基于耦合热传导-冰流模型的冰川钻孔温度重建的气候反演算法比较

冰川内部温度与冰面温度变化过程密切相关,因此可由实测冰温-深度剖面重建冰面温度变化。耦合热传导-冰流物理模型及其相关反演算法是基于冰温-深度剖面重建冰面温度变化的理论基础和关键。通过构造理想条件下的数值实验,分析比较了最小二乘法、Tikhonov正则化方法和蒙特卡罗算法重建百年尺度冰面温度变化的实验结果。同时,以我国藏北高原腹地的马兰冰川钻孔资料为例,结合气象资料构造真实钻孔数据模拟实验。分别给出了三种反演算法重建10 a和40 a尺度的冰面温度变化结果,并讨论了不同算法的优劣性和适用性。两组模拟实验结果均表明:Tikhonov正则化方法是目前求解该反问题的最优方法。与其他算法相比,Tikhonov正则化方法在各个时间尺度的重建结果与真实冰面温度变化吻合更好。另外,分别对重建百年和40 a尺度的冰温-深度剖面添加±0.02℃和±0.01℃的随机误差,研究发现Tikhonov正则化方法能够有效降低噪声干扰,相较其他算法得到的解更加稳定。这在一定程度上解决了该反问题中解的稳定性问题。

秦岭南坡佛坪1789年以来1～4月平均温度重建

采用秦岭南坡陕西佛坪龙草坪、光头山、三个包及三官庙建立的秦岭冷杉、油松和铁杉树轮宽度、密度年表 ,分析树木生长对气候要素变化的响应关系 ,重建了佛坪 1 789年以来 1～ 4月平均温度变化 ,并对其进行了变化特征分析。结果表明 ,各样点的树木生长明显受生长季前期温度影响 ,呈较为显著的正相关关系。利用多个样点的年表并引入主分量分析方法建立回归方程 ,显著地提高了回归方程的稳定性和显著性 ,进而提高了重建结果的可信度。功率谱分析结果表明 ,佛坪 1～ 4月平均温度变化具有显著的 3～ 4年周期。而滑动t检验、滑动F检验和Lepage检验结果表明 ,1 8世纪后期以来于 1 896年前后发生了 1 0年时间尺度的方差突变 ,表现为温度波动幅度的变化。

基于浮游有孔虫Mg/Ca温度重建的末次盛冰期以来北欧海次表层温度的变化

对我国第五次北极科考在北欧海所采集的两根岩芯样品进行了冰筏碎屑(Ice-Rafted Debris,IRD)丰度、AMS 14C测年、有孔虫丰度统计、浮游有孔虫Neogloboquadrina pachyderma(sin.)(Nps)稳定氧碳同位素及其Mg/Ca重建的次表层海水古温度等指标分析,建立了20ka以来的年代框架。结果表明,在末次盛冰期(20.0~17.5kaBP),次表层温度整体较低(~3℃),钙质生产力下降,冰筏碎屑输入增加;在冰消期(17.5~11.7kaBP)的Heinrich Stadial 1(HS1)事件中较轻的δ^18O和δ^13C指示大量淡水输入,水体分层加剧,向北输送的北大西洋水聚集在次表层,导致次表层水温逐渐升高。从B?lling-Aller?d(B/A)事件开始,次表层水温度达到4.5℃,表明北大西洋水流入增强。早全新世(11.7~8.2kaBP)早期次表层温度达到6.5℃,钙质生产力升高,冰筏碎屑输入降低;在中全新世(8.2~4.2kaBP)早期(8.2~5.6kaBP),钙质生产力逐渐升高反映通风作用增强,导致营养盐供应增加;6.6~5.6kaBP,明显降低的次表层温度(~4℃)反映夏季太阳辐射量降低以及大西洋水流入减弱;5.6~4.2kaBP期间次表层水变暖导致δ^18O偏轻,而δ^13C轻值反映生产力降低。晚全新世(4.2~0.8kaBP)的新冰期(4.2~3.0kaBP),次表层温度逐渐降低,Nps-δ^13C偏轻反映生产力下降,Nps-δ^18O偏轻以及IRD增加反映冰融水排放。3.0kaBP以来,生产力上升,次表层水体温度不断上升,可能是向北输送的北大西洋水增强。

