基于时间尺度分离的中国东部夏季降水预测

基于时间尺度分离,利用NCEP 第2代气候预测系统（CFSv2）每年4月起报的夏季月平均预测资料,结合实际观测资料和再分析资料,对江淮流域及华北地区夏季降水距平百分率进行降尺度预测.将预测量和预测因子分为年际分量和年代际分量,在两个时间尺度上分别建立降尺度模型,两个预测分量之和为总预测量.对1982-2008年拟合时段的夏季降水距平百分率的回报结果表明降尺度预测结果相对于原始模式结果预测技巧显著提高.降尺度预测与实况降水在江淮流域和华北地区的空间相关系数最大值超过0.8,多年平均值也分别提高到0.53和0.51;时间相关在每个站点也显著增强,相关系数为0.38～0.65.对2009-2013年进行独立样本检验,结果表明：降尺度模型能较好地预测出该时段的降水异常空间型态.同时,该模型对2014 年夏季降水长江以南偏多、黄淮地区偏少的分布形势也有一定预测能力.

时间尺度分离在华南夏季极端高温预测中的应用

基于高温日数存在受不同物理因子影响不同时间尺度变率的特征,应用滤波对华南夏季高温日数进行时间尺度分离,得到高温日数的年代际分量和年际分量。统计分析高温日数总量、年代际分量和年际分量在各自对应时间尺度上的影响因子,采用"向前"交叉检验逐步回归法,分别建立高温日数总量、年代际分量和年际分量的回归模型。高温日数总量的回归模型即为高温日数不区分时间尺度的直接回归模型,而两个分量回归模型拟合结果的叠加,即为高温日数时间尺度分离统计模型对总量的拟合。利用十折交叉检验法,对高温日数直接回归模型和时间尺度分离统计模型的拟合结果进行比较:相比高温日数直接回归模型,时间尺度分离统计模型的年代际分量均方根误差由2.6降低到2.3,与观测数据的相关系数由0.69提高到0.73(显著性水平α=0.01);年际分量均方根误差由3.2降低到2.9,与观测数据的相关系数由0.4(α=0.1)提高到0.48(α=0.01);高温日数总量均方根误差由4.1降低到3.7,与观测数据的相关系数由0.48提高到0.62(α=0.01)。1979~2010年拟合时段华南夏季高温日数的回报结果表明:两模型回报结果与观测数据均存在明显相关(α=0.01),直接回归模型的相关系数为0.57,时间尺度分离统计模型提高到0.72。2011~2013年独立检验时段的预测结果表明:直接回归模型预测结果的平均均方根误差为26.4%,时间尺度分离统计模型降低到12.3%。初步结果表明,两模型对华南夏季高温日数均有一定的预测能力,而时间尺度分离统计模型的预测结果有所改进。

基于时间尺度分离的斗门开汛日期预测模型

采用小波分析、低通滤波、相关分析、逐步回归以及最优子集回归等方法建立斗门开汛日期的预测模型。将开汛日期序列分解为年际变化和年代际变化2个分量,分别研究其与前期冬季500h Pa高度场、850 h Pa风场、海平面气压场和海温场的相关性,并将显著相关区域作为初选因子。通过逐步回归将因子数限制在10个以内,最后应用最优子集回归建立预测模型。结果表明:这种分离时间尺度的回归预测模型具有较好的拟合效果,计算得出的回归序列与原距平序列相关系数为0.81,两者同号率为77.8%,其中相差±7 d以内年份约占42.2%;相差±15 d以内的年份约占75.6%。最后对2012—2014年开汛日期进行试报,其中2012和2014年试报效果较好,误差分别为-5.89和-10.45 d。

吉林春旱期降水潜在影响因子的分离时间尺度分析

基于1960-2012年的地面常规气象指标、大尺度气候指数和NOAA气候分析产品，利用功率谱周期分析、时间尺度分离分析和交叉检验的逐步回归分析等，把吉林省春旱期（4-5月）降水量分离成不同时间尺度的值，并在年代际尺度和年际尺度下分别找到显著相关的影响因子。结果表明：吉林春旱期降水存在着2～4a的年际变化和10a左右的年代际变化。在年代际尺度上，4月降水与前期3月南半球环球状态指数以及俄罗斯东部高纬地区的低空经向风有关，5月降水与同期北半球环球状态指数和前期4月太平洋中高纬环流有关；在年际尺度上，4月降水与前期3月混合ENSO指数和同期当地相对湿度、华东华北沿海地区的低层经向风有关，5月降水与同期北大西洋涛动指数以及局地相对湿度、地面气压有关。利用选出的影响因子对降水进行预报，估计值和真实值的相关系数分别为0．67（4月）和0．81（5月），且选择合适的影响因子比模型结构更加重要。

