区域大气加权平均温度模型的构建及其精度分析

大气加权平均温度(T_m)可通过模型计算得到,针对一些常用的T_m模型在中国区域研究中存在精度较低的问题,提出一种顾及地表温度(T_s)和T_m年周期、半年周期、日周期的T_m模型——BGT_m模型。利用2017—2019年欧洲中期天气预报中心(ECMWF)提供的ERA5再分析数据建立适用于中国区域的区域T_m模型,使用2020年ERA5数据和探空数据对模型精度进行评估。实验结果表明,与GPT3、UNB3和Bevis模型相比,BGT_m模型在研究区域内具有更好的适用性。BGT_m模型可为中国区域提供精确的T_m值,为该区域水汽反演提供水汽信息的参考。     

顾及非线性垂直变化的中国南部区域Tm模型

大气加权平均温度(Atmospheric Weighted Mean Temperature,Tm)是全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)反演水汽的关键因素，针对已有的中国南部区域大气加权平均温度模型未同时顾及Tm的高程非线性垂直变化和日周期变化特征，提出利用2015—2017年的欧洲中期天气预报中心(European Center for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)提供的第5代再分析资料建立了水平分辨率为1°×1°的中国南部Tm模型(CNXNTm模型)。用未参与建模的2018年ERA5再分析资料积分计算的Tm和探空站Tm数据为参考值，对CNXNTm模型进行精度检验，与目前精度较好的IGPT2W模型和最新的GPT3模型进行比较分析。结果表明，在统计的22个气压层内CNXNTm模型偏差(BIAS)和均方根误差(RMSE)分别为0.14、2.26 K,相对于IGPT2W模型的0.73、5.38 K提升了81%和58%,相对于GPT3模型的17.66、17.81 K提升了99%和...     

一种用于中国地区的对流层天顶延迟实时修正模型

针对目前对流层延迟修正受限于探空数据不足导致修正效率低的问题,该文结合Saastamoinen和GPT2w模型构建形成组合模型Sa+GPT2w模型,通过利用GPT2w模型提供的高精度气象数据,实现中国地区对流层天顶延迟(ZTD)的实时修正,克服对探空数据的依赖,并用实测数据对计算结果进行验证。以IGS提供的中国地区2015至2017年ZTD时间序列为评估标准时,Sa+GPT2w模型(bias: 1.661 cm, RMS: 4.711 cm)的精度较同等条件下的Sa+EGNOS, Sa+UNB3m和Hop+GPT2w模型分别提升50.5%, 41.9%和37.1%;以GGOS Atmosphere 2017年ZTD数据为标准时,Sa+GPT2w模型(bias: 1.551 cm, RMS: 4.859 cm)的精度相对同等条件下的另3种模型分别提升49.5%, 38.5%和46.8%;最后对Sa+EGNOS, Sa+UNB3m和Sa+GPT2w模型在ZTD修正中误差结果的时空分布特征进行分析。研究结果可为在中国地区的导航定位、大气折射研究中,应用不同气象参数模型进行ZTD修正的有效性和可能达到的精度提供参考。     

合肥地区风廓线雷达资料评估初探

风廓线雷达作为一种新型测风雷达,能够连续提供大气水平风场、垂直气流、大气折射率结构常数等气象要素随高度的分布,具有时空分辨率高、连续性好和实时性好等特点,是进行高空气象探测的重要设备。而雷达数据的质量是决定资料是否能够投入业务使用的基本前提。通过欧洲中期天气预报中心(ECWMF)第五代再分析资料(ERA5)与气球探空资料比对,验证了ERA5再分析资料在安徽区域的适用性,并利用其对没有气球探空资料的合肥和巢湖两地的风廓线雷达资料进行了评估。结果表明：(1) ERA5再分析资料与气球探空资料显著相关,多项指标均表明ERA5再分析资料可以作为评估基准,利用其对无气球探空资料区域的风廓线雷达进行评估具有可行性;(2)大气湍流强度对风廓线雷达最大探测高度影响明显,依季节划分最大探测高度分别为春季2.7 km、夏季4.5 km、秋季3.6km、冬季2 km;(3)经评估,合肥地区风廓线雷达资料在数据相关性、偏差、均方根误差等方面u分量数据质量好于v分量。依季节划分,数据质量由高到低排序依次是冬、夏、春、秋。其中,春、夏、冬数据质量较好,可以同化入数值预报模式,而秋季v分量数据需要进行偏差订正以及质...     

