利用生成对抗网络从地球静止卫星图像中反演大气运动矢量

深度学习技术中的生成对抗网络（GAN）方法由于能够从输入的大量数据中抽取变量特征，生成更为真实的气象图像预测，在遥感领域有较为广泛的应用。但目前该算法在大气运动矢量（AMVs）的反演中应用较少，而AMVs是数值天气预报资料同化系统所需的重要产品资料。基于此，本文提出了利用生成对抗网络pix2pix从静止气象卫星图像反演AMVs的方法，由pix2pix模型将遥感影像转换为200 hPa和850 hPa的矢量风场。在最佳的资料和模型架构条件下，该方法反演得到的AMVs与传统算法所得产品资料质量相当，且克服了传统算法高度订正困难、无法获得某一层面完整风场和低层样本数偏低等缺点。个例分析亦表明，该方法针对具体的天气系统也有良好的表现。     

面向自动化装配过程的光纤传感调校系统

为了减小装配误差,解决自动装配过程中强迫装配、装配不到位等问题,设计了基于光纤传感的调校系统。该系统由光纤传感阵列、解调模块、调校控制机构组成。提出了应变分布解算模型,推导了波长与位置偏差的函数关系,仿真分析了工件应变敏感区域的分布特征,量化了应变与位置误差的映射关系。实验采用可调施力结构对系统应变监测量进行标定,采用视觉测量对系统位置偏差量进行标定。实验结果显示,位置偏差与波长变化呈线性映射关系,验证了依据波长反演装配位置偏差的可行性。与视觉测量的标准值相比,该系统的位置偏差平均相对误差为8.6%。由此可见,该系统具有实时、精确反演工件应变场的计算能力,在自动化装配中具有很好的应用前景。     

高光谱分辨率激光雷达测量低层大气温度

基于碘分子滤波器对大气气溶胶散射的强吸收特性,滤除低层大气中气溶胶散射的影响,从而利用分子瑞利后向散射信号强度反演低层大气温度.激光雷达低层大气温度测量结果与探空数据进行了对比,显示出较好的一致性,温度偏差在9 km内不大于3 K.讨论了激光雷达测得的大气温度与探空数据对比结果之间存在的系统偏差和由于参考高度温度初始值引起的激光雷达温度反演结果的变化.     

利用光束抖动反演横向风速垂直分布的研究

湍流冻结条件下,利用两个位置探测抖动信号的时空交叉相关函数,提出了反演横向风速垂直分布的理论模型.该模型的两个参数分别为湍流廓线和相关函数在延迟时间为0处的导数.假定横向风速满足高斯模型,采用遗传算法进行数值仿真.通过对两种典型湍流模型进行反演计算,发现反演的风廓线和理论风廓线一致性好,相对误差不超过3.3％和1.6％.改变湍流廓线的特征高度并进行反演计算,结果表明湍流强度存在较大误差时,该模型仍可用于低层横向风速垂直分布的反演.     

基于红外亮温法的对流云云顶高度反演研究

基于Himawari-8的可见光和红外扫描辐射计(AHI)数据,采用红外亮温法对2019年6～8月目标区域(20°N～30°N,100°E～120°E)的对流云云顶高度进行了计算。首先通过阈值法挑选出对流云区;然后基于红外亮温法,利用Himawari-8的11.2 μm通道数据与ERA5再分析资料中的温度气压层数据进行了云顶高度反演;最后将反演云顶高度H与全球降水观测计划(Global Precipitation Measurement, GPM)产品数据进行了对比。结果显示,基于红外亮温法的Himawari-8数据反演对流云云顶高度与GPM产品数据一致,具有很好的相关性。相关系数为0.9,均方根偏差为0.29,平均偏差为0.48,纬向的离散分布优于经向,具有较强的适用性。     

