非均匀分层下的二阶精度垂直差分方案及其在GRAPES模式中的应用

在非均匀分层下,目前GRAPES(Global/Regional Assimilation and Prediction System)模式中使用的垂直差分方案只能达到一阶精度。本文设计了一种适用于非均匀分层的二阶精度垂直差分方案,并将它应用于改进GRAPES模式动力框架的垂直离散化过程。一维廓线理想试验结果表明:二阶精度方案可以减少差分计算误差,而这种改进的幅度相对于差分计算本身引起的误差来说仍然是比较小的。通过密度流试验对修改后的模式动力框架进行测试,结果表明二阶方案可以保持模式动力框架的准确性和稳定性。进一步利用实际资料开展批量测试,发现二阶方案可以降低模式高空要素场的预报误差,而且这种改进随着预报时间的延长变得更为明显。最后选择一次典型的华南暴雨过程进行模拟,同样发现二阶精度方案对于48小时之后的降水会有一定程度的改进。

地基GNSS水汽层析的自动垂直非均匀分层方法

结合GNSS水汽层析算法的假设条件以及水汽密度随高程变化的特点,通过设置水汽密度随高度变化的合理阈值,提出一种地基GNSS水汽层析的自动垂直非均匀分层方法。利用香港地区连续6 d的GNSS观测数据,分别采用自动垂直非均匀分层方法和传统垂直均匀分层方法开展区域GNSS水汽层析实验,并以ECMWF数据为参考进行精度验证。结果表明,采用自动垂直非均匀分层方法进行GNSS水汽层析得到的大气湿折射率的偏差均值和均方根误差(RMSE)的均值分别为3.9 mm/km和4.6 mm/km,相对于垂直均匀分层方法减小约20.4%和23.3%。

非均匀分层对GNSS水汽三维层析的影响

针对目前地基全球卫星导航系统(GNSS)层析大气水汽精度不高的问题,本文提出对网格划分垂直方向非均匀分层的方法,提高了区域层析结果精度.基于多系统GNSS观测数据,对河南地区东经111.5°～115.5°,北纬33.6°～35.6°区域上空水汽分布进行层析探测,研究垂直分层方法对层析结果的影响,垂直方向采用均匀和非均匀两种分层方式,得到的水汽密度结果与探空反演水汽密度值都非常接近,对比来看,非均匀分层层析在相关系数、均方根误差和平均偏差等数据分析方面表现出了较好的数据精度,采用非均匀分层方法可以得到更优的大气水汽反演结果.

驻波场中非均匀手征分层粒子的辐射力特性

随着光学技术的发展,人们对光场与微粒相互作用的研究越来越深入.通过研究驻波场中非均匀手性粒子的辐射力特性,可以深入了解光场对微粒的影响机制,为微纳米尺度下分层手征粒子的操控和应用提供新思路.本文对双高斯波束照射下非均匀手征分层粒子的辐射力展开研究.从广义洛伦兹-米氏理论(generalized Lorentz-Mie theory,GLMT)和球矢量波函数(spherical vector wave functions,SVWFs)出发,推导了双高斯波束(double Gaussian beams,DGBS)的总入射场展开系数.基于边界连续条件和电磁动量守恒定理,得到双高斯波对粒子的辐射力表达式.通过与现有文献进行比较,证明了理论和程序的正确性.详细分析了各种参数对辐射力的影响,如束腰宽度、偏振形式、粒子半径、内外手征参数、折射率、最外层厚度等.研究表明,与单个高斯束相比,反向传播的高斯驻波在捕获或限制非均匀手性分层粒子方面表现出显著优势,提供了更强的粒子操控能力.此外,通过选择合适的偏振态入射,可以在这些参数之间实现微妙的平衡,从而有效地稳定俘获非均匀手性粒子.这些研究对于分析和理解形状复杂多层生物细胞的光学特性具有重要意义,并在多层生物结构微操控方面具有重要应用价值.

