GIS数据尺度变换中的信息熵变化

基于Shannon信息熵原理的GIS数据信息量表达属于语言学信息体系中的语法层次,描述了空间目标分布结构上的不确定性特征。该文将该信息量测度方法应用于空间数据的尺度变换中,考察尺度变换中空间数据语法结构在统计意义上的变化特点,进而通过信息熵的变化发掘尺度变化中空间数据信息量的变化规律。基于空间目标群的Voronoi图剖分建立信息熵度量,以空间尺度变换中的移位、合并两种典型操作为案例,研究了面状目标群尺度变换中信息量衰减的初步规律,并尝试将其结论用于地图综合方法质量评价。

2008年1月中国南方低温雨雪期间异常阻塞高压事件的多尺度动力过程分析

2008年1月,中国南方发生了罕见的低温雨雪灾害,造成这次灾害的关键系统之一是乌拉尔山以东地区的异常阻塞高压(阻高).基于NCEP再分析资料,利用新发展的多尺度子空间变换和重构分析了这一期间阻高的多尺度特征,发现其源头来自欧洲地区,强度减弱后东移,在乌拉尔山-贝加尔湖地区重新增强并得以维持相当长的时间.结果表明,两次阻高过程本质上是同一过程在不同阶段的表现.为探讨上述过程的动力学机制,利用基于多尺度子空间变换的局地多尺度能量分析方法以及正则传输理论对其进行了分析,发现此次异常阻高过程源自32d以下尺度系统的动能强迫,具体地说,能量来自32d以下尺度系统向32-128d低频尺度系统的正压正则传输,而且这种正则传输在阻高环流的东、西两侧不对称,西侧在强度上远大于东侧.分析表明,上述非对称的强迫作用由动能空间输运来平衡,平流将西侧获得的32-128d低频尺度动能向东侧输运,以此来维持阻高环流的整体稳定和均一.上述两种内部的物理过程是高压环流在东移的过程中得以重新增强并长时间维持的机制.

基于局地多尺度能量涡度分析法(MS-EVA)的北半球夏季西太平洋MJO动能分析

采用局地多尺度能量涡度分析法(MS-EVA)和基于MS-EVA的局地正则传输与不稳定性理论对北半球夏季MJO的动能变化进行了诊断分析。结果表明:1)引起对流层上层和下层MJO动能变化的主要影响因素是有效位能转换和气压梯度力做功,其中有效位能转换在对流中心以北有明显的正的大值带,是MJO的主要动能源;气压梯度力做功则主要是将从有效位能转换而来的动能在空间重新分布。2)引起对流层中下层MJO动能变化的主要因素是动能跨尺度传输作用,其中大尺度向MJO尺度的跨尺度传输在对流中心附近表现为明显的正值,因此是该高度上MJO的动能源,并受5~15°N区域上空正压不稳定制约。3)MJO与天气尺度系统间的动能传输则主要表现为MJO的动能汇,其与MJO环流场分布以及MJO对天气尺度波动动量通量的平流输送有关。

一次自上向下发展的高原涡的多尺度动力学分析

高原涡作为经常给我国带来暴雨等灾害的天气系统,其形成一般认为是通过感热和潜热自下而上激发的,然而,2013年5月下旬发生的一次引发其下游灾害性强降水的高原涡却是由对流层高层天气尺度低涡诱发的。为此,基于新发展的多尺度子空间变换和多尺度能量涡度方法以及ERA5再分析资料对其动力学过程进行了详尽的探讨,先将原始场重构到三个尺度子空间,即背景环流尺度子空间、天气尺度子空间和高频尺度子空间,重构场上首次显示此次过程生成于青藏高原西北侧,其成因为对流层高层基本气流尺度向天气尺度的跨尺度动能正则传输,即正压失稳,并且表现为从高层向下。在发展阶段,其能量最终来源为基本气流向天气尺度的有效位能传输和非绝热加热,然而这些过程只发生于涡旋低层的西侧。进一步分析发现,天气尺度内存在一个能量再分配“路径”:首先,低层西侧获得的有效位能转换为动能,西侧垂直的气压梯度力做功将低层获得动能向高层分配;在高层,水平的气压梯度力做功进而将西侧获得的动能向东侧分配;东侧垂直的气压梯度力做功再将动能向低层分配;至此,低层西侧获得的能量被分配到整个涡旋空间中,使得涡旋能够均匀发展。