基于先验信息的压缩感知重建温度场技术

针对利用压缩感知方法重建微处理器芯片温度场存在错失真实热点、从而影响重建精度的问题,提出了一种基于先验信息的压缩感知重建温度场方法。通过对温度场先验信息的处理,结合主成分分析和模拟退火算法有针对性地设计观测矩阵,优化温度传感器的布置,提高重建精度。实验结果表明:与基于特征图的重建方法、基于模拟退火算法布置传感器的方法和基于随机采样的压缩感知重建温度场方法相比,该方法在平均温度误差、最大温度误差和均方误差方面至少分别提升了29.9%、46.6%和53.7%,有更优越的温度场重建性能。

基于正则代数重建算法的二维温度场重建

在使用代数重建算法(Algebraic Reconstruction Technique, ART)对二维非均匀温度场进行重建时,离散误差和投影噪声会随着迭代修正被引入,为了平衡离散误差,减小算法对噪声的敏感度,在ART中引入了正则化项,并使用留一交叉验证法对单位正则化参数进行了选取,根据投影穿过待测区域路径的长度和单位正则化参数动态调整每条投影的正则化权重,实现了对每条投影离散误差和噪声水平的衡量。在不同的投影分布情况下,使用该算法对高斯单峰对称和高斯单峰偏置温度场进行了仿真重建,重建结果表明相比于传统迭代算法,该算法可有效提高温度场的重建精度,并且具有较好的稳定性。

基于LSMR算法的火焰三维温度场重建

光场成像技术可以同时记录入射光线的空间分布信息和传播方向信息,结合相关反演算法,可以进行火焰三维温度场的重建。最小二乘QR分解算法(least squares via QR factorization,LSQR)可以有效求解基于大型稀疏矩阵的线性问题,但是在对火焰辐射强度求解的过程中,难以保证求解的非负性和准确性。非负最小二乘算法(non-negative least squares,NNLS)可以保证求解的非负性,但是计算效率太低。本文提出将最小二乘残差方法(least square minimal residual,LSMR)用于火焰光场成像三维温度场重建,并研究其重建精度、计算效率、抗噪性能等指标。仿真实验表明,LSMR和NNLS算法可以在不同噪声水平下保证求解火焰辐射强度的非负性。在噪声为5%、10%、15%和20%的情况下,LSMR和NNLS算法对辐射强度的求解精度均比LSQR提高了10%以上,且LSMR算法的求解时间比LSQR和NNLS分别降低了一个数量级和四个数量级。可见,LSMR算法可以在保证求解精度的情况下大幅提高运算效率。最后用LSMR算法对模拟光场火焰进行温度场重建,在不同噪声水平下,平均相对误差都保持在1.2%以内,验证了LSMR算法在重建时的准确性和可靠性。

面向光场火焰温度场重建的特征提取优化方法

近年来,利用深度学习的方法从光场火焰图像中重建三维温度分布已成为辐射测温研究领域的一个新方向。传统的温度场重建网络仍沿用平面图像的特征提取方法,不仅忽略了光场图像中记录的三维光线信息,而且没有充分考虑追迹光线的分类问题,致使先验信息的缺失和不同类型特征的杂糅,对温度场的重建精度产生负面影响。本文对网络中的特征提取过程进行了优化,首先将子孔径图像的视角信息添加到网络输入端,然后使用双分支卷积方法分别提取光场的空间特征和角度特征,最后利用注意力机制对特征在不同尺度上的重要性进行建模。本文通过正交实验验证了上述因素对重建精度的影响。仿真结果表明,与传统网络相比,优化方法重建的温度场平均相对误差降低了44.82%,最大相对误差降低了34.76%。

