基于统计模型的气象数据无损压缩新方法

对当前广泛使用的气象格点数据结构进行了统计分析，通过分析常用气象要素格点资料相邻格点之间的相关性及计算要素场的符号熵和信息冗余度，认为气象格点数据中存在着明显的信息冗余，具有很高的可压缩性，且相关性越好，可压缩性越高。在此分析基础上建立了气象格点数据的二维线性预测统计模型，剔除冗余信息，并结合Huffman编码，提出了一种气象格点数据无损压缩新方法。该方法可极大提高气象格点数据的压缩率，且能保证在有效精度内数据完全无损。最后对常用气象格点资料进行了压缩对比试验，结果表明，该方案压缩效果明显优于当前国际通用的气象数据压缩编码格式(如GRIB和netCDF码)，从而能够大大提高气象以及地球科学中海量数据采集、存储和传输交换的业务应用效率。     

提升小波变换在气象格点数据无损压缩中的应用

提升小波变换实现了整数到整数的变换,同时保证了小波变换的正交特性。在二维预测编码基础上引入提升小波变换,并结合"洗牌"技术和熵编码,设计了气象格点数据的无损压缩方案。以位势高度、经向风、纬向风、温度4个要素为例,对数据处理前后的熵值进行了对比分析,并设计了4种方案进行验证。结果表明:提升小波变换能有效去除数据间的相关性,消除冗余信息,降低数据集的熵值,与二维预测编码相结合能实现优势互补,提高压缩效率,并能保证在有效精度内数据完全无损,从而有效提高气象海量数据的存储和传输效率,为快速气象数据响应和预报服务提供数据支持。     

多自由度块行压缩存储技术及大型稀疏方程组的求解

在地球物理电磁勘探领域有限元数值模拟中,最后都会得到一个大型稀疏的复系数线性方程组,受计算机内存空间的限制,必须根据有限元刚度矩阵的稀疏性对其进行压缩存储。由于电磁场有限元计算的自由度大都在三个以上,因而提出了适合多自由度的块按行压缩稀疏存储方案,并通过存储格式的转换,把块按行压缩方式转换成流行的,大型稀疏矩阵的行压缩存储格式,以便于求解。用求解大型稀疏方程组的Krylov子空间方法中的稳定双共轭梯度（Bicgstab）方法,收敛速度快,精度高,而且稳定性好,结合ilu预处理技术,可以大大提高求解大型稀疏方程组的效率。     

AIRS红外高光谱资料反演大气水汽廓线研究进展

随着卫星遥感关键技术的突破,卫星光谱分辨率达到了分辨大气成分单个谱线的水平,研究人员开始了大量通道同时反演大气廓线和多种微量成分的研究.针对AIRS(Atmospheric Infrared Sounder)就红外高光谱资料反演大气水汽廓线的研究进展进行了评述,从训练数据、通道信息的提取及降维、反演算法和反演精度改进4个方面对反演晴空大气水汽廓线的研究现状进行了分析与讨论.AIRS资料反演大气水汽廓线的训练数据通常选用威斯康星大学提供的全球晴空反演训练样本集CIMSS (Cooperative Institute for Meteorological Satellite Studies,University of WisconsinMadison)和SARTA(Stand-Alone Radiative Transfer Algorithm)辐射传输模式模拟的亮温辐射值.归纳总结了2种通道信息的提取及降维方法:一是采用有效的方法来完成光谱信息压缩,对常用的主成分分析和独立分量分析方法进行了对比,认为独立分量分析更为可行.二是通道选择,即保留部分含有较多大气廓线信息量的通道,达到降维目的.在进行通道选择时要注意针对不同地区气候类型、下垫面、季节以及即时天气条件,选择不同的通道组合.介绍了3种反演算法:特征向量统计法、牛顿非线性迭代法和神经网络法.对比发现特征向量统计法简单易行,但精度不够理想;牛顿非线性迭代法精度虽高但计算耗时长,因此不适合业务使用;神经网络计算速度快、精度也能达到要求,具有很好的前景.对目前的几种样本分类方法及附加因子进行了对比分析,对反演算法精度的改进提出了一些有益的设想.最后对晴空辐射订正及云天大气水汽廓线反演进行了简要介绍,提出了该领域未来的一些研究方向.     

