基于机器学习算法的森林生物量多源遥感估测

为进一步探索不同空间分辨率影像在10 m×10 m样地尺度下森林生物量估测性能及协同机器学习算法(RF、SVM、DT、GBM、k-NN、Stacking)的估测效果,利用光学遥感GF2(高分二号卫星)、sentinel 2A、Landsat 8 OLI、SUM(整合3种遥感数据源)影像及辅助变量DEM高程数据、环境因子、林分因子(森林类型、优势树种),在Boruta算法变量选择下用机器学习算法对元谋地区乔木林森林生物量(地上+地下)进行遥感估测,并比较4种影像下的估测精度。研究表明:(1)基于Boruta算法分别对3种影像及整合3种影像条件下进行变量选择,单一影像中sentinel 2A的植被指数PEIP、Landsat 8 OLI的纹理因子b2_ME_9×9、GF2的GNDVI分别为3种影像下的最高得分变量,多源融合估测森林生物量中GF2的GNDVI为最佳得分变量;(2)基于Boruta算法选择的变量构建RF、SVM、DT、GBM、k-NN算法以及对5个模型的Stacking集成算法,SUM的Stacking集成算法的估测效果最优,模型决定系数(R2)为0.73,均方根误差(RMSE)为28.46 t·hm^(-2),集成算法下的SUM的估测性能优于sentinel 2A、Landsat 8 OLI,GF2优于sentinel 2A,sentinel 2A的估测性能优于Landsat 8 OLI。研究结果说明在生物量遥感估测中高分辨率影像具有较好的估测效果,同时多源遥感协同估测、集成算法均可提高森林生物量遥感估测精度,可为森林生物量遥感估测提供参考和借鉴。

地基微波辐射计遥感人工触发闪电的观测研究

为了深入研究雷电产生的微波热辐射特征,从2016年初夏开始利用地基微波辐射计在中国气象局雷电野外科学实验基地开展了连续4年的观测实验,根据雷电热效应的特征,制定了观测方案,并为地基微波辐射计设置了“引雷观测模式”。结果表明,地基微波辐射计具有对雷电热效应产生响应的能力。2017—2019年,辐射计一共成功捕获了30次人工触发闪电,观测效率逐年增长,平均为71.4%;微波亮温脉冲幅度的最大值约125K。结合其中28次触发事件的雷电流数据,分析了亮温脉冲幅度和雷电流积分量之间的相关性,并发现了最大亮温脉冲幅度与总电流作用积分之间可能存在指数关系。根据亮温观测数据估算了雷电热效应的持续时间,平均约0.5 s,其中25次触发事件的雷电流热效应持续时间与雷电流持续时间变化较为一致,相关系数约0.73。

车载微波辐射计移动大气走航观测实验及初步应用

地基多通道微波辐射计能够实现大气温湿度廓线参数的实时观测与反演,在大气探测中已经得到广泛的应用。受观测方式和数据反演算法的限制,目前主要应用于地面固定站点上空的大气参数遥感探测,无法实现大气参数的移动观测。尝试将自主研制的地基多通道微波辐射计进行改进并安装在车载平台上,对车载微波辐射计移动大气观测可行性进行了验证。实验结果表明车载微波辐射计移动观测是可行的。利用车载移动走航观测数据,对西安城市热岛效应和对流有效位能(CAPE)进行了分析。结果表明,移动走航观测能够用于观测城市热岛效应,西安中心区域比郊区温度高1.0℃左右,城市中心的大气对流有效位能比郊区高1000~2000 J/kg。