基于多角度偏振信息反演海洋上空卷云云顶高度

采用偏振辐射信息反演云顶高度时,为了减小由云层及地表偏振辐射特性变化带来的反演结果不确定度,使用490 nm和865 nm通道多角度偏振信息反演卷云云顶高度.理论分析大气顶偏振特征,给出490 nm与865 nm通道偏振特性差异,说明使用此两通道偏振反射率差反演云顶高度的可行性.假设卷云为一般种类混合模型(General Habit Mixture,GHM),使用倍加累加矢量辐射传输模型计算和分析大气顶490 nm和865 nm通道偏振反射率差对卷云有效粒子半径、光学厚度和云顶压强的敏感性.分析表明,当卷云光学厚度大于3时,偏振反射率差对有效粒子半径和光学厚度的变化不敏感,对云顶压强变化敏感.根据敏感性分析结果选择适当的参数构建偏振反射率差查找表,使用查找表方法反演POLDER3数据的卷云云顶高度,并与POLDER3产品和MODIS产品进行比较.结果表明,与POLDER3的官方算法相比,使用偏振反射率差查找表方法有更宽的散射角适用范围,反演结果与MODIS产品有更好的一致性.     

基于航空偏振数据的地表BPDF模型优化研究

针对航空偏振气溶胶反演涉及的地表双向偏振辐射分布函数（BPDF）特性问题,分析了地表双向偏振反射分布物理机理,结合经典地表BPDF模型参数特点,提出了基于阴影方程和归一化植被指数的优化地表BPDF模型。利用航空辐射偏振遥感数据,验证了新模型的精度,相对于实测结果,平均相对偏差小于9.9%。与三种经典模型模拟结果相比,新模型值随不同观测角度变化时,其一致性很好。根据新模型精度,还模拟了地表偏振反射率偏差与气溶胶光学厚度反演误差的关系,发现地表偏振反射率偏差为4×10-4时,带来反演气溶胶光学厚度误差小于0.03,满足气溶胶偏振反演应用要求。     

利用 IASI资料反演平流层大气温度

红外大气探测干涉分光仪(Infrared Atmospheric Sounding Interferometer, IASI)能够获取平流层的大气温度廓线,而且由其 提取的大气温度扰动信息可用于平流层的重力波特征分析。基于神经网络方法,利用典型 大气廓线库和大气辐射传输模式建立了由IASI反演25～60 km高度范围内的平流层大气温度廓 线的算式,并结合再分析资料对反演结果进行了检验。模拟试验结果表明,平流层大气 温度反演的偏差主要在0 K附近且不超过1 K,均方根误差处在2～6 K之间,且50～5 hPa之间的均方 根误差在3 K以内。对比验证结果表明,本文的平流层大气温度反演与欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-range Weather Forecasts, ECMWF)的再分析资料在总体上具有可比性,而且反演速度更快,覆盖的区域更完整。     

雷达波谱仪信号仿真及海面各向异性的修正

为研究星载真实孔径雷达波谱仪信号预处理及海浪谱反演方法,该文建立了雷达波谱仪信号仿真模型,阐述了海浪调制谱和方向谱的信号仿真流程。对不同海浪谱模型,不同海况条件下的海面进行仿真,结果表明反演得到的调制谱与参考调制谱具有良好的一致性。同时,海面各向异性对海浪方向谱的反演存在影响,进而提出了通过拟合不同方位向雷达后向散射系数随入射角的变化曲线的方法。利用归一化调制系数的方位向变化规律修正海面各向异性对海浪方向谱反演的影响。仿真结果表明,在噪声条件和无噪条件下,经过调制系数修正后,反演方向谱与参考方向谱的误差明显减小。尤其是在风浪和涌浪同时存在且方向互相垂直的海况条件下,方向谱积分能量误差由20%下降到2%以下。     

具有极化特征的植被相干散射模型及参数反演

重点研究了具有极化特征的植被相干散射模型及参数反演算法。基于目标分解理论,推导了植被及地表回波的极化干涉相干系数与植被高度、衰减系数、地形相位等参数之间的数学关系,以衰减系数作为极化分量的函数,建立了具有明显极化特征的植被及地表相干散射模型。在此基础上,以全极化干涉相干系数作为输入参量,考虑模型对极化的依赖性,采用三阶段法对植被的物理参量进行反演,获得了地形相位和植被高度。在环境可控的微波暗室内构建了极化干涉半实物合成孔径雷达系统对模型进行实验验证,获取了南洋杉和土壤所构成场景的极化干涉回波数据,实验结果表明:采用该模型在场景的地体幅度比小于-10dB的情况下,植被反演高度与实际高度的误差仅为0.03m,说明了模型的有效性。     

Observations of Oceanic Surface-Wind Fields from the Nimbus-7 Microwave Radiometer

Brightness temperatures from the fiIve-frequency (6.6, 10.7, 18, 21, and 37 GHz) dual-polarized scanning multichannel microwave radiometer (SMMR) on Nimbus 7 have been used to obtain surface wind fields over the ocean. The sateilite-derived wind field for 1200Z, February 19, 1979, in the eastern North Pacific has been compared with an operationally generated surface-wind analysis field. Previous point comparisons at selected locations have indicated that satellite winds are accurate to 3 ms-1. The results here, although of a preliminary nature, indicate that SMMR-derived winds may be used to determine large-scale wind fields over the ocean, particularly in areas of strong wind gradients such as found in cyclonic systems.     

