基于雨滴谱参数反演的C波段双偏振雷达降水类型分类方法

降水类型分类对分析区域降水微物理特征、多源降水融合误差模型的构建以及雷达定量测量降水估计等都很重要。本文基于2015~2016年南京信息工程大学C波段双偏振雷达数据和南京地区滴谱仪观测资料,提出一种适用于南京地区的雷达降水类型分类方法,并对降水类型分类结果进行对比验证。首先,基于滴谱仪降雨率时序数据、地基雷达反射率因子平面位置显示数据和地基雷达反射率因子时间—高度显示数据,筛选出36次典型层状和对流降水过程。随后,统计3个滴谱仪站点典型层状(对流)降水的雨滴谱(DSD)参数,拟合得到适用于南京地区的降水类型分类线。将基于滴谱数据统计拟合的分类线应用于基于变分法反演的地基雷达DSD参数,进行地基雷达降水类型分类。根据典型层状(对流)过程降水类型分离指数的时间—高度分布,并对比星载双频测雨雷达(DPR)降水分类产品,对分类效果进行验证。最后,将分类结果应用于雷达分类定量降水估计,进一步说明降水分类的应用效果。结果表明,南京地区3个滴谱仪站点的拟合分类线非常一致,3个站点的典型层状(对流)过程均能够很好地分离在分类线两侧;与DPR降水分类产品进行对比分析,发现南京地区分类线的分类效果相对于其他典型降水分类方法,对层状和对流降水的识别率整体最高,分别为84.56%和72.64%;基于降水分类的雷达定量降水估计的测雨精度均优于未分类的测雨公式,且基于差分传播相移率的测雨公式[R(KDP)]在四种分类测雨公式中整体性能最优,基于水平反射率因子的测雨公式[R(ZH)]在层状云降水反演中性能最优,基于差分传播相移率的测雨公式[R(KDP)]在对流云降水反演中性能最优,基于水平反射率因子和差分反射率的测雨公式[R(ZH,ZDR)]对原有总体测雨公式降水精度的提升最为明显。

C波段双偏振多普勒天气雷达资料分析及在定量估计降水中的应用研究

基于南京信息工程大学C波段双线偏振多普勒天气雷达(NUIST-CDP)的观测资料,结合南京龙王山SA天气雷达数据、南京信息工程大学大气综合观测基地的OTT Parsivel雨滴谱仪数据、南京市地面雨量计数据,分析NUIST-CDP探测资料的质量及定量降水估计(QPE)精度情况。将NUIST-CDP与SA雷达的回波强度数据进行了对比,发现NUIST-CDP回波强度偏弱;将滴谱仪上方NUIST-CDP测量的反射率因子Z_H、差分反射率因子Z_(DR)与滴谱仪数据对比,雷达参量Z_H、Z_(DR)与滴谱仪数据变化趋势一致,但整体略偏小;比较差分传播相移率K_(DP)与Z_H的变化情况,由差分传播相移Φ_(DP)经最小二乘法计算得到的K_(DP)与Z_H数据一致性很好。利用南京地区2015年夏季(5—8月)收集的滴谱数据计算偏振雷达参数,拟合测雨方程,进行两次降水过程个例的QPE分析,并与南京地区雨量计数据进行了对比。结果表明:R(K_(DP))测雨精度最高,R(K_(DP),Z_(DR))次之,使用偏振参量能明显提高降雨估算精度;R(Z_H)、R(Z_H,Z_(DR))方法测雨反演结果低于地面雨量计雨量值,且低于SA雷达反演结果。

