消除了突变趋势,使订正后的年平均降水量的变化趋势及分布更为合理.     

FY_2G总云量产品在河南省的订正检验

以河南省为检验区域,采用回归分析法基于地面总云量观测资料对FY_2G卫星观测总云量进行了订正检验.结果表明:(1)河南省采用7 km插值直径,对卫星观测总云量插值到站点,并选取2.3的订正系数,对卫星观测总云量进行订正得到的准确率较高;(2)对FY_2G卫星总云量订正后,总样本的准确率和春夏秋冬四季的准确率均有明显提高;(3)各种天气都订正比晴天不订正总体准确率高;(4)用前期的数据进行回归分析得到一个订正系数进行滑动订正,效果可能会更好,因此关于滑动订正有待后期研究进行.     

一种新的多因子约束下的NWP反演ZTD残差改正模型

对流层延迟是GNSS定位的主要误差源之一,利用NWP模型的气象数据积分反演ZTD是当前研究热点.然而,采用两大气象预报中心(ECMWF和NCEP)的再分析资料反演ZTD的残差一般在±60 mm之间浮动,预报资料反演的ZTD的精度更差,都不能直接用于精密定位.一般是先将此反演的ZTD作为初值,设定先验方差,将残差作为未知参数求解.NWP反演的ZTD的精度,将直接影响对流层和模糊度参数在滤波过程中收敛速度.前人的研究表明,NWP反演ZTD的残差大小与测站所在纬度相关,利用纬度与残差的相关函数可提高NWP反演ZTD的精度,但效果并不明显.针对以上问题,比较ECMWF和NCEP再分析资料反演ZTD的精度,然后分析精度较高的ECMWF资料反演的ZTD的残差随温度、湿度、纬度、季节等因子变化的规律,并结合基于最小绝对残差法的多项式拟合方法拟合残差,提出一种新的多因子约束下的NWP反演ZTD的残差改正模型,从而提高NWP反演ZTD的精度.为验证模型的性能,以133个IGS站高精度ZTD为参考,拟合2015年ECMWF反演ZTD的残差,构建残差改正模型,并利用此模型改正2016年ECMWF反演的ZTD.实验结果表明：在纬度高于15°的地区,NWP反演的ZTD的平均残差和均方根误差比使用模型前分别减小了86.9%和36.3%.另外,对于较低纬度地区,此残差改正模型的效果不明显.     

基于MLS卫星临边探测数据研究大气OH时空分布

 OH自由基是大气中重要的氧化剂,对大气中其他气体成分和气溶胶的形成和转化起着重要作用。本文利用MLS(micro-wave limb sounder)卫星观测资料,对大气平流层上层和中间层OH自由基的时空分布和变化以及中国上空OH自由基的垂直分布进行分析。结果显示,大气平流层上层和中间层OH自由基含量存在明显的季节变化和昼夜变化,在空间上的分布也随着太阳直射点的不同而呈现一定的周期性。比较了中国上空与同纬度纬向平均值,发现白天和夜间的观测值只有个别位置有较明显偏差,中国地区上空的OH含量比在整体上与同纬度比起来无明显异常,中国局地上空廓线的比较更加详细地反映了OH自由基的昼夜垂直结构。总之,中层大气OH自由基含量存在显著的昼夜变化、季节变化,同时也受太阳活动的影响,年际变化则不明显。     

成都地基微波辐射计反演大气温湿性能的分析

利用3年RPG HATPRO-G4地基微波辐射计和L波段探空数据,比较微波辐射计反演和探空观测的气温、相对湿度差异.结果表明:气温的相关性较相对湿度的相关性更好.3年气温不同高度平均误差在1℃以内,相对湿度平均误差最大可达19%.四季中,冬季气温和相对湿度数据,春、夏季的气温数据均可直接使用,其他季节的气温或相对湿度数据需订正后才能使用.在4 km以下,降雨发生时,微波辐射计反演的气温较探空数据偏高3℃以上,数据必须订正后才能使用.相对湿度除非晴空(特指多云/阴天等无雨状况)和冬季以外,其他时段均需要订正.相对湿度数据主要订正高度位于4～8 km处;晴空时,还需对300 m以下进行10%～20%的正订正.     