一次典型的平流层爆发性增温中的局地多尺度洛伦兹循环

利用一种新的工具,多尺度子空间变换(MWT),以及基于MWT的局地多尺度能量与涡度分析(MS-EVA)与Lorenz循环诊断方法,对2009年1月中下旬平流层发生的一次强爆发性增温(SSW)事件的内在动力学过程进行了研究。首先用MWT将各个场重构于三个尺度子空间,即平均尺度、爆发性增温尺度(或SSW尺度)和天气尺度子空间上。结果表明,极地迅速增长的温度主要是由于SSW尺度子空间上极区内的斜压不稳定引起的正则传输(有效位能从平均尺度子空间传输到SSW尺度子空间)造成的,显著增加的有效位能(APE)转换到了SSW尺度子空间的动能(KE)中,加之快速增温前极区内正压不稳定引起的正则传输(动能从平均尺度子空间传输到SSW尺度子空间)的作用,共同导致了极夜急流的反转。

孟加拉湾海域背景流–中尺度涡–高频扰动之间的相互作用

基于一套涡分辨模式数据,本文利用一种新的泛函工具—多尺度子空间变换—将孟加拉湾(BOB)海域的环流系统分解到背景流(>96 d)、中尺度(24~96 d)和高频尺度(<24 d)3个子空间,并用正则传输理论探讨了3个尺度子空间之间内在的非线性相互作用。结果表明,BOB西北部边界和斯里兰卡岛东部是BOB海域多尺度相互作用最显著的区域,中部则较弱。前两个区域的背景流大多正压、斜压不稳定,动能和有效位能正则传输主要表现为正向级串;后者则以逆尺度动能级串为主。具体来说,在BOB西北部与斯里兰卡东部,中尺度涡动能(EKE)主要来源于正压能量路径(即背景流动能向EKE传输),其次来源于斜压能量路径(即背景流有效位能向中尺度有效位能传输,并进一步转换为EKE)。通过这两个能量路径得到的EKE向更高频的扰动传输能量,起到了耗散中尺度涡的作用。不同于此二者,BOB中部海域的EKE和高频尺度动能主要通过斜压路径获得,随后通过逆尺度级串将动能返还给背景流。苏门答腊岛的西北部也是中尺度和高频尺度扰动较强的海域,正压能量路径和斜压能量路径均是该海域扰动能的来源,但以斜压能量路径为主。

南海一个罗斯贝标准模态的特征与归因

南海是一个准封闭海盆,其本征值问题是理解南海动力学的重要内容。本文利用一种新的泛函工具—多尺度子空间变换,从卫星观测资料中分离得到一个南海本征模态,即罗斯贝标准模态的近似场。发现该模态的周期为6个月左右、波长近250km,在深水海盆向西传播,这与寿命为3个月左右的南海中尺度涡群体活动特征相一致。在此基础上,本文通过Liang-Kleeman信息流这一严格建立在第一性原理上的定量因果分析工具,探究南海两个最重要外部强迫,即黑潮入侵与南海季风对该罗斯贝标准模态的影响。结果表明二者与该模态均有较强因果关系,但分别影响模态的不同阶段:黑潮入侵主要影响其1/2π和3/2π位相,季风的作用则体现在3/4π位相。二者共同作用,调制该模态在近一个周期内的变化。进一步研究发现,黑潮入侵的过渡态是影响该模态的关键,这时黑潮在南海的分支与流套强度相当,有利于吕宋海峡西部形成不同极性涡旋的排列,从而影响南海内部罗斯贝标准模态。对南海季风而言,冬季风与夏季风的成熟阶段是影响该模态的重要时期,但并非整个南海的季风都发挥作用,泰国湾是季风改变南海罗斯贝标准模态的关键区域,这表明局地的强迫对激发全局模态起作用。

