无人机遥感与地面观测的多模态数据融合反演水稻氮含量

准确监测水稻田间生长过程中的氮含量,保证按需高效施肥,对提高水稻产量和肥效利用率具有重要意义。该研究基于无人机遥感与地面观测的多模态数据融合构建了水稻拔节后期叶片(leaf nitrogen content,LNC)和植株氮含量(plant nitrogen content,PNC)反演模型,显著提高反演水稻氮含量的准确性。通过2021和2022年开展两次田间试验,利用无人机搭载多光谱和RGB相机在拔节后期获取稻田冠层遥感影像;从多光谱影像中提取植被指数(vegetation index,VI)和纹理特征值(texture feature value,TFV),TFV使用灰度共生矩阵方法提取,对TFVs进行组合构建纹理指数(texture index,TI);使用RGB影像结合地面参考法获取各小区估测冠层高度(estimating canopy height,ECH);人工收集各小区实测冠层高度及田间氮素管理数据(field nitrogen management data,FN)作为地面观测数据;使用凯氏定氮法获取水稻LNC和PNC;采用最大互信息系数评估和筛选特征;使用随机森林回归算法分别构建水稻LNC和PNC反演模型。结果表明:使用TFVs组合构建的TIs能显著提升纹理信息与LNC和PNC的相关性,当无人机飞行高度为100 m时,灰度共生矩阵的滑动窗口尺寸为9×9(像素)时构建的比值纹理指数表现最优,相比最优TFV,MIC值均提升了11.48%;从遥感影像提取的估测冠层高度具有较高的估测精度,决定系数(coefficient of determination,R^(2))、均方根误差(root mean squared error,RMSE)和平均绝对误差(mean absolute error,MAE)分别为0.77、3.4 cm和2.8 cm;无人机遥感与地面观测的多模态数据融合可显著提升LNC和PNC的反演精度,综合考虑反演精度和实际操作的便捷性,推荐田间生产中使用特征组合为:VI+TI+ECH+FN。研究结果表明,无人机遥感与地面观测的多模态数据融合构建随机森林回归模型可准确反演水稻氮含量,可为水稻田间管理和施肥决策提供科学依据。

利用地面观测评估ERA5云底高度产品

云底高度对天气预报和飞行保障有着重要作用,但目前十分缺乏高时空分辨率的云底高度资料。本文利用中国东部地区云底高度的地面观测对ERA5再分析资料的云底高度进行评估,基于地面观测和ERA云底高度的小时平均偏差对ERA进行了初步订正和验证,综合分析了中国地区的云底高度分布特征。分析发现,ERA5再分析数据中的云底高度比观测值整体偏低,其中高估了低云的云底高度,低估了中、高云云底高度,且中、高云云底高度的偏差较大。另外,在有降水的条件下,ERA5数据中低云云底高度的准确性比无降水条件下的相对较高,但中、高云云底高度的准确性却更低。综合地面观测和ERA5数据云底高度的日变化和月变化分析发现,在我国东部地区,白天的云底高度整体低于夜间,峰值出现在夜间22:00(北京时间,下同),谷值出现在上午09:00,秋季和冬季的ERA5云底高度月变化与地面观测资料较为一致。基于日变化分析获得的小时平均偏差对ERA5数据的云底高度进行订正和验证,分析发现,2010~2019年间,中国地区的云底高度呈现自西北向东南逐渐降低的分布特征;中国南部、东北地区和青藏高原区域的云底高度相对较低,其中,青藏高原夏季和秋季的云底高度较低,春季和冬季较高,而沙漠地区在四个季节的云底高度都较高。

地面观测资料在快速更新同化系统中的敏感性试验

通过对2011年7月31日发生在上海的局地强对流过程,利用快速更新同化系统(SMS-WARR),设计了四个试验,对地面观测资料(常规地面观测资料、加密自动气象站资料)进行敏感性数值试验。结果表明:不同地面观测资料同化对模式初始场的调整作用不同,地面观测资料的疏密影响模式初始场预报,加密自动站气象资料同化对初始温度场、风场的影响最明显;所有试验中,同化所有观测资料的模式能较好地模拟出此次强降水过程,且模拟的地面温度场、风场以及辐合线的演变与实况基本一致;通过分析、比较各试验初始场和预报结果的影响发现,同化所有地面观测资料能改善模式的初值,且观测资料通过循环同化的方式融合进模式,提高了模式对强对流中尺度结构特征的刻画,改善了对局地强对流天气系统的预报效果。