地基GPS/MET探测水汽等相关参数精度分析

基于对大气中水汽重要性及GPS测量大气水汽优势的双重认识,进入本世纪以来,华东区域各省气象部门联合与测绘院、天文台等其他部门建起了相当规模的GPS气象探测网(GPS/MET)。根据2010年华东区域地基GPS/MET数据,选择与GPS站相距10 km内的无线电探空站资料,对华东区域地基GPS/MET反演的大气整层可降水量(PWV)、大气整层湿延迟(ZWD)和大气整层总延迟(ZTD)进行精度检验,结果表明:(1)GPS/MET反演的PWV与探空结果相比具有很高的一致性,平均误差在1 mm以下,相对误差11.54%;GPS/ZTD反演的精度更高,百分比误差小于1%。(2)反演的各个量与探空资料具有很高的相关性,其中平均相关系数中PWV和ZWD都超过0.98,ZTD为0.977。对GPS/PWV精度按季节进行相关系数分析得,除夏季相关系数为0.927,相对较低,其余季节相关系数均为0.96以上。(3)以本地的无线电探空站资料为基准,与NCEP再分析资料对比发现GPS/PWV的反演精度要优于NCEP再分析场资料反演的大气整层可降水量。因此区域GPS/MET网反演的产品对提高灾害性天气的监测和预报能力,改进数值天气预报精度已显示出广阔的应用前景。     

基于济南地区的对流层湿延迟模型对比研究

为提高济南地区对流层路径湿延迟测量精度,改善此地区大气折射修正误差,进一步提高该地区导航、定位、测控雷达等无线电测控系统的精度和性能,文中以济南站全球电信系统（Global Telecommunications System,GTS）探空数据计算的天顶湿延迟、斜路径湿延迟为比较基准,比较分析了利用Marcor技术、Hopfield模型、Ifadis模型所得到的对流层天顶湿延迟和斜路径湿延迟.比较结果表明:利用Marcor技术所得到的天顶湿延迟和斜路径湿延迟比其他模型得到的精度高,且仰角越低,斜路径湿延迟相对精度越高.这表明Marcor技术在济南地区具有很强的适用性,是获取高精度对流层湿延迟有效手段之一,有望逐步取代气象探空技术在工程中应用.     

近地面1 km高度处折射率梯度与地面气象参数统计关系的研究

近地面大气折射率梯度是影响无线电系统性能的重要因素.为研究近地面折射率梯度与地面气象参数温湿压的关系，利用太原地区1986—1995年的探空数据，拟合出近地面折射率梯度与地面气象参数的关系模型.拟合分析结果表明:太原地区近地面1 km高度处折射率梯度与地面气象参数的线性关系优于与地面折射率的指数关系；从与地面气象参数的线性模型中可以直观地看出折射率梯度受地面温湿压影响的权重.通过研究近地面折射率梯度与地面气象参数的统计关系，可更快捷地通过地面温湿压评估近地面无线电视距，从而进一步为大气折射的研究提供支持，为优化无线电系统规划设计提供支撑.     

一种基于超短基线干涉仪的大气湍流参数测量算法

目前，对流层大气湍流造成的随机变化的相位误差已严重影响了高频段深空测控通信系统的工作性能.为了量化湍流强度，基于超短基线干涉仪系统接收的地球同步卫星信号，统计信号干涉相位的标准偏差，结合经典的Kolmogorov-Obukhov"2/3"扰动理论和随机场理论建立了大气湍流参数计算模型，实时获取表征湍流强度的物理量:大气折射率结构常数C_n2.分别在郑州、杭州进行了连续多天的晴天、雨天相位观测试验，利用试验数据计算C_n2，并利用气象探空数据经验模型进行了验证.试验数据计算结果显示:C_n2在郑州晴天的正午前后要明显高于早晨和傍晚，而在杭州雨天则没有明显的规律性.C_n2在10-15~10-13的数量级范围变化，与经验模型计算的结果相吻合，验证了算法的合理性和准确性.     

基于改进射线描迹法的对流层斜延迟估计

该文针对传统对流层延迟模型和射线描迹法在估计对流层延迟方面的局限性,如效率低、成本高、精度受地表参数和探空数据限制等不足,提出一种基于改进射线描迹法的对流层斜延迟估计方法。该方法结合中纬度大气模式气象参数公式和UNB3m气象参数模型,改进了射线描迹法中折射率剖面的计算,克服了气象数据对射线描迹法的限制。选取亚洲地区10个站点2012年的气象数据,分别采用改进射线描迹法和传统对流层延迟模型估计各个站天顶方向至 高度角区间15个方向的对流层斜延迟,并与基于探空数据获取的对流层斜延迟真值进行比较,计算结果表明该方法的估计精度优于传统对流层延迟模型,为非气象数据情况下对流层斜延迟实时估计提供了新的思路。     