基于稀疏重构的声学CT温度场重建

为降低声学CT温度场重建误差,提出了一种基于稀疏重构的温度场重建算法。在建立基于稀疏重构的声学CT数学模型的基础上,算法设计了一种可提高稀疏重构精度的声学CT观测矩阵优化方法,以稀疏重构算法重建温度场,为稀疏重构算法设计了与噪声水平相关的迭代终止条件。温度场重建实验表明:提出的算法比经典的最小二乘法、SIRT算法重建误差更低,重建的温度场更接近于真实分布,对实际温度场重建有一定应用价值。

基于PCA降维和迭代正则化的温度场重建

针对声学CT对温度场重建的不适定性,该文提出了一种基于PCA降维和迭代正则化的重建算法。通过径向基函数逼近声慢度分布建立声学CT正问题模型;用PCA降维改善逆问题的病态性;用迭代正则化法求解逆问题;利用声慢度与温度的关系得到温度分布。仿真和实际温度场重建实验表明,与常用的最小二乘法和基于奇异值分解的直接正则化法相比,所提算法的重建图像更接近真实分布,重建误差最高可降低86.62%和29.1%。因此基于PCA降维和迭代正则化的重建算法能够提供更高质量的重建温度场。

声学CT温度场重建系统传感器的布局优化

为了使声学CT温度场重建系统对被测温度场有更好的重建能力,提出一种针对对称布置的声波收发器的位置优化方法。以声线穿过的网格数最多且均匀温度场重建误差最小为目标函数,用天牛须算法寻优。在正方形被测的区域中采用此方法对8个收发器位置进行了优化。通过对常见温度场模型的仿真重建,发现此布局对多种温度场模型重建有较好的效果,具有普适性,重建误差也小于传统的均匀布局。

利用树木年轮宽度资料重建川西米亚罗地区过去200年夏季温度的变化

利用川西高原米亚罗地区林线位置高山柏(Sabina squamata)的年轮宽度资料,分析了树轮年表和气候要素的关系。通过相关和响应函数分析得出,树木径向生长对于夏季(6～7月)温度响应最为敏感,上年冬季到早春(12～3月)温度也对树木生长有一定的影响,而年表与降雨没有明显的关系。最终利用树轮年表重建了该地区过去200年(1810～2009年)的夏季(6～7月)平均温度的波动历史,重建方程的方差解释量为43.2%(调整自由度后为41.9%)。重建温度序列的平均值为12.49℃,标准差为0.515℃,其波动特征大致可以分为3个阶段:1850年以前的寒冷时期、1850～1950年的温暖时期以及1950年以后的温度平缓波动时期。重建序列最为寒冷的时期为1810～1830年,其中1824～1825年为最寒冷的年份;重建序列最为温暖的时期是发生在19世纪下半叶(1850～1903年)和20世纪上半叶(1911～1950年),其中1863年和1925年是最温暖的年份。重建温度序列的主要冷期和暖期与周围地区其他对于温度响应敏感的树木年轮和冰芯材料以及冰川进退记录均有较好的对应关系,这表明本研究的重建序列较为可靠,是可以指示研究地区过去温度波动历史的。

利用树木年轮宽度资料重建川西卧龙地区过去159年夏季温度的变化

根据川西卧龙地区林线位置岷江冷杉(Abies faxoniana)的年轮宽度资料,分析了该地区树木年轮宽度与气候要素的关系,并重建了该地区1850年以来夏季(6-8月份)温度的变化历史。结果表明:川西卧龙地区在过去159年来的温度变化上,最为明显的特征是20世纪40年代以来的显著变暖趋势,而在20世纪40年代以前的温度明显偏低,主要的低温时期在1850-1870年和1890-1930年。该温度序列的冷暖期与附近地区的冰芯、冰川进退资料,以及对于夏季温度响应敏感的树轮年表都有着较好的对应关系,这表明重建序列记录了可靠的区域尺度的温度信号。对重建温度序列的小波分析表明,较为明显的有2-8年和10-16年的周期,而这些周期可能与厄尔尼诺-南方涛动气候系统和太阳活动周期有一定的关系。