基于风云3C卫星双氧通道的云检测算法

风云3C卫星微波湿度计(MWHS)增加一组频点为118.75 GHz的氧气吸收通道,该组探测通道与微波湿度计(MWTS)中的50~60 GHz的氧气吸收通道综合发展一种云检测方法。应用高频和低频通道对云的散射作用不同的原理,利用在根据双氧通道之间在晴空条件下的关系,进而发展出的一种综合的云检测方法。     

自动站与人工站相对湿度观测在不同气象条件下的对比分析

自2000年以来,相对湿度等常规气象要素的人工观测逐渐被自动观测所取代,为了了解两者具体的偏差情况,文章选取全国8个长期保留人工观测的国家基准站2007—2014年的相对湿度平行观测资料对其多年平均偏差、偏差标准差等进行了统计分析,并详细分析对比差值在不同气温、湿度及风速条件下的差异特征.研究发现,大多数站点的自动观测与人工观测相比,两者有一定的"系统偏差",相对湿度的自动观测存在偏干的现象,年平均在4%以内,但两者的稳定性较好.低温条件下,两种观测的对比差值最大,高温次之,中等温度条件下,二者之间的差值较小.相对湿度小于80%时,两者的差均为正,自动观测相对湿度偏干,整体差异不大,最大在7%左右.相对湿度35%时差异达到最大,之后该较大差值一直持续到90%左右,差异变化不明显,相对湿度达到95%以后差异明显减小甚至为负;风速对两种观测对比差值的影响比气温、相对湿度的影响小,随着风速的增加,两者之间的差异减小,整体差异基本以正值为主,人工观测的相对湿度值更大一些.     

Direct assimilation of satellite radiance data in GRAPES variational assimilation system

Variational method is capable of dealing with observations that have a complicated nonlinear relation with model variables representative of the atmospheric state, and so make it possible to directly assimilate such measured variables as satellite radiance, which have a nonlinear relation with the model variables. Assimilation of any type of observations requires a corresponding observation operator, which establishes a specific mapping from the space of the model state to the space of observation. This paper presents in detail how the direct assimilation of real satellite radiance data is implemented in the GRAPES-3DVar analysis system. It focuses on all the components of the observation operator for direct assimilation of real satellite radiance data, including a spatial interpolation operator that transforms variables from model grid points to observation locations, a physical transformation from model variables to observed elements with different choices of model variables, and a data quality control. Assimilation experiments, using satellite radiances such as NOAA17 AMSU-A and AMSU-B （Advanced Microwave Sounding Unit）, are carried out with two different schemes. The results from these experiments can be physically understood and clearly reflect a rational effect of direct assimilation of satellite radiance data in GRAPES-3DVar analysis system.     

基于温湿廓线反演的风云三号D星微波探测仪云区资料同化试验

为了探究云区卫星微波资料的同化应用,利用中国风云三号D星(Fengyun-3D,FY-3D)微波温度计二型(microwave temperature sounder-2,MWTS2)和微波湿度计二型(microwave humidity sounder-2, MWHS2)资料,基于人工神经网络算法研制了云区温湿廓线反演模型,建立了云区资料的间接同化方案。于2019年6月开展晴空和云区同化试验,评估加入云区MWTS2和MWHS2资料对区域模式预报的影响。试验结果表明：MWTS2和MWHS2资料的同化对温湿度预报场有改善,主要体现在模式中高层均方根误差和平均偏差的减小,云区同化的改善幅度比晴空同化更大;同化MWTS2和MWHS2资料对于提高降水预报技巧有积极影响,云区同化对降水预报的改善主要体现在同化后的12～24 h,较晴空同化更明显。针对强降水个例分析表明,MWTS2和MWHS2资料对温度场、湿度场、水汽通量散度场的调整有利于降水预报的改善,而云区同化能够直接对天气系统的初始场进行调整,降水的位置与强度预报效果更好。     