千米钻机电控系统二次回路瞬态干扰分析与抑制

千米钻机电控系统工况复杂、负载多变,并且融合多个一次回路,从而使瞬态干扰频谱分布随机性高,易出现模态混叠现象。为提升智能感知精度,千米钻机电控系统二次回路往往采用高带宽增益运算放大器,已有适用于二次侧端口设备的模型不再适用于小信号检测电路的稳定性分析。千米钻机电控系统瞬态干扰频域分布范围广泛,要求电路在很宽的频域内有较强的抗干扰能力。传统抗干扰措施存在频带较窄、高频抑制作用不佳的缺陷;多级RC、LC滤波电路存在阻抗不匹配、体积大的问题。针对上述问题,以15000型千米钻机电控系统的二次回路信号采集电路为研究对象,对二次回路中瞬态干扰进行分析。采用无参尺度空间表达的经验小波变换(EWT)算法,利用尺度空间变换划分得到频谱分割点,进而提取出具有紧支撑框架的模态分量,引入模态分量的峭度指标特征划分瞬态干扰信号与白噪声信号,确定瞬态干扰的频域分布。通过构建电控系统二次回路含寄生参数的小信号电路等效模型,探寻反馈回路引脚寄生电容与触发振铃或自激振荡的干扰信号频率阈值的规律,分析瞬态干扰频域特征对电路稳定性的影响。结果表明:在输入输出存在30 pF引脚寄生电容时,传导进入瞬态干扰信号使稳定性下降,且引起失稳的触发频率随引脚寄生电容增加而降低。利用铁氧体磁珠类似并联谐振的高阻特性,设计了一种二阶滤波电路。实验室试验结果表明:当干扰经过含铁氧体磁珠的二阶滤波电路后,在信号采样电路敏感的0.2 MHz以上频段,干扰幅值均抑制在-35 dBV以下,信号采样电路无异常输出。工业样机运行数据中敏感频段干扰幅值均抑制在-35 dBV以下,与实验室试验结果基本一致,满足抗干扰要求。

大西洋阻塞高压上层冷中心的成因

基于ERA-40再分析资料以及多尺度子空间变换和多尺度能量分析方法,探讨了大西洋阻塞高压平流层底部冷中心的形成机制,发现该冷中心形成的根本原因为16 d以下(高频尺度)和64 d以上过程(基本气流)向阻高尺度有效位能的正则传输,所获得有效位能在阻高尺度内被输运到西北和东南侧,并转换成动能,起到使阻高强度增加或者维持的作用。这种过程在西北侧表现得尤为明显,这可能是阻高形态不断向西北侧扩展的原因。在传统的认知中,大气有效位能从大尺度向小尺度传输,但本研究发现,阻高发生时,有效位能在平流层底部的传输方向表现为从高频尺度和基本气流尺度同时向阻高尺度传输。此外,前人的研究表明,阻高发展加强之后对流层中阻高动能向有效位能转化使得阻高消亡,而本文的分析表明两种能量的转换方向在平流层底部完全相反——由有效位能向动能转换,起到了使阻高加强或维持的作用。最近的研究表明对流层顶附近的动力学对于阻高的发展和维持非常重要,上述发现增进了对这些动力学深层的了解。

东海黑潮上下游不同的涡动能季节变化特征及其产生机制

用一种新的泛函工具——多尺度子空间变换(multiscale window transform,MWT),得到如实的东海涡动能分布,发现东海黑潮上下游区域的涡动能有着完全不同的季节变化特征。根据功率谱分析,东海黑潮流系可正交地重构到背景流尺度子空间(大于64 d)与涡旋尺度子空间(小于64 d),并用MWT得出相应子空间的能量,后者即为涡动能。结果表明,上游涡动能在8月达到峰值,冬季最弱;而下游涡动能在4月和9月存在两个峰值,冬季最弱。利用基于MWT的正则传输理论以及局地多尺度能量分析方法,发现正压不稳定和斜压不稳定是东海黑潮涡动能的主要来源,且这两个来源决定了其上下游不同的季节变化。其中上游涡动能的季节变化主要受正压不稳定路径(即背景流动能向涡动能的正则传输)控制,而下游涡动能在4月的峰值主要由斜压不稳定路径(即背景流有效位能向涡旋有效位能作正则传输并进一步转化为涡动能)决定,其在9月的峰值受到正压不稳定和斜压不稳定的共同影响。

