基于再分析尺度化因子的集合预报初值扰动对台风烟花(2106)预报的影响

为考察基于再分析尺度化因子的集合变换卡尔曼滤波(ETKF_R)初值扰动方案对台风预报的影响,利用中国气象局区域集合预报系统(CMA-REPS)开展了2021年7月18—29日的回算试验,分析了初值扰动结构对登陆台风烟花路径和强度预报的影响,并与ECMWF和NCEP全球集合预报进行对比。结果显示:ETKF_R方法改善了初始三维风场的扰动幅度和结构,但台风初始位置和强度的离散度偏小;ETKF_R方法能合理降低对台风路径预报起关键作用的天气系统的集合离散度,从而限制台风移速和移向的过度发散,提高“烟花”全生命史的路径集合平均预报技巧,并改善台风路径集合平均误差与离散度关系;ETKF_R预报前24 h台风结构和强度的离散度能快速增长,其24 h后台风强度集合平均预报效果与ETKF方案基本相当;与国际先进的全球集合预报相比,ETKF_R对“烟花”登陆的预报效果最优,其统计平均的0~2 d路径预报误差与ECMWF集合相当,而NCEP集合的0~2 d路径预报误差最小,但过发散特征明显;同时,ECMWF集合对“烟花”的强度预报总体严重偏弱,而NCEP集合对预报台风最大强度的准确性较高,但预报的台风增强速度比ETKF_R慢。上述研究结果表明,CMA-REPS的台风路径和强度预报具有业务参考价值。

最佳网格分析尺度下城市绿色基础设施的景观格局对碳汇绩效的影响研究

有效规划和管理城市绿色基础设施(UGI)的组成和结构以维持高水平的UGI碳汇绩效对于节约国家资源和应对气候变化至关重要。然而目前UGI景观格局对碳汇绩效的影响因素仍不明确,因此,旨在量化UGI景观格局对碳汇绩效的影响,为低碳导向下UGI的管理和优化决策提供理论基础。首先,利用景观指数法对武汉市UGI景观格局进行多尺度量化。然后使用哨兵2号数据改进的CASA模型、生物量-碳转换系数评估了多尺度下武汉市UGI的碳汇绩效。并整合莫兰指数和半变异函数识别了武汉市UGI景观格局和碳汇绩效的本征尺度。最后,以本征尺度为最佳网格分析尺度揭示了UGI景观格局对碳汇绩效的关键影响因子。结果表明:1)武汉市UGI碳汇绩效不存在城乡梯度差异但依然存在空间分异和空间聚集特征;2)2.5km是最佳网格分析尺度,宜作为低碳导向下武汉市UGI的最佳管理单元;3)UGI碳汇绩效与耕地、湿地占比和聚集度呈负相关,而与林地、草地占比和聚集度成正相关,林地的高连通度也意味着UGI的高碳汇能力。此外,湿地和林地的形状指数对碳汇绩效也有显著影响。建议在2.5km尺度下从增加林地占比、构建绿廊、减少冬闲田、碳汇树种选址种植等方面提升UGI的碳汇绩效。

基于最佳分析尺度的广州市景观格局分析

利用遥感、GIS技术和指数分析软件确定最佳分析尺度,对广州市景观格局进行量化研究。对14个不同粒度的栅格图分别进行35个相关指数运算,根据15个敏感指数确定最佳分析尺度为120 m;选取空间组成和空间构型两方面的系列指数,在此尺度下对研究区域进行指数运算和格局分析。研究结果表明:广州是以林地、水田和旱地为主要景观类型的复合景观结构,优势景观明显,3种主体景观类型集中连片、分布广泛;建设用地比例比全国平均水平偏高;建设用地和水库坑塘斑块密度大,平均斑块面积小,景观破碎度较高。景观格局的量化受尺度效应影响,表现出空间异质性的尺度依赖性,因此在格局分析时需选择最佳分析尺度,突出格局的尺度性。