嵌入式小波零树压缩算法的基本原理

数据(图像)压缩是数据存储和传输的重要手段之一。在简述数据压缩方法分类和几种常用压缩方法的基础上,重点讨论嵌入式小波零树图像压缩算法的特点、方法步骤和基本原理,并用实例介绍该方法的数据压缩效果。总结了小波分析在地球物理勘探中的应用状况,展望了小波分析的应用前景和未来的潜在应用领域。     

三维全空间坑道直流聚焦超前探测数值模拟

应用同性点源之间的相斥和聚焦原理,设计出适合坑道空间的垂直聚焦超前探测方案。利用有限元法结合高效行压缩存储格式及迭代求解算法,对三维坑道空间中聚焦超前探测效果进行模拟研究。数值计算结果与土槽物理模拟实验结果对比,说明设计方案达到l了聚焦超前探测的目地。通过坑道复杂模型计算,表明垂直聚焦观测方案能够有效探测前方和旁侧存在的不良地质体。     

表层结构调查资料的数字化处理及应用

通过对传统表层调查资料的处理方式研究,提出了计算机处理表层结构调查资料的分析方法和处理流程。并通过野外数据存储格式的分析,解决了目前野外现场处理系统不能读取SEG2数据格式的问题,从而为地震资料处理中更好地应用表层结构调查资料提供了技术支持。通过实际资料的应用表明,这里提出的方法有效,软件应用效果良好。     

德令哈降水中δ~(18)O年际变化与水汽输送

根据德令哈地区1992—2001年的降水中δ18O数据及降水时刻所记录的相关气象参数,并对比中国气象局气象资料和NCEP/NCAR格点气象数据,利用相关、回归等分析方法分别对该地区降水中δ18O与温度、降水量以及水汽通量之间的关系进行分析,并讨论了降水量与大气环流的变化关系,揭示了影响该地区降水中δ18O变化的气象因素,特别是与水汽来源之间的关系。研究结果表明,德令哈降水中δ18O年际变化表现出一定程度的“温度效应”,但与温度的相关性要低于季节尺度。不同类型汽团的水汽输送是影响降水中δ18O年际变化的另一个重要原因。     

压缩三维走时表提高克希霍夫偏移计算效率

地震波走时是克希霍夫叠前深度偏移的重要参数。三维克希霍夫偏移成像由于需频繁读取大数据量的走时表文件,所以计算效率不高。这里提出一种通过压缩三维射线追踪走时表,来提高克希霍夫偏移计算效率的方法：首先规划一个具有规则网格控制点并覆盖所有走时表点集的最小长方体区域,然后以三维三次B样条函数为插值基函数进行最小二乘法曲面体拟合,求出规则网格控制点的数值并以数组形式存储入内存,采用稀疏化存储进一步节省了内存空间。在偏移成像时,再由这些规则网格控制点的数值,使用线性插值公式解编出走时表。实际资料算例验证了该走时表压缩方法不仅近似精度高,计算稳定度高,计算效率高,而且由于省去了频繁进行大数据量走时表文件的读写操作,所以克希霍夫偏移的计算效率提高了二倍以上。     

固态存储水位精简摘录的研究

讨论了固态存储水位数据精简摘录存在问题及所需满足的要求。介绍了曲线矢量压缩的Douglas-Peucker算法,对它做了改进并应用于水位过程线的精简摘录。应用实例表明该法能够以精简的数据反应出水位变化完整过程,是使用计算机完成固态存储水位摘录的有效方法。     

Virtual organisation in the SIMDAT meteorological activity: a decentralised access control mechanism for distributed data

The EU funded SIMDAT project is aimed at applying generic grid technology for the solution of complex application problems in several representative fields including automotive, aerospace, pharmaceutical and meteorology. To satisfy the requirements of the World Meteorological Organization (WMO) and the WMO Information Systems (WIS), the partners in the meteorology activity within SIMDAT (ECMWF, Deutscher Wetterdienst, the UK Met office, EUMETSAT and Météo-France), have developed grid-enabled software that provides generic distributed access to distributed meteorological data repositories via web-based portals, through a series of nodes organized in a mesh network. However, granting access to such an infrastructure, especially considering its fully distributed nature, is a serious challenge and a risk to the security of the overall grid infrastructure. SIMDAT solves this problem by implementing a security model based on a decentralized fine-grained access control mechanism that federates data providers and security issues using the notion of “trust domains”. In this paper we highlight the main features of the SIMDAT grid application and describe its security model in detail.     

Improvements in medium range weather forecasting system of India

Medium range weather forecasts are being generated in real time using Global Data Assimilation Forecasting System (GDAFS) at NCMRWF since 1994. The system has been continuously upgraded in terms of data usage, assimilation and forecasting system. Recently this system was upgraded to a horizontal resolution of T574 (about 22 km) with 64 levels in vertical. The assimilation scheme of this upgraded system is based on the latest Grid Statistical Interpolation (GSI) scheme and it has the provision to use most of available meteorological and oceanographic satellite datasets besides conventional meteorological observations. The new system has an improved procedure for relocating tropical cyclone to its observed position with the correct intensity. All these modifications have resulted in improvement of skill of medium range forecasts by about 1 day.     

