基于一维变分法的微波辐射计反演边界层温湿廓线

地基微波辐射计能够克服星载遥感对低层大气不敏感的缺点,在边界层大气探测方面更具优势.一维变分反演算法考虑了辐射传输过程等物理机制,在应用于微波辐射计的反演时具有很高的可信度.针对微波辐射计信息含量较低以及一维变分算法收敛率不高等问题,提出利用地面气象要素改进算法在近地面层的反演精度和引入正则化算子提升算法的收敛特性.利用探空数据对上述改进方法的提升效果进行验证,结果表明:地面气象要素的引入使得反演算法在地表温湿度的均方根误差分别降低了78.2%和55.5%,对于上层大气温湿廓线也有小幅提升;正则化算子对算法的反演时间和反演精度影响很小,但是可以显著地减少未收敛样本个数和提升反演廓线的质量.

中尺度天气系统适应性观测研究进展及其在大城市短临预报中的应用构想

如何提高中尺度天气系统预报技巧是天气预报领域的重大科学问题之一。中尺度天气系统的发生和发展受到大气热动力条件、地形及污染条件等多重影响,且由于模式本身及初值的不确定性,中尺度天气系统所产生的对流天气预报仍有较大误差。通过在重点地区开展适应性观测试验降低模式初始场的不确定性是行之有效的方法之一,基于此有望更准确地揭示中尺度天气系统触发和形成机制、提高对流天气模式预报水平。首先,提出一种适应性观测试验的技术路线,即在已有的京津冀地区现代气象探测网基础上,采用集合变换卡尔曼滤波方法识别典型中尺度对流性天气的观测敏感区,结合无球探空移动观测平台,通过观测与预报互动方式,开展目标区的中尺度天气适应性观测试验,研究京津冀地区夏季对流天气触发机制,探索提高灾害性对流天气预报技巧的新方法。然后,针对大城市区域对流天气短临预报预警面临的低层大气垂直观测系统存在的“大网捞小鱼”问题,可通过构建由5个具有垂直观测能力的站点所组成的金字塔形对流层低层大气垂直观测系统,提出随云团大小和位置变化而变化的动态三角形组网观测技术,以获得不同空间尺度的大气动力廓线,进而增进对对流天气触发、发展和演变机理的认识。最后,探讨了适应性观测与大城市气象保障服务之间的内在联系,针对大城市大气垂直观测中尺度站网科学布局和以改进城市短临预报精度为目的的适应性观测等问题,给出具体建议,并展望以观测-预报互动为主要特征的中尺度适应性观测试验技术对大城市气象保障服务的科学价值和应用前景。

基于半球形邻域的激光雷达点云局部特征提取

为提升激光雷达点云目标识别的效率和减少计算开销,本文通过采用改进的邻域确定方法和LRF估计方法,提出了一种新的特征描述子:半球单值形状上下文特征描述子(Hemispheric Unique Shape Context,HUSC)。首先计算关键点处的互相关矩阵,并根据邻域点附近的点密度进行加权,以此估计关键点的法向量和切平面,并建立局部参考坐标系;然后以该切平面为底面构建半球形邻域,并将其按照方位角、极角和径向划分为多个栅格;最后统计各栅格中的点数,得到关键点的局部特征描述子。HUSC特征描述子在保证描述子准确率的同时,通过减少冗余栅格数量提高目标识别的效率。在Bologna、3DMatch数据集上进行的实验表明,基于半球形邻域的HUSC特征描述子与基于球形邻域的USC描述子对噪声鲁棒、对分辨率变化稳健性相当,但HUSC特征描述子占用内存更小,运算速度更快。

基于多元线性阵列探测器的飞秒激光成丝光声图像重建

为了实现对飞秒光丝内部空间结构特征的精细化描述,通过对光丝诱导形成超声信号的正向传播过程进行精细化模拟,然后采用通用反投影算法(UBP)、延迟叠加算法(DAS)和超优光声非负重构算法(SPANNER)等多种光声层析图像重建算法进行反向重建,理论验证了利用多元线性阵列探测的方式重建飞秒单丝和多丝轴向r-z截面图像的可行性。结果表明,当探测距离为3 mm时,单丝和多丝诱导形成的超声信号最大频率约为5 MHz;光声层析法能够较为准确地实现对单丝位置、r-z截面轮廓等信息的反演,但是不同图像重建算法重建效果差异较大。UBP重建算法对单丝的重建存在较为明显的伪影现象;DAS重建算法由于受到“有限孔径效应”的影响,高估了光丝的直径;SPANNER重建算法由于使用最优理论来改进非线性共轭梯度算子,实现了非负性和各向异性总变分正则化,可有效避免噪声干扰,因而对多丝图像的重建效果最好。该研究结果对于揭示光丝结构特征和促进基于光丝的大气应用研究具有一定的参考价值。