不同时间尺度海温因子对西北地区东部夏季降水的影响及预测

利用1961—2020年中国西北地区东部夏季降水量月平均资料、NCEP/NCAR环流再分析以及英国Hadley逐月海表温度(SST)资料,采用功率谱、合成分析、多元线性回归等,分析了西北地区东部夏季年代际、年际降水分量的主导海温模态,并利用时间尺度分离前后得到海温因子分别建立降水预测模型。结果表明:(1)西北地区东部夏季降水不仅具有30 a左右的年代际震荡周期,还具有准3 a的年际周期,其中降水的年代际分量由太平洋十年际涛动(IPO)主导,春、夏季IPO正位相时,有利于西北地区东部夏季降水处于偏多的背景;反之,处于降水偏少背景。(2)降水年际分量的主导信号来自热带印度洋、热带西太平洋和北大西洋,当春季热带印度洋呈类全区一致海温模(IOBW)负(正)位相、类北大西洋三极子(NAT)为正(负)位相及热带西太平洋为冷(暖)海温异常时,有利于夏季中高纬贝加尔湖地区出现高(低)压异常,西太平洋副热带高压偏弱(强)、偏南(北),西北地区东部降水易偏少(多)。(3)独立检验时段内,基于时间尺度分离模型的西北地区东部夏季降水年均趋势异常综合评分(Ps)、符号一致率评分(Pc)分别较原始模型提高6%、7%,具有一定的预测能力。

一种分离时间尺度的统计降尺度模型的建立和应用——以华北汛期降水为例

针对预报量变化中存在受不同物理因子控制的不同时间尺度变率特征,本文提出了分离时间尺度的统计降尺度模型。应用滤波方法,将不同尺度的变率分量分开,在各自对应的时间尺度上利用不同的大尺度气候因子分别建立降尺度模型。华北汛期(7～8月)降水具有年际变率和年代际变率,本文以华北汛期降水为例利用分离时间尺度的统计降尺度模型进行预测研究。采用的预报因子来自海平面气压场、500hPa位势高度场、850hPa经向风场和海表温度场以及一些已知的大尺度气候指数。利用基于交叉检验的逐步回归法建立模型。结果表明,年际尺度上,华北汛期降水与前期6月赤道中东太平洋海温以及同期中国东部的低层经向风密切相关;年代际尺度上,在东印度洋—西太平洋暖池海温的作用下,华北降水与前期6月西南印度洋海平面气压有同步变化关系。年际模型和年代际模型的结果相加得到对总降水量的降尺度结果。1991～2008年的独立检验中,模型估计的降水和观测降水的相关系数是0.82,平均均方根误差是14.8%。结合模式的回报资料,利用降尺度模型对1991～2001年的华北汛期降水进行回报试验。相比于模式直接预测的降水,降尺度模型预测的结果有明显改进。改进了模式预测中年际变率过小的问题,与观测降水的相关系数由0.12提高到0.45。

华北汛期降水分离时间尺度降尺度预测模型的改进

本文采用偏相关预报因子挑选法和条件降尺度法,对已有的华北汛期（7~8月）降水时间尺度分离（TSD）降尺度模型进行了改进。利用偏相关法,找到一个新的影响华北汛期降水年际分量的前期预报因子,即6月北大西洋—欧亚遥相关（AEAT）。该因子将扰动信号储存于北大西洋三极子结构,并在7~8月释放出来影响下游贝加尔湖低压系统的发展,从而影响华北汛期降水。利用6月Ni？o3指数和AEAT指数,本文建立了条件TSD统计降尺度模型,即按照预报因子的强度进行逐年分类,对于每个分类设计相应的预报模型,从而避免信息较弱因子的干扰。条件TSD降尺度方法显著改善了华北汛期降水的预测技巧,在独立检验阶段,预报降水与观测降水的相关系数由原模型的0.61提高到0.77,符号一致率从70%提高到87%。

基于轨迹线性化控制的再入轨迹跟踪制导

针对高超声速飞行器再入制导问题,提出了一种基于轨迹线性化控制(TLC)方法的轨迹跟踪制导律.利用再入飞行器动力学固有时间尺度分离的特点,通过外环路和内环路的设计分别对高度和速度进行控制.轨迹倾角被用作外环路的虚拟控制量来控制高度;倾侧角和迎角用于在内环路跟踪轨迹倾角指令和速度.在反馈回路通过设计线性时变控制器对误差动态进行镇定.反馈增益可在线计算并能符号化地表示为参考轨迹的函数,从而避免了增益插值调度和可能需要的模式切换.大量仿真结果表明:TLC可以实现轨迹的精确跟踪且控制参数对不同参考轨迹的依赖性很小;TLC与基于轨迹在线生成的制导方法的结合可以显著提高再入制导的自主性和适应性.