机载W波段测云雷达回波强度衰减订正仿真研究

考虑到大气和云对W波段雷达波的衰减,数值仿真4种非降水云的机载W波段雷达(94GHz,3.2 mm)回波强度;基于雷达回波强度Z与云衰减系数k之间的经验关系,进行雷达回波衰减订正。结果表明,在云厚、云滴粒子浓度和含水量参数的一般取值情况下,可以获得比较好(相对误差<15%)的订正效果。随着云体加厚、云中大滴增多和含水量增加,云体对雷达回波的衰减增强,透过率降低,雷达测量值偏离真实值的程度增大,云下部衰减订正难度加大。雷达测量误差会对衰减订正效果造成一定影响。与常规测雨天气雷达回波的雨区衰减订正相比,定性来说是一致的。

基于气象资料变化特征和辐射传输模式的微波辐射计工作状态分析

提出利用晴天每天早晨08时的观测资料,以大气温度季节变化统计特征为依据,来判断微波辐射计观测期间的工作状态。简要介绍了大气微波辐射传输方程,以南京冬春季节大气温度变化的统计特征为依据,以2010年11月27日—2011年5月29日期间南京某辐射计08时晴天的实验观测资料为例,通过对其12个通道的亮温观测值和计算值进行统计对比和物理分析,给出该辐射计实验观测期间的工作状态判断,认为用于湿度遥感的22.235、23.035、23.835、26.235和30.000GHz五个通道观测期间工作状态良好、稳定,而用于温度遥感的51.25、52.28、53.85、54.94、56.66、57.29和58.80 GHz七个通道性能一直衰退。本文提出的方法可供微波辐射计工作状态监测和观测资料质量控制参考。

TCFM技术的卫星导风数据在台风模拟中的应用初探

利用傅里叶相位分析方法与最大相关法结合的云导风技术TCFM(Technique based on combination of Fourier phase analysis and maximum correlation),对2005-08-05的强热带风暴"麦莎"天气过程中静止气象卫星得到的30min间隔云图时间序列进行导风计算,并将导风结果应用于中尺度数值模式ARPS(The Advanced Regional Prediction System),结合其资料分析系统ADAS(ARPS Data Analysis System),对台风"麦莎"登陆前的过程进行模拟。尽管洋面上常规资料稀缺,但卫星导风数据的同化使用结果表明,TCFM技术得到的导风资料能够显著改善台风眼壁东部区域的垂直气流活动,使台风螺旋雨带更加明显,符合实际。

球形粒子毫米波k-Z关系研究

由于毫米波更接近云粒子尺度,毫米波雷达越来越多地被用来探测云粒子及尺度较小的降水粒子。但是,在使用毫米波雷达探测时,要考虑云和降水粒子散射和吸收以及大气气体吸收所造成的衰减。结合毫米波测云雷达数据处理的实际需要,研究云中衰减系数k与雷达反射率因子Z的关系。假设粒子为小球形,云、雨滴谱分别服从K-M分布和Γ分布,通过模拟取样各1330次,应用米散射理论计算公式,分别计算得到W波段(3.2mm)与K波段(8.6mm)毫米波雷达探测球形云(包括水云、冰云)和降水粒子的衰减系数k及雷达反射率因子Z,并建立k-Z关系的具体表达式。计算表明,在同样滴谱分布条件下,W波段(3.2mm)毫米波雷达的衰减要比K波段(8.6mm)毫米波雷达大5—10倍。本研究对毫米波雷达的衰减订正有参考价值,所给出的k-Z关系系数可用于3.2和8.6mm波雷达定量测量云特征的衰减订正计算。

利用WRF模式对大气波导的数值模拟研究

利用WRF模式,以NCEP再分析资料作为背景场,并同化地面自动气象站观测资料,对发生在黄淮江淮流域的一次大气波导过程进行了数值模拟与对比分析,发现WRF中尺度数值模式可以反映出大气边界层内的逆温和湿度锐减并较好的模拟大气波导的变化,同化自动站资料比不同化模拟出的波导范围扩大、波导强度增强,与雷达回波的一致性更好。