基态位涡径向分布对浅水涡旋系统动力稳定性的影响分析

本文基于正压浅水模型,分析基态位涡(Potential Vorticity:PV)结构对热带气旋(Tropical Cyclone:TC)类涡旋系统稳定性及其波动特征的影响.通过引入基态PV结构参数:宽度δ(眼墙内外边界涡度发生陡变的半径长度之比)和中空度γ(眼心相对涡度与内核区域平均相对涡度之比),设计具有相同基流最大切向风速和最大风速半径的170组不同基态PV环结构的敏感性试验,并讨论了不同基态PV结构下涡旋系统最不稳定波数(the most unstable wavenumber:MUWN)和系统最不稳定模态(the most unstable mode of System:MUMS)的特征频率及其不稳定增长率的大小.结果指出:当PV环较宽,系统表现为低波数最不稳定,相应的MUMS为低频波且增长率小;当PV环较窄,系统表现为高波数不稳定,且PV环越实最不稳定波数越高;当PV环窄且空时,MUMS均为中高频波动,且不稳定增长率随PV环的宽度变窄和中空度变空而明显增大.分析典型PV结构下系统演变特征可知,当PV环较宽,MUMS表现为具有平衡约束的低频波动的线性不稳定特征;当PV环趋向窄且空时,MUMS的平衡性约束趋向弱化,同时不稳定增长表现为明显的指数型增长.进一步讨论系统内部非对称结构的形成和传播机制发现,对于弱不稳定的PV环来说,低波数波最不稳定的特征波动具有典型涡旋Rossby波特征;而对于强不稳定的PV环来说,高波数不稳定的特征波动混合波性质明显.

基态位涡径向分布对浅水涡旋系统演变的影响分析PartⅡ:扰动发展和结构变化

本文在基态位涡(Potential Vorticity,PV)径向分布和基态涡旋强度对热带气旋(Tropical Cyclone,TC)类涡旋系统稳定性特征影响的研究基础上,结合理想试验和数值模拟诊断分析基态PV径向分布对扰动增长和系统结构变化的影响.基于线性正压浅水模型,设计三种典型基态PV中空结构下基态涡旋强度对系统稳定性影响的敏感性试验.结果表明:基态涡旋的强度主要影响稳定性的强弱,强度越强,不稳定增长率越大,而基态PV径向分布对系统最不稳定波动性质起着决定作用.分析不同波数下扰动的发展及不同波数间扰动的相互作用可知,对于宽且实的PV环,系统稳定性主要取决于低波数不稳定,且最不稳定波数扰动的发展具有明显的优势地位;对于窄且空的PV环,系统稳定性主要取决于高波数不稳定,且多个高波数下增长最快模态的不稳定增长率值十分接近.利用模态线性叠加法讨论扰动增长对系统结构变化的影响表明:最不稳定波数的扰动发展对系统结构变化有关键影响,而多个波数的扰动不稳定增长相当时,不同波数的扰动发生相互作用从而影响系统结构变化.最后,利用实际个例模拟资料分析基态PV径向分布及其变化对TC结构和强度的影响表明:TC内核区出现的多边形眼墙结构与当前时刻基态PV径向分布所决定的最不稳定波数有很好的对应关系,同时基态PV径向分布变化所反映出的系统动力稳定性强弱与TC强度发展阶段具有很好的相关性.

新中国成立70年来的中国大气科学研究:大气物理与大气环境篇

新中国成立以来,中国大气物理与大气环境学科不断发展,为大气科学的发展提供了重要支撑,为国民经济的发展提供了重要保障.文章着重介绍新中国成立70年以来中国大气物理与大气环境学科发展的总体概况,梳理改革开放40年大气物理与大气环境学科的主要研究进展,总结21世纪以来的突出研究成果,指出面临的重大问题和挑战,提出未来的重点方向和发展建议.

基于分层墨卡托投影的激光雷达点云数据局部特征描述

为了高效提取激光雷达点云数据的局部几何结构特征,实现三维(3D)目标的配准、检测和识别,提出了一种基于分层墨卡托投影(HMec)的局部点云特征描述子。首先,采用传统方法进行特征提取;然后,利用具有保角特性的墨卡托投影,将3D点云数据的局部邻域点分层投影到多个墨卡托平面上;最后,分别统计各墨卡托平面的分布直方图,得到特征点的局部特征描述子。HMec特征描述子能很好地保留点云的局部几何结构特征,从而提高特征描述子的辨别力。在Bologna和3DMatch数据集上的测试结果表明,相比其他9种局部特征描述子,HMec特征描述子的辨别力更强、噪声鲁棒性更好。

一种新型多重积分数值计算的余项公式

研究了应用复化中矩形公式法进行多重积分数值计算的余项的一般形式,为连续模型离散化产生误差的分析提供了理论依据.