华北局地大暴雨过程中多个β中尺度对流系统发生发展对比分析

利用常规地面高空观测、多普勒雷达、风廓线、VDRAS(Variational Doppler Radar Analysis System)和NCEP再分析资料,对2018年8月5—6日副热带高压(以下简称副高)控制下华北一次局地大暴雨过程中多个β中尺度对流系统触发和发展机制进行了分析。结果表明:这次大暴雨发生在副高控制下,处于高温、高湿气团中,大气层结极不稳定。暴雨由多个相继发展的中尺度对流系统造成,分别是太行山迎风坡上西南—东北向、华北平原地区保定一带南北向、保定至霸州附近西南—东北向和以雄安新区为中心东西向原地生消的准静止MCS-Ⅰ、MCS-Ⅱ、MCS-Ⅲ和MCS-Ⅳ,均属于β中尺度。在相似的环境中,不同中尺度对流系统触发机制有较大差异,太行山迎风坡上的MCS-Ⅰ是由近地层偏东暖湿气流在迎风坡与山风形成的辐合抬升触发;由辐射差异和前期强降水形成的局地冷池受MCS-Ⅰ影响再次加强后,其出流与环境风形成的两条地面辐合线分别触发了MCS-Ⅱ和MCS-Ⅲ,并组织对流沿辐合线呈带状发展;而超低空偏东风增强叠加冷池出流在地形抬升作用下促使沿山暖湿气团进一步抬升,使得原本消亡的MCS-Ⅰ再次重建。MCS-Ⅳ发展最旺盛、持续时间最长,是大暴雨中心的直接制造者,一方面MCS-Ⅱ与MCS-Ⅲ、MCS-Ⅰ与MCS-Ⅳ的两次合并过程,是MCS-Ⅳ增强、持久的重要原因;另一方面边界层偏东风急流为MCS-Ⅳ的发展提供了水汽和不稳定能量等有利条件,同时推动其左前方中尺度涡旋的发展,导致MCS-Ⅳ所在地的气旋性涡度大大增加,加强了以急流轴为中心的垂直次级环流发展,造成MCS-Ⅳ的发展维持,形成华北平原地区以雄安新区为中心的东西向大暴雨带。

一次冷涡背景下次天气尺度系统对强对流环境场的影响

在同一东北冷涡背景下,2016年6月12—13日山西境内连续2 d出现强对流天气,12日为分散性对流而13日为大范围强对流。基于多源资料通过对比探讨次天气尺度系统及其演变对风暴环境进而对风暴结构的影响,得出以下结论:(1)两日风暴强度和风暴结构差异显著。6月12日对流孤立分散且回波强度小于55 dBZ,而13日准线性风暴发展成尺度较大的弓形回波引发大范围强对流天气,回波强度达60 dBZ。(2)此次过程的关键影响系统为冷涡背景下的次天气尺度低涡。12日次天气尺度低压扰动开始出现,距离远而未影响山西;13日低压扰动东移发展为次天气尺度切断低涡,低涡相关的地面冷锋及850 hPa切变线触发山西上游对流。(3)12日低层水汽含量低,0~3 km垂直风切变弱,13日低涡前偏南水汽输送使低层显著增湿,叠加中层干冷空气形成不稳定层结,受低涡影响0~3 km风垂直切变增强至5.0×10-3s-1,冷锋触发的对流风暴在上述环境下强烈发展并产生阵风锋,阵风锋组织风暴形成飑线,冷池与0~3 km风切变相互作用使飑线维持。(4)13日有利于飑线发展的环境要素与东北冷涡西侧的次天气尺度切断低涡系统密切相关,次天气尺度低涡是飑线形成发展的关键系统。

基于天塞主镜的多尺度长焦成像系统设计

针对提升多尺度成像系统的分辨率以满足对远距离目标精确识别的需求,从提升主镜焦距的角度出发,本文提出一种基于天塞结构主镜的多尺度长焦成像系统设计,分析了为满足次级镜头的线性排布而需要对主镜添加的两个约束条件,针对次级镜头阵列中随离轴角增加使系统在对应视场成像质量下降的问题,对邻近区域次级镜头进行协同优化,同时在离轴位置次级镜头的优化中应用自由曲面面型完成像差校正。所设计系统不同视场区域成像的MTF曲线一致性较好,表明系统在全视场范围内成像质量理想。采用天塞结构主镜设计的多尺度成像系统,其空间分辨率达14μrad,相较于共心球透镜的多尺度系统有显著提高。