黑潮流域内在的平均流-低频变率-中尺度涡之间的非线性相互作用

利用一套新的泛函工具——多尺度子空间变换(MWT),以及基于MWT的局地多尺度能量分析和正则传输理论,文章将黑潮流域重构于平均流、年际低频变化和中尺度涡三个尺度子空间,并从气候态角度分析了这三者之间的能量传输和转换.结果表明台湾以东黑潮存在显著的逆尺度能量级串,平均流从年际尺度和涡旋尺度汲取动能,来自年际尺度的正向能量级串是这个区域涡旋发展和维持的一个内在的局地因素.东海黑潮海域不同尺度之间的能量传输主要表现为平均流和涡旋之间的相互作用,其中南段发生正压和斜压失稳,北段则表现为正压稳定和斜压失稳.日本南部是整个黑潮流域多尺度相互作用最为强烈的区域,该海区的黑潮不仅发生很强的正压、斜压失稳,将能量从平均流输送给涡旋,来自年际尺度的正向能量级串也是该海域涡旋能量的重要来源.同时我们发现该海域年际变化的能量主要来自平均流的正压不稳定,而非来自高频涡旋的逆尺度反馈.

决策树支持下跨比例尺居民地数据更新

针对现有的跨比例尺地图居民地数据更新方法需要大量人工干预和专家判读选择的问题,该文提出了一种基于决策树的跨比例尺居民地更新方法。利用决策树的判断推理机制对不同变化更新场景下要素的地理环境特征、空间分布关系、尺度表达差异等影响更新行为选择的因素进行综合分析,结合尺度变换技术构建了跨比例尺居民地数据更新模型,较好地顾及了数据更新的合理性及更新效率。基于广州市某区域的真实数据进行试验,结果表明:该方法不仅能够有效地减少更新过程中的人工干预,提高智能化程度,同时能从一定程度上提高更新效率。

基于传感器网络的学生体能训练监测系统研究

针对传统学生体能训练监测设备对心率、呼吸率检测准确率低的问题,提出基于传感器网络的学生体能训练监测系统研究。首先采用基于尺度空间变换的经验小波变换算法对BCG信号中的心跳和呼吸信号进行特征分离;然后分别采用基于K-Means的心跳定位算法和时域分析法进行心率计算和呼吸率计算;最后基于STM32单片机技术,设计开发一个多传感融合的学生体能训练监测系统,将心率和呼吸率计算方法应用到系统中进行仿真测试。仿真结果表明,设计的体能监测系统对心率和呼吸率能进行准确检测,该系统可在心率异常时报警,实际测量心率为59次/min,测量呼吸率为13次/min。由此说明该系统满足体能监测需求,系统运行稳定。

北太平洋风暴轴“深冬抑制”现象的动力过程及其成因

北太平洋风暴轴存在一个"深冬抑制"现象,即它在本应最强的深冬时期却比秋末和春初时期弱.基于欧洲中心再分析资料(ERA-40),文章使用多尺度子空间变换(MWT)、基于MWT的正则传输理论与局地多尺度能量分析方法、以及特征追踪技术研究了该反常现象背后的动力过程及其成因,主要结论如下:(1)深冬抑制是由内部过程和外部过程共同造成的,它们包含斜压正则传输、非绝热做功、能量通量辐合和摩擦耗散等.(2)斜压正则传输和非绝热做功在秋季达最强,这使得风暴活动在秋末比深冬强;而在春季,能量通量辐合增强,同时摩擦耗散在整个风暴轴区域大幅度减弱,两者共同的作用使得风暴轴在斜压性很弱的春初也比深冬时期要强.(3)深冬时期斜压正则传输的减弱(相比于秋末)是由于彼时急流位置靠南,其和风暴轨迹中心(位于中高纬度地区)相距较远,急流和风暴系统之间的相互作用受到了抑制;而春季能量通量辐合的增强实际上源自从上游进入太平洋的风暴数目(强度)在春初时期的增多(增强).此外,正压正则传输在深冬抑制中的作用和具体动力过程在文中也做了详细讨论.