地质图信息服务的SIG技术实践

从网格概念出发,详细介绍了实现地质图协同编辑的SIG(SPATIAL INFORMATIONGR ID)空间信息网格技术,以及国家地质空间信息网格体系的结构和服务机制。国家地质空间信息网格采用万维网体系架构,以资源和信息共享、协同为主线,构成一个三层次体系架构。主要组成为:网格应用层、网格平台层、网格基础设施。并针对地质图空间数据共享与服务,设计了地质图服务流程,提供了信息查询、信息服务页面,展示了地质图的在线协同编辑。     

偏振微波雷达探测大气研究进展及几个问题的考虑

近年国际上偏振微波雷达探测大气研究有了重要进展,成为雷达气象学研究的新热点,并可能成为天气雷达发展的重要方向。介绍了微波圆偏振技术现状和双线偏振测量技术体制的重要进展,以及近年在气象应用中所获得的最新研究结果,展望了偏振探测技术的应用前景。进一步讨论了开展偏振探测技术研究所应考虑的有关偏振类型、实现体制、方案设计、产品算法和波段选择中的问题,对偏振探测技术研究具有参考价值。     

中国西北地区干旱气象灾害监测预警与减灾技术研究进展及其展望

干旱灾害是制约中国西北地区社会经济发展、农业生产和生态文明建设的重要自然灾害,而且随着气候变暖西北地区极端干旱事件发生频率和强度均呈增加趋势,影响不断加重。"中国西北干旱气象灾害监测预警及减灾技术研究"成果是在数十个国家级科研项目的支持下,经过过去20年的理论研究和应用技术开发所取得的一系列创新性成果。该成果对西北干旱形成机理及重大干旱事件发生、发展的规律取得了新认识,尤其是发现了形成西北干旱环流模态的4种主要物理途径;研制了西北干旱预测的新指标、干旱监测的新指数及监测农田蒸散的新设备,明显提高了干旱监测准确性和针对性;提出了山地云物理气象学新理论,研发了水源涵养型国家重点生态功能区——祁连山空中云水资源开发利用技术;发现了干旱半干旱区陆面水分输送和循环的新规律,揭示了绿洲自我维持的物理机制;认识了干旱气候变化对农业生态系统影响的新特征,建立了旱作农业对干旱灾害的响应关系;开发了旱区覆膜保墒、集雨补灌、垄沟栽培、适宜播期等应对气候变化的减灾技术,为西北实施种植制度、农业布局及结构调整和农业气候资源高效利用提供了科学方案。该成果的完成提升了中国干旱防灾减灾技术水平,培养了中国干旱气象科技队伍,推进了西北地区干旱气象业务服务能力,对西北地区社会经济发展、农业现代化和生态文明建设等方面起到了重要的促进作用。在此基础上,展望了西北地区干旱气象科学研究中迫切需要、有可能突破的主要领域。     

基于MODFLOW的地下水流模型前处理优化

MODFLOW中现有的降水补给数据和井流数据是基于每个剖分网格输入的,导致基于MODFLOW建立大区域水流数值模型前处理的降水补给文件和井流文件存储开销过大、读取效率低。为此,通过改进现有的降水补给子程序包RCH及开发新的子程序包RAW,给出了一种基于面状补排项的数据输入新方法。改进后的MODFLOW程序通过读取RCH文件或RAW文件中每个分区的补排量数据,以及每个网格对应的分区编号,在程序内部实现了补排量向每个模型网格的分配。RAW子程序包实现了多层面状补排量的表达,可用于面状的地下水开采、农业回灌等源汇项的处理。相对于原始的源汇项数据存储方式,基于新方法建立的华北平原地下水流模型,RCH及RAW文件大小分别减小为原来的1/145和1/255,整个模型数据的读取时间的加速比为7.46。     

流域虚拟仿真中水沙模拟时空过程三维可视化

将计算机图形学领域的粒子系统引入数字流域研究,研发了基于通用网格的水沙模拟时空过程三维可视化系统.该系统建立数据结构描述粒子信息和计算或者虚拟网格单元信息传递关系;采用网格控制粒子随机生成;提出局部搜索定位方法来快速确定粒子位置;通过反距离加权平方插值提取水流信息;利用自适应龙格-库塔方法实现粒子的动态变化;设计了附有更多水流属性的水体粒子;研究了流场变化过程中粒子分布不均的问题.将上述方法应用于三峡与葛洲坝间河道水流的动态可视化模拟,验证了该系统的有效性和实用性.     

气象产品的广义联合偏差修正方法及其应用

卫星气象产品、气候模式预测数据通常与地面观测数据存在偏差,为保证数据的可靠性和合理性,需要对其进行偏差校正,但偏差校正过程往往受具体区域气象特征、方法本身假定等因素的影响,导致修正效果不佳。为此,本文提出一种广义联合偏差修正方法,相较于现有研究最常用的单变量QM修正方法以及固定多变量修正顺序的JBC修正方法,该方法充分考虑到流域尺度降水和气温双变量的时空相关性,并结合其对径流的主导作用对变量修正顺序进行动态调整,实现了QM法和JBC法的优势互补。在澜沧江-湄公河流域的应用表明：考虑降水、气温相关性可显著改善降水和温度极值的修正效果,尤其是5、6月份,修正后气象与实测数据的纳什系数提升了0.5以上;考虑气象要素的修正次序显著降低了修正后的降水和温度频率分布及均值偏差;利用修正后的气象数据驱动分布式水文模型时,部分月份的径流模拟精度提升了54.3%。