湖南省大区域三维水汽层析反演及降雨预报应用

水汽是地球大气的重要组成部分,虽然在大气总量中仅占据很小的比例,但在时空上变化显著,且在灾害性天气的形成和演变中发挥着重要作用。全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)层析技术可有效获取高精度、高时空分辨率的水汽三维分布,已成为当下GNSS气象学的一个研究热点。基于卫星探测技术能够获取大范围的水汽图像,尤其是地球静止卫星兼具空间覆盖范围广和时间连续性高的优点,使其成为水汽监测研究的重要数据源。基于融合风云4A水汽产品和GNSS观测数据的层析模型,利用湖南省连续运行基准站(Hunan Continuous Operation Reference Station,HNCORS)观测数据进行水汽层析实验,获取了湖南省高时空分辨率的大气水汽密度三维分布场,验证了该技术可有效提升水汽密度场的反演精度;基于层析水汽产品构建了多参数神经网络降雨落区预测模型,进一步挖掘层析技术在降雨预测中的应用潜力。该研究将促进暴雨等灾害天气监测预判能力的提升,对水利工程洪水监测具有重大现实意义。

2017-09-07-08磁暴期间全球尺度电离层扰动

基于全球6个CORS系统和IGS共2 645个站点的观测数据以及欧洲定轨中心(CODE)的全球电离层格网数据,利用电离层层析技术重构2017-09-07-08磁暴期间全球范围电离层电子密度变化情况。分析发现,2次电离层扰动均始于磁暴发生约1 h后,并随着磁暴的恢复而减小,二者发展趋势有强相关性。电离层扰动遍布全球,存在明显的赤道电离层异常现象。总体来看,低纬度地区电离层扰动强度大于中高纬度区域,200-400 km高度中层区域电离层扰动强度大于底层和高层,电子密度变化量达(3.3-9.4)×10^(5) el/cm^(3)。第1次磁暴恢复相期间,低纬度地区仍存在较强电离层扰动;第2次磁暴恢复相期间,电离层扰动呈现南北半球不对称现象,北半球电子密度减少,南半球电子密度增加。

利用电离层层析技术探测日本9.0级地震前电离层异常

利用电离层层析技术对日本Ms9.0地震前21天震中区域附近上空电离层进行了三维重构,并通过2倍标准差方法对反演出的各时刻电离层各格网点电子密度值进行了异常探测。在排除太阳和地磁活动影响后分析得出:2月28日UT14:00—16:00出现的电离层电子密度值异常减小、3月2日UT08:00—14:00、3日UT00:00—06:00和4日UT12:00—20:00出现的电离层电子密度值异常增大极有可能与日本地震有关。

时间序列与神经网络组合方法在电离层TEC预报中的应用

时间序列和神经网络是广泛应用于各个领域的两种经典预测方法,将这两种方法结合起来可充分发挥其各自的优势。利用组合方法和IGS发布的2006年长沙地区某点处前11个月的电离层TEC(Total Electron Content,电子总含量)数据,对12月份的电离层TEC值进行了分析预报。结果表明,这种组合预测方法进行30天内电离层TEC预报相对精度在90%左右,比使用单个方法进行预报精度提高了2%～3%。

融合多源数据的大气水汽场层析反演研究

水汽是地球大气的重要组成部分，其在天气动力系统、大气环境科学、测绘科学与技术以及水文学等诸多领域发挥着至关重要的作用。尽管大气中的水汽含量只占0.1%～3%，却是大气中最活跃的组分。许多天气变化和自然灾害的发生都与大气中的水汽含量及其运移直接相关，因此水汽在天气预报和气候变化中起着关键性作用。大气水汽也是全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System,GNSS）等对地观测系统的主要误差源。层析技术是当前获取水汽多维动态变化最具潜力的技术之一，具有高精度、价格低廉和高时空分辨率等优势。本文的主要目标是研究融合多源数据的水汽层析新方法和新技术，主要包含以下四方面内容.

