基于深度学习的高时空分辨率降水临近预报方法

降水临近预报在强对流天气监测预警中具有重要地位,对于防灾减灾至关重要。在气象业务中,主要采用雷达回波外推方法解决高时空分辨率的临近预报问题。针对传统雷达回波外推方法中普遍存在的资料信息利用率不足和预报准确率低的问题,利用上海地区多年的高时空分辨率天气雷达探测资料,基于数据驱动的深度学习方法进行雷达回波外推,提出了一种新的降水临近预报模型——SwinAt-UNet模型。该预报模型通过融合UNet模型和Swin Transformer结构捕捉历史天气雷达探测资料中的短期和长期动态变化特征,可以自适应地学习潜在的雷达回波生消演变规律。此外,为提高模型的泛化能力和预报准确率,引入深度可分离卷积和卷积块注意力模块。结果表明:在不同基本反射率阈值下,SwinAt-UNet模型的预报准确率均高于UNet、SmaAt-UNet、TransUNet和AA-TransUNet模型;在45 dBZ的基本反射率阈值下,SwinAt-UNet模型临界成功指数提高了13%,同时在预报时效上具有一定的优越性;SwinAt-UNet模型外推图像具有更加清晰的边缘和细节性纹理,对降水范围、移动方向和强度变化的预测更为准确。

超高时空分辨显微成像技术研究进展

高分辨显微成像技术为人们推开了探索微观世界的大门,而飞秒激光技术又为人们提供了一把探测超快物理/化学现象的尺子.将这两者结合,发展既有超高空间分辨、又有超快时间分辨的新型显微成像技术,对于人们探索极小时空尺度下新的科学现象和规律有非常重要的意义.本文综述了目前国际上主要超高时空分辨显微成像技术的基本原理和特点,并介绍了其在光电材料与器件表征、飞秒激光微加工监测、表面等离激元动力学表征等方面的最新应用进展.超高时空分辨显微成像技术的发展,不仅推动了光学显微成像领域的进步,也为精密加工、二维材料动力学、光电器件设计与表征等领域提供了关键技术手段,具有广阔的应用前景.

波长编码的单次高时空分辨全光学探针

激光探针法是捕捉超快动力学过程的主要方法之一,在等离子体物理、光化学、生物医学等领域都有着广泛的应用.本文提出一种时间波长编码的探针光产生方案,该方案通过级联不同相位匹配角的倍频晶体和独立的延迟线来实现时间波长编码,具有单次高时空分辨率、高帧率、时间窗口可调范围广、时间分辨率和时间窗口参数独立可调的优点.在实验中搭建了一套探针光产生装置,具有247 fs的时间分辨率、4μm的空间分辨率、4.05 THz的最高帧率、时间窗口从亚皮秒到3 ns可调,将该装置用于捕捉飞秒激光诱导的光丝的动力学过程,证明该探针光产生方案用于捕捉超快动力学过程的可行性.在讨论中,分析了探针光关键参数能达到的极限帧率为35.7 THz,极限时间分辨率为28 fs,时间窗口的范围可以从百飞秒到几十个纳秒进行调节.探针光的高时空分辨率和参数互相独立可调的优点,为多时间尺度的超快动力学过程的单次高时空分辨捕捉提供了一种可行方案.

江苏省高时空分辨率机动车排放清单构建及特征

针对自上而下法建立的机动车排放清单时空分辨率偏低的问题,从月度排放计算、行驶里程权重、交通数据融合等方面系统优化了传统的方法学框架,据此建立了2018年江苏省机动车排放清单,分析了排放的结构层次特征、社会经济关联和时空分布规律.结果表明,2018年江苏省机动车CO、VOCs、NO_(x)和PM_(2.5)的排放量分别为84.00,16.68,61.72和2.11万t.CO和VOCs主要由汽油小型客车贡献,NO_(x)和PM_(2.5)主要由柴油重型货车贡献,国3及以下标准车辆排放贡献高于其保有量占比,冬季机动车排放高于其它季节.在城市尺度上,机动车排放集中在苏州、无锡、南京、徐州、南通、连云港和常州,机动车人均CO和VOCs排放量与道路排放强度的相关性高于NO_(x)和PM_(2.5),机动车排放与城市GDP以及建成区面积的相关性较为显著.机动车CO和VOCs排放聚集于中心城区,NO_(x)和PM_(2.5)排放呈条带状分布,排放日变化存在着“两峰一谷”的特征.