一种基于非均匀分层的WSN分簇路由算法

为了解决无线传感器网络中的热区问题并延长网络生命周期,该文基于对LEACH,EEUC分簇算法的研究,提出了一种非均匀分层的WSN分簇路由算法ULRA.该算法的思想是以基站为圆心将网络分成宽度递增的区域,越靠近基站的区域内的节点成簇半径越小,实现了网络不均匀分簇.节点依据剩余能量来启动定时器以合理选择簇首,剩余能量越高的节点成为簇首的可能性越大.簇间采用多跳路由的方式传输数据,避免簇首能耗不均衡的问题.仿真结果显示,与LEACH和EEUC算法相比,ULRA算法能够有效的延长网络生命时间.

顾及水汽分布的非均匀离散化GNSS水汽层析精化方法

GNSS水汽层析技术凭借其高精度、全天候的探测优势,成为反演高时空大气水汽分布的重要手段。现有GNSS水汽层析模型通常采用均匀离散化方式对三维层析区域进行划分,但由于大气水汽的空间异质性,均匀离散化方法并不符合大气水汽在垂直方向的真实分布特点。本文充分考虑大气水汽的垂直变化规律,提出了一种顾及水汽分布的非均匀离散化GNSS水汽层析精化方法。该方法根据水汽含量的垂直递减特征,构造了基于可降水量变化率的垂直非均匀分层方法,并在不同高度层设置了水平非均匀离散化方案,形成了从地表到对流层顶体素分辨率逐渐减小的非均匀离散化水汽层析模型框架。基于2017年7月香港地区的GNSS实测数据、探空数据和ERA5再分析资料开展了水汽层析试验,结果表明:以探空水汽廓线为参考值,非均匀离散化方法的均方根误差相较于传统方法的3种方案分别降低了21.8%、20.9%、20.5%;以ERA5三维水汽数据为参考值,本文方法对应的整个区域层析结果的RMSE值分别降低了15.4%、11.4%、12.6%。此外,在2 km以下的近地区域,本文方法的层析结果精度也要明显优于传统方法,有望为降雨预报提供更高精度和更高分辨率的近地表三维大气水汽产品。

倾斜分层非均匀介质中磁偶极子场的数值分析

研究倾斜分层非均匀介质条件下磁偶极子源在介质空间的电磁响应 ,给出了场表达式和数值递推算法 ,提出了在大倾角条件下利用电阻率曲线划分界面和进行前向预测的方法 ,数值模拟和应用实践证明该方法是有效的 。

单脉冲在有限域分层非均匀媒质中的传播与反射的小波分析法

本文应用小波变换求解了单脉冲在有限域分层非均匀媒质中的传播与反射，并将有限域分层均匀媒质作为它的特例，与用经典的Ｆｏｕｒｉｅｒ变换导出的结果相比较，二者完全一致，从而证明了小波变换方法的正确性．但更重要的也更有意义的是小波变换方法解决了Ｆｏｕｒｉｅｒ变换无法解决的分层非均匀媒质情形．

非均匀密度层结内潮射线生成与传播的实验研究

本文通过实验室实验的方法,探讨了非均匀密度层结下内潮射线的生成与传播规律。利用粒子图像测速技术(PIV)对流场进行测量,并计算了内潮能通量。实验结果表明,无转折深度时,内潮射线传播至不同浮频率水层会发生折射,向上传播时有能量聚焦现象;转折深度高于地形高度时,在浮频率大于强迫频率的上层流体中仍有内潮射线生成,但能量较弱,水平通量的深度积分相对于无转折深度时更小,且地形越高越容易在上层激发内潮射线。对水平流速做经验正交函数(EOF)分解,得到的主要模态与内潮斜压模态有很好的对应性。