典型地区大气湍流高度分布特性与模式研究

研究大气传输问题中的大气湍流就是研究湍流所造成的折射率随机变化规律。大气折射率结构常数$C_n^2$是表示大气光学湍流强度的一个重要参数。利用新型温度脉动探空仪对大气温度、气压和$C_n^2$在合肥、北京和库尔勒等典型地区进行实地探测, 结合全国不同地区气象站点的常规气象探空资料进行统计分析,得到不同典型地区常规气象参数随高度分布特性,为大气湍流预报模式的建立提供数据资料。选取广泛应用的大气湍流参数模式Hufnagel-Valley模式和NOAA模式,根据实际测量数据拟合得到不同典型地区大气湍流高度分布初步模式,将两种模式和实际测量数据进行对比验证分析,为不同典型地区大气湍流模式分布特性的研究提供方法验证和参考依据。     

FY-4A卫星云底高度预测算法

云底高度是重要的云物理参数。由于被动遥感卫星无法精确获取云底信息，结合主动被动遥感卫星的各自优势预测FY-4A卫星云底高度，针对多层云和卷云的云底高度预测精度不足，同时加入ERA5气象数据。引入基于树结构概率密度估计贝叶斯优化算法优化XGBoost模型，实现FY-4A云底高度预测，并与其他方法比较。结果表明，此算法优化的XGBoost模型可实现高维度、多超参数全局快速寻优，且在加入气象数据后，多层云和卷云的云底高度预测精度提升较大。     

中国区域PM2.5浓度估算以及影响因素解析

基于2018年中国逐日PM_2.5数据,选用随机森林方法构建了高精度PM_2.5浓度估算模型,并在季节和区域尺度上验证了其时空适用性,进一步利用特征重要性方法系统阐释了各影响因子对PM_2.5浓度变化的重要程度,最后利用偏依赖技术探究了不同影响因素的交互作用对PM_2.5浓度变化产生的综合影响。结果表明：(1)相比于多元线性回归与极端梯度提升树模型,利用多源数据构建的随机森林模型精度最高,可准确模拟出PM_2.5的浓度,且在季节和区域尺度上也有良好的适用性;(2) PM_2.5浓度估算模型的特征重要性排序分析发现,对2018年全国日均PM_2.5浓度影响显著的因子主要是时空、大气边界层高度等全局性因素,表明大气污染防治应把握PM_2.5传输机制,强化区域联防联控;(3)偏依赖交互效应研究发现温度和相对湿度以及年积日、纬度、温度和大气边界层高度的组合对PM_2.5浓度变化会产生显著影响,说明提升空气质量要从多因...     

FY-4A/GIIRS大气温度廓线产品质量评估

我国风云四号A星（FY-4A）携带高光谱红外干涉式大气探测仪（Geostationary Interferometric Infrared Sounder, GIIRS）首次实现了地球静止轨道红外高光谱探测,可连续获得大气温湿度廓线信息。基于常规无线电探空资料,从产品的探测能力和精度方面对2020年FY-4A/GIIRS大气温度廓线产品开展质量评估,为产品应用和算法研究提供参考。结果表明：FY-4A/GIIRS反演大气温度廓线探测能力在高度层次和月份统计上受云活跃度影响较大;晴空条件下大气整层均方根误差约为2 K,700～1 000 hPa的大气低层较大,约2.5 K,偏差整层以负值为主;月尺度质量评估可见夏秋两季明显优于冬春季,有利于灾害性天气多发季节的监测;有云条件下单个像元的温度廓线误差显著增大,采用多像元Cressman客观分析可有效提高产品可用性;低海拔地区温度廓线产品质量整体优于高海拔地区,可极大地弥补我国东部、南部地区以及广阔的洋面上的探空资料的不足。     

基于NOAA模式的典型地区大气湍流高度分布

研究大气传输问题中的大气湍流主要是研究湍流所造成的折射率随机变化规律。大气折射率结构常数Cn2是表示大气光学湍流强度的一个重要参数。主要利用温度脉动探空仪对大气折射率结构常数Cn2在合肥和北京两个典型地区进行了实地探测及计算分析,同时根据两个典型地区相应气象站点常规气象探空资料统计分析数据,通过NOAA模式得到大气湍流高度分布廓线,并与HV模式廓线和实际测量数据进行对比验证分析,为其他不同典型地区大气湍流模式分布特性的研究提供方法验证和参考依据。     

大气波导与气象物理量场相关性的模拟分析

利用NCEP再分析数据和探空数据,使用MM5中尺度数值模式模拟分析了发生在中国东南沿海的一次大气波导过程与温度、湿度和位涡等气象物理量场的相关性.数值模拟分析表明:此次悬空波导的发生是西风槽等系统携带的冷空气与北上台风共同作用引起的,同时位涡场极大值区域(极大值一般大于2PVU)与大气波导出现的区域相对应,分析位涡场变化可作为大气波导机理和预报研究的途径之一.     