基于地面高时空分辨率观测资料的广西极端短历时降水特征分析

文章利用广西气象观测站逐小时降水资料和美国SRTM 250 m地形数字高程模型数据,定义广西极端短历时降水事件并对其特征进行探究分析,揭示了广西极端短历时降水空间分布特征与地形的密切关系,分析了广西极端短历时降水月变化特征以及探讨了广西极端短历时降水与南海夏季风建立和撤退的联系,研究结果为广西短历时降水预报预警提供了精细的决策参考。

基于点扫描的高时空分辨荧光显微成像技术进展

激光点扫描荧光显微镜凭借高分辨率、高灵敏度、高特异性、可光学层切三维成像和动态成像等优势,已成为生命科学研究中广泛应用的重要工具.随着研究者对生命科学研究的逐渐深入,由于受光学衍射极限影响和逐点扫描探测的限制,传统点扫描共聚焦显微镜的时空分辨率已无法完全满足相关研究需求,在实际应用中面临诸多挑战.近二十年来,超分辨荧光显微成像技术取得了重要进展,研究人员发展了多种高空间分辨率、高时间分辨率的点扫描荧光显微成像技术,对于生物成像等具有重要意义.然而,有关该领域最新进展的综述论文较少,系统地讨论、总结基于点扫描的高时空分辨荧光显微成像技术的研究进展,对于其未来研究发展极为重要.本文主要从时间分辨率与空间分辨率两个维度分别介绍了各类点扫描荧光显微成像技术的基本原理及相关进展,并介绍了高时空分辨显微成像技术及应用,最后讨论展望了高时空分辨点扫描荧光显微镜的未来发展趋势和挑战.

京津冀地区钢铁行业高时空分辨率排放清单方法研究

针对目前京津冀地区钢铁行业大气污染物排放量基数不清,排放清单缺失的现状,以钢铁行业调研、企业在线监测、污染源调查等数据为基础,综合考虑钢铁行业具体工艺设备、环保措施、产能等信息,按照自下而上的方法建立了一套高时空分辨率排放清单.经计算,2012年京津冀地区钢铁企业排放SO2为47.16万t,NOx为37.22万t,烟粉尘为34.15万t,其中烧结和高炉工艺为京津冀钢铁行业污染物的主要来源;从空间分布来看,唐山、邯郸两地区集中了整个京津冀地区一半以上的钢铁企业,其污染物排放量占到了整个区域钢铁企业排放总量的一半以上.

Z-pinch内爆等离子体时空分辨诊断技术

为了深入认识和理解Z-pinch物理机制并对物理实验进行优化设计，需要研究内爆等离子体及其辐射的时空分布特性诊断技术，建立诊断装置与设备，通过实验研究等离子体内爆时间过程及其空间分布特性，利用所获得的实验诊断数据校核数值模拟程序。简要介绍近几年开展的X光空间积分功率谱测量、X光时间积分针孔照相、X光时分幅针孔照相、X光时间分辨1维空同分布、紫外探针阴影照相等时空分辨诊断技术研究工作，并给出在1～3MA电流驱动装置上进行的喷气和丝阵内爆实验中获得的部分时空分辨诊断结果，包括辐射功率、拉链速度、内爆速度、收缩比等。

纳米电极时空分辨监测单个PC12细胞多巴胺量子释放

Carbon fiber nanoelectrodes(200-300 nm) were firstly used to amperometricaly monitor the dopamine release from single PC12 cells with temporal resolution and especially more higher spatial resolution than those obtained by using microelectrodes. When the nanoelectrode was in a distance 1 μm above the PC12 cell, only one peak signal corresponding to a single vesicle exocytotic event was detected caused from the stimulation with 1 mmol/L nicotine. The spatial difference of exocytosis was also detected by placing the electrode onto the different locations of the cell body, the results have demostrated that the spatial distribution of dopamine in cells is not uniform and the time for stimulating secretion is very different. Nanoelectrodes electrochemical method can provide a powerful tool for observing the temporal and spatial characteristics of the secretion from single cells directly.

融合多源遥感数据生成高时空分辨率数据的方法对比

融合多源遥感数据生成高时空分辨率数据具有重要的应用价值.对目前常用的3种时空融合方法进行对比分析,即基于时序数据(STIFM)、基于混合像元分解(STDFM)和增强型自适应遥感图像(ESTATFM)的时空融合方法.以盈科灌区为例,由多时相的MODIS数据提取地物的时间变化信息,结合初期的ASTER/TM影像的空间信息,融合生成30 m具有MODIS时间分辨率的数据.以真实的ASTER数据为基准,从光谱特征和地物类别的角度定量评价结果,表明STDFM和ESTATFM分别在红波段和近红外波段取得效果最优,相关系数分别为0.91和0.71,3种方法融合的NDVI效果基本相当,相关系数均高于0.84.在地物类别空间信息的表达方面,ESTATFM方法在异质性较强的玉米和小麦区域具有较好的适用性.