空间相关信道下空时分组码的子空间修正解码

针对空时分组码子空间盲解码算法在空间相关信道下性能下降的问题，提出了一种修正解码算法．在分析空间相关性破坏信号子空间和统计噪声子空间正交性的基础上，利用接收端已知的信道相关矩阵，修正接收端用于搜索的码字矩阵集合，使相关信道下分解得到的统计噪声子空间正交于修正的发送信号子空间，提高了解码性能．与传统解码的算法不同，该算法无需在发送端进行信道相关矩阵的估计和预编码，降低了发送端的编码复杂度．Monte-Carlo仿真实验表明，空间强相关信道下空时分组码子空间盲解码性能下降比较剧烈，采用新算法修正后的解码性能明显改善，在误比特率为10^-2、相关系数为0．8时，修正性能提高约2dB．     

重庆市巴南区气象观测站迁站前后气象资料均一性检测及订正

利用巴南区国家一般气象站1969-2013年的平均气温、极端最高气温、极端最低气温和2010年迁站对比观测期间新旧站的气温、相对湿度、风力等资料,对巴南气象站迁站观测资料进行统计对比分析.使用主观判断及RHtest和元数据相结合的方法对巴南的气温序列进行均一性检验.结果表明,2011年的迁站对平均气温、极端最高气温的影响较大,造成其序列的非均一性,对极端最低气温的影响相对较小.针对迁站对气温的影响,对迁站后的气温序列进行了订正,并运用线性趋向估计分析对订正效果做了评估,使其具有较好的均一性.     

前向纠错编码传输机制的优化

为了提高前向纠错(FEC)编码在抖动参数上的性能,提出了一种改进发送端与接收端之间的信息交互方式的动态FEC传输机制(DFEC).新机制中,发送端收到反馈信息后,只调整数据的冗余度而不会为了等待反馈信息停止数据传送.在NS2平台上的仿真结果对比证实,所提出的DFEC传输机制可以改善接收端在抖动参数上的性能,为提高实时视频传输的端到端的服务质量提供了一种新方法.     

基于PSO-BP神经网络的探空湿度太阳辐射误差修正

采用计算流体动力学(CFD)软件仿真太阳辐射偏干误差可获得无线探空仪的湿度修正因子,提高了湿度廓线的精度,有助于提升天气预报、气候预测及气象灾害预报预警能力。但湿度修正因子存在明显的时空分布特性,采用CFD方法对每条湿度廓线进行修正计算量庞大。针对这一问题,以CFD软件仿真出典型气压、太阳辐射量和太阳高度角下的温度误差作为数据样本,通过粒子群优化(PSO)的BP神经网络构建预测模型,对探空湿度太阳辐射温度误差进行预测,并利用饱和水汽压逼近公式推算湿度测量的修正因子。研究结果表明,以南京探空站某一天的探空数据作为测试对象,CFD计算和PSO-BP预测的湿度测量太阳辐射误差吻合度较好,说明PSO-BP神经网络预测方法能够对湿度廓线的太阳辐射偏干误差进行有效修正,而且可显著提高修正效率。     

去极化信道的多次量子纠错

本文利用量子过程层析成像建立了一个适用于多次量子纠错的通用方案,以去极化信道为例,说明了此方案的可行性.发现单次纠错之后等价量子噪声信道.依然可以看作是保真度提高的去极化信道,且保真度的提高有着严格的解析表达式.在对初始信道保真度要求不高的情况下,能够很好地实现多次纠错,让其保真度达到需要的精度.     

无线传感器网络数据传输纠错方法的应用

在无线传感器网络实际应用中,传输信道容易受到干扰,不可避免形成突发错码.为了确保数据传输的可靠性,提出一种简便实用的数据传输纠错方法,结合卷积码技术和交织技术对数据进行纠错,并在传感器节点上实现卷积交织及卷积编码纠错功能.该方法不仅译码简单,设计复杂度低,而且可抗较高的信道误码,是一种良好的、便于软件实现的前向纠错编码技术.实验结果验证了该方法的实用性与合理性.