冰川流域孕灾环境及灾害的天空地协同智能监测模式与方向

随着中国西部暖湿化进程加快,冰川流域孕灾环境快速变化,冰川灾害多发频发。因冰川流域地形极端复杂、地表覆盖变化迅速,冰川流域灾害具有链式发展的特点且物源区远程高位、地势险峻,面向普通地质滑坡和露天矿边坡的天空地协同监测技术难以直接或有效应用。本文基于冰川流域空间环境与灾害的监测内容及技术难点,分析了可用的现代测绘遥感技术及其局限性。针对监测对象、几何要素和质量要求,提出了基于天空地协同的冰川流域孕灾环境与灾害智能监测内涵,即平台协同、时间协同、参数协同和尺度协同,设计了任务驱动、知识引导的智能监测技术模式。面向3类基本监测任务,即个体冰川流域灾变过程情景模拟、冰川流域群孕灾环境差异分析与风险识别、冰川流域灾害事件应急响应,提出相应的天空地协同智能监测初步方案。最后,讨论了基于天空地协同的冰川流域孕灾环境与灾害智能监测关键问题,提出未来的工作方向。

2012年4月苏门答腊岛地震电离层电子密度异常研究

利用GPS电离层层析技术对苏门答腊岛上空4月1日至15日的电离层三维电子密度空间分布进行重建,采用2倍标准差方法对反演出的电子密度值进行异常探测。在排除太阳活动和地磁干扰的情况下,发现在11日UT10:00,13日UT6:00,14日UT6:00—14:00,15日UT14:00—16:00时间段出现较大范围的电离层电子密度异常,且分布在震中上空附近,初步认为该异常与4月苏门答腊岛地震有关。

三种在线GPS精密单点定位软件的精度比较

利用APPS-PPP、CSRS-PPP和GAPS-PPP三种在线GPS精密单点定位(PPP)软件处理了不同纬度地区以及太阳耀斑爆发生期间的IGS跟踪站数据。通过对处理结果的精度分析可知:三种处理软件单天解在E、N、U三个方向上的精度均优于3.5cm,且三个坐标分量上的互差不超过1.5cm;在太阳耀斑发生期间的定位精度没有明显降低。

基于GPS电离层层析技术的地震电离层异常研究

采用电离层层析成像技术（CIT）研究日本、苏门答腊岛、中国台湾、新疆地区上空不同震级地震前后的电离层三维分布。利用异常探测方法对反演出的电子密度值进行探测并用统计学方法统计地震电离层异常规律,结论如下：1）在地震前几天或者前几个小时出现电离层明显异常,尤其是在地震前1～2d震中附近,排除太阳活动和地球磁场影响,初步认为该异常与地震有关;2）电离层电子密度出现异常区域一般涵盖震中区域,与震中位置有少量偏移,而且离震中区域越近,电离层异常变化越大;3）未发现正、负异常的比例与地震之间有明确的对应关系。

结合PCA和滑动时窗的电离层异常探测方法研究

针对主成分分析(PCA)方法探测电离层异常时探测范围有限且无法区分正负扰动的问题,提出一种结合PCA和滑动时窗的探测方法,并以3次强震为例检测其异常探测能力。结果显示,PCA-滑动时窗方法同时具备了2种方法的探测优势,相较于滑动时窗法,其探测结果更加直观、简明,且不易受空间环境影响,有相对更高的异常探测置信度和可靠度;相较于PCA方法,其能更好地用于长时间时空异常探测,并准确区分出正负异常。另外,通过进一步分析2020年瓦哈卡地震后发现,电离层在震前11~13 d、9 d及4~6 d出现明显异常,且异常位于震中偏南区域。综合4次地震可知,异常主要出现在震中偏南方向,大多呈共轭结构。

GNSS精密单点定位技术在大坝变形监测中的应用

本文利用某大坝实地采集的高频GNSS观测数据,分析了在环境复杂坝区的静态PPP(PrecisePoint Positioning,精密单点定位)定位精度。研究结果表明,基于静态PPP定位技术,观测2h以上可以获得垂直厘米级和水平毫米级的定位精度。基于全天的观测数据,静态PPP技术可以获得毫米级的定位精度,可以作为大坝长期变形监测的有效手段。

大型砂石加工系统筛分楼动力计算难点分析

筛分楼内安装有一系列动力设备,形成多个振动源,产生一系列频率不同的动力荷载,使筛分楼的振动问题十分复杂。针对某大型砂石加工系统分级筛分车间的结构动力特性参数以及振动控制进行研究,对多层钢筋混凝土筛分车间的动力计算提出几点思考,供类似工程设计参考。