气象地面观测业务质量优化方式分析

气象服务对于社会经济发展和人民生产生活的各个方面都有着重要的影响。而气象地面观测业务质量作为气象服务的基础,直接影响着气象服务的准确性和有效性。因此,如何优化气象地面观测业务质量成为亟待解决的问题。本文主要探讨气象地面观测业务质量的优化方式,并提出一系列可行的解决方案,以提高气象服务的准确性和有效性。

鄠邑区国家气象观测站地面观测仪器设备常见故障诊断技术研究

选取鄠邑区,对气象观测站地面观测仪器设备进行分析。以案例分析法,重点研究鄠邑区国家气象观测站地面观测仪器设备常见故障的诊断技术,为提高气象观测数据的质量、可靠性、稳定性提供理论支撑。从研究内容看,首先对DZZ5型自动气象站进行理论分析,阐述本型号自动气象站基本原理、结构、功能及主要应用领域,另外针对地面观测仪器设备的常见故障,提出具体诊断技术;最后,对地面观测仪器设备的常见故障原因进行阐述,提出对应解决方法,希望能够为地面观测仪器设备故障的快速诊断排除提供有益参考。

基于最优插值方法分析的中国区域地面观测与卫星反演逐时降水融合试验

为了发展一套适用于中国区域的高分辨率(0.1°×0.1°)逐时降水产品,以CMORPH卫星反演降水为背景场,以基于3万个自动气象站观测的逐时降水量分析的中国降水格点分析产品(Chinese Precipitation Analyses,CPA)作为地面观测场,采用最优插值方法对二者进行了融合试验。用2009年6—8月的样本统计分析了卫星反演与地面观测降水的误差及其协相关形式,按照误差结构来分配权重。融合试验的个例检验表明,该方案在有站点的地区能较好地引入地面观测信息,在没有站点观测的地区则保留CMORPH的原始信息,最终形成一套覆盖中国区域的高时空分辨率的降水场。2009年6—8月独立样本检验的统计结果也表明,该融合产品的平均偏差、均方根误差、相对误差分别为-0.004mm/h、1.271mm/h和15.964%,平均空间相关系数达到0.778,与融合前CMORPH的各统计值相比,改进幅度基本都超过了50%,且与风云系列卫星的同类型产品相比精度也有一定程度的提高。

青藏高原地区的总云量——地面观测、卫星反演和同化资料的对比分析

了解云的气候学特征 ,对于深入研究气候变化问题有重要意义 ,而良好的资料质量是其前提和保障。为了充分了解地面观测总云量、卫星反演总云量和资料同化总云量这三种资料在青藏高原地区的共性和差异 ,本文利用 1984— 1990年的青藏高原地面测站的总云量资料、国际卫星云气候学计划中的ISCCP C2总云量资料和NCEP NCAR再分析总云量资料 ,对比分析了三者在青藏高原地区的时空分布关系。分析结果表明 :ISCCP C2总云量与地面观测总云量有较好的相关关系 ,它们在青藏高原地区的空间分布形势相似、年变化和年际变化趋势大致相同 ,在量值上的差异主要源于探测手段的不同 ;NCEP NCAR再分析总云量在青藏高原地区有其固有的缺陷 ,除夏季之外在高原中部地区始终有一个异常的强高值中心 ,由此导致其对时空分布特征和量值的描述与ISCCP C2和地面观测值相差较大 ,因此在有关青藏高原的研究中不宜直接或单独使用NCEP NCAR再分析总云量资料。

雷暴过程中闪电产生NO_x的地面观测研究

利用NOx分析仪和大气平均电场仪在青海省大通县对雷暴天气过程中自然闪电产生的NOx进行了地面观测。分析结果表明:在晴天稳定大气条件下,全天NOx的平均体积混合比相对比较平稳,观测值虽然比理想中的干净背景大气条件下的地面值要大一些,但比污染大气中的值小许多;在雷暴天气中,闪电次数与NOx的平均体积混合比峰值个数相同,且峰值由闪电产生。闪电产生的NOx的平均体积混合比峰值在出现时间上比闪电有一定的滞后。雷暴过程中各次闪电产生NOx的传输时间序列变化,可用二次多项式进行拟合,且相关系数较高,传输时间和传输距离之间不存在严格的线性关系。高、低能量闪电的能量域值为12～13×106J,高、低能量的闪电是间隔发生的,且随着时间的推移间隔增大。