东海区域蒸发波导变化特性研究

为了分析东海蒸发波导高度的季节变化、月变化，讨论其分布规律，为雷达探测和无线电通讯提供参考，利用2008-2017年的十年NCEP-FNL再分析数据和改进的NPS蒸发波导模型，统计分析了我国东海海域蒸发波导发生规律和时空分布特征.结果表明:东海蒸发波导高度在春季和夏季呈西北高东南低的特点，其中春季为高度最高的季节，5月份东海西北部可高达20 m，夏季6月份在东海中部出现最低值；秋季和冬季反之，呈西北低东南高的特点.分析表明，东海蒸发波导高度存在明显的季节变化、月变化以及区域差异，这可能与东海的地理特征和气候变化相关.     

基于NCEP FNL资料的定标场地气象信息获取及应用

以美国国家环境预报中心(NCEP)提供的 FNL资料作为研究对象,对该资料的特点、包含内容、解码以及使用方法做出介绍。以Visual C++6.0为编程工具,开发针对FNL资料的数据分析程序,提取温度、气压、臭氧等气象和大气分子参数。结果表明FNL资料具有较高的可信度,可以为场地定标提供部分参数输入。基于数据分析结果,实现瑞利散射光学厚度、水汽含量和臭氧吸收光学厚度计算等方面的应用。提出下一步的研究方向。     

大风背景下首都机场两条跑道低空风切变特征统计

利用北京首都机场18R-36L、19-01两条跑道南端入口附近的两台相干多普勒测风激光雷达的RHI扫描模式探测风速数据,分别计算在不同的风速、风向区间内两条跑道及其南下滑道区域600 m高度下各高度层的径向风速平均偏差。结果表明:在西北大风背景下,18R-36L跑道上空风速与同高度风速对比有偏小现象,这与在相同背景风条件下三条跑道接地带区域观测到的风速特征相吻合。另外风速偏小现象在300°～330°风向区间最显著,且偏差最小值区域出现在18R跑道入口附近。通过风切变强度因子进一步统计在西北大风条件下36L和01跑道下滑道区域风切变发生的强度及位置。统计表明:36L跑道的风切变频次及强度整体高于01跑道,其中300°～330°风向区间两条跑道的风切变事件发生最频繁,且顺风风切变频次明显高于逆风风切变频次,但逆风风切变发生的高度比顺风风切变发生的高度要低。     

多普勒测风激光雷达数据处理方法分析

介绍了基于双Fabry-Perot标准具的测风激光雷达的工作原理，分析了大气分子散射对风速测量的影响，并给出了相应的数据处理方法。模拟并分析了两种不同迭代初值在1～3次迭代时产生的系统测量误差，给出了1 km和5 km处风速的测量误差。利用自行研制的一台多普勒测风激光雷达对合肥地区对流层风场进行测量，并用两种方法处理了实验数据。结果表明，改进的数据处理方法是切实可行的。     

直接探测多普勒激光雷达的光束扫描和风场测量

介绍了直接探测多普勒激光雷达的系统结构和主要参数，给出了该系统进行大气风场测量的光束扫描方法，详细推导了三维风场的计算公式，给出了其风速和风向误差的求解方法。在径向风速均为1 m/s和扫描角度误差均为1°的情况下，水平风速和风向的误差分别为1.155 m/s和0.707°。给出了合肥地区对流层风场的测量结果，结果表明，采用该方法测量大气风场是切实可行的。     