地基微波辐射计工作环境对K波段亮温观测影响

该文研究地基微波辐射计天线性能及其工作环境对K波段20～30 GHz亮温观测数据的影响，根据辐射传输理论和天线性能参数分析建立模型，通过模拟计算给出辐射计20～30 GHz 波段亮温观测对天线性能及其工作环境的响应，提出针对工作环境温度变化影响的订正方案，并结合观测资料进行分析验证。结果表明：如果辐射计天线增益和3 dB波束宽度决定的等效主波束效率ηe 较低，则即使在能够经常进行辐射计系统液氮定标的情况下也必须考虑天线工作环境（环境温度与辐射计定标时的情景差异）对K 波段亮温观测的影响。对某一辐射计液氮定标后1年多观测资料的订正验证表明：订正效果明显，尤其是在28．0 GHz和30．0 GHz两通道。

星载雷达与地基雷达数据的个例对比分析

采用几何匹配法将TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)卫星搭载的测雨雷达(Precipitation Radar,PR)和上海地基雷达(Ground-based Radar,GR)有效照射体积的观测数据进行时空匹配,得到了2007年下半年3个时次上海地区的降水个例。考虑到PR与GR工作频率的不同,本文将S波段GR探测到的回波强度值调整为Ku波段PR探测到的回波强度值(称为Ku调整),进而比较PR和GR测量的反射率因子数值差异,并分析了不同降水类型和不同高度层的PR-GR偏差。结果表明:(1)PR和GR探测到的降水回波分布型大体一致,但PR探测到的降水回波强度普遍比GR探测到的大;(2)在零度层亮带以内及以下的PR与GR反射率因子资料具有较好的相关性;(3)由于GR的波束充塞效应及回波衰减,高层PR-GR平均偏差比低层大;(4)GR和PR的回波强度变化特征一致性在层云降水情况下优于对流降水情况;(5)整体而言,Ku调整使GR和PR数据更接近。

天气雷达回波衰减订正算法的研究(Ⅱ):数值模拟与个例实验

通过数值模拟研究雷达反射率因子呈均匀分布情况下的“可订正厚度” ,计算了“无误差”情况下的订正效果以及“观测误差”、“k的误差”、库分辨率等因素对订正效果的影响 ,还用实际观测个例进行衰减订正实验 ,并与解析算法和迭代算法的订正结果进行比较。结果表明 ,逐库算法 ,尤其是逐库近似算法 ,比迭代法计算效率高 。

基于最小二乘支持向量机的雷暴预报初探

利用2007年和2008年南京地区NCEP 1°×1°历史再分析资料和江苏省闪电定位资料,探讨最小二乘支持向量机(LS-SVM)方法在雷暴预报中的应用。将NCEP 1°×1°资料作为实况,选取了该资料与雷暴相关性较好的参数作为预报因子,而江苏省闪电定位资料则作为预报量,建立南京地区雷暴预报的最小二乘支持向量机模型,并用独立样本对模型进行预报检验。初步结果表明,该模型雷暴准确预报率为78.26%,虚假报警率为21.74%,预报技术评分TS为0.61。表明最小二乘支持向量机方法在雷暴6小时预报中是有效的。

大气电场仪观测资料数字序列的时间特征分析

根据某大气电场仪的数据传输方式,按照数据包接收端的计算机时间和数据包顺序号,利用最小二乘法对观测数据做分段直线拟合、建立分段线性关系,求得数据包平均时间间隔和数据包参考时间,进而在无线通讯网络堵塞情况下对被延时的数据包进行到达时间的修正、计算出每个场强值的观测时间,从而达到提高数据序列的可读性、提高宝贵的实测资料的利用价值之目的。此方法成功地恢复了该类型大气电场仪组网观测所获得的一批观测资料的观测时间,为这些资料的专业分析和应用提供了保障。

图象相关分析法判别因子的比较与实验

天气雷达跟踪回波运动,或卫星云图上示踪云测风,广泛使用相关分析法。本文对比方法中的判别因子进行了理论分析,数值模拟和个例实验。结果表明,在回波结构变化时,用原点矩相关系数R_3作为相关分析法的判定因子跟踪回波或示踪云,较中心矩相关系数R_1和相关亮度综合因子R_2有一定的优越性。

