CNEM08一I电扰动仪的开发与研制

基于当代地震电磁扰动有关理论,地震临震前会引起地下电磁场发生变化,电磁扰动观测在地震监测预报工作中能够发挥较好的短临预报作用。本论文旨在开发研制基于地下交变电磁场数字化电扰动仪。CNEM08一I电扰动仪采用低功耗、高性能的工控机作为硬件平台,选取大容量存储器,对地下电磁场变化进行实时观测,连续数字化采集。编制了数据采集系统软件及与观测系统配套使用的分析系统软件,自动将采集数据通过网络传输到分析控制中心,同时对多个基站的观测数据进行显示、统计分析,可进行分段统计平均值、最大值、总量,可对异常进行统计分析。     

基于随机森林的内陆湖泊水体有色可溶性有机物(CDOM)浓度遥感估算

水体中的有色可溶性有机物(CDOM)是湖泊生态系统中氮、磷等有机营养物质的重要来源,利用卫星遥感数据反演内陆水体中CDOM浓度一直是个挑战.因此本文基于滇池2009年9月、2017年4月以及太湖2016年7月的现场原位观测和室内实验,在分析水体固有光学特性的基础上,引入机器学习算法,建立了基于哨兵-3A OLCI传感器的我国内陆湖泊水体CDOM浓度随机森林反演模型.利用独立的验证数据集对所构建的随机森林模型及常用的波段比值模型、一阶微分模型、半分析模型、BP神经网络模型等的反演精度进行评价.结果表明:随机森林模型的均方根误差为0.14 m-1,平均相对误差为21%,与反演效果相对较好的BP神经网络模型相比,均方根误差降低了50%,平均相对误差降低了38%,反演精度得到了显著的提高.根据随机森林算法的特征重要性参数提供的各自变量影响力结果,发现B11(709 nm)和B6(560 nm)波段贡献率最大,是反演CDOM的敏感波段.最后将随机森林模型应用到滇池2017年4月12日、太湖2017年5月18日的哨兵-3A OLCI影像上,得到滇池、太湖水体CDOM浓度分布图.滇池CDOM浓度的分布特征大致符合东北、西南高,中西部低的趋势,且河口处的CDOM浓度高于湖泊水体,表明径流的输入给滇池水体带来了大量的CDOM.太湖CDOM浓度的分布特征大致符合西部高,湖心区和东部低的趋势.太湖西部以及北部梅梁湾受入湖河流影响较大,CDOM浓度较高,太湖开敞区远离河口处,受外源河流的影响逐渐减小,且由于湖水的不断稀释,CDOM浓度不断降低.太湖东部水生植物很多,湖水较为清澈,CDOM浓度较低.     

基于Weimer模型的高纬地磁扰动预测

地磁扰动是空间天气中的重要现象,对地基技术系统具有重要的影响.准确预报地磁扰动可以有效避免重大灾害发生.本文基于Weimer电势和磁势模型发展了高纬地区地磁扰动的模拟方法,并与地面台站观测数据进行了比较.地表磁场扰动主要受电离层电流系统的影响,利用Weimer模式计算出电离层等效电流分布后,基于毕奥-萨伐尔定律推导了地磁扰动三分量与电流的关系,最终计算出地磁扰动量.模型的输入参数为太阳风速度、太阳风密度、行星际磁场和磁偶极倾角.模型计算结果与不同纬度和经度的地磁台站观测结果对比表明本文的计算方法能有效地模拟地磁暴期间地磁扰动特征.本文结果对今后发展高纬地区地磁场预报模型奠定了重要基础.     