一种基于目标区域分层的WSN路由协议

目前WSN路由协议大多是对分簇方法或传输路径的优化,从而达到优化网络能耗的目的。文中提出一种基于非均匀分层的路由协议(ULEE),通过对监测区域进行分层赋予节点以不同的竞争半径,并根据节点剩余能量选取簇头,同时采用多跳的簇间传输。仿真结果表明,该算法可以通过计算推导获得最优参数。相对于几种经典路由协议,该协议具有节点能耗均匀、网络寿命延长的特点。

基于微波辐射测量和GA-BP神经网络的电缆内部温度反演

目的针对现有电缆监测系统无法实现无损式测量电缆内部温度的问题,方法提出一种基于微波辐射测量的电缆内部温度反演方法。首先,使用非相干方法构建多层微波辐射传输模型,利用指数函数进行分层,通过无限元仿真得到微波辐射计测量的亮温数据集,应用十折交叉验证划分数据集,为模拟实际测量中微波辐射计测得的亮温值易受环境噪声影响的情况,本文将测试集仿真值混合信噪比10~50 dB的高斯白噪声作为微波辐射计的实测值;然后采用遗传算法(genetic algorithm,GA)优化BP神经网络的权值和阈值,以此构建GA-BP神经网络模型,再向构建好的网络中输入样本,训练网络模型;最后利用实测值验证经过训练的GABP神经网络模型在反演电缆内部温度方面的能力。结果实验结果表明:相较于仅使用BP神经网络,使用遗传算法优化后的BP神经网络在反演电缆内部温度方面表现更优异;网络的反演效果和实测值添加的噪声信噪比呈正相关,噪声信噪比越大,神经网络的反演效果越好;当测试集中添加的噪声信噪比大于36 dB时,R^(2)>0.627,RMSE<5.55,反演效果较好;当混合噪声信噪比为50 dB时,反演效果最优,决定系数可达0.985。结论结果证明了GA-BP神经网络在电缆内部温度反演的有效性,为电缆内部温度反演提供了新思路。

能耗均衡与节能的自适应水下路由协议

针对水下传感器网络中节点能耗不均衡和能量有限的问题,提出一种能耗均衡与节能的自适应水下路由协议ECBES(energy consumption balanced and energy saving adaptive underwater routing protocol)。构建双区非均匀分层拓扑。基于能耗均衡因子,利用拓扑和节点剩余能量计算节点转发优先级,实现自适应转发节点选择,均衡网络能耗。与此同时,通过候选转发区域各分区域中节点参与转发数据包的比例确定次优候选转发区域,将次优候选转发区域作为初始策略,利用策略迭代思想确定最优候选转发区域,保证投递率的同时减少不同网络规模中重复数据包的转发,降低网络的整体能耗。仿真结果表明,ECBES相比VBF、ES-VBF和ALRP,在不同节点数量下,节点死亡率均最低,在保证数据包投递率的同时,能耗最少。

机载正下视SAR探测极地冰川的回波数值模拟

建立了大尺度分层粗糙面散射物理模型,基于Kirchhoff近似、几何光学和射线追踪方法,推导给出粗糙面散射场的计算公式,提出了一种快速模拟机载正下视合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)探测冰川回波的数值仿真方法,以帮助分析实测数据.对SAR系统设计、雷达回波信号处理算法研究都有很大帮助,可以应用到星体地下结构探测回波的模拟.理论公式及数值仿真结果验证了此数值仿真方法的正确性.在不同的仿真场景和雷达系统参数下,数值仿真模拟了冰川散射回波,定量分析了冰层表面粗糙度、次表面粗糙度、山体倾斜度、雷达系统参数等对天底区域和非天底区域散射回波的影响.本文的仿真方法可以快速计算任意大尺度特定地形所对应的雷达探测仪回波数据.

电磁波动方程的小波高频解

提出利用小波变换求解不连续性变系数电磁波动方程高频解的方法,解决了Fourier变换法无法解决的分层非均匀无耗介质中波的传播与反射向题。并用该方法计算了一个Fourier变换法能求解的特例,两种方法计算结果完全相同。