考虑复合控制系统动态特性的前向拦截制导律

为满足临近空间拦截高速大机动目标的实际需求,研究了考虑直接力/气动力复合控制动态特性的前向拦截制导律设计方法。在考虑连续气动力和离散直接力特点的基础上,给出了一种在气动舵控制基础上设计连续直接力、然后通过冲量等效法进行离散化的直接力设计方法,避免了复杂的控制分配问题。根据二维前向拦截导引运动学模型和拦截导弹动力学模型,利用时间尺度分离,将拦截导弹和目标的质点运动学与加速度慢变子系统构成的动态系统,看成慢变子系统,设计了俯仰角速度指令;将俯仰角速度动态子系统看成快变子系统,通过对俯仰角速度指令的跟踪控制设计得到考虑复合控制系统动态特性的前向拦截导引律。仿真结果校验了本文方法的正确性和有效性。

应用Lyapunov方法分析自旋导弹动态逆控制器鲁棒性

针对自旋导弹的强非线性特性,设计了二时间尺度分离非线性动态逆控制器.给出了带有气动系数不确定性的控制系统状态空间表达式,利用Lyapunov方法分析了控制器的鲁棒稳定性,并结合舵机性能限幅给出了使系统稳定的内回路时间常数完整边界.通过仿真给出了保证控制系统稳定的气动系数拉偏边界.结果表明:当气动系数向使弹体系统静稳定方向拉偏时,内回路时间常数可取范围较大,反之可取范围逐渐减小直至无法使系统稳定;当内、外回路时间常数比例增加时,控制器对气动系数不确定性的敏感度增加.与三回路控制器相比,动态逆控制器鲁棒性较差,但响应的稳定性较好.

一种利用动量轮的弹头姿态控制系统概念研究

对一种以动量轮为执行机构的具有中性静稳定外形的再入弹头姿态控制系统进行了概念研究。从动量矩定理和中性静稳定原理阐述了这种控制方案从理论上是可行的。推导了动量轮控制弹头的姿态动力学方程,并基于分离时间尺度方法设计了姿态控制系统。对该姿态控制系统仿真研究表明:1)姿态角跟踪回路性能良好;2)在不需要太大的动量轮控制输入力矩的情况下,能实现滚动通道稳定控制;3)俯仰和偏航通道的正弦跟踪需要相对较大动量矩的动量轮作为执行机构来实现高精度跟踪控制。

兰州市PM_(10)污染变化特征及其成因分析

利用2001年1月～2007年12月兰州市空气质量日报数据,结合时间尺度分离法,分析研究了兰州市PM10污染的年、季变化特征、年变化趋势及其成因.结果表明,2001年以来兰州市PM10污染有所减轻,年日均PM10浓度由2001年的236μg.m-3下降为2007年的127μg.m-3,空气质量为优、良的天数增加了1.3倍,但年平均PM10浓度仍超过国家二级标准,超标率为25%;PM10污染存在明显的季节变化,冬半年的11月、12月和1～4月PM10浓度较高,月平均最大值和次大值分别出现在12月(271μg.m-3)和3月(245μg.m-3),5～10月PM10浓度较低,基本维持在150μg.m-3以下;61.2%的中度污染和50.6%的重度污染发生在冬季,67.4%的优良天数出现在夏季和秋季;2001～2007年,兰州市PM10浓度每年下降12.6%与兰州市烟、粉尘年排放量变化趋势一致;由于沙尘、浮尘天气造成的自然尘排放量的年际变化对PM10浓度年际变化趋势的贡献约为21%,而局地气象条件的扰动对PM10浓度年际变化的影响很小.近年来兰州市PM10污染状况的改善主要是由本地污染物排放量的减少造成的,同时也受沙尘、浮尘天气年际变化的影响,要长期有效地改善兰州市大气环境质量,不仅要制定科学合理的本地减排措施,还应考虑周围生态环境的改善.

复杂结冰环境下飞机鲁棒飞行安全包线分析

结冰是威胁飞行安全的重要环境因素,研究复杂结冰环境下飞机的飞行安全包线对于飞行安全边界保护,确保飞机飞行安全具有重要意义。以RCAM为研究对象,利用时间尺度分离原则将飞机解耦成两个子系统,建立了考虑飞机横向运动的纵向运动模型和复杂结冰环境下鲁棒气动导数模型。基于可达集最优控制理论,以反向可达集作为飞机复杂结冰环境下的飞行安全包线,利用可达性分析研究结冰及横向滚转运动对飞行安全包线的影响,在此基础上,进一步分析考虑不同结冰程度下结冰位置、冰型及分布等不确定性结冰情况时飞机的鲁棒飞行安全包线。仿真结果表明,随着结冰程度增加,飞行安全包线不断收缩,当考虑结冰不确定性因素时,轻度结冰条件下的鲁棒飞行安全包线较重度结冰条件下收缩更为严重。因此,即使飞机只是遭遇轻度结冰,但当存在不确定性因素时,飞行风险仍然较大,飞行员应该保持警惕。研究结果可为飞机在复杂结冰环境下的边界保护提供支撑和参考。