太阳风引起的地磁扰动的辨识建模

本文作为地磁扰动系统辨识研究系列的第３篇文章，首先对太阳风－磁层能量耦合进行分析，在此基础上总结和建立一个含有待定参数的物理模型．然后利用参数辨识方法，具体地确定这些参数和函数，从而得到一个完整而确定的数学物理模型，并对这一模型的实用性和可信度进行检验．另外，还选择１９７２年８月事件进行了一次预报实验，即根据太阳耀斑的观测，利用ＨＡ方法和文中得到的模型，分两步实现对地磁扰动的预报．     

基于对流尺度集合预报特性的局地增长模培育算法

结合对流尺度集合预报的强局地性特征,提出了一种局地增长模培育法,并根据理想试验结果从扰动形态、离散度和预报均方根误差三个方面对局地增长模培育法进行了初步评估.局地增长模培育法在增长模培育法的基础上,引入影响半径.在培育过程中,通过计算每个格点的局地预报均方根误差与初始时刻全场预报均方根误差之比,对扰动进行缩放调整.试验结果表明,经过局地增长模培育法调整后的扰动,具有更多的局地化特征.对于扰动物理量与一些近地面气象要素而言,局地增长模培育法能够提高集合的离散度并降低预报均方根误差,提高集合预报系统性能.局地增长模培育法是一种不同于现有基于全局正交思路的初始扰动方法,充分考虑了对流尺度天气系统的局地性,有助于提高对流尺度集合预报的预报效果.     

1988-2018年滇池氮磷比的时空演变特征与原因解析

氮、磷浓度是制约湖泊营养状态和生产力水平的重要环境因子,而氮磷化学计量比是湖泊生态系统的主要指标,因此,判识氮磷比变化趋势及其驱动力对湖泊生态恢复具有重要意义.研究基于19882018年连续观测数据,分析了滇池氮磷浓度和氮磷摩尔比(简称氮磷比)的时空分布演变特征;采用多元线性回归模型分别对滇池草海和外海氮磷比驱动效应进行定量解析,筛选出影响湖体氮磷比变化的潜在驱动因子.结果表明:①19882018年滇池氮磷比呈现显著的线性上升趋势,其中草海和外海氮磷比分别上升1.3和0.7 a^-1.②草海和外海分别在2008年和2004年发生了氮磷比上升突变,突变前上升归因于总氮浓度快速增加,突变后则是由于总磷浓度下降较快.③滇池的氮磷浓度变化主要是受流域氮磷输入负荷、跨流域调水、流域氮磷削减、风速和水位的综合影响,但受控因子在不同区域可能存在差异.④气温是滇池氮磷比变化的主要驱动因子,流域人为氮磷输入差异是滇池氮磷比变化的次要驱动因子.     

滇池、抚仙湖、阳宗海长期水位变化(1988-2015年)及驱动因子

水位变化影响湖泊水质、水量和生态系统功能,是研究湖泊演变的重要内容,但目前针对滇中高原湖群水位变化特征还少见系统报道.本文选择滇池、抚仙湖、阳宗海3个滇中高原湖泊作为研究对象,基于1988-2015年实测水位数据和Mann-Kendall趋势检验法评估了3个湖泊水位变化特征;运用RClimDex模型获得了流域极端降水指标,结合其他指标构建了基于极端气象因子的湖泊水位驱动力指标体系;采用主成分-多元回归模型,解析了极端降水、蒸发等气象因子对滇中高原湖泊水位变化的贡献.结果表明：①滇池、抚仙湖、阳宗海水位年际波动不突出.滇池的年平均水位总体略呈上升趋势,年均上升0.025 m.阳宗海和抚仙湖水位无明显变化.②滇中高原湖泊流域的极端降水指数年际变化趋势不明显.滇池的蒸发量呈明显减小趋势,年均减小21.05 mm.抚仙湖蒸发量呈明显增加趋势,平均每年增加5.52 mm.阳宗海蒸发量的变化不明显.③气象指标可解释滇池水位变化的49.7%,滇池水位变化受气候变化和人类活动的综合影响;阳宗海和抚仙湖水位变化主要受气象条件控制,蒸发量、综合降水指标和连续降水指标对阳宗海水位变化的解释率高达93.3%;综合降水指标和干旱状况指标可以解释抚仙湖水位变化的64.5%.极端降水指标对解释高原湖泊水位变化具有重要作用.     

