基于星载SAR数据的台风参数估计及风场构建

传统的星载SAR数据海面风场反演方法是利用海面风场与雷达后向散射系数之间的经验关系即CMOD5模式函数求解海面风场.但在台风条件下,由于降雨对雷达信号的影响及高风速条件下CMOD5模式函数的停滞效应,海面风场的反演精度迅速下降.针对降雨对雷达信号的影响,本文基于星载SAR卫星平台未搭载降雨测量载荷的特点,将多时次的静止气象卫星红外云图用于推导台风云系的运动矢量,并由该运动矢量及非同步观测降雨数据估算星载SAR数据过境时的降雨强度.最后,利用订正模型和降雨强度数据进行降雨订正.针对高风速条件下CMOD5模式函数的停滞效应,本文基于台风的SAR图像特征和改进的HOLLAND台风模型,提出了台风参数估计及风场构建方案.首先,利用基于小波分析的风向提取算法提取台风风场的海面风向信息,并通过地球物理模式函数和风向信息反演海面风速.然后,根据台风眼的SAR图像特征计算台风中心位置和最大风速半径,并将其代入改进的HOLLAND台风模型.最后,利用中低风速数据通过最小二乘法拟合台风中心气压和最大风速,并将台风风向、中心位置、最大风速半径、中心气压和最大风速等参量代入改进的HOLLAND模型构建台风海面风场.为了验证方案的精度,选择台风"艾利"、"卡努"和"奥菲利娅"的星载SAR数据进行试验,并利用美国联合台风预警中心和飓风研究中心的最佳路径数据和风场数据进行精度检验.结果表明,本文利用星载SAR数据估算的台风中心位置、中心气压、最大风速与最佳路径数据基本一致,构建的海面风场精度较高,其中,海面风速的均方差为1.4 m s-1,风向的均方差为2.1°,为台风监测提供了新的技术途径.     

基于Matrix-Doubling方法的三维森林雷达后向散射模型的改进

辐射传输方程已广泛应用于森林雷达后向散射模拟.基于辐射传输方程建立起来的三维森林雷达后向散射模型可以考虑林分结构对后向散射的影响以及冠层、树干等与地表的二次散射.它可以较准确地估算同极化后向散射.但三维森林雷达后向散射模型只考虑了冠层内部的一次散射,而交叉极化主要来自于冠层体散射,因此模型常常低估交叉极化.为了提高模型对交叉极化的估算能力,将Matrix-Doubling方法引入到三维森林雷达后向散射模型中,用以计算冠层体散射.将改进模型的计算结果与原模型的计算结果进行了比较,并且使用野外观测数据和AIRSAR数据对改进模型做了验证.结果表明,对于不同密度的森林,模型对交叉极化的估算能力在一定程度上得到了改善.     

基于三亚VHF雷达的场向不规则体观测研究:2.东亚低纬电离层E区准周期回波

中低纬电离层E区不规则体准周期雷达回波现象,在地球不同经度区被观测到并开展了有关研究.本文利用三亚(109.6°E,18.4°N)VHF相干散射雷达2011年2月6日的观测,第一次给出了中国低纬电离层E区准周期回波的发生和变化特征.观测结果表明:准周期回波发生在地方时夜间2100—2200LT的110km高度上,与连续性回波可同时发生;准周期回波斜纹在雷达探测的高度-时间-强度(HTI)图上可延伸5～20km,持续时间为5～15min,回波斜纹高度随时间以20～30m/s下降,斜纹在HTI图上彼此间隔10km和10min左右.此外,雷达回波多普勒谱和雷达干涉分析显示不同高度准周期回波的多普勒速度随高度-时间表现出不同的变化趋势,与回波条纹斜率无明显联系,不同高度准周期回波对应的不规则体在东西方向也表现出截然不同的运动特征.分析结果表明,三亚电离层E区准周期回波的发生可能并不是由散块Es随着中性风周期性的经过雷达探测区域所致,而可能和Es中的扰动结构相关.     