TRMM星载测雨雷达和地基雷达反射率因子数据的三维融合

TRMM卫星上的测雨雷达(TRMM PR)探测资料分布均匀且具有很高的垂直分辨率,但灵敏度较低;地基雷达(GR)水平分辨率较高且具有较高的灵敏度,但其垂直分辨率低。通过将TRMM PR与GR反射率因子数据的三维数据融合,得到了更优的反射率因子图像。测雨雷达与地基雷达三维数据融合主要分为以下几步:测雨雷达与地基雷达数据预处理——如去杂波、衰减校正;测雨雷达与地基雷达时空匹配;选取和应用合适的三维图像融合算法;对融合后的图像进行效果评估。试验结果表明:融合后的图像不仅增大了信息量,更好地检测弱降水,还提高了空间三维(3D)分辨率,能更好地反映降水区域细节,且使得数据总体上具有更高的完整性和可靠性。此外,还将基于雷达资料估测的降水数据与地面雨量计数据进行对比,估计反射率因子数据融合在降水测量上的有效性。

基于小波域高斯尺度混合模型的天气雷达图像高分辨率插值

采用可精确刻画雷达回波强度数据统计特征的小波域高斯尺度混合(GSM)模型作为雷达图像先验模型,进行天气雷达图像插值,在提高图像分辨率的同时有效重建降水回波中局部强回波值、小尺度变化细节等一些重要空间分布统计特征。分析和总结雷达回波强度数据小波频率域统计特点,建立小波域GSM模型;匹配天气雷达图像小波系数和GSM模型,利用贝叶斯理论估计更小尺度的小波系数,进行小波逆变换,完成高分辨率天气雷达图像插值。试验表明,该算法能从低分辨率图像中估计出高分辨率高频系数,且所利用的先验模型充分考虑降水数据本身的特点,可有效捕获降水回波结构的非高斯特征和局部相关特性,重建雷达图像中的局部变化细节。

地球同步轨道寄生SAR系统的若干关键技术研究

地球同步轨道寄生SAR系统是利用地球同步轨道卫星传输的通信、导航等信号作为非合作照射源的一种双基地雷达系统,具有长时间观测目标区域、抗电子干扰、成本低等优势,有良好的发展前景.本文针对地球同步轨道寄生SAR系统发射源信号为连续随机信号且卫星航迹精确位置未知的特点,分析了脉冲重复周期和信号加窗长度的选取,研究了信号加窗后的满带宽、距离向信杂比问题以及卫星航迹的精确反演.最后,根据上述关键技术的研究分析,仿真实现了地球同步轨道寄生SAR系统成像.

气象万千探本索源——南京信息工程大学“大气探测学科”发展历程回顾与展望

大气探测学科是大气科学学科重要的核心学科分支之一。我校大气探测学科从1973年创建至今,经47年的风雨征程,几代人的努力与执着,历经重组和调整,始终围绕学校发展目标,将专业建设与国家需求紧密接合,不断探索和加强人才培养、师资建设和提升科研水平,建立了特色鲜明的学科体系,为学校和中国气象事业的发展做出了重要贡献。本文概略介绍了大气探测学科内涵和我校大气探测学科概况,从初始建立、改革发展、发展提升等三个阶段描述学科沿革拓展、师资队伍壮大、实习实验设备、课程教材建设、基础理论技术研究、气象系统开发、学科建设成果及未来发展规划等。

气象类专业Matlab课程教学探索与思考

气象类专业学生需要处理来自地面站、探空站、气象雷达、气象卫星等各种观测手段的不同类型和格式的资料， Matlab具有强大的数值计算和可视化显示功能，使得处理和分析各种气象资料变得方便和快捷。本文介绍了气象类专业Matlab课程教学工作的相关问题，从教学目标的制定、教学内容的设计、教学方法的选择对气象类Matlab教学进行了探索与思考。使学生在掌握基本编程能力的同时，能深入理解专业课程内容，培养学生理论结合实践、综合分析和应用气象资料的能力。

关联数据云图中出版类数据集特点分析

出版类数据集作为关联开放数据(LOD)云图中的重要数据集合,成为继社交网络类、政府类数据集之后增速最快的一类,受到了广泛关注。论文旨在通过对LOD云图中出版类数据的深入分析,从已发布的数据集、关联应用、词表使用、元数据信息等最佳实践角度入手,探索国外关联开放数据的服务模式,进而为我国发展关联开放数据提供参考。