海域重力异常模型的多尺度分析

不同于传统的重力异常模型精度分析方法,本文以马里亚纳海沟区域(140°E—150°E,10°N—20°N)为例,利用DOG球面小波提取了DTU10、DTU17和SIO V32.1模型在不同波段内的重力异常信号,对模型间的差异进行了深入分析,并对基于径向基函数的不同深度、不同分辨率的多尺度分析进行了尝试。利用DOG球面小波对各模型多尺度分析的结果表明,随着尺度变小,模型间的差异在变大;DTU10、DTU17模型间的差异主要集中在10.9~43.6 km的波段内,分布在海岸、海沟、海底山附近,体现了Cryosat-2、Jason-1/GM观测数据和FES2014海潮模型的贡献;受模型构建方法不同、观测数据增多和波形重跟踪的影响,DTU17、SIO V32.1模型的差异大于DTU10、DTU17之间的差异。对传统径向基函数进行了改进,实现了多深度、多空间分辨率情况下径向基函数多尺度分析,结果略优于单一深度、单一空间分辨率径向基函数构建结果,有望应用于多源数据的重力场模型构建。

基于小波多尺度分析大气边界层高度提取方法研究

大气边界层物理演变特征及复杂边界层结构对大气污染过程的影响机制研究中,迫切需要边界层精细化结构的探测手段。通常使用梯度法和小波协方差变换法的方式进行边界层高度提取,但由于该方式容易受到噪声和气溶胶层结构的影响,实验误差较大。提出使用小波多尺度分析方法细化边界层特征结构,从而筛选出有效的细节信息,提高对探索边界层高度的准确性。此外,基于GBQ L-01激光雷达设备实测合肥地区全天气溶胶分布情况,使用小波多尺度分析方法分析对应的平行分量距离平方矫正信号、垂直分量距离平方矫正信号和退偏振比全天分布情况。实验结果表明,该方法准确性高,与梯度法、小波协方差法相比具有更高的稳定性与连续性。对特殊时间点进行数据分析,明确主要影响边界层高度的主要因素,并确定各个时间段的大气边界层高度值。

固体发动机药柱低温点火开裂失效的跨尺度分析

为了准确预测推进剂装药在低温点火过程中是否发生开裂,提出了一种全局⁃局部单向收缩耦合的跨尺度分析方法。针对高能硝酸酯增塑聚醚(NEPE)推进剂,开展低温中应变率单轴拉伸试验,获取了推进剂的典型失效模式。结果表明,基于发展的推进剂非线性粘弹性本构模型,实现了固体发动机药柱低温点火的宏观结构分析,获取了推进剂药柱结构危险点的位置;同时建立了考虑颗粒与基体界面脱湿和颗粒断裂的细观颗粒填充模型,进一步将宏观结构分析结果作用于相应的细观代表性体积单元(RVE)上。最后,建立推进剂细观失效准则,表明在低温点火条件下药柱结构完整性满足要求。收缩跨尺度分析方法可作为预测药柱在低温点火过程中开裂行为的有效手段。

GOES-16 ABI观测和ERA5全天空模拟亮温揭示的热带对流水平特征尺度对比分析

本研究通过将GOES-16 ABI观测亮温和ERA5再分析资料的全天空模拟亮温进行对比分析,发现观测亮温和模拟亮温对流低值区位置大体接近,也能够定性反映出对流从发展到减弱的日变化过程,但亮温低值区域的强度存在较大差异。即使把高分辨率ABI通道13观测亮温平均到ERA5分辨率(0.25°×0.25°),在热带对流区的低亮温强度仍然高于ERA5全天空模拟亮温。因此利用主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)和离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform,DFT)对任意选择的两对流区域内的观测和模拟亮温进行了尺度分析和对比。在其中对流较强的区域内,当ABI观测亮温的主成分分量从1增加到9时,水平特征尺度从700 km逐渐减小到150 km。ERA5全天空模拟亮温从主成分1增加到4时,水平特征尺度从950 km减小到270 km空间尺度,但当主成分4增加到9时,特征尺度几乎不变。在对流较弱的另一区域也能够发现ERA5模拟亮温对对流水平特征尺度有明显高估。ERA5模拟亮温各主成分的相位和观测亮温存在2 h以内的误差。由于ERA5全天空模拟亮温低值区与ERA5云冰路径大值区吻合度较高,由此可以推测ERA5云冰路径误差是造成ERA5全天空模拟亮温与ABI观测亮温差别的主要原因之一。

