基于多模式集成输出天气变量的参考作物腾发量预报

参考作物腾发量(reference evapotranspiration, ET0)是农业生产中一项重要的参数,对评估未来的干旱程度和实现农业精细化管理具有重要意义。为进一步提高ET0的预报精度,该研究将多模式集成方法应用于ET0的预报,运用遗传算法-回归型支持向量机对欧洲中期天气预报中心、美国国家环境预报中心、日本气象厅和韩国气象厅4个中心全球集合预报模式输出的天气变量进行多模式集成处理,基于最优的模式和方案使用Penman-Monteith公式对山西运城站未来1~7d的ET0进行预报,并对其在站点附近农业试验田的适用性进行验证。结果表明,多模式集成能够调和单一模式在气象预报中的优劣,从而提高ET0预报的精度和长预见期下的稳定性;在ET0预报中,多模式方案的性能明显优于原始单一模式,由最优模式和方案组成的重组方案预报性能最好,具有最小的均方根误差、平均绝对百分比误差,分别为0.65~0.81 mm/d和19.43%~23.78%,以及最高的决定系数(0.83~0.89)。在对试验田未来1~7 d的ET0预报中,重组方案仍表现出良好的预报性能,均方根误差、平均绝对百分比误差不超过0.83 mm/d和34.57%。该研究能有效提升数值天气预报在运城站下属乡镇地区的适应性,为当地农业实际生产提供准确的ET0预报信息,对于农业需水预测以及水资源优化管理具有重要意义。

极区冰下浅表层声学监测浮标系统研发与应用

北冰洋海域的水声学研究在冰下通讯、导航定位、目标探测以及海洋环境参数反演等方面起着重要作用。而研发集成极区冰下浅表层声学监测浮标系统,获取长期连续气-冰-海界面的主要环境参数数据及冰下声学特性信息,是开展冰下水文和声学环境特性研究的重要手段。本文研究了一种极区冰下浅表层声学监测浮标系统的设计,该系统主要由主控制模块、供电模块、数据采集模块、数据远程传输模块、远程监控中心五部分组成,通过各个模块的开发与集成测试、数据的采集与传输测试、野外试验等,实现了对极区气-冰-海界面主要环境参数以及冰下浅表层声学特性参数数据的持续观测。本系统于2021年8月在中国第12次北极科学考察任务中完成现场应用,在极地低温恶劣环境下运行可靠稳定,实现了包括水声数据在内的极区各项环境观测参数的远程传输。

无动力海面移动观测平台特点、进展与发展趋势分析

本文以表层漂流浮标、漂流式波浪浮标和漂流式海气界面浮标为代表介绍了无动力海面移动观测平台的观测需求、特点、最新进展和发展趋势。无动力海面移动观测平台除具备重量轻、体积小、随波性好等特点外,相比其他观测平台最大的优势在于成本低、实时性强,可有效弥补定点观测在全球大洋空间分辨率的不足。随着海洋与气象环境观测传感器的自动化、小型化和低功耗化,尤其是在可再生能源供应和卫星数据通讯技术的支撑下,这一类型平台观测能力的可拓展性非常强。除可直接开展海洋环境声学、光学和电磁学要素的观测外,还可成为海洋化学、海洋生物、海洋地质等海洋学科的专属平台,并具备海上目标探测识别能力。随着无动力海面移动平台观探测能力的不断提高、使用成本的降低和快速投放技术的发展,此类平台在海洋观探测领域尤其是深远海区域观探测快速响应方面将有非常广阔的应用前景。

高精度冻土层温度梯度检测系统的设计

针对冻土层对温度梯度高精度自动检测的需求,设计了一种高精度低功耗温度梯度自动检测系统。选取性能稳定的恒流源REF200与四线制接法的铂电阻Pt100构成系统的温度检测单元,通过MSP430单片机控制CPLD与多路开关集成电路,实现了温度检测点的自动切换,完成温度梯度信号的自动检测,通过GPRS数据传输技术,使获取的现场温度梯度数据可以实现远程实时调用。经实验室模拟试验,采集数据经专用算法优化处理后,温度单点检测精度可达到±0.1℃。

基于管道水流发电的农业物联网供电系统设计

为解决野外环境下,农业物联网监测设备的供电问题,设计了一套基于管道水流发电的农业物联网供电系统。系统基于管道流速1.5 m/s,管内水压200 kPa的工况完成水轮机、发电机设计,在此基础上设计系统电路、I/O扩展模块和控制策略,实现对监测设备的稳定供电。通过试验测量,系统在无充电状态下,24 h蓄电池耗电量为43%;每天灌溉8 h,24 h内电量最低为69%,电量最高为100%。该系统成本低,发电量符合预期,能持续稳定地为农业物联网设备供电。