动态多尺度决策信息系统局部最优尺度的更新规律

在对象动态增加的情况下,对多尺度决策信息系统(MDIS)保持局部决策类不确定性的最优尺度更新规律进行研究。首先,介绍决策信息系统和多尺度决策信息系统决策类不确定性的基本知识,以及MDIS保持局部决策类不确定性的最优尺度定义。然后,在增加一个对象的条件下,分析MDIS局部决策类不确定性的更新规律。最后,采用增量学习方法,给出增加一个对象条件下MDIS局部最优尺度不变和变大的充分必要条件。结果表明:文中方法可以快速地确定更新系统局部最优尺度。

基于强化学习的两时间尺度系统最优跟踪控制

针对两时间尺度系统的最优跟踪控制问题,提出了一种基于奇异摄动理论与强化学习技术的方法。首先,通过研究奇异摄动理论,将系统分解为快和慢2个子系统,解决了系统存在的奇异摄动参数问题。其次,将系统的跟踪问题分解为慢子系统的线性二次型跟踪(linear quadratic tracking,LQT)问题和快子系统的线性二次型调节(linear quadratic regulator,LQR)问题,进而利用策略Q-学习分别为2个子系统设计控制器求解算法。仿真结果表明所提方法能实现系统的最优跟踪性能。

基于可分离性的多尺度决策信息系统的最优尺度约简

针对最优尺度约简问题,从对象与决策类的关系出发,提出一种基于可分离性的多尺度决策信息系统的约简方法。首先,分别给出类内对象紧性和类间对象分散度的定义并探究其性质。其次,在多尺度决策信息系统中通过类内对象紧性和类间对象分散度定义属性子集的可分离性,并给出可分离性与约简之间的关系,在此基础上,结合属性权重与尺度权重给出了基于可分离性的重要度。最后,设计了一种基于重要度的启发式最优尺度约简算法。实验结果表明,所提方法在分类精度和约简集基数上具有较大的优势。

多尺度决策系统中测试代价敏感的属性与尺度同步选择

属性与尺度同步选择方法可有效解决涉及代价因素的多尺度决策系统的知识约简问题,然而在现有研究中,少有基于代价进行属性与尺度的同步选择,并且大多数算法只针对协调的多尺度决策系统或不协调的多尺度决策系统.为了解决这一问题,文中以最小化数据处理的总测试代价为目标,提出测试代价敏感的属性与尺度同步选择算法,同时适用于协调的多尺度决策系统和不协调的多尺度决策系统.首先,构造基于粗糙集的理论模型,模型中的概念及性质同时考虑属性因素和尺度因素.其次,基于粗糙集的理论模型,设计启发式算法,能基于测试代价对多尺度决策系统同时进行属性约简与尺度选择,并且不同的属性可选择不同的尺度.最后,在12个数据集上的实验验证文中算法的有效性、实用性及优越性.

星载电子器件温控的系统多尺度分析

为提高星载电子器件热分析的模拟分辨率和精度以及被动热控装置的控温效果,本文建立系统多尺度模型获得不同尺度下卫星内部电子器件的温度场和热流信息.结果表明:系统多尺度模型在系统级尺度模拟精度与实际模型相对误差小于9%,并且可消耗较少的计算资源获得器件级尺度芯片微小结构的热信息.系统级模型可从宏观尺度评估星载被动热控材料的控温隔热性能,采用复合相变隔热材料可将载荷舱室温度波动幅值降至2.43 K,相比平台舱室温度波动幅值降低约69.43%,通过复合相变隔热材料隔热后的温度波动信号呈现向高频域部分转移的特征.基于多元回归分析选定需要进行重点隔热控温的舱室后,采用器件级简化模型得到不同热控装置布局下的温度场信息形成训练数据集,采用神经网络遗传算法在器件尺度预测被动热控装置的最佳安装位置,并得到减小器件最大温度波动的热控布局方案,最大温度波动降低2.74 K.