综合遥感与地面观测的巢湖水体富营养化评价

提出一种将地面观测数据空间插值与遥感反演结合的湖泊富营养化评价方法与业务化运行模式。对叶绿素a等可反演参数利用遥感影像反演,并利用实测值校正获得高精度反演结果;对总磷等不易反演参数采用空间插值获取全湖区数据,采用综合营养指数法对巢湖富营养化状态进行反演,获得2015年5月12日巢湖富营养化状态空间分布情况。结果表明,巢湖全湖为轻度和中度富营养化状态,呈现出西半湖高于东半湖的总体空间分布趋势。结合相关数据对巢湖富营养化成因进行推断,认为南淝河等上游河流各类营养物质输入量较大是造成西半湖北部富营养化严重的主要成因;西南部杭埠河等河流氮磷输入量较大,但其他营养物质输入较少,使得该区域总体呈现出富营养化程度偏低的现象。

地面观测资料在西南地区数值预报中的敏感性试验

利用3.0版的GRAPES同化系统,针对西南地区2005年7月的夏季降水,开展地面观测资料的同化敏感性试验,对整月天气进行了每日一次的48小时预报,并对该月发生在川渝地区"7.8"大暴雨过程进行对比分析。试验结果表明,在地形复杂的西南地区,利用等压面的GRAPES 3DVAR同化系统同化地面观测资料对降水预报的影响随进入同化系统的地面观测资料疏密程度和同化内容的不同而不同;当模式采用较高分辨率时,同化的地面观测资料越多,对降水预报的改善作用越明显;同化地面观测资料的风速信息可以降低降水预报的空报率,但对漏报率和TS评分改善作用不明显;在几种同化方案中,利用GRAPES 3DVAR同化系统同化地面观测资料的相对湿度和位势高度信息,对降水预报的改善效果最明显。

正点地面观测数据维护中数据异常的分析处理

地面观测资料报文传输方式调整之后,值班观测员应注意小时内自动气象站的数据采集情况,在正点后通过《地面气象测报业务软件》的"正点地面观测数据维护"对数据进行检查,当发现自动气象站错误或数据异常时,应及时对疑误数据进行分析处理,完成对自动气象站数据的质量控制。通过对几例正点地面观测数据维护中典型异常数据的分析处理,帮助地面测报值班人员在日常工作中对正点地面观测疑误数据进行快速的判断和维护,做好自动气象站数据的质量控制,以保证地面气象要素上传数据文件内数据的完整性、时效性和质量。

采用不同样本集合同化地面观测对一次飑线过程的影响

针对夏季黄淮地区一次飑线过程,利用WRF(Weather Research and Forecasting)模式及其Hybrid ETKF-3DVAR同化系统,考察不同生成方案的样本对同化地面观测的影响。集合样本创建方式包括3类:扰动初始背景场的方案(RCV)、使用不同的物理参数化方案(PPMP)以及前两者集成方案(BLE)。基于增量场分析,同化地面观测主要调整850 h Pa以下水平风和水汽混合比的空间结构,其中RCV方案侧重于改变水平风的空间分布,PPMP方案侧重于改变水汽混合比的空间结构,BLE方案兼具二者特征。同化地面观测可以间接改善6 h降水预报,其中PPMP试验的降水预报最好,尤其是对降水位置和强度的预报。对比雷达回波观测,RCV试验和BLE试验对弓状回波模拟得较好,BLE试验的模拟较多体现RCV特征。PPMP试验和RCV试验还可改变冷池的位置和强度,同时影响飑线出现和消亡时间,相对而言,PPMP试验影响更大。

Rec-EOF质量控制方法在地面观测2m比湿中的应用

针对地面观测站资料,从资料同化的角度出发,通过引入递归的概念,提出了递归经验正交质量控制(Rec-EOF QC)方法,并将该方案应用于不同时段的地面观测资料和不同种类的背景场资料中。结果表明:Rec-EOF QC方法一般在递归4次之后,质量控制过程达到稳定状态。通过递归方法,该质量控制方案能够通过资料本身调整质量控制的临界值,对资料具有普适性。而且与传统EOF QC方法相比,Rec-EOF QC方案能识别出更多的离群值,并且可以使观测偏差也更接近于高斯分布。另外还研究了背景场差异对质量控制的影响,分别利用FNL、ERA-Interim和JRA-25三组资料作为背景场进行地面质量质量控制试验,结果表明JRA-25剔除的资料最多,ERA-Interim次之,FNL最小。无论选用何种资料作为背景场,冬季的资料剔除率始终大于夏季的。