丹徒苏18井水位微动态特征

根据井区区域地质构造及水文地质环境,研究丹徒苏18井的水位动态特征,着重分析气压、固体潮、降雨荷载效应与水位变化的关系。因近年井区周边观测环境有所改变,进而探讨环境改变后降雨荷载对水位观测产生的影响。     

基于三亚VHF雷达的场向不规则体观测研究：3. 距离扩展流星尾迹回波

距离扩展流星尾迹回波 （RSTE,range spread trail echo）观测通常采用高功率大孔径雷达.本文利用三亚 （18.4°N,109.6°E） VHF雷达观测,分析研究了小功率VHF雷达观测的RSTE特征.结果表明,三亚VHF雷达在相干散射模式观测的RSTE,其发生和演化的主要形态特征类似高功率大孔径雷达的观测结果.通过2011年8月期间,三亚VHF雷达相干散射模式观测的RSTE,与同时的全天空流星模式观测的镜面流星尾迹（SE,specular trail echo）数据,统计分析了RSTE和SE随地方时以及高度的变化,发现短持续时间RSTE（小于等于15 s）与SE具有类似的时间-高度变化特征,而长持续时间RSTE（大于等于15 s）发生的峰值时间,相比SE和短持续时间RSTE向晨侧偏移,且长持续时间RSTE对高度的依赖性比短持续时间RSTE显著.此外,全天空流星模式观测SE 的数量远多于相干散射模式观测的RSTE数量,可能与不同模式下的观测角度、波束宽度等因素相关.     

海浪破碎对海面微波后向散射系数的影响

在海面波破碎区，假定随机粗糙的海面被两层不同散射性质的球形粒子覆盖，上层是由海面飞沫组成的球形Ｒａｙｌｅｉｇｈ粒子层，下层是由气泡组成的球形Ｍｉｅ粒子层，根据大量观测和实验的统计结果，确定了两层散射粒子的平均半径和单位体积的粒子数；并用迭代法求解随机粗糙海面上的两层粒子的矢量辐射传输方程．根据风波破碎时白冠覆盖率和海面飞沫、气泡的统计模型，给出了一个新的风驱海面的微波散射理论模型．利用这一模型定量地给出了海面后向散射系数和风速、视角、极化和白冠覆盖率等特征参量之间的函数关系，并研究了覆盖在波破碎区的散射粒子对海面后向散射系数影响程度．     

基于GPM卫星双频降水雷达的地面降雪识别算法

继搭载在TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)卫星上的降水雷达PR(Precipitation Radar)之后,GPM(Global Precipitation Measurement)核心观测平台搭载了全球首个双频降水雷达DPR(Dual-Frequency Precipitation Radar),其对降雪的探测能力备受人们关注.本文基于GPM双频降水雷达的探测数据,以三次降水过程(包含降雪、积层混合性降雨和冬季层状云降雨)为例,利用Ku和Ka双波段三个参量(即测量双频比DFRm垂直廓线斜率、回波顶高、垂直方向上Ku波段最大反射率因子)计算的降雪指数SI(Snow Index)来识别地面降水相态.结果表明,若不使用辅助信息(0℃等温线高度等),利用SI原计算公式能很好地区分夏季降雨和降雪,但较难区分冬季降雨和降雪.为了提高冬季降雨和降雪的分辨效果,改进了反射率因子的质量控制方法,用最小二乘法计算DFRm垂直廓线的斜率,结果显示改进后地面降雪识别结果与地面自动站观测结果有较好的一致性.     

武汉及周边地区数字化形变观测资料质量分析

对武汉及周边地区2007—2016年数字化形变观测资料进行长期背景跟踪分析,认为形变观测资料的日均变化幅度、M_2波潮汐因子均方差、长周期拟合相对噪声水平等指标变化稳定,资料可信度高,DSQ型水管倾斜仪观测精度与资料稳定性均优于SS-Y型铟瓦棒洞体应变仪。对武汉狮子山及黄石地震台形变观测数据典型变化进行系统总结与跟踪分析,发现主要受到人为干扰(调零、标定)、自然环境(降雨、气压)和观测系统故障等因素影响。     

时变海面与其上方导体平板的复合电磁散射研究

应用当前的数值方法求解动态海面与目标的复合电磁散射,由于海面的变化,在不同时刻需要对阻抗矩阵各元素及海面表面电流重新求解,因而要耗费大量内存和运算量.为了克服这一问题,本文应用物理光学(PO)近似求解了导体海面表面电流及导体平板的一阶散射场,应用基尔霍夫近似给出了海面的后向散射场,同时借助互易性定理降低了求解平板和海面之间二次耦合散射场的难度,讨论了平板尺寸、风速等对后向复合散射场的影响.另外,本文还推导出了耦合散射场多普勒谱频移的理论公式,详细分析了复合后向散射场的Doppler 频谱特性.     

陕西周至地电台地电阻率年变特征分析

本文基于测深反演结果, 通过数值模拟定性分析了地下水位和降雨对周至地电台地电阻率观测的影响; 同时利用褶积算法定量分析了降雨对该台NS向和NE向地电阻率观测的短期影响和长趋势影响.结果表明, 周至地电台地电阻率年变主要由地表薄层介质电阻率季节变化引起, 受地下水位变化影响不明显. 降雨对NS向和NE向地电阻率观测值的影响在短期内与观测结果一致, 表现为增加; 但长期趋势则与观测结果呈负相关关系.根据数值模拟分析认为, 这种变化与降雨及其渗透深度有关.分析结果与实际观测结果一致, 为正确认识周至地电台地电阻率观测与异常判定提供合理的理论依据.      