基于集合卡尔曼滤波的湖泊富营养化模型Delft3D-BLOOM数据同化

富营养化模型是进行湖泊水环境质量预测和管理的重要工具,然而模型客观存在的误差一直是应用者关心的重要问题.数据同化作为连接观测数据与数值模型的重要方法,可以有效提高模型的准确性.集合卡尔曼滤波(En KF)是众多数据同化算法中应用最为广泛的一种,可进行非线性系统的数据同化,并能有效降低数据同化的计算量.本研究以太湖作为具体实例,选择Delft3D-BLOOM作为富营养化模型,在数值实验确定En KF集合数为100、观测误差方差为1%、模拟误差方差为10%的基础上分别进行模型状态变量同化以及状态变量与关键参数同步同化.结果显示,仅同化状态变量时,模型预测精度有所增加;同时同化状态变量和关键参数时,可显著提升模型在湖泊水环境质量预测中的精度.该研究为应用集合卡尔曼滤波以提高复杂的湖库富营养化模型模拟精度提供了有效的方法.     

EnKF同化雷达资料对一次极端局地强降水事件预报影响及其可预报性分析

局地强降水可以引发山洪、泥石流等次生灾害,目前准确预报局地强降水依然是天气预报业务的难点.本文针对一次发生在西北太平洋副热带高压边缘、导致12人死亡的极端局地强降水事件,利用集合卡尔曼滤波(En KF)开展多普勒雷达径向风观测资料同化试验,并对En KF同化过程不确定性进行分析.结果表明:不同化观测资料,采用单一初值的确定性预报或增加初值扰动、采用多物理过程的集合预报均不能正确预报强降水发生位置,而利用En KF同化雷达径向速度观测资料能有效改进确定性和集合预报效果,特别是强降水位置预报.通过En KF同化雷达资料,建立深厚的中尺度对流系统是改进降水预报效果的直接原因.在具备了对流发生条件的大尺度环境背景场中,上游地区、对流层中下层经向风和水汽场的合理扰动是影响同化过程和降水预报的关键因素.该个例预报过程受实际可预报性影响,具有不确定性,大尺度初始条件的差异或初始扰动场振幅偏小导致的En KF分析场差异都会对模拟结果造成较大影响,而采用En KF循环同化有助于提高该个例的预报准确性.敏感性试验还表明未来通过改进数值模式或改善观测系统,提供更准确观测信息,可以对此类短时强降水事件做出更准确预报.     

基于修正K_p指数的中纬区单站电离层暴预报方法研究

对电离层暴进行有效预报具有很重要的实际应用价值,但目前这一工作还存在着许多方面有待改进.本文假设电离层扰动的季节性规律占主导地位,借鉴Kutiev and Muhtarov构建修正K_p指数表示地磁活动的方法,建立了一个适用于中纬地区Yakutsk单台站电离层暴预报的线性经验模型.检验表明,该模型对Yakutsk站夏季和春秋季电离层扰动的预测效果明显优于IRI中的STORM模型,模型改善度平均可达35%左右;能很好地反映磁暴连续发生的情况下δfoF₂分阶段下降的形态;能反映出一定的电离层正相扰动及其持续时间,但是正扰动的预报精度有待进一步提高.     

墨水湖N/P水质模型研究

武汉墨水湖30多年来因湖周大量城市污水的排入,造成湖泊严重富营养化,急需综合规划治理,因此需研究墨水湖水体污染变化规律,开展水质模型的研究。针对墨水湖水文、水质、地貌状况,把整个湖区划分五块（子湖区）,建立分散结构N/P水质模型,提出了一套可行的模型参数识别方法,并作了模拟检验,精度令人满意。在分析中运用系统论方法,并应用计算机现编程序操作。     

DAYTIME HEAT BALANCE FOR ESTIMATING NON-RADIATIVE FLUXES OF LAKE BANYOLES,SPAIN

Combining a six-term heat balance equation and a seasonal thermocline model, a new equation to calculate non- radiative fluxes of Lake Banyoles has been determined. Mean daily measurements of global solar radiation, downward longwave radiation, wind speed, air temperature and water surface temperature were used as input data and lake temperature as the calculated output data of the model. To calibrate performance of the new equation, calculated lake temperature was compared with measured lake temperature during both the mixing and the stratified period of the lake. The new coefficients in the wind function to calculate the non-radiative fluxes at the water surface were assumed to depend on the variability of the wind speed, the air temperature of the study area and the surface temperature of the lake. In addition, the results were used to estimate the heat balance of the air–water interface of Lake Banyoles over a period of two years. The processes that have been taken into account are shortwave and longwave radiation, back-radiation emitted by the lake, sensible and latent heat and throughflow.     