千年气候模拟与中国东部温度重建序列的比较研究

利用全球海气耦合气候模式ECHO-G进行的1000年长时间积分气候模拟试验与中国东部区域温度重建资料作对比, 以验证ECHO-G模拟中国区域气候的能力, 并探讨近千年来中国区域气候变化的原因. 重建资料是中国东部地区(25°～40°N, 105°E 以东)1000年来分辨率为30年的冬半年温度距平变化序列. 模拟试验以随时间变化的有效太阳辐射、CO2浓度和CH4浓度场为外强迫, 从1000年开始积分至1990年. 结果表明: 重建和模拟结果的相关系数为0.37, 置信度为97.5%. 模拟和重建结果均反映出了1000～1300年的中世纪暖期、1300～1850年的小冰期和1900年之后的升温期. 对于1300～1850年的小冰期和1900年之后的升温期, 模拟和重建的正负距平基本一致, 尤其是1670～1710年Maunder太阳黑子最小期时, 模拟和重建值都达到了温度低谷, 且无位相差异. 但对1000～1300年的中世纪暖期, 模拟与重建资料存在显著差异, 这与重建资料质量降低有关. 模拟的变幅(1.62 K)略小于重建值(2.0 K),但两者具有较好的可比性. 模拟结果的诊断分析表明, 在1000年尺度上, 太阳辐射和火山活动是控制全球和区域温度变化的主要因子, 而在最近百年尺度上, 温室气体含量的变化对快速增温起着更为重要的作用.

以树轮宽度重建公元1558年以来华山5-6月平均温度及20世纪中后期升温

通过对秦岭东端华山地区油松树木年轮宽度序列的分析研究,探讨了华山地区油松对气候环境响应的敏感性,结果表明在华山地区油松对气温和降水的响应均高于华山松,与5～6月平均温度相关较高,且通过了0.01显著性信度检验。在此基础上,我们重建了华山地区1558～2006年间5～6月的平均温度,重建序列的方差解释量达到41%。结果显示:华山过去449年中,大部分年份5～6月平均温度在平均值附近波动,变幅不大;重建序列可与秦岭南五台5～7月温度序列进行良好对比,其年际间相关系数达到了0.49(N=246,p<0.0001)。华山地区20世纪20～30年代初的暖期略偏低;20世纪30年代中期至50年代是整个重建时段中低温持续时间较长的时段;20世纪60年代之后,气温波动平缓;从20世纪70年代开始快速升温,对全球变暖有较强响应。

利用树轮重建小兴安岭五营1796年以来的温度变化

对黑龙江省小兴安岭五营丰林国家自然保护区建立的红松(Pinus koraiensis)树轮宽度年表与五营气象站的气候要素响应分析表明,树轮年表与生长季上一年10月份的平均温度显著相关,由此重建了1796—2004年五营10月份平均温度。此外,4月下旬的温度变化对五营红松树木的径向生长也具有一定的影响。1796—2004年,五营共经历了4个偏冷和4个偏暖期。周期分析表明,重建序列以3.33a的周期最为显著,对重建序列30a尺度的突变检验结果表明,1871年和1900年前后,五营地区10月份平均温度出现了显著的均值突变,1851年前后出现了明显的方差突变。