基于高时空分辨率遥感数据协同的作物种植结构调查

【目的】充分发掘遥感影像的空间、时间和光谱等特征谱信息,探索地块基元支持下的多源遥感数据作物种植信息自动识别方法,为作物种植结构信息的快速、精细化调查提供借鉴。【方法】以广西扶绥县为研究区,通过对高空间分辨率影像的多尺度分割和对象廓线编辑,提取精细农田地块信息;以地块为基元获取覆盖作物生育期内的时序光谱特征;基于时序光谱及其变化定义与作物长势状况相关的描述参量,形成静态光谱与动态过程特征结合的多维特征空间,结合作物的物候节律特征构建作物种植信息提取模型,实现主要农作物种植结构信息的提取。【结果】依据上述方法绘制出广西扶绥县甘蔗、水稻和其他作物农田及草地、林地、水体、城镇建设用地等的精细地块图,其中,提取广西扶绥县甘蔗和水稻作物的总面积分别为82420.01和6806.67 ha,作物提取的总体分类精度为86.8%,Kappa系数为0.84。【结论】提取的广西扶绥县作物种植结构的成果满足使用精度要求,可为精准农业补贴投放、农业灾害定损等政策制定提供依据,而技术方法对于作物种植结构信息的快速、精细化调查具有借鉴意义。

区域高时空分辨率VOC天然源排放清单的建立

将中尺度气象模式MM5应用于估算VOC天然源排放的研究 ,建立了高时空分辨率VOC天然源排放清单的估算方法 .根据方法需要 ,确定了我国部分树木排放异戊二烯和萜烯的标准排放因子 ,各植被类型排放各种VOC的标准排放因子 ,以及各植被类型季节平均的叶生物量密度 .应用该方法估算了华南地区满足区域空气质量数值模拟要求的高时空分辨率VOC天然源排放清单 .结果表明 ,华南地区夏季典型日的VOC天然源排放总量约 1 .1 2× 1 0 4 t,VOC排放速率具有明显的时空分布 ,其中地理分布取决于植被类型及其分布 ,日变化规律则依赖于太阳辐射和温度的高低 .

1维时空分辨X光辐射功率图像的处理方法

在Z-pinch实验物理诊断中使用底片记录1维时空分辨X光功率图像,利用模拟底片能量响应曲线对实验获得的X光功率图像进行了变换,以闪烁体X光功率谱仪获得的X光波形为参考,将变换后的图像沿空间轴积分,并将所得波形与参考波形相比较,两条曲线基本一致,表明所使用的模拟能量响应曲线具有较好的近似效果。

卫星反演降水产品误差随时空分辨率和雨强的变化特征分析

卫星反演降水产品作为降水资料获取的一种重要途径,其精度往往因时空尺度和雨强的不同而变化。本文以美国CMORPH卫星反演降水产品为研究对象,以2008年～2010年夏季中国东部的降水格点分析场为参考值,以均方根误差RMSE作为误差分析指标,定量化地探究了CMORPH产品的误差随时间分辨率、空间分辨率和雨强的变化规律。结果表明:卫星反演降水产品的误差随空间分辨率和时间分辨率的增大呈现递减的趋势,随雨强的增大而呈现出递增的趋势。进一步的分析发现:空间分辨率对误差的影响规律可以采用y=a*e-b*x函数进行拟合,时间分辨率和雨强对误差的影响规律可以采用y=a*x-b函数进行拟合。在此基础上,构建了CMORPH产品随时空分辨率和雨强等3种因素而变化的误差模型σr=a*e-b*A*T-c*Rd。针对误差模型的适用性分析表明:误差公式在多数研究区均表现出良好的适用性。

时空分辨平焦场光栅谱仪

利用 2 4 0 0线 /mm或 12 0 0线 /mm的平焦场光栅谱仪、门控宽微带X光单分幅相机及可见光CCD记录系统建立了一套时空分辨平焦场谱仪X光谱诊断系统。介绍了该谱仪系统的结构、工作原理和实验调试方法。利用该谱仪在星光激光装置上进行了时间分辨铝等离子体发射谱线的实验测量 ,获得了清晰的时间分辨铝等离子体谱线。在神光Ⅱ装置上初步观测到了时空分辨铝样品吸收谱 ,谱分辨为 0 .0 2～ 0 .0 5nm。