基于W7模型的数据起源本体语义分析

针对起源记录在应用中的语义描述问题,探讨分析了PROV本体相关概念及其关系,且引入W7模型,概述了其内容结构。在此基础上,通过设计使用W7模型分析PROV起源记录的应用情景,阐明了起源记录语义管理的必要性且为未来起源记录语义管理奠定了基础。致力于推动大数据环境下我国对起源记录的语义性的进一步研究。

开放科学视域下多类型科研成果学术贡献归因研究

[目的/意义]开放科学环境下协同化知识生产和多样化科学产出趋势明显,有效识别承认开放研究中多元化贡献主体、多样化贡献内容,对提升贡献数据的开放透明揭示及有效利用至关重要。[方法/过程]本研究在系统调研国内外学术贡献相关理论及实践基础上,提出面向开放科学的学术贡献分析体系。从成果创建过程角度出发,围绕贡献要素识别、贡献度计算、贡献表示3方面展开学术贡献归因研究,并通过实证案例进行了概念验证和应用场景分析。[结果/结论]学术贡献是开放科学体系中的重要组成部分,提高各类科研成果学术贡献的开放性和透明性是必然趋势,但现有贡献归因方法存在适用性受限、缺乏系统性等问题。未来可从扩展贡献应用对象、建立通用贡献要素体系、优化贡献度量化计算等方面提升方法的适用性,拓展贡献数据的应用范围和应用场景。

双偏振雷达和双频测雨雷达反射率因子对比

为了研究星载测雨雷达和地基雷达探测数据存在差异的本质原因,将GPM(Global Precipitation Measurement Mission)星载双频测雨雷达(dual-frequency precipitation radar,DPR)和南京信息工程大学C波段双偏振雷达(CDP)的反射率因子进行时空匹配,并基于水凝物分类定量分析两者探测的相似性和差异性。结果表明:GPM DPR与CDP探测的反射率因子整体一致性较好,经过衰减订正和波段修正,两者的相关系数约为0.86,达到0.001显著性水平,均方根误差约为3.33 dB。基于T-矩阵法拟合C和Ku波段探测不同水凝物等效反射率因子的波段修正公式,在衰减订正基础上针对不同水凝物类型的回波进行波段修正,二者探测湿雪、霰、大滴和中雨回波的相关性较好;受干雪几何形状影响,探测干雪回波的相关性较低;探测大雨和冰晶回波的相关性较差。DPR中NS和HS模式探测存在差异,DPR NS模式对强回波敏感,而DPR HS模式对弱回波敏感。

多普勒雷达资料同化在台风“灿都”(2010)预报中的应用研究

文章基于中尺度天气预报模式(WRF)及其三维变分同化系统(WRF-3DVAR),采用了两部雷达径向风资料,进行单一时间分析以初始化台风"灿都"(Chanthu),比较研究了同化雷达径向速度(Vr)对台风"灿都"分析和预报的影响。结果表明:同化雷达径向风的作用主要体现在台风强度和环流结构的调整,且在同化达到一定时长后,对改进同化后的预报分析有积极效应。同化试验改进台风的初始风场以及台风环流中心的热力和动力结构、强度和位置,进而提高18h预报的台风结构、路径、强度。

雷达强降水数据小波域统计特征及其与环境参数的关系研究

为了得到最优的强降水估计,基于雷达强降水数据多尺度统计特性建立的先验模型显得非常重要。本文基于南京市S波段多普勒天气雷达2013~2016年共180次独立降水事件数据进行小波分解,研究强降水雷达回波数据小波域小波系数尺度内非高斯边缘分布特征以及尺度间分形特征,并基于强降水的先验统计特征建立相应的数学模型。研究结果表明:对于不同降水结构呈现不同形态的雷达回波来说,它们的分形参数差别并不大,方向性不明显,可对强降水小波系数统一建模,其尺度内的非高斯特征可用广义高斯分布表示,尺度间的分形特征可用指数形式表示。为进一步说明强降水小波域统计特征与降水物理参数的关系,讨论了强降水小波域小波系数分形参数与环境参数的关系,发现环境参数中的对流有效位能与分形参数(一阶水平向)相关系数为0.5535、每小时降水量与分形参数(二阶各方向小波系数分形参数的平均)相关系数为0.3848,而其它环境参数与分形参数相关系数低于0.28。强降水小波域统计特征及其与环境参数的先验信息可用于强降水数据的参数化建模,并对后续的强降水最优估计、数据同化、数据降尺度、多源数据融合等应用具有重要的参考价值。

