基于并行回火技术优化的大地电磁数据贝叶斯变维反演

传统的梯度类线性化反演方法虽然广泛应用于大地电磁数据的处理,但此类方法存在结果依赖初始模型、无法对解进行不确定性分析等问题。为了解决上述问题,基于随机反演理论,将反演参数看成随机变量,利用贝叶斯变维反演方法对一维大地电磁数据进行反演,获得了解的后验分布,并给出了解的不确定性分析;为了加速反演收敛,引入并行回火技术,同时运行不同温度的马尔科夫链,使采样过程可以在不同温度的马尔科夫链之间进行交换;最后对含噪的理论模型进行反演,并与传统贝叶斯变维方法进行对比,验证了并行回火技术对算法的改进是有效的。

多普勒激光雷达风场反演方法研究

采用三维变分同化反演(3DVAR)、四维变分同化反演(4DVAR)对多普勒激光雷达资料反演风场的方法进行了研究,利用车载多普勒激光雷达在2008年残奥会测试赛期间外场试验取得的数据,反演了海面10m高度处的风场,并将风场反演结果与浮标资料进行了对比分析,结果表明:3DVAR、4DVAR风场反演方法均能实现近海面风的精细化风场反演,并能反映出风向的变化,反演风场与浮标数据基本一致,在风速较大的天气情况,3DVAR与4DVAR反演风场的一致性要好于风速较小的天气情况;4DVAR反演方法中以浮标资料作为背景场,使得其与浮标的符合程度要好于3DVAR方法反演风场;反演风场的风向与浮标风向具有很好的相关关系,反演风场的风速与浮标风速具有一定的相关关系,反演风场的风向、风速与浮标的风向、风速之间平均均方根误差和平均绝对误差表明,这两序列之间具有一定差别,在风速较小的天气情况下使用时需要注意。

基于FY-3C/MWHTS资料的海洋晴空大气温湿廓线反演方法研究

针对搭载于风云三号C星（FY-3C）上的微波湿温探测仪（Microwave Humidity and Temperature Sounder,MWHTS）,建立了海洋晴空大气条件下温湿廓线同时反演的一维变分反演系统.通过对影响反演精度的各个因素进行分析,确立了该系统的输入参数.对于FY-3C/MWHTS观测亮温与快速辐射传输（Radiative Transfer Model for TOVS,RTTOV）模型的模拟亮温之间的偏差和角度依赖性,采用逐像元统计回归校正方法进行校正.选择西北太平洋海域晴空条件下的校正亮温数据进行温湿廓线的反演,并利用欧洲中期天气预报中心再分析数据集对反演结果进行验证,结果表明：反演的温度廓线和相对湿度廓线的最大平均偏差分别为1.09K和5.4%,最大均方根误差分别为1.48K和22.69%,与未校正亮温的反演结果相比,温度廓线的均方根误差最大可减小1.56K,湿度廓线的均方根误差最大可减小14.71%.反演温湿廓线与背景廓线的精度对比表明：反演的温度廓线在10~70hPa、300~350hPa和700~850hPa内的精度高于背景廓线的精度,而反演湿度廓线的精度除了825~875hPa,其他范围均高于背景廓线的精度,因此FY-3C/MWHTS观测亮温的反演结果可进一步提高预报廓线精度.

无线电频率干扰对MWRI资料反演地表温度的影响

星载微波资料受到地面无线电频率干扰(radio-frequency interference,RFI)的现象正越来越明确地被形成共识,RFI显著增大了受干扰区域地表、大气参数的反演误差。采用一维变分反演法,利用风云三号B星(FY-3B)上的MWRI(microwave radiation imager)一级数据分析了欧洲大陆RFI的分布,提出了针对MWRI亮温数据的RFI订正算法;并采用一维变分反演法反演了研究区域的地表温度,比较了RFI订正前、后的地表温度反演精度。结果表明,一维变分反演法对于RFI识别是有效的; RFI信号对微波资料反演地表温度的影响显著,使其所在区域的地表温度反演结果出现异常,误差较大,甚至导致反演失败。因此,所提出的回归方程可以有效地订正陆地上的微波观测数据,提高资料利用率。

利用ATMS资料反演台风“海燕”温湿场效果研究

通过搭载在NPP卫星上ATMS探测器所获得的微波探测,针对台风"海燕"进行温湿廓线反演,并将反演结果与ECMWF再分析资料对比,研究ATMS资料在台风"海燕"中的反演的应用效果。结果表明,反演所得温湿廓线有着较高的空间分辨率,对台风系统的温湿场结构有着细致的反映。对于实际温度较低的区域,ATMS反演的温度场总体偏低,而实际温度场较高的区域,ATMS反演值总体偏高,在实际应用中需要进行系统订正。在垂直廓线的反演方面,台风三个区域的反演结果与实际观测接近,这对台风的监测与预警有重要意义。