固定式边界层风廓线雷达TR组件相关故障分析

固定式边界层风廓线雷达是一部上视、晴空探测脉冲多普勒雷达,能实时探测大气三维风场,能不间断地提供被探测高度范围内的大气水平风场、垂直气流、大气折射率结构常数等气象要素随高度的分布。对固定式边界层风廓线雷达的组成、原理进行了简单的阐述,并着重介绍了关于固定式边界层风廓线雷达TR组件相关故障的发现和排除方法。     

Barrier height determination for n-type 4H-SiC schottky contacts made using various metals

We have studied Schottky barrier contacts to n-type 4H-SiC with Cr, Mo, Ta, W, Au, and Ni. We have focused on effects of the metal work function, measurement technique and interface behavior on the Schottky barrier heights (SBHs). The contacts were prepared by metal deposition via high frequency cathodic sputtering on chemical vapor epitaxially grown epitaxial layers with low residual doping (2 × 10¹⁵ cm⁻³). Prior to deposition on Si-terminated surfaces, they were in-situ cleaned by Ar-ion sputtering for 5 and 10 min, respectively. The contacts have been characterized by means of current-voltage, capacitance-voltage (C-V), and internal photoemission (IPE) methods at room temperature. With deep level transient spectroscopy, interface deep electron traps have been detected with thermal ionization energies of 0.68, 0.77, and 1.04 eV, respectively. These traps have been attributed to structural defects formed during epitaxial growth termination. The diodes have relatively low reverse leakage current, but the ideality factor is larger than one. The SBHs have been determined from C-V and IPE measurements. It has been shown that the C-V data may contain errors resulting in a low SBH if electron deep traps are present in the interface region. In general, the SBH of various metals are influenced by the metal work function and also by the semiconductor surface preparation. The interface homogeneity is an important characteristic of the Schottky contacts, which may be improved by an optimized ion sputtering prior to metal deposition. We have considered the SBHs determined by IPE measurements as most reliable.     

Application of the linear dispersion relation with respect to depthinversion and remotely sensed imagery

Remote sensing methods have been developed to estimate bathymetry through the use of a theoretical relationship between wave speed and water depth known as the linear, finite depth, dispersion equation for surface gravity waves. The authors describe a validation effort encompassing several hundred observations of wavenumber magnitude for sea-swell frequencies obtained over a wide variety of conditions to investigate possible error sources resulting from the practical application of this relationship. These wavenumber estimates were computed from pressure gauge signals using signal processing algorithms that can be equivalently applied to measurements of wave phase as imaged through remote sensors. The major goal was to determine the accuracy of the dispersion relation while attempting to minimize errors associated with sensor positioning, tidal variations, and Doppler shifts due to mean currents. For water depths outside the surf zone, the linear dispersion relation is highly accurate, with average depth estimation errors on the order of 3-9% of the observed depth. In shallower regions, nominally less than 4 m for this field site, where wave breaking is evident and nonlinear shoaling effects are more pronounced, normalized depth errors of over 50% were commonly observed with most predictions being deeper than observations. Strong correlation between these bias errors and measured wave heights emphasizes the importance of accounting for wave amplitude in the calculation of shallow water phase speeds for depth estimation. A simple depth correction is provided to allow for bathymetry estimation within the surf zone     

A High-Resolution Dual-Doppler Technique for Fixed Multiantenna Airborne Radar

A new technique is presented for the analysis of data collected by pairs of aircraft (AC)-mounted fixed radar beams directed ~30deg apart, leading to two-dimensional wind field syntheses in the horizontal and vertical planes. The technique was applied to the 95-GHz Wyoming Cloud Radar (WCR) configurations aboard the University of Wyoming King Air and the National Center for Atmospheric Research C-130 research AC. The construction of the data grid allows to closely follow the AC flight attitude, and thus the beam scanned surfaces, with a resolution between 30 and 45 m. A weighted least squares method is employed to solve the velocity inverse decomposition problem for every valid grid cell. The effect on the solution of the nonmeasured (cross-plane) wind component is minimized by using an external estimate of the ambient wind. The error sources are discussed, and maximum expected values for the velocity field errors are provided with reference to the radar system, the data collection process, and specific aspects of the target under investigation. These uncertainties (1-2 m/s) are quantified for two case studies that show the potential of the technique in retrieving the kinematic field in transects of cumulus and stratus clouds. The technique produces smooth fine-scale kinematic fields although each velocity point is the result of an independent calculation, and no binding constraint is imposed among neighboring points as is done in other dual-Doppler techniques