三通道微波辐射计遥感大气中水汽、液水和电长度增量的数值实验

利用上海２、８月份各１００次探空资料，采用数值实验方法，研究了三通道（２３．８、３１．４和９４ＧＨｚ）微波辐射计地基系统遥感大气水汽和液态水总量的能力和修正大气电长度时所能获得的精度。

小旋转椭球粒子群的微波衰减系数与雷达反射率因子之间的关系

通过模拟及取样导出了小旋转椭球粒子群旋转轴呈 3种不同取向 ,而入射电磁波分别为水平发射水平偏振波及水平发射垂直偏振波时的衰减系数与雷达反射率因子之间的关系 ,获得 3种波长的具体表达式 ,并对结果作了物理分析。所得结果可直接用于雷达定量测量降水时的衰减订正。

双基地天气雷达系统的有效照射体积

根据"有效照射体"的基本概念,采用微分理论来回避椭球面近似为平面的假设,推导了双基地雷达系统有效照射体积表达式,证明双基地雷达系统有效照射体积与单基地雷达有效照射体积之比值Vb/Vm,在数值上等于双基地系统主站极轴长度Rt相对于半长轴长度a的导数.有效照射体积数值计算结果与以往相同,放宽了推导过程中的假设条件,显得更加严谨、易懂.还给出了双基地雷达系统各几何量(如Vb/Vm、Rt、主站共面方位Φ、辅站极轴长度Rr、辅站共面方位Φr、双基地角β)之间的一些关系式,分析了在双基地雷达系统探测过程中有效照射体积随有关量变化的特征,为双基地偏振雷达系统天线控制、资料处理、旁瓣影响分析、探测精度提高等提供理论依据.

小旋转椭球粒子群降水区雷达回波衰减订正模拟实验

计算了降水区雨滴形状和雨滴群旋转轴相对于雷达波偏振方向不同取向情况下的Z I关系和k I关系 ,并用 5种衰减订正算法进行雷达回波衰减订正效果研究。结果表明 ,在已知小旋转椭球粒子群取向的情况下 ,雨强越大 ,降水区回波衰减的可订正厚度越小 ;雨强 80mm/h均匀分布时 ,使用R2或R3订正法 ,5 .6cm雷达回波可订正厚度在 12 0km以上 ,3.2cm雷达可订正厚度为 5 0km左右 ;雷达遥感降水时 ,有必要正确估计小旋转椭球粒子群的取向 ,以便选用正确的k Z关系 ,提高衰减订正效果。

基于傅立叶相位分析的卫星云图导风技术

导出云迹风 (CloudMotionWind)的传统方法 ,是用最大相关系数法在间隔 30min的卫星云图序列上计算示踪云的位移 ,以获得有关高度上风的估计值。但在用这种方法处理 1min间隔云图时产生“亚像素尺度位移”问题。过去对傅立叶分析法的初步研究表明 ,对示踪云进行频域波谱分析 ,由谐波的相位变化计算波速 ,能够避免“亚像素尺度位移”问题。本文在此基础上 。

卫星遥感资料在蒸发波导数值预报中的应用

基于美国国家环境预报中心(NCEP)再分析资料和卫星遥感资料,利用天气预报模式(WRF),并耦合Babin蒸发波导模式,对发生在福建省平潭岛地区的一次蒸发波导过程进行了三维变分同化数值模拟预报对比试验。结果表明:24h之内模式预报结果与平潭岛观测结果变化规律基本一致(相关系数都在0.92以上);卫星遥感资料同化可以使模式初始场优化,有助于改善预报结果,"同时同化海表风和海面温度"情况下,经过偏差订正后的预报效果最好(无偏均方根误差最小为0.680m);单独同化海面风或海面温度资料都会改善预报结果。