基于同相叠加方法的定点形变观测降雨影响与异常识别

利用同相位叠加方法,对常熟地震台洞体应变仪、水管倾斜仪、垂直摆倾斜仪观测数据中的转折图像及其对应时段的降雨数据进行叠加,分析形变观测降雨影响变化模式特征,在此基础上,将垂直摆在降雨时段出现的几次异常转折数据同相叠加,识别发现异常与降雨影响无关,应为地壳构造活动的应力变化所致。     

大气中冰水两相粒子的电磁散射特性研究

为了研究大气中冰水两种相态共同存在时粒子的电磁散射特性,本文从Aden-Kerker散射理论出发,分别计算了外包水膜冰球和外包冰膜水球在S波段、C波段和X波段的电磁散射特性,讨论外层覆膜相态和厚度对粒子散射特性的影响;并在MP粒子谱分布和Gamma粒子谱分布的基础上,讨论了融化冰球和冻雨群粒子在S波段、C波段和X波段的衰减、散射、吸收和后向散射特性.结果表明,粒子的衰减截面和后向散射截面并不随外包膜厚度的增大呈现单调变化的趋势,而是与粒子的尺度参数有关,且在不同波段呈现不同的变化特征;融化冰球和过冷却雨的衰减系数、散射系数、吸收系数和后向散射系数与频率和降水强度呈正相关关系,其中MP分布的传播系数要比Gamma分布的传播系数大.此结论对于研究冰水两相粒子对电磁波的散射机制、提高天气雷达探测精度、改善冰水两相粒子的探测效果等具有重要意义.     

东平台分量应变与体应变可靠性分析及特殊事件影响对比

本文通过四分量自检、相对标定内精度分析对东平地震台YRY-4钻孔分量应变观测资料进行可靠性分析,并结合滑动相关性计算、潮汐因子内精度对2套仪器数据进行了对比,证明YRY-4钻孔分量应变2面应变相关性高,相关系数接近1,相对标定内精度高,与体应变数据整体趋势一致。2套仪器观测环境一致,运行稳定,数据正常可靠,但也存在降雨、场地干扰特殊时段曲线表现不一致的情况。针对2种特殊情况结合相关性计算、S变换进行了对比分析。结果表明,降雨时段,因钻孔条件差别较大,2套仪器数据相关性较差,接近0;场地干扰时段,2套仪器观测系统均受到影响,频率域同步出现干扰信号,影响数据曲线形态及潮汐因子精度,但2套仪器面应变相关性达0.91。综合分析,东平台钻孔应变仪与体应变2套仪器观测系统是可靠稳定的。      

南极中山站F-lacuna特征分析

F-lacuna是高纬极区电离层测高仪频高图上经常出现的一种F层回波描迹部分或全部消失的现象,直接影响电离层参数的标定,其表征的电离层物理过程尚未定论.利用南极中山站测高仪频高图数据,本文统计分析了Flacuna在不同太阳风速度水平下的发生频率,主要对2012年2月15日一次F2-lacuna观测实例的粒子沉降及电离层特性进行了分析.观测特征表明,F2-lacuna发生期间,电离层电子总含量TEC明显减小,昭和站SuperDARN高频雷达观测到的中山站上空电离层Bragg后向散射增强,但对应来自磁层的电子和离子沉降并不明显.这可能是由磁层亚暴引起的极区电离层电流体系扰动,触发电离层F-B不稳定性,产生沿场向排列的小尺度不规则体,其热效应导致F2层密度减小,F2-lacuna出现.     

三峡库区卧沙溪次级滑体变形机理与阈值研究

在库水位升降及降雨作用下,三峡库区不少土质滑坡出现周期性阶跃变形,此类滑坡变形机理复杂,预警预报难。以典型涉水土质滑坡卧沙溪滑坡为例,通过10多年野外宏观巡查资料、13年的人工监测和4年的全自动监测数据,揭示卧沙溪滑坡次级滑体的变形机理,建立降雨及库水位相关阈值。结果表明：(1)次级滑体变形的主控因素由库水位下降和库水浸泡转变为持续性降雨。(2)持续性降雨导致坡体变形,监测点位移速率“峰值滞后”效应为1～2 d,位移速率衰减时间为5～9 d。(3)降雨及库水位阈值：30 d累积降雨量阈值150 mm,且变形前1 d降雨量40 mm;变形启动3 d内,累积降雨量超过50 mm会加速坡体变形,且变形时间延长。库水位下降至146 m前30 d累积降雨量115 mm,库水位下降速率阈值为0.8 m/d。研究成果可为类似滑坡的监测预警提供参考。     