基于高时空分辨率驱动数据的中国区域土壤温度模拟与评估

土壤温度在农业生产中是一个重要的陆面变量,但是仅通过观测很难获取大范围的、时空连续的土壤温度数据,而通过陆面模式模拟的土壤温度可以为农业生产和研究提供较为准确的土壤温度格点场。基于高时空分辨率的驱动数据,使用Noah-MP陆面模式对中国区域的土壤温度进行模拟,并使用2 400多个国家级气象站的土壤温度观测数据对模拟结果进行评估。结果表明:(1)Noah-MP陆面模式能够很好地模拟出中国区域土壤温度的空间分布、时间变化,偏差在±0.5℃以内,相关系数在0.9以上;(2)从选取的8个研究区的土壤温度模拟结果来看,NoahMP陆面模式能够抓住各研究区的土壤温度变化趋势,仅对东北地区冬季的土壤温度存在轻微的低估;(3)基于高时空分辨率驱动数据得到的土壤温度模拟结果具有较高的准确性,对于农业气象研究具有积极意义。

YAG激光Al等离子体参数的时空分辨诊断

采用光学多通道分析仪等设备对532nm YAG激光诱导产生的Al等离子体光谱进行了时空分辨测量,得到了等离子体时空分辨光谱。利用局部热平衡(LTE)模型和谱线的Stark展宽计算得到了等离子体电子温度和电子密度的时空演化曲线,获得了与文献[9～11]一致的结果。

CALMET时空分辨率对CALPUFF模拟浓度场的影响

采用WRF输出的逐小时1 km分辨率预报风场作为CALMET诊断模式的输入,生成不同时空分辨率的CALMET诊断风场,耦合CALPUFF得到逐分钟50 m分辨率浓度场,在此基础上分析CALMET气象场时空分辨率对浓度场的影响,并统计不同气象时空分辨率方案的计算耗时。结果表明,当风向稳定且风速较大时,较粗的时空分辨率亦能得到满意的风场和浓度场;当风向转变且风速较小时,时空分辨率对诊断风场和浓度场影响显著,不同气象方案的浓度场差异可以高达40%;风场转变期间,当CALMET的时间步长大于30 min时,加密气象网格会降低浓度场的模拟精度,时间步长越长,浓度场偏离越显著。综合考虑计算耗时和浓度场模拟准确性,推荐在大气污染事故应急预警中采用10 min时间步长和400 m网格距的CALMET气象方案。

柱面光栅VUV时空分辨谱仪设计

从理论和实验两方面分析了柱面光栅的衍射特性，并给出用于托卡马克等离子体真空紫外光谱时空分辨测量的柱面光栅单色仪设计方案．

基于高时空分辨率的气候变化对全球主要农区气候生产潜力的影响评估

气候变化背景下,对全球主要农区气候生产潜力进行定量评估不仅可以反映出该地气候生产潜力水平与光、温、水资源配合协调的程度及地区差异,而且对提高土地生产力水平,指导农牧业生产具有重要意义。以全球主要农业区为研究对象,应用全球高时空分辨率气象格点资料和气候生产潜力模型,评估了1981-2015年气候变化对全球主要农区气候生产潜力的影响。结果表明,(1)1981-2015年全球主要农区气候生产潜力呈波动上升趋势,在7.68-8.28t·hm^(-2)之间变化,平均为7.97 t·hm^(-2),最大值出现在2010年,最小值出现在1987年。(2)同年际变化相似,气候生产潜力年代际增长也十分明显,其中20世纪80年代和20世纪90年代之间的增长最显著。(3)35年间,全球主要农业区平均农业气候生产潜力空间分布的基本特点是南高北低,区域差异显著。全球农业区主要集中在东亚、南亚、中亚、西亚、南欧、大洋洲南部、南美洲东部和北美洲南部等地,最高值出现在亚洲东南部,为28.9 t·hm^(-2),北美洲南部、大洋洲南部、亚洲中部、非洲中部等地气候生产潜力较低,大部分地区在5.1t·hm^(-2)以下。(4)35年间,亚洲西南部、中部和北部以及北美洲中部和东南部等地的农业区气候生产潜力显著提高,大部分地区提高了0.00-6.00 t·hm^(-2);而在欧洲大部分地区、南美洲北部和东部、非洲中部和南部以及大洋洲大部分地区气候生产潜力明显减少,变化幅度在-7.99-0.00 t·hm^(-2)之间。总体而言,气候变化对亚洲和北美洲农业区农业生产有利,而对欧洲、南美洲、非洲和大洋洲农业生产不利。