基于新型观测算子的双偏振雷达雨滴谱变分反演

提出一种基于变分理论的双偏振多普勒天气雷达反演雨滴谱方法,最优反演雨滴谱的同时可实现衰减订正。反演过程中使用一种新型观测算子,利用滴谱仪实测数据计算状态变量和双偏振参量,使观测算子更能代表本地降水特性。将新型观测算子、误差协方差矩阵和状态变量的先验估计用于代价函数中,基于高斯-牛顿迭代方法求解代价函数得到最优雨滴谱。利用理想模拟试验和南京信息工程大学C波段双偏振多普勒天气雷达实测个例对算法进行验证和评估。结果表明:算法反演得到的状态变量(液态水含量LWC和质量权重平均直径Dm)与滴谱仪数据计算结果的相关系数达到了0.96和0.80,相对偏差为25.19%和10.63%,均方根误差比常规反演结果改善了50%左右,比基于模拟观测算子的变分反演结果改善了30%左右,最优反演雨滴谱得到的降雨率R和雨量计数据相关系数达到0.89,相对偏差为14.78%。

C波段双偏振雷达降水估计的误差分析与建模

双线偏振雷达定量降水估计精度受多种因素影响,为了更好地应用双偏振雷达估计降水并进一步提高降雨估测精度,需对雷达降水估计进行误差分析和建模。基于2015—2016年南京信息工程大学C波段双偏振雷达、雨滴谱仪观测资料以及南京地区雨量计数据,统计分析雷达估测降水的误差分布,分离雨量计代表性误差,并对随机误差和系统误差量化建模。首先对双偏振雷达数据进行预处理,并利用雨滴谱仪数据拟合测雨方程,通过对R(ZH)、R(ZH,ZDR)、R(KDP)、R(KDP,ZDR)4个测雨公式反演结果与雨量计对比,分析每个测雨公式在不同降水强度时的估测性能。随后,利用雨量计数据估计空间相关函数,计算并分离由于雷达和雨量计空间不匹配造成的雨量计代表性误差,并分析测量误差和参数误差在雷达降水估计误差中的比重。基于雷达降水估计误差属性及分布规律,建立随机误差和系统误差量化模型。最后,基于4个测雨公式性能和误差分析,提出一种优化组合的双偏振雷达降水估计算法。结果表明,R(ZH)和R(ZH,ZDR)在弱降水时性能较好,当雨强阈值大于2.5 mm/h时,KDP的优势得以突显。由于空间不匹配造成的雨量计代表性误差不容忽视,在雷达分辨单元较大时进行定量降水估计需剔除点面误差。将雷达降水估计误差按照系统误差和随机误差进行建模,发现雷达近地面降水的系统误差和雨强成正比,呈线性函数形式,而双指数模型更好地表示随机误差分布。基于不同雷达测雨公式性能提出的优化组合降水算法在准确度和稳定性等方面优于单个测雨公式。

GPM双频测雨雷达与C波段雷达资料对比研究

对全球降水测量卫星(GPM)双频测雨雷达(DPR)和C波段双线偏振多普勒天气雷达反射率因子数据进行分类型降水对比研究,以更好地了解二者的差异性和相似性。采用几何匹配法将二者的观测数据进行时空匹配,选取典型个例进行层状云和对流性分类型降水对比研究,并对2016年15对匹配数据进行统计对比分析。通过研究发现,C波段双偏振多普勒雷达与GPM星载双频雷达的相关性很好,总体相关系数达0.81,降水回波基本一致,探测差异较小,其中层状云降水相对对流性降水,两部雷达相关性更好。