清远一次极端龙舟水的中尺度系统演变分析

利用多源观测数据和ERA5再分析资料,对2022年6月20到21日发生在清远的一次极端特大暴雨过程进行分析。结果表明:(1)该次强降水是在200 hPa分流辐散的背景下,由低涡切变配合其前侧西南急流缓慢东移经过清远造成的。(2)强降水发生前大气层结已处于极不稳定状态,低层来自孟加拉湾和南海的水汽不断在清远市上空辐合,为暴雨的发生提供充足的水汽条件和不稳定能量。(3)强降水的触发机制主要是前期广西降水造成的冷池与低空急流带来的暖湿气团形成的温度锋区和地面辐合线;地形的抬升作用和狭管效应,对降水起到增幅作用。(4)该次强降水主要有2个低质心的热带海洋型中尺度对流系统先后影响发生。

协调广义多尺度序模糊决策系统的最优尺度组合与属性约简

针对广义多尺度序模糊决策系统的知识获取问题,首先,在广义多尺度序模糊决策系统中定义优势关系,给出广义多尺度序模糊决策系统中信息粒的表示,同时定义在不同尺度组合下集合关于属性子集在优势关系下的下近似与上近似的概念.然后,在协调广义多尺度序模糊决策系统中定义5种最优尺度组合的概念,使用基于证据理论的信任函数与似然函数刻画最优尺度组合的数值特征,证明信任最优尺度组合与下近似最优尺度组合是等价的,似然最优尺度组合与上近似最优尺度组合也是等价的,并在信任最优尺度组合的基础上给出属性约简方法,同时给出最优尺度组合和属性约简的搜索算法.最后,在UCI数据集上的实验验证文中方法和算法的可行性与有效性.

冀中平原暴雨中小尺度系统特征分析

对2011—2020年冀中平原暴雨天气过程进行研究,着重分析了中小尺度天气系统的特点和雷达回波特征。结果表明:冀中平原暴雨与中小尺度系统直接相关,地面辐合线、中尺度切变线、中尺度低压是冀中平原暴雨最常见的中小尺度系统。根据850、700 hPa切变线或槽线与急流轴的距离,中小尺度系统在雷达回波图上表现为两种形式:一种是切变线或槽线位置偏北,与低空急流中心轴的位置相距较远,在雷达上表现为局地发展少动的强雷暴群;另一种是切变线或槽线位于河北省中南部,与西南(偏南)急流中心轴相距500 km以内,在雷达上表现为片状或带状的中尺度强回波带。

宅基地是小尺度生态系统

农村空心化问题造成海量优质存量宅基地被闲置,传统处理路径侧重将宅基地作为存量建设用地流转或拆除复垦为耕地,无论哪一种都十分敏感。生态文明建设为我们打开新的视角,宅基地是小尺度生态系统,不仅是自然意义的生态系统,也是政治和经济的生态系统。探讨因地制宜、因时制宜、因人制宜地修复宅基地小尺度生态系统,实现人-地-环境耦合系统再平衡,在实现可持续发展的同时,有助于解决我国城乡发展不平衡、不充分的问题。