基于生成对抗网络模型的SMAPL4土壤水分产品降尺度分析

土壤水分是地表和大气水热过程交换的重要纽带,对于农业生产以及优化种植结构具有重要意义,NASA卫星下的SMAPL4是一种以被动微波遥感技术为手段对土壤湿度监测的产品,具有可穿透云层和全天候监测等能力,但其较低空间分辨率很难满足小尺度或小区域范围的实际研究需求。鉴于此,根据云南省姚安县高原灌区特殊的地理位置,引用相关系数推演得出与研究区土壤水分空间分布有关的解释变量,沿用随机森林算法,耦合1 km包含地表温度和归一化植被指数的MODIS地表产品,建立基于RF全局窗口线性回归的1 km级被动微波土壤水分空间降尺度模型;而后堆叠地表温度(LST)、归一化植被指数(NDVI)、降水量(Prec)、地表蒸散量(ET)等4个变量形成条件生成对抗网络框架,并使用均方误差(RMSE)和条件生成对抗性损失函数训练神经网络来建立低分辨率和高分辨率映射关系,随即获得降尺度后土壤水分空间分布结果;最后将实际采样和监测站点提供数据做空间平均聚合后,与SMAPL4原始结果的CGAN、RF降尺度结果进行对比分析。结果表明:LST、NDVI、Prec、ET与土壤水分的相关性均值均大于0.44,具有相关关系,条件生成对抗网络降尺度结果对指标R^(2)和Bias表现效果最好,均值分别为0.7和0.032;RF降尺度结果对RMSE的效果最好,均值为0.006。同比SMAPL4原始数据,RF结果空间分布更为平滑,但极值差异性较大;CGAN结果能有效表征土壤含水空间分布状况,其数据变异性和极值表征能力更为突出。经RMSE与对抗性损失函数训练后,认为0.2~0.28的值域分布为降尺度后的研究区土壤水分数值分布结果。

高速公路排水沥青路面可持续服务性能的多尺度分析

为深入研究排水沥青路面性能影响因素,综合分析了高速公路排水沥青路面的综合服务性能,基于盐靖高速加铺排水沥青路面实体工程,并结合吸声试验、降温试验等室内试验评价,分别对不同空隙率、不同厚度的PAV-13车辙板进行降噪、降温、排水、抗滑特性分析;同时,通过分析4年间道路营运管理系统调度指挥中心值班记录和高速公路安全管理信息,对所得交通事故数据进行调查统计分析。结果表明:盐靖高速公路在路面加铺排水沥青层之后,昼间大约可以降低交通噪声6 dB,夜间可以降低交通噪声约5 dB,这表明排水沥青路面具有较显著的降噪效果,有效吸收轮胎与路面之间产生的高、低频噪声;排水沥青混合料的渗透系数明显大于密级配沥青混合料,每增加2%的空隙率,渗透系数约增加17%,最终高达0.158 cm/s,显示出其出色的排水能力;值得注意的是,排水沥青路面的临界滑水速度较密级配路面提升了9%~40%,意味着在路面积水情况下具有更高的车速上限,从而提高了路面的安全性能;另外,调查发现排水沥青路面能显著降低雨季交通事故率,特别是3—8月份,降雨量大时交通事故率明显低于其他月份。因此,排水沥青路面的卓越排水性能和抗滑性能为提升道路安全性提供了重要支持。

不同空间尺度下南京都市圈区域生态用地景观格局演变分析

随着城镇化进程的不断推进,都市圈已经成为我国城镇化发展格局的主体形态之一。区域生态用地对维护都市圈生态系统安全具有重要作用,开展多尺度景观格局分析有利于把握快速城镇化背景下都市圈区域生态用地景观格局的演变特征和规律。本研究以南京都市圈为例,基于2000—2020年Landsat影像数据,综合使用动态度、土地利用转移矩阵、景观格局指数等方法,分析都市圈、城市、区县3个尺度下区域生态用地景观格局。结果显示:(1)近20年间南京都市圈区域生态用地总体规模呈“急剧下降”到“逐渐增加”的趋势,其变化具有明显的转入和转出双向特征;水域和草地景观格局趋于破碎化,林地景观优势度提升。(2)城市尺度下各城市区域生态用地规模在时间上的变化特征与都市圈基本一致,但在景观格局变化上具有差异,其中宣城区域生态用地景观格局逐渐优化,而淮安、马鞍山、芜湖则破碎化程度增加。(3)区县尺度下约半数以上区县的区域生态用地的规模下降且景观破碎化增大,其中盱眙县、郎溪县和广德市加剧明显。研究结果表明:多尺度分析不仅有助于深入全面了解都市圈区域生态用地格局演变特征,还有利于制定满足不同空间层次且兼顾差异性的生态保护策略。