顾及非线性改正的动力学方法反演GRACE时变重力场模型

本文利用解的叠加原理求解了轨道扰动微分方程组,构建了扰动位系数与轨道和星间距变率的观测方程,并分别引入非线性改正项.通过惯性坐标系与运动坐标系的转换求解状态转移方程组,分析了观测方程的低频误差特征,导出了目前常用的消除剩余星间距变率低频误差的五参数或七参数经验公式.此外,根据非惯性力模型误差是分段标定的特点,提出利用三次样条函数来处理低频误差,通过模拟计算表明三次样条函数处理低频误差略优于七参数.最后,处理实际的GRAEC Level-1b数据,解算了2006年1月至2009年12月期间的月时变重力场模型UCAS_Grace01,通过在不同区域进行比较可以得出本文计算的时变重力场模型与国际官方机构精度基本是一致的结论.     

位场曲化平积分方程的迭代解

提出了位场曲化平的新方法. 给定观测曲面S上的位场、S对下方水平面P的相对高程,确定P上的位场. 利用由P向上延拓到S的积分式,建立这两个面上位场及相对高程三者所满足的方程,它是第一类Fredholm积分方程. 用Fourier逆变换式把这一空间域积分式化为波数域积分式,再由指数函数的Taylor展开进一步化为级数式. 积分方程的解采用逐次逼近法迭代计算,即用S上的位场观测值作为P上位场的初始迭代值,用导出的级数式求得S上的位场计算值、由S上的位场观测值与计算值之差校正P上的位场,多次迭代,直到满足迭代终止准则. 我们还给出该积分方程的波数域迭代计算方法. 模型算例表明,重力异常曲化平的均方差和磁异常曲化平的均方差分别为0.0008 mGal和0.0019 nT,在主频为2.26 GHz的笔记本电脑运行,2048×2048数据量,计算时间是975 s. 野外磁场实际资料处理也证实这种方法的有效性.     

基于重力卫星几何轨道线性化的地球重力场反演方法

传统动力学法的观测方程以6个初始轨道参数和先验力模型为初值进行线性化,其线性化误差随积分弧长拉长而增大.本文直接以重力卫星的几何观测轨道为初值进行线性化,其线性化误差与轨道弧长无关,且不需要初始重力场模型和初始轨道参数.导出了基于卫星轨道观测值反演重力场模型的相关公式,利用JPL公布的RL02版本2008年全年的GRACE双星轨道数据和加速度计数据解算了90阶次的地球重力场模型TJGRACE01S,并以EGM2008模型为基准与其他模型进行了比较分析,结果表明:TJGRACE01S模型直到90阶次的大地水准面累积误差为17.6 cm,优于同阶次的EIGEN-CHAMP03S和EIGEN-CHAMP05S模型,前27阶位系数整体精度优于EIGEN-GRACE01S,前15阶位系数整体精度与EIGEN-GRACE02S模型精度大致相当.利用美国8221个GPS水准点数据的分析结果也表明,本文模型也优于同阶次的EIGEN-CHAMP03S和EIGEN-CHAMP05S模型.     