基于多模型神经网络的湿度廓线反演研究

为提升微波辐射计对大气廓线探测的精度,利用ARM大气观测站提供的地基微波辐射计、毫米波测云雷达以及探空数据,构建了两种添加不同云信息的反向传播神经网络(back propagation neural network,BPNN)模型(添加入云和出云高度的C-BPNN模型与添加雷达反射率因子的Z-BPNN模型)与一种未添加云信息的BPNN模型(记为BPNN₀),并对反演结果进行了对比,结果表明：C-BPNN模型和Z-BPNN模型在任何天气下(有云或无云),得到的反演误差都小于BPNN₀模型;C-BPNN相较于另外两种模型反演结果具有更高的稳定性。对3种模型各自反演结果最好的个例分析发现,C-BPNN与Z-BPNN模型主要的误差存在于高空无云但是相对湿度却出现跃变的情况,说明神经网络模型对初始权值与阈值较为敏感,因此通过遗传算法(genetic algorithms, GA)对BPNN模型进行优化。经GA优化后的反演结果表明：BPNN₀模型与C-BPNN模型具有明显优化效果,而Z-BPNN模型优化效果则不明显。     

利用近邻因子提高二氧化氮遥感反演浓度的精精度度——基于随机森林算法

NO₂是损害健康和破坏生态的主要大气污染物。本文基于NASA提供的Aura OMI遥感反演NO₂浓度,利用采样点8 km内的经济、人口、路网和坡度数据,以及气象、植被和高程的点值数据,采用随机森林算法、地理加权回归(GWR)和多尺度GWR方法提高NO₂浓度的预测精度。NASA原浓度R²为0.48,以上三种模型把交叉验证R²分别提高到0.74、0.71和0.70,其中随机森林算法的精度最高,该算法的均方根误差(RMSE)和平均绝对误差(MAE)分别只有6.4μg/m³和4.98μg/m³,且其速度远快于多尺度GWR,预测精度也高于大部分现有的同等范围研究。在浓度修正方面,局部化经济人口路网因子对预测精度提高的贡献至少为11.24%。此外,基于随机森林算法还给出全国县级城市NO₂浓度估计值的分布图。     

青海湖地区NCEP资料对风云二号C星热红外通道绝对辐射定标影响研究

为了分析大气廓线中温度和相对湿度变化对风云二号C星(FY-2C)热红外通道定标的影响,分别利用2005年6月25日青海湖场地定标试验的实际探空数据和对应时刻NCEP(美国国家环境预报中心)全球再分析大气廓线资料(简称NCEP资料)对FY-2C热红外通道进行定标计算,两种方法定标结果一致.利用2003年8月的14次青海湖实际探空数据和对应时刻的NCEP资料进行FY-2C热红外通道入瞳辐亮度和亮温的对比计算,利用辐射传输计算软件(MODTRAN 3.7)进行大气廓线对FY-2C热红外通道入瞳辐亮度和亮温的敏感性试验.计算结果表明对于青海湖地区,NCEP资料可用于FY-2C热红外通道的辐射定标计算.     

基于模糊逻辑的降水粒子相态识别技术

为提高双偏振雷达在水凝物相态识别方面的能力,利用双偏振气象雷达目标回波中的反射率因子Z_H、差分反射率因子Z_DR、差分相位常数K_DP、共偏相关系数ρ_HV,构造反射率标准差SD (Z_H)和差分相位标准差SD(?_DP)。将这6个极化参数作为输入量,通过统计美国国家海洋和大气管理局(NOAA)提供的大量水凝物样本数据,根据样本数随雷达回波参量分布,提出了以β型函数为隶属函数的模糊逻辑分类算法。该算法能够有效识别小到中雨(RA)、大雨(HR)、大滴(BD)、干雪(DS)、湿雪(WS)、冰晶(IC)、霰(GR)、雨雹(RH)、大雹(LH)9类气象回波和1类地物回波(GC)。选取美国S波段的科罗拉多州丹佛地区的气象雷达KFTG在不同时间点的观测资料进行测试,识别结果与NOAA提供的LevelⅢ数据中的水凝物分类结果基本一致,验证了本文提出的模糊逻辑算法具有良好的分类效果。     

一种基于斯坦福RRAM模型的参数提取方法

阻变随机存取存储器(RRAM)是一种新型非易失性存储器件,比主流的闪存(Flash)器件具有更快的读/写速度、更低的编程电压和功耗。然而由于工艺不成熟等因素,RRAM准确的器件模型需要在已有的斯坦福物理模型基础上,对多达6个曲线拟合参数反复进行调整,具有一定的建模难度。提出了一种简并参数的建模方法,通过器件实测数据计算出其中4个曲线拟合参数I₀、g₀、γ₀、β。该方法大大降低了将物理模型适配为实际模型的建模难度,且由于基于实测数据,该建模方法理论上对不同工艺具有适配性。最后在不同工艺条件下制作了基于HfO_x材料的RRAM器件,并验证了该方法的有效性、先进性和准确性。