基于尺度分析的CMA-GFS全球能量评估

全球模式能量循环和能量转换规律可准确反映模式动力和物理过程相互作用的物理机制,是诊断大气环流特征的重要方法。基于混合时空域能量循环框架,采用尺度分析方法,利用2022年中国气象局全球数值预报系统(CMA Global Forecast System,CMA-GFS)全球预报产品及欧洲中期天气预报中心第5代再分析资料(ECMWF reanalysis version 5,ERA5),考察CMA-GFS不同尺度下的能量蓄能及转换特征,以此诊断模式的误差来源。结果表明:CMA-GFS可有效预报大气能量循环基本特征,但其对斜压性的高估导致平均环流有效位能偏强,且具有随预报时效逐渐增长的趋势。定常和瞬变涡动能量分别受行星尺度和天气及以下尺度分量主导。涡动有效位能误差由模式斜压性决定,其中CMA-GFS的定常涡动有效位能偏高而瞬变涡动有效位能偏低。定常和瞬变涡动动能均存在系统性低估,负误差主要集中在副热带急流和极夜急流中心附近,偏强的正压输送使更多能量向平均环流转换,涡动能量偏弱。CMA-GFS的4种涡动能量在冬季预报偏低,而在夏季偏高或略偏低,严重削弱了季节变化影响。

面向离散粒子多尺度分析CPU/GPU架构的并行近邻搜索算法

离散粒子法在解决前沿科学和工程领域中的复杂多尺度问题中具有广泛的应用。针对离散粒子大规模多尺度计算中相邻粒子对搜索过程计算复杂度显著增加和并发度下降的问题,提出了一种适用于众核架构(CPU/GPU)的高并发、低内存占用并行近邻搜索算法。通过提出一种基于多层嵌套网格概念的层间相互作用方法,解决了不同层级间粒子对相互搜索时的数据竞争问题;通过引入非对称映射方法,避免了粒子在多级链表上的全映射,降低了内存消耗。一系列数值实验表明,该算法可有效处理108量级粒子体积跨度变化的多尺度问题,相较于传统算法可取得2~8倍的加速效果和更低的内存消耗特性,基于GPU的算法实现可达到当前领先的计算效率。

周期复合材料二次特征值问题的二阶双尺度分析与计算

对周期复合域的二次特征值问题(Quadratic Eigenvalue Problem,QEP),本文提出了一种二阶双尺度(Second-Order Two-Scale,SOTS)渐近分析和计算方法 .该方法考虑一种包含速度阻尼的典型QEP,对特征函数进行渐近展开并设计了有限元算法,采用线性化方法求解均匀化二次特征值问题.数值算例表明,该方法可以有效处理此类非线性特征值问题,且二阶校正器在描述特征函数的局部行为和高效获得特征值的逼近值等方面起着重要作用.

宜昌市远安县一次下击暴流中尺度分析

为进一步探究宜昌市复杂地形下下击暴流的形成机制,利用常规气象观测资料、区域站观测资料、FY-4B卫星资料和多普勒天气雷达资料,对2023年8月22日湖北省宜昌市远安县一次下击暴流过程进行分析。结果表明:①此次下击暴流伴随着气压陡升、气温骤降、风向突变、风速骤增的现象,发生在高空冷槽后部偏北气流控制下,垂直方向呈现“上冷下暖”的不稳定结构,中尺度地面辐合线、午后的加热、冷空气的侵入共同触发了当日的对流;②中尺度对流云团的发展、合并造成了远安县此次强对流天气,下击暴流的产生同时伴随云体结构快速坍塌及云顶温度骤降的特征;③此次下击暴流显示以传播方式触发新生对流的多单体强风暴特征,且出现深厚的中层径向辐合、回波悬垂及有界弱回波特质。差分反射率因子柱(Zdr柱)、差分相位常数(Kdp)缺值区等双偏振参数特征对当日对流天气具有一定指示意义。