川西北岷山灰岩区喀斯特堰塞湖形成中的生物作用

川西北岷山灰岩区内的喀斯特堰塞湖是一种特殊的湖泊地貌类型,它是在一定的地质地貌条件及水化学条件下由生物作用参与并促进生物型灰华的快速沉积并堰塞河道而成。野外沉积构造和湖泊形态观察、水化学分析及室内对灰华体的光学显微镜和扫描电镜的观察结果表明,生物作用以多种方式存在着。多种生物(苔藓、藻类、灌草丛等)在生物型灰华堤堰的形成(也即喀斯特堰塞湖的形成)过程中的不同生物作用(包括同化作用、拦截作用、毛管作用、捕获粘结作用及构架作用)贯穿于灰华沉积的复杂循环过程之中。     

Hydrological processes of a closed catchment‐lake system in a semi‐arid Mediterranean environment

Data collected in 4 years of field observations were used in conjunction with continuous simulation models to study, at the small‐basin scale, the water balance of a closed catchment‐lake system in a semi‐arid Mediterranean environment. The open water evaporation was computed with the Penman equation, using the data set collected in the middle of the lake. The surface runoff was partly measured at the main tributary and partly simulated using a distributed, catchment, hydrological model, calibrated with the observed discharge. The simplified structure of the developed modelling mainly concerns soil moisture dynamics and bedrock hydraulics, whereas the flow components are physically based. The calibration produced high efficiency coefficients and showed that surface runoff is greatly affected by soil water percolation into fractured bedrock. The bedrock reduces the storm‐flow peaks and the interflow and has important multi‐year effects on the annual runoff coefficients. The net subsurface outflow from the lake was calculated as the residual of the lake water balance. It was almost constant in the dry seasons and increased in the wet seasons, because of the moistening of the unsaturated soil. During the years of observation, rainfall 30% higher than average caused abundant runoff and a continuous rise in the lake water levels. The analysis allows to predict that, in years with lower than the average rainfall, runoff will be drastically reduced and will not be able to compensate for negative balance between precipitation and lake evaporation. Such highly unsteady situations, with great fluctuations in lake levels, are typical of closed catchment‐lake systems in the semi‐arid Mediterranean environment. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

湖泊光学研究进展及其展望

从湖泊光学研究理论框架、研究方法、水体生物光学特性、有色可溶性有机物(CDOM)生物地球化学循环、光与浮游植物相互关系、沉积物再悬浮光学效应、湖泊水色遥感等几个方面全面回顾了湖泊光学研究进展.湖泊光学研究理论框架主要包括各光学组份吸收、散射、漫射衰减及辐射传输方程;近年来,逐步发展了野外时空格局调查、水动力水华过程连续...     

Feasibility study on application of satellite formations for eliminating the influence from aliasing error of ocean tide model

Currently,aliasing error of temporal signal model becomes the main factor constraining the accuracy of temporal gravity field.In provision of three types of satellite formations,i.e.,GRACE-type,Pendulum-type and n-s-Cartwheel-type,which are suitable for gravity mission and composed of observation in different directions,here we design two cases and conduct a simulation experiment on the feasibility to apply satellite formations for eliminating the influence from the aliasing error of ocean tide models.The result of our experiment shows that,when the aliasing error is disregarded,n-s-Cartwheel formation can provide the best conditions for gravity field determination,which,compared with GRACE-type,can improve the accuracy by 43%.When aliasing error of the ocean tide model acts as the main source of error,the satellite formation applied in dynamic method for gravity field inversion cannot eliminate aliasing or improve the accuracy of gravity field.And due to its higher sensitivity to the high-degree variation of gravity field,the Cartwheel-type formation,which includes the radial observation,can result in the gravity field containing more high-frequency signals for the ocean tide model error,and lead to a dramatically larger error.     

太湖藻类水平漂移特征及其影响因素

采用原位观测平台,研究分析了太湖竺山湾风速、湖流流速、波高以及藻类水平漂移特征及其影响因素,结果表明日间藻类水平漂移速率呈锯齿式交替特征,日内藻类水平漂移速率变化幅度大;藻类水平漂移速率与风速之间呈显著线性正相关;当0.02 m < 有效波高 < 0.1 m时,藻类水平漂移速率与有效波高呈显著线性负相关,当有效波高 > 0.1 m时,波浪会显著改变藻类运动方式,破坏藻类表层聚集形态;湖流对藻类水平漂移速率无显著性影响;藻类水平漂移方向受湖流流向和风向的共同作用;藻类水平漂移速率与风速、波高、湖流流速间关系可用多元线性方程表达,且拟合度良好,可为藻类水华预测模型构建提供依据.