极区海冰影像自动监测系统的设计与试验

随着全球气温上升,北极海冰的消融加速,北极航道的开通成为可能,极区海冰监测对船舶航行安全及无人冰站有着重要意义。设计低功耗、耐低温且工作稳定可靠的极区海冰影像自动监测系统,集成耐低温的串口摄像头,实现海冰表面形态和浮标运行状态的监测;增加加热模块以解决极区低温环境下摄像头无法正常采集图像的问题;基于铱星9523研发了针对大量数据的传输策略,实现了图像数据的远距离传输;以蓄电池为储能装置并配置太阳能板补充电能。监测系统在中国第九次北极科学考察中进行了安装并在第十一次北极科学考察中进行了优化和升级,结果表明该系统在极地低温恶劣环境中运行稳定,可靠性强,可以长期工作。

北极海-冰-气多参数自动监测系统设计与应用

北极环境观测对研究全球气候变化具有重大意义。设计一种海-冰-气无人冰站监测系统。实现对温湿度、大气压、叶绿素、溶解氧、CT、CTD等数据的实时采集、传输。针对北极的特殊环境,设计主、副浮标电源供电策略和主浮标铱星通讯策略,提高供电和数据传输的可靠性。该监测系统于2018年1月在太原市汾河二库进行试验(每小时采集一次数据),结果表明该系统可靠性强、运行稳定,可以在恶劣的现场环境中长期工作。

极地多点低温低功耗高精度柔性温度链的设计

为有效提高极地冰盖低温环境下温度测量的精度,设计了一款基于Pt1000的多点低温低功耗高精度铂电阻柔性温度链。温度链由主机和多个从机组成,主机用于读取整条温度链的数据并与外界进行数据交互,从机用于采集和上传温度数据,主机和从机之间采用RS485总线通讯方式。每个单点铂电阻温度测量单元都采用软件校正,单点测温误差不超过0.006 9℃。室内低温实验和现场试验表明,该温度链对低温环境下多点同时测温整体可靠性较高,适用于在极地环境下对冰川冰雪的温度场剖面检测。

东南极冰盖泰山站雪层垂直温度分布特征研究

准确可靠的冰盖浅层冰雪温度是数值模式中评估极地冰盖物质平衡和能量平衡的重要因子。基于中国第32次南极科学考察在泰山站附近布放的综合监测站浅层10 m温度链观测数据,首次获得了泰山站雪层的高精度积雪温度垂直廓线,并探讨了表层积雪温度的日变化、月变化和季节变化特征。结果表明,冰盖雪层温度存在随深度传导的特点:雪层温度波动振幅随深度衰减,波动相位随深度滞后,波动曲线的波峰和波谷由表层向下传导至10 m深度均需100多天。泰山站冰盖表层积雪温度存在显著季节差异,冬季与夏季、春季与秋季的温度垂直轮廓线均相反但不完全对称,夏季表层的温度变化幅度要大于冬季的温度变化幅度,而秋季表层的温度变化幅度也高于春季的温度变化幅度,这与短波辐射的加热作用和季节波动的位相滞后存在密切的联系。

极地超低温环境下磷酸铁锂电池容量估计

阐述了影响磷酸铁锂电池低温性能的因素,使用超低温试验箱模拟极地的超低温环境,用磷酸铁锂电池在不同等级温度下进行充放电实验,并绘制放电曲线图。通过对实验结果的分析获取了磷酸铁锂电池的低温特性:随着温度的降低,磷酸铁锂电池的放电容量会随之减小,在20、10、0、-10、-20、-30、-40、-50℃以标称电流3A放电,可用容量分别为标称容量的93.33%、86%、80.67%、78%、70%、64%、32%、24%。分析磷酸铁锂电池放电容量与开路电压的相关性,提出了磷酸铁锂电池的容量估计方法。

北极野外监测装置光伏发电系统控制策略研究

针对北极野外监测装置终年随海冰漂移,主要依靠电池供电的现状,提出了一种用于风光海流供电系统中的主要发电单元——光伏发电系统的控制策略。采用改进的自适应变步长最大功率跟踪保证跟踪速度和稳态精度;输入功率冗余时,使用恒压控制母线电压保证供电系统的稳定;利用Matlab/Simulink对低温下光伏发电系统的两种控制方式及其切换过程进行仿真。仿真验证了该控制策略能够使处于突变环境条件下的光伏发电系统稳定地可控地输出。

基于Iridium9523的低功耗极地图像监控系统设计

为实现极地设备运行情况监测无人化,设计了基于Iridium 9523的低功耗极地图像监控系统。系统主要由图像采集单元、温度控制单元、数据传输单元组成。采用串口摄像头进行图像采集,温度控制单元解决了低温情况下摄像头不能采集图像的问题,Iridium 9523卫星通讯模块实现数据传输。低温实验与室外实验结果表明,系统稳定工作的温度可低至-40℃。本系统在中国第9次北极科考中进行了安装,在极地低温恶劣环境下运行稳定可靠,实现了极地设备的图像监控。