农村居民点多尺度空间特征分析与评价

提出一种从“全域、区块、地块”3个尺度,“规模特征、集聚程度、空间形态”3个维度进行农村居民点空间分布特征分析的方法。实验以长兴县为研究区,利用U-net神经网络模型提取多尺度农村居民点边界,并利用四项面积指标分析、热点分析及形状指数分析等方法,对居民点的分布特征进行多尺度分析与评价。研究结果表明:1)全域尺度上,研究区属于用地集约地区,且宅基地用地接近当地最低标准;2)区块尺度上,研究区农村居民点的面积属性呈现明显的“冷热点”特征;3)地块尺度上,研究区居民点主要呈现出条带形、分散形和片块形,整体图斑面积偏大、空间形态较为规整。多尺度空间特征分析对研究平原地区城镇化发展现状有着重要的现实意义。

周期复合结构上的弹性二次特征值问题的多尺度渐近分析方法

针对周期复合结构上的弹性二次特征值问题,本文提出了一种基于二阶双尺度(Second-Order Two-Scale, SOTS)方法的多尺度分析方法 .该方法考虑速度阻尼效应的二次特征值问题,给出了特征值、特征函数的二阶渐近展开,以及特征值的误差估计.本文给出了方法的有限元实现,并通过近似值和参考解之间的定性和定量比较验证了方法的有效性.数值算例结果表明,特征值与特征函数中的二阶校正项对于重构单胞内特征函数的局部信息发挥着重要作用.

湘中地区地级市植被覆盖变化多尺度分析

归一化植被指数(NDVI)作为一种植被指数,其数据集合在一定程度上可以反映区域的植被覆盖变化情况,是监测生态环境变化的一项重要指标。本文以湘中地区XT市为研究区域,以250 m空间分辨率的NDVI数据集作为数据源,采用一元线性回归方法和相关系数方法,从省、市、县3个尺度对比分析不同尺度的植被覆盖变化,为不同尺度上的宏观生态政策制定提供参考。结果表明,研究区大部分区域植被覆盖呈明显增加趋势;市、县区植被覆盖增长速率低于全省年均增长率,且XT市、XX市和SS市植被覆盖呈明显增长趋势。

基于谱图小波的神经精神疾病患者脑功能网络多尺度分析

基于图信号处理,针对神经精神病患者的脑功能网络展开研究,采用谱图小波变换对脑功能网络进行多尺度分析,根据实验数据构建图拉普拉斯矩阵,从中选取最大特征值对谱图小波变换滤波器进行设计。之后结合血氧水平依赖对比度信号计算出受试者各脑区的谱图小波系数,对其进行多尺度组间差异分析,发现脑功能网络在不同频段下的能量分布存有异常,并对对应的异常脑区予以明确。所采用的谱图小波变换是目前针对不规则数据域中信号展开多尺度分析的最有效方法之一,对其他疾病患者脑功能网络多尺度分析研究具有重要的现实意义。

基于多尺度小波能谱分析的煤储层含气性评价

煤储层含气量是评价煤储层含气性的重要参数之一,采用常规的测井方法很难直接获取准确的含气量。研究首次提出依据不同含气量煤储层的测井响应在小波能谱特征上的差异,通过对密度、声波时差等曲线进行多尺度小波能谱分析,建立小波能谱特征与含气等级之间的对应关系,并以此为依据对其他煤储层含气等级进行判别。实例分析结果表明:采用该方法能够有效提高煤储层含气等级判别的准确性。

多尺度地质结构分析在矿产勘查中的应用探索

本文探讨了多尺度地质结构分析技术在矿产勘查中的应用及其重要性。多尺度地质结构分析通过整合不同尺度的地质数据,提高了矿产资源预测的准确性和效率。首先,我们概述了地质结构的基本概念及其在矿产勘查中的作用。随后,详细分析了多尺度分析技术的具体方法,包括地面地质调查、遥感技术、以及地球物理方法的综合应用。研究表明,通过对地质结构多层次、多角度的分析,可以更有效地定位矿体位置,识别潜在的矿化区。最后,本文通过几个实际案例验证了多尺度分析在提高矿产勘查成功率中的应用价值。