时间域航空电磁数据的自适应变维贝叶斯反演研究

求解地球物理反演问题的目的,不仅是要获得"最佳的"解,还需要提供反演参数的不确定性信息,从而对反演结果的可靠性进行有效地评价.因此,变维贝叶斯反演方法被引入到时间域航空电磁数据的反演解释中.然而,变维贝叶斯反演过程中,Markov链的初始状态和模型采样的步长对反演的效率和结果精度都有较大的影响.为解决Markov链初始状态和模型采样步长的选择问题,本文提出一种时间域航空电磁数据的自适应变维贝叶斯反演方法.该方法采用电导率-深度成像的结果构建Markov链的初始状态,以提高Markov链的收敛性,并缩短"预热"期的时间;同时,在采样过程中通过每次采样模型的数据拟合误差变化情况来自动调整采样步长,以避免采样步长设置不合理带来的影响,并提高模型采样的接受率.最后,通过对正演模拟数据进行反演测试,并与正则化反演结果进行对比,验证了该方法的有效性.反演结果表明,该反演方法不仅可提高反演的效率,还能改善反演结果的精度.

一次局地短时大暴雨中-γ尺度分析

利用多普勒天气雷达和地面降水资料,应用四维变分风场反演方法,对2008年8月14日发生在石家庄城区西北部的局地短时大暴雨进行了深入分析,结果表明:(1)短时暴雨发生时,一般会出现反射率因子超过60 dBz的回波,而且径向速度图上会产生明显的辐合区。(2)依据回波顶高和垂直累积液态含水量产品能够提前18 min预报短时暴雨的发生。(3)四维变分风场反演产品能够清晰地展现短时暴雨发生前后低层的风场结构:首先在3 km以下有气旋性涡旋生成,再由涡旋前部的西南气流激发产生强对流回波,之后涡旋移动;但强回波附近始终存在风向的辐合,致使回波稳定维持,造成当地短时强暴雨。风场反演揭示的中-γ涡旋和风场辐合等小尺度系统,对短时强降水的落区及生消预报有较大的作用,跟踪风场的发展演变可以进一步认清局地短时暴雨发生的机理。

2009年6月3～4日黄淮地区强飑线成熟阶段特征分析

采用多种具有较高时空分辨率的地面观测资料,及多普勒天气雷达三维数字组网系统和四维变分同化反演技术得到的高分辨率资料,分析了2009年6月3～4日发生在我国黄淮地区的强飑线天气过程的形成背景和成熟阶段特征。高空槽后强西北气流带来的冷空气和黄淮地区近地面晴空辐射增温为本次飑线发生前对流不稳定能量的产生和积累提供了大尺度条件,低层较干且温度直减率较大的环境大气有利于本次过程地面出现灾害性大风。对本次飑线系统及伴随的强对流天气现象的分析发现,在系统成熟阶段,地面雷暴高压和飑前阵风锋达到最强且强对流天气现象出现范围最大,飑线系统水平尺度达到β中尺度上限,系统内存在两条对流强回波带,它们之间云的特征及强对流天气现象具有明显差异。根据反演出的风场,分析了飑前弱回波区、飑线主体对流强回波区、飑后弱回波过渡带和层云次强回波区内水平散度和垂直速度的垂直分布,弱回波过渡带和次强回波区在整个中低层均为下沉运动,且弱回波过渡带内下沉运动要强于次强回波区,下沉气流较强而低层辐散层较薄的结构特征与地面灾害性大风关系密切。

FY-3C/MWHTS资料反演陆地晴空大气温湿廓线

针对风云三号C星微波湿温探测仪(FY-3C/MWHTS)的陆地晴空观测资料,建立了一维变分反演系统,对大气的温湿廓线进行反演。为了更好地描述温湿廓线的相关性,同时减小温度和湿度在反演过程中相互之间的误差传递,提出了使用背景协方差矩阵的联合矩阵和单独矩阵进行组合反演的方法。对于MWHTS模拟亮温和观测亮温之间的偏差,使用逐扫描点的统计回归方法进行校正。选择中国部分陆地区域的晴空观测亮温进行温湿廓线的反演,并利用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)再分析数据、美国国家环境预报中心(NCEP)分析数据以及无线电探空观测(RAOB)数据对反演结果进行验证,温湿廓线的反演结果与ECMWF再分析数据验证的最大均方根误差分别是2.59 K和11.87%,与NCEP分析数据验证的最大均方根误差分别是1.88 K和21.50%,与RAOB数据验证的最大均方根误差分别是3.43 K和25.48%,验证结果表明了反演结果的可靠性。另外与国外同类载荷AMSU观测亮温的物理方法和统计方法反演精度进行了对比,结果表明:MWHTS具有较强的湿度廓线以及高空温度廓线的探测能力,且针对MWHTS的观测亮温建立的一维变分反演系统具有较高的反演精度。与NCEP 6小时预报廓线的验证结果表明:反演的湿度廓线可以提高预报廓线的精度。