利用树轮密度重建新疆北部5-8月温度变化

利用新疆北部5个采样点的树轮密度年表主序列和新疆北部33个气象站观测气温平均值进行相关分析,结果显示其与新疆北部5-8月平均温度存在很强一致相关性,相关系数为0.667(p<0.001,n=49)。温度重建方程能够解释校准期(1960-2008年)内44.5%的温度变化方差。空间相关分析揭示该温度重建序列能够表征新疆北部过去353 a(1656-2008年)5-8月温度总体变化特征。重建序列揭示新疆北部5-8月平均温度大致经历了6个偏暖阶段,即1656-1664年、1667-1692年、1711-1734年、1804-1832年、1855-1956年、2000-2008年,中间为偏冷阶段,这些阶段中间多个小幅度变化。温度重建结果发现新疆北部温度变化与太阳活动、火山喷发有着紧密联系。温度重建序列与全球海温场的相关分析显示当西风带海区及热带大西洋地区的海温偏高时,研究区气温偏高。与海温、火山喷发和云量变化的相关分析都指示在西风环流的作用下,上述因子对于该地区温度变化有着重要影响。该温度重建序列在低频变化上与北半球气温具有显著正相关,说明中亚地区温度变化与北半球整体温度变化具有较好的一致性。

古温度定量重建的良好代用指标——湖泊沉积摇蚊化石记录研究进展

(双翅目)摇蚊科昆虫对环境因子的变化相当敏感,其水生幼虫的头囊能保存于湖相沉积物中,在国际古湖泊和古环境研究中常被用作一种环境替代指标。因为不同种属的摇蚊对环境因子的最适值和耐受范围有较大差异,所以利用湖相沉积物中的摇蚊化石组合面貌的变化可达到古环境的定量重建。在欧洲和北美进行的许多研究已证实摇蚊是古温度的有效指示器,重建夏季温度相对准确可靠,比其它气候变化代用指标有优势,很可能成为国际上古气温重建所使用的首要生物代用指标。截止目前,该领域研究在国内尚未开展,我国湖泊众多,利用摇蚊研究古温度记录潜力巨大。

基于物候记录的中国中部关中地区公元600～902年冬半年温度重建

历史文献中的物候记录是揭示气候变化的重要证据.本文从隋唐时期历史文献中提取出周期性气象、水文事件（如初霜日期等）、农业物候记录（如春耕日期等）和观赏植物物候记录（如山桃始花等）等77个年份的87条历史物候记录.通过建立现代物候期与气温的转换方程,并代入上述历史物候期,重建了中国中部关中地区公元600~902年的冬半年（10月至次年4月）温度变化.关中地区600~902年气候可划分为前暖后冷等2个阶段,这一时期冬半年平均温度比1961~1990年高0.23℃.其中,600~800年冬半年温度比现代高0.38℃,而800~902年比现代低0.08℃.上述重建结果与已有研究在整个时段内的平均温度和由暖转寒的阶段相一致,在各阶段的冷、暖程度上存在一定差异.本研究为进一步了解中国隋唐时期的温度变化提供了参考.

抽样定理法重建流场的三维温度分布

结合气流场温度较低，只能得到较少干涉条纹的实际情况，提出了采用轴样定理法重建流场的三维温度分布的模型，并考查了该方法的计算机模拟运算结果，对具体的对象，进行了实验，并采用图像处理方法对条纹进行了一系列处理，最后重建了二个截面上的温度分布。

一种声学层析成像温度分布高分辨率重建方法

准确测量温度分布对工业生产具有重要的意义。针对声学层析成像中有限的网格划分数目会影响重建精度的问题,提出TR-RBF(tikhonov regularization-radial basis function)重建算法对温度场进行高分辨率重建。采用Tikhonov正则化对超声飞行时间(time of flight,TOF)重建,得到粗网格下的温度分布,并用局部加权回归法对数据进行平滑处理,进而采用RBF神经网络将粗解进行预测得到细化后的温度分布。通过有噪声和无噪声的数值仿真,本算法与ART、SVD和Tikhonov三种算法相比,在典型峰型温度分布情况下的重建精度提升明显且抗噪性最好。