“21·7”河南特大暴雨的中尺度系统活动特征

2021年7月17日至22日河南省遭遇了罕见特大暴雨过程,特别是郑州市在7月20日出现了极端降水事件。本文首先分析了有利的大尺度环流背景,然后采用多源高分辨率观测和再分析资料深入分析了此次特大暴雨过程中不同阶段的水汽来源以及中尺度系统的活动特征。此次特大暴雨过程主要分为三个阶段,其主要的中尺度系统包括:黄淮气旋、中尺度对流系统(MCS)以及与MCS伴随的中尺度对流涡旋(MCV)。第一阶段(7月17~18日)主要为分散性降雨,水汽主要来自于南海、东南沿海、西北太平洋、长江中游地区的近距离水汽输送和河套地区。影响河南地区的中尺度系统为黄淮气旋,其于7月15日11时(协调世界时,下同)生成河南的东北部,18日23时在河南西南部消亡,垂直伸展最大高度为1000~350 hPa,维持时间约为89小时。第二阶段(7月19~20日),随着西太平洋副热带高压的北抬和台风“烟花”的西进北移发展,西北太平洋的水汽贡献也逐渐增多。由于黄淮气旋中心移动到河南西南部,其北部东南气流影响河南大部分地区。二级地形(伏牛山)东部的局地对流发展为MCS。由于地形的抬升作用,对流系统中强上升运动的维持有利于低层气旋性切变的增强,从而诱发了对流层中低层(750~600 hPa)MCV的生成。MCV的增强发展又进一步促进了MCS的维持以及偏南气流的增强。偏南气流输送大量水汽有利于午后分散性强对流单体的生成,分散对流单体与原有河南中北部MCS的合并后增强发展,从而造成了郑州极端小时降雨的出现。第三阶段(7月21~22日),暴雨过程的水汽主要来自于西北太平洋地区,其主要影响系统是MCS。低层气流受到二级地形(太行山)的阻挡,地形东部边界强的水汽通量辐合有利于MCS不断与新生对流单体合并发展,从而在河南、河北交界区域产生较强的降雨中心。

不完备广义多尺度决策系统的逐步最优尺度选择

现有的最优尺度选择算法有可能无法得到全局最优尺度组合,且具有较高的时间和空间复杂度。针对该问题,提出了不完备广义多尺度决策系统的逐步最优尺度选择算法。介绍了不完备广义多尺度决策系统,给出了上下近似集的性质;采取属性约简与尺度选择同步优化策略,以得到全局最优尺度组合;给出了一个快速的求相容类方法,并提出了不完备广义多尺度决策系统的逐步最优尺度组合选择算法,该算法显著降低了时间复杂度与空间复杂度。数值实验表明所提出的算法是有效的。

分层多尺度决策信息系统的序贯三支决策

传统信息系统中每个属性只有一个尺度,但随着海量数据的涌现,实际应用中经常是在多个尺度上处理和分析问题.三支决策是解决分类问题的一种经典方法,序贯三支决策是在三支决策的基础上进行多步决策的一种方法.将多尺度决策信息系统与三支决策相结合,基于决策理论粗糙集提出分层多尺度决策信息系统的序贯三支决策模型,得到动态变化的正域、负域、边界域.对多尺度决策信息系统进行分层,依次在分层后得到的多个单尺度决策信息系统上进行讨论,构建尺度层面的序贯结构;在每个单尺度决策信息系统上,通过增加属性的方式得到属性子集序列,诱导出多级粒度结构,构建该尺度下粒度层面的序贯结构.为此,给出两种属性子集序列的选择方法;在序贯三支决策过程中,利用相对损失函数计算阈值,并讨论了阈值的性质;最后给出序贯三支决策过程中的分类规则,并用实例说明提出的模型能有效地处理分类问题.

河北“23·7”特大暴雨过程的多尺度特征分析

利用常规观测资料、ERA5再分析资料、FY-4G卫星的云顶亮温(Black Body Temperature,TBB)数据对河北地区2023年7月29日至8月2日出现的特大暴雨过程的大尺度环流背景及动、热力和水汽条件进行了分析。结果表明:暴雨期间副高与大陆高压打通,在河北北部形成了准东西向的“高压坝”,台风“杜苏芮”登陆后减弱为低空气旋,该气旋在副高西侧气流的引导下北上,受“高压坝”阻挡停滞于山西一带,在暴雨区上空形成东高西低的有利环流形势;中尺度对流系统在暴雨期间呈阶段性特征反复出现,先后以大范围的螺旋雨带、集中的旺盛对流、零散的对流云团对暴雨的维持产生了重要影响,降水的落区与TBB低值区对应较好;暴雨期间水汽条件充足,低空存在大范围的水汽辐合中心,低涡倒槽、暖式切变线和偏东南急流影响为暴雨提供了强盛的上升气流,太行山对水汽及气流的阻挡作用使得降水强度增强。