层析反演与神经网络方法在电离层建模及预报中的应用

将香港地区某天由电离层层析反演得到的电子密度值分成6组,利用神经网络方法对该6组数据分别进行了拟合建模及预报。实验结果表明,采用电离层层析技术并经神经网络模型预报得出的电子密度值精度明显高于由IRI2007模型提供的电子密度值,其预报的30min及60min的电子密度值精度可分别达到0.45TECU和1.34TECU。

地基GPS联合COSMIC掩星数据的水汽三维层析研究

利用精密单点定位方法求取对流层斜路径方向的水汽含量,并用COSMIC掩星数据反算出的水汽密度值作为层析迭代的初始值,联合高斯加权距离拟合法进行三维水汽反演。对香港地区3d的GPS数据及相应的掩星数据进行试算,得到的水汽斜路径含量反演值与实测值差值小于0.87mm。将层析得到的水汽密度值与Radiosonde探空数据进行比较,二者差值的RMS小于1.1g.m-3,从而验证了该水汽三维层析方法的可行性。

浅论中国亚热带遥感现状、任务与创新发展途径

中国亚热带区域覆盖范围广,面积达240万km2。区内不仅自然景观复杂,多云多雨、多山多林,生物多样性丰富、是中国稻米主产区,而且多河多湖、多矿多污,生态环境十分敏感、自然灾害多发频发,迫切需要利用遥感技术监测其自然资源、环境变化与灾害现象。虽然近年来国内外已逐渐开展亚热带遥感应用研究,但缺乏对亚热带遥感理论与方法的系统性研究,共性与科学问题尚不明晰。本文总结分析了中国亚热带遥感的3个基本特征,按遥感数据类型梳理了中国亚热带遥感的应用实践;进而归纳出中国亚热带遥感实践的4个共性问题,指出亚热带遥感核心元素的主要特点、地理对象的复杂性与遥感信息的病态性,提出中国亚热带遥感的4项重点任务;然后,分析了当今中国亚热带遥感发展的历史机遇,阐述了中国亚热带遥感的创新发展途径,包括厘清人地现象的动态特征、聚焦亚热带遥感的科学问题、攻克不同层面的关键难题、结合应用需求开展技术攻关与重点研发。论文旨在推动亚热带遥感应用的创新发展、促进亚热带遥感理论与技术体系形成,进而助力卫星及航空遥感更好地服务于中国亚热带地区的资源环境监测、区域防灾减灾、生态文明建设与“双碳”目标。

汶川地震前多圈层短—临遥感异常回顾及其时空关联性

地震孕育过程伴随物质迁移、能量释放与信息交换。通过遥感手段获取地表、大气及电离层变化信息,进行地震异常分析与前兆识别,已成为遥感与地震科学交叉研究热点。本文收集整理了2008年汶川大地震以来,国内外发表的该地震潜在遥感异常研究论文;回顾了盖层、大气层、电离层的20个遥感参量异常显现的个体特征,分析了其时空关联性,揭示了总体时空特征。研究表明:(1)汶川地震遥感异常显现是逐渐增多、增强和聚拢的,地震短临前兆突出;(2)震前3个月开始,短—临遥感异常由盖层、大气层往电离层渐次显现,与岩石圈—盖层—大气层—电离层(LCAI)耦合范式吻合;(3)短—临遥感异常显现位置与发震断层相关性较强,主要集中于龙门山断裂带(LMSFs)及其周边区域;(4)多种短—临遥感异常区覆盖震中,且多个条带状异常区与LMSFs走向一致,体现了孕震后期LCAI耦合的局地效应。本研究有益于内陆大地震孕育后期的遥感监测分析,也可为地震预测研究提供参考。

克里金时空自回归模型在变形建模中的应用

针对时空自回归模型的空间权阵大多采用邻接性和反距离加权法导致模型预测精度较低的问题,该文提出了一种基于克里金法空间加权的时空自回归模型,通过普通克里金插值法原理来定义空间权阵,并利用五强溪大坝5年的观测数据分别对传统空间加权和克里金法空间加权进行建模对比。结果显示,克里金法加权比传统加权的变形预测精度提高44%左右,说明克里金时空自回归更适合建立大坝时空变形模型。该方法描述了实际空间的变异情况,提高了变形建模的预测精度,可用于大坝及其他变形体的变形建模。