月球探测器轨道设计与地面观测弧

本文研究月球探测器轨道设计方法及与地面观测弧的关系。主要研究地月直接转移轨道和定相环形转移轨道。通过建立Ｂ平面用迭代方法得到满足要求的月球卫星轨道，并认为定相环形转移轨道的测控优于直接转移轨道。

冰雹的形成及地面观测

冰雹是由强对流天气系统引起的一种剧烈的气象灾害,在此主要介绍冰雹的形成,归纳总结冰雹地面观测的要点和注意事项,旨在对今后观测冰雹起一定的指导作用。

利用地面观测资料参考标定雷达VAD资料气压高度方法研究

针对雷达VAD资料因不包含气压高度信息而在使用中受到限制的问题,设计了VAD资料气压高度标定方案。提出了以雷达站所在地地面气象观测要素作为参考的标定方法。具体为在压高公式中引人多元大气温度递减方案,地面基础要素由雷达站配备的地面自动气象观测站提供。针对这个方案敏感的温度垂直递减率,利用2007年全年探空资料计算得到温度垂直递减率随高度、时间、区域变化的分布,并分别进行常数温度递减率、随高度变化、随时间变化的温度垂直递减率,以及随两者同时变化的温度垂直递减率对标定结果误差影响的敏感性分析,并与传统的气候标定方案误差进行对比。通过一年的实际观测资料试验,结果表明:相对于不引入观测的气候统计值标定方案,可大大缩减标定误差。尤其是随高度和时间同时调整的温度垂直递减率的地面观测要素参考标定方案的误差最小,适应VAD资料的特点。

细节决定地面观测质量

地面气象观测是一项既繁琐又严谨的工作,是每个气象站最基础、最重要的工作之一。保证和提高观测质量,是每个观测员恪守的工作职责,也是大家努力实现的目标。

谈地面观测中大风记录处理与编发报

详细介绍了测风仪器、大风现象的记录与重要天气报的编发方法,并对调查记录大风灾情上报内容加以说明,以期指导地面大风观测工作。

山西岢岚地区NCEP资料与地面观测资料的年变化对比

利用2000—2014年山西岢岚地区地面观测资料和NCEP(1°×1°)再分析资料,采用线性趋势和相关系数等方法,探讨NCEP再分析资料中2 m地面温度、2 m相对湿度、地面气压及10 m风速在岢岚地区的可信度问题。结果表明:(1)2005年以前,NCEP再分析资料2 m温度偏低,之后开始偏高,且与地面观测资料的偏差有逐年增大趋势,每10 a约增加1.4℃;两者相关性高,多年相关系数平均值达到0.9557;(2)相对湿度均呈减小趋势,2006年以前,NCEP 2 m相对湿度偏大,此后开始偏小,相对湿度的多年平均绝对差为14.5522%,且后9 a(2006—2014)均小于多年平均绝对差;两者相关系数值呈增大趋势,年平均值为0.7167;(3)NCEP地面气压总体偏大,平均绝对差值呈明显减小趋势,最小值0.5889 h Pa出现于2014年,多年平均值为4.2725 h Pa;两者相关系数呈增大趋势,多年平均值达到0.9625;(4)历年NCEP 10 m地面风速均偏大,但与地面观测资料的偏差呈减小趋势,每10 a约减小0.4 m·s^(-1),多年平均绝对差值为1.7996 m·s^(-1),而2005—2014年的平均绝对差值皆小于多年平均值;两者相关系数较小,但逐年呈微弱上升趋势,其多年平均值只有0.4849。

水蚀区水土保持地面观测资料整编内容与方法

资料整编是水土保持监测的基础性工作。按资料的来源和属性,可将水土保持监测资料分为基础资料、观测资料、调查资料和衍生资料。水蚀区水土保持地面观测主要涉及径流小区和小流域控制站,按监测内容和对象,一般可分为影响因子、径流和泥沙观测资料整编3大类,不同资料整编内容与方法不尽相同,各有侧重。近期,应抓紧制订监测资料整编的技术标准和整编制度,规范整编行为,同时,还应加强技术培训和档案管理,提高水土保持监测资料整编的信息化和现代化水平。