协调多尺度决策系统中基于测试代价的属性与尺度选择

对多尺度决策系统进行处理可以使复杂的问题简单化,属性与尺度的同步选择是该处理过程中一个重要方法.此外,现实中数据处理经常需要考虑代价因素的影响,但是,目前研究还没有在属性与尺度的同步选择中考虑代价因素.为了解决这一问题,文中基于测试代价,研究协调多尺度决策系统的属性与尺度选择.首先,构造相应的粗糙集理论模型,模型中的定义及性质同时考虑属性和尺度这两个要素,并给出基于测试代价的属性-尺度重要度函数.然后,基于适用于多尺度决策系统的粗糙集概念及性质,提出属性与尺度同步选择的启发式算法.在UCI数据集上的实验表明,文中算法可大幅降低总测试代价,提升计算效率.

华南前汛期一次锋前暖区暴雨成因及中尺度对流系统分析

2020年3月27日华南地区发生一次典型的锋前暖区暴雨过程,过程持续超过15 h,出现中尺度对流系统MCS-A、MCS-B与MCS-C并产生多次分裂与重组。利用地面自动站数据、多普勒天气雷达资料、ECMWF-ERA5地面和高空再分析场资料,结合中尺度CMA-GD模式对此次暖区暴雨过程环流形势与中尺度对流系统组织特征和触发条件等方面进行分析。结果表明:(1)高低空环流包括500 hPa高空槽、200 hPa西风急流与锋前低槽等系统的有利配置且稳定少动是暖区暴雨长时间维持的重要原因。持续维持的低空急流为对流发生发展提供了有利的条件性不稳定和对流有效位能。(2)伴随自由对流高度降低与CIN抑制能量减小,贺州至怀集一带的关键区域1处对流在地面得以触发,而距离1处南向约80 km的关键区域2中1500 m高度处风速辐合与冷池作用使得对流发生。(3)MCS-A与MCS-B在关键区域1处触发,呈现前向与后向传播,MCS-C在关键区域2处触发后以后向传播为主。此外,MCS-B与MCS-C表现为多条平行排列的南北向短雨带并产生向东移动的“列车带效应”,而MCS-A与MCS-B则表现为多次分裂与重组后形成向东南移动的“列车带效应”。(4)中β尺度次级环流的上升支抬升西南暖湿气流,使其倾斜上升凝结潜热释放,造成后向传播对流系统的发生发展。同时由于强降水拖曳作用,850 hPa以下转下沉气流造成一定厚度的冷池后与暖湿入流叠加,触发新对流单体,也影响后向传播。(5)上游MCSs发生后在地面形成冷池出流,与暖湿气流辐合抬升,造成前端对流触发。

基于区间值的广义多尺度决策系统及最优尺度组合选择

多尺度决策系统基于多粒度思想对数据进行不同角度、深层次的分析与处理.目前,多尺度决策系统主要处理单值形式的数据,但在许多实际问题中,决策系统中的数据往往以区间值的形式存在.因此,将经典的多尺度决策系统推广到区间值上具有一定的意义.本研究定义了广义多尺度区间值决策系统的概念;基于Jaccard相似率推广了计算多属性下对象之间的相似度,以构造θ-相容关系;讨论了保持4种分布协调性相互等价的θ取值;证明了在不协调广义多尺度区间值决策系统中,任取一个θ值获得的最优尺度组合与取关于θ的某个区间范围获得的最优尺度组合相同.

基于熵的多尺度多重集值信息系统的最优尺度选择与属性约简

针对现有的信息系统难以体现和处理数据融合时出现的数据重复问题,文中提出多尺度多重集值信息系统的概念,并讨论该系统的最优尺度选择和属性约简问题.首先,在多尺度多重集值信息系统的每个属性中,基于属性值域中多重集之间的海林格距离定义论域上的相似关系,获得由每个属性子集导出的论域中所有对象的相似类构成的信息粒.然后,引入多尺度多重集值信息系统中知识粗糙熵的概念,进一步给出多尺度多重集值信息系统中的最优尺度与熵最优尺度的概念,证明基于相似关系定义的最优尺度和基于知识粗糙熵定义的最优尺度是等价的.最后,在熵最优尺度的基础上提出系统中基于相似关系的约简和基于知识粗糙熵的约简的概念,并分别给出筛选熵最优尺度和熵约简的算法.