冰-海界面声学监测系统的设计与研发

为了探索北冰洋重点海域冰下浅表层水文和声学环境特性,分析海冰的生长和消融过程对其产生的影响,本文设计了适于极地的冰-海界面声学监测系统。监测系统采用模块化设计方案,主要包括控制模块、供电模块、通讯模块和各观测模块等,可实现对冰面气象、海冰物理、浅表层声学特性以及水文剖面参数的连续观测。通过对标体结构优化,可增加系统工作寿命,以期实现冰基及海洋漂浮状态下的持续数据采集;观测数据通过铱星通讯模块传输至国内监测平台,实现数据实时传输和自动化观测。该监测系统于2019年1月进行了为期一周的野外试验,验证了系统的可行性和标体结构的合理性。

基于改进剥层法的南极冰盖密度反演算法

南极冰盖的密度-深度数据是建立高精度表面物质平衡模型时的关键参数。该文提出一种基于调频连续波(FMCW)雷达的冰盖密度和介电常数反演算法。该算法首先利用剥层反演法初步反演密度剖面,然后利用反演的密度和冰盖密实化经验公式建立密度剖面模型,最后通过优化算法寻找最优密度模型参数,从而达到校准密度的目的。基于理论冰盖模型和实测雷达数据的实验结果验证了算法的有效性。

练习题的设计在数学课堂教学中的应用

数学练习是数学教学的一个重要环节,精心设计的练习题,有助于学生掌握教材的基础知识,形成技能、发展智力,也是教师掌握教学情况,进行反馈调节的重要措施。

海-冰-气无人冰站极地工作环境下的结构特性研究

本文提出一套海-冰-气无人冰站系统,其能对北冰洋浮冰区海洋-海冰-大气三界面进行长期连续观测,观测内容可为北极海冰快速变化机制的研究和冰区船舶航行保障提供重要支撑。介绍了海-冰-气无人冰站的系统设计和结构设计,分析了无人冰站海洋工况的稳定性,利用有限元分析软件ABAQUS对无人冰站的极区抗风能力进行了仿真与分析,研究了无人冰站结构的受力情况,为其结构设计提供了依据。设计并研发的三套无人冰站系统分别于2018年、2019年、2020年在北冰洋中央区被成功布放并取得了良好的观测效果,验证了无人冰站系统的适用性和可靠性。

城镇燃气管道完整性管理探讨

本文先简要阐述了城镇燃气管道完整性管理的内涵和意义,然后详细介绍了完整性管理的主要内容及主要措施,给从事城镇燃气管道管理的人员进行完整性管理提供了科学规范的借鉴。

南极冰盖垂直温度场观测系统的设计与应用

极地冰下温度剖面的观测可为极区科学考察站的建设、南极冰下湖资源的开采等工程提供重要依据。近年来,国内外研制的温度观测系统,主要针对北极海冰环境设计,而南极冰盖下的温度场观测鲜有提及。本文提出一种在南极地区恶劣环境下,基于半导体温度传感器的冰下温度场分布观测系统。通过对电路结构和软件控制流程的设计,解决低温环境下能源消耗过快的问题。针对南极冰盖下单总线信号长距离传输困难的问题,对传输线缆进行分析,重新计算并依据结果调整硬件结构与程序。为检测系统能否满足观测需求,进行了温度精度与系统功耗的测定实验,达到数据稳定回传的目的。系统于中国第35次南极科学考察期间布放在我国南极昆仑站区域,获得超过6个月的南极冰盖温度场观测数据。

倾转旋翼无人机动力学建模与控制系统设计

倾转旋翼无人机综合了四旋翼无人机垂直起降、悬停与固定翼无人机远距离、高速度航行的能力,是一种新模式的无人机。通过对此类无人机桨叶的拉力分析和计算,建立了倾转旋翼无人机的动力学模型,并对模型中拉力系数、舵机电机响应等进行测量。同时针对多路PWM输出,设计了控制电路。对倾转舵机倾转过程进行程序设计,完成两种模态的过渡过程。测试结果表明,控制系统可以完成倾转过程并实现自稳定调节。

一种用于探冰雷达的高增益Vivaldi天线

介绍了一种用于S波段(2~4 GHz)探冰雷达的高增益Vivaldi天线。天线选择介电常数3.48的ROC4350B为介质板材料,采用微带馈电线转槽线的耦合结构进行馈电,并在辐射臂两侧加载两段指数型开槽提升整体增益,在渐变槽线中间加载指数型引向器进一步提升天线辐射性能。仿真优化后天线总体尺寸为113.6 mm×85.0 mm×1.52 mm。仿真结果表明,天线在S波段内回波损耗S11<-10 dB,天线增益整体在5.39 dB以上,最高达到了9.6 dB,且增益曲线平滑,实测结果与仿真结果较为吻合。