星载毫米波雷达衰减估计仿真及敏感性分析

星载毫米波雷达衰减严重,而不同云降水类型中所包含的云雨粒子微物理特性差异较大,其所造成的衰减影响差异也很明显。基于WRF模式模拟的不同云降水场景,利用星载毫米波雷达模拟器仿真得到衰减后的回波,并对云中粒子的衰减特性进行敏感性分析,说明引起衰减不确定性的重要影响因素。结果表明,仿真得到的衰减后回波与云廓线雷达(CPR)实测回波一致性较好,回波结构和强度近似,平均反射率因子廓线差异均在20%以内,衰减估计结果可靠有效。通过对衰减系数(K)进行敏感性分析发现,云雨粒子均对粒子谱分布中的含水量(W)最为敏感,中值体积直径(D_(0))的影响也较大,其变化可能引起雨滴衰减系数的平均相对误差达25%左右;雪和霰受密度参数(a、b)的影响大于斜率参数(Λ),a引起的不确定性在25%以内。在相同滴谱参数的情况下,冰态和液态造成衰减系数的差异达90%左右。考虑到衰减对相态的高度敏感性,将基于相态分类的K-W关系应用于CPR实测个例衰减订正中,订正后的回波与波段校正后的星载双频测雨雷达(DPR)Ka波段探测回波强度接近,衰减订正的不确定性主要来自于液水含量反演结果与实际情况的差异。

Wikidata中数据来源分析

文章选取人名名称作为研究对象,分析了Wikidata中人物条目的属性及来源的描述能力,并使用数据质量维度评估了来源质量。研究发现:Wikidata使用多个属性对人物条目进行描述,Wikidata人物类来源可靠性不高,Wikidata数据来源本身的质量难以保证。

众包在证据合成中的实践应用研究——以Cochrane Crowd公民科学项目中的众包应用为例

[目的/意义]证据生成的及时性对于循证决策至关重要,而目前证据合成的效率通常不能满足决策者的需求。众包被认为是一种可以提高证据合成生产效率的潜在方法。本研究以Cochrane Crowd公民科学项目中的众包应用为例,总结众包在证据合成中的实践应用。[方法/过程]采用文献调研、网络调查、案例分析等方法,从众包者、志愿者、众包任务、Cochrane Crowd平台、质量评估5个维度分析了众包在Cochrane Crowd公民科学项目中的应用机制。[结果/结论]通过设置明确目标、激励措施、清晰任务,提供全面培训和适当的质量控制机制,可以应用众包为证据合成输出高质量结果。为未来针对不同领域证据合成中应用众包以及在证据合成的不同阶段使用众包的进一步研究提供参考。

中间层气辉光谱光度计高精度温度反演算法研究与验证

基于光度学技术的气辉光谱探测仪器结构简洁、稳定性高,有望成为我国中高层大气温度组网观测的主力设备,为研究全球临近空间的温度分布和变化提供有力手段.但此类仪器容易受到自身差异性、观测环境条件等多因素影响,会带来组网观测时的数据一致性问题.针对这一问题,本文基于课题组研发的气辉光谱光度计(the Mesospheric Airglow Spectrum Photometer,MASP),建立了一套多参数迭代反演算法(Multiple-parameter Iterative Inversion,MPII).该算法对图像圆心进行精准定位,并对图像畸变进行矫正,从而获得精确的实际观测合成光谱.综合考虑了天空杂散光、大气温度、滤光片温度、光学系统焦距和合成光谱调制度5个可变参数.反演温度的精确度相较于传统方法有显著提升.为验证反演算法的有效性和准确性,本文利用MASP与中国科学院国家空间科学中心研制的钠荧光多普勒激光雷达进行主被动遥感联合对比观测.基于钠荧光多普勒激光雷达观测温度,通过剔除大气背景辐射进行数据修正,并根据MPII算法进行温度反演.研究结果表明,相比于传统算法,MPII算法计算的反演温度与钠荧光多普勒激光雷达具有更好的一致性.