基于星载SAR信号的TEC反演新方法

由于星载合成孔径雷达(SAR)系统工作于电离层之上,其信号不可避免地将受到电离层的影响. 背景电离层以及电离层电子密度不规则体多重散射效应可引起距离向图像质量的下降, 在强起伏情况下, 多重散射效应对信号的延迟影响不可忽略. 针对此问题, 本文提出了一种基于SAR回波信号的三频相位自适应TEC反演新方法, 利用反演的结果对电离层的影响进行校正. 给出了校正前后的点目标成像仿真, 结果显示此方法充分考虑了多重散射效应引起的TEC估计误差, 可以有效地补偿电离层对距离向成像的影响, 提高了距离向点目标图像质量.     

青岛地震台钻孔体应变异常变化因素分析

分时段研究降雨、钻孔水位、工程施工等因素对青岛地震台体应变的影响，研究结果表明:钻孔水位反映区域地下水主要由降雨补给，降雨下渗改变地下水状态，并影响体应变观测；青岛体应变与钻孔水位的相关性及其周期特性均在2015年前后出现变化，可能与2015—2016年降雨偏少及工程施工有关；2018年1月17日台站钻孔施工很可能改变了体应变周围岩石孔隙环境，并扩大孔隙压力作用系数，可解释2018年3月以来水位小幅上升引起的体应变显著压性上升现象，受钻孔施工的影响，体应变与钻孔水位相关性的滞后特征明显减弱。     

星载微波ERS-1和多通道SSM/I观测海洋的相关性和随机粗糙面复合模型的数值模拟

欧洲遥感卫星（ERS）和美国防卫气象卫星计划（DMSP）空对地微波遥感是当今研究全球大气地表微波散射辐射和反演地球物理与水文参数的主要数据来源．本文研究了ERS－1散射计和SSM／I多通道辐射计在中国海域观测到的后向散射和热辐射数据,论证了同一地区同一时间段内ERS主动散射计和SSM／I被动辐射计观测数据的相关性．用海域主、被动遥感数据的比较,阐述了主、被动联合多通道分析方法有利于监视和分析复杂地表和海面在时间和空间尺度上的变化．用带泡沫散射层的双尺度随机粗糙面的复合模型计算后向散射和热发射,用以数值模拟ERS和SSM／I数据．并讨论了后向散射与热辐射数值模拟结果的相关性,以及与星载微波遥感器实际观测结果的比较．     

北京地区尾波衰减的研究

Aki(1969)提出了单次反向散射模式,该模式认为,尾波是由许多随机分布的不均匀体产生的单次反向散射波叠加而成的,是随机过程的结果。因此,尾波的某些性质反映了不均匀介质的平均效应,而与震源到台站的具体路径无关。这个模式成功地解释了这样的观测事实,即不同的微震记录中尾波振幅随时间衰减的形式基本是一致的,与震中距的大小和波传播的具体路径无关。Aki和Chouet(1975)认为,由于散射波所经过的路径比震源距大得多,所以可把台站和震源近似地看作同一个点。在这种情况下,近震图上延迟时间为t的尾波是由半径为β·t/2的球体表面的不均匀体产生的单次反向散射波叠加而成(延迟时间t是从发震时刻算起的,β是S波波速)。如果散射体随空间分布是     

基于三亚VHF雷达的场向不规则体观测研究:1.电离层E区连续性回波

基于三亚(109.6°E,18.4°N)VHF电离层相干散射雷达观测,分析了我国低纬电离层E区场向不规则结构连续性回波的发生特征.研究结果表明:白天,E区连续性回波的多普勒速度范围为-50至25m/s,多普勒宽度主要分布在20至70m/s;连续性回波的高度大约以1km/h的速度缓慢下降,与偶发E层(Es)底部所在高度(hbEs)有很好的相关性,表明在背景电场影响下,Es经梯度漂移不稳定性产生场向不规则结构,引起E区连续性回波.夜间,E区连续性回波的多普勒速度范围为-50至50m/s,多普勒宽度为20至110m/s,回波在时间-高度-强度图上常呈现多层结构,可能与潮汐引起的多个离子层相关;而E区连续性回波的短暂中断,以及120km以上高E区连续性回波的发生,则可能归因于赤道扩展F极化电场的影响.此外,对E区连续性回波多普勒速度与全天空流星雷达风场观测的比较发现,在100km以下,多普勒速度与子午风场有很好的相关性.