南极大视场望远镜光学系统研究进展

南极特殊环境可为天文台址提供绝佳的天文观测条件且具有极高的空间碎片过境频率等特性,因此,南极大视场望远镜在天文观测、空间碎片管理和深空探测等领域具有重要研究意义。本文基于南极天文观测科学目标的需求,综合考虑南极天文台址视宁度数据要求,针对满足南极使用的大视场望远镜光学系统关键科学问题,首先总结与分析了南极天文台址的特征。其次,我国先后在南极地区部署的几批大视场光学望远镜,囊括了几类典型的大视场光学系统,本文详细探讨了南极大视场望远镜目前采用的多类典型大视场光学系统的设计理论,并对南极地区现有和规划中的大视场望远镜项目进行了全面的阐述,介绍了这些系统的关键技术特点。最后,深入探讨了南极大视场望远镜在天文探测科学研究领域所取得的重要进展,重点介绍该领域的前沿动态与一些关键性的突破。     

卫星遥感资料在云南大雾监测中的应用

利用卫星遥感监测大雾具有及时、宏观的明显优势。图像纹理信息反映了图像的灰度性质及其空间关系。通过对雾的成因、辐射特性、雾遥感基本原理的阐述,结合中国FY-1D／美国NOAA系列极轨卫星资料通道特点,分析了雾的图像纹理信息,并依据雾在可见光波段和中红外波段与云类不同的光谱特性,选用光谱通道1、通道3、通道4组合进行大雾监测。实例分析结果表明这种监测方法能较好地分离无云地表、中高云和低层云雾,从而实现白天雾的监测。     

航天大国有效减缓了“太空垃圾”

“空间碎片”是指人类在航天活动中产生的太空废弃物,也称“太空垃圾”。中国空间技术研究院副院长、国家国防科技工业局“空间碎片行动计划”首席专家李明在日前召开的“中国宇航学会2010年学术年会”上介绍,近年来,茫茫太空中日夜不停地绕着地球飞行的空间碎片数量快速增长,目前在轨可观测到的空间碎片有1万多个。     

我科学家在南极“冰穹A点”完成设备安装调试

据国家天文台和紫金山天文台证实,两名研究人员周旭和朱镇熹,随中国第24次南极科考队攀上南极大陆之巅“冰穹A点”,这是我国天文工作者首次登临“人类不可接近之极”。他们在该点安装并调试了我国首架光学望远镜阵列（CSTAR）,并建立起一座天文自动观测站（PLATO）。这一国际合作项目由中国南极天文中心领导,中国、澳大利亚和美国专家共同参与。目前,两人已随队安全撤离冰穹A,望远镜已可与卫星和地面配合,实现自主工作。在接下来的近百天内,南极将出现极夜现象,长时间夜幕笼罩正是光学观测和图像拍摄所必需的。     

中国极区高空大气物理学观测研究进展

中国南极长城站、中山站、昆仑站和北极黄河站有着独特的地理位置,非常适合于开展极区高空大气物理学的观测研究.回顾中国极地考察研究近30年历程,综述极区高空大气物理学研究方面取得的主要进展,他们是:在南极中山站和北极黄河站建立了国际先进的极区高空大气物理共轭观测系统,实现了极区空间环境的连续监测;在极区电离层、极光和粒子沉...     

前言

<正>极区在空间环境和天文学观测研究中具有非常独特的科学价值。由于地磁场的保护作用,地球除极区外的其他大部分地区都不会受太阳风暴的直接影响;而在极区受到汇聚和近乎垂直进出的地球磁力线位形,使其成为一扇地球开向太空的窗口。太阳风能量粒子进入地球磁层后沿着磁力线沉降到南北极区电离层和中高层大气,产生一系列重要的地球物理现象,诸如极光、亚暴、电离层暴、极盖吸收及对中层大气加热和电离等。这些空间天气过程最先在极区发生,且最为强烈,然后逐步向中低纬地区传播,因此,在地球上也只能在极区开展空间天气探源式观测。在探测宇宙方面,中国南极昆仑站(以下简称昆仑站)的特殊自然环境为人类提供了地球表面观察地外最清晰的视野,尤其在观测红外和太赫兹波段独具优势。我国是世界上拥有最古老极光记录的国家。但也由于远离南北极,我国的极区空间物理观测研究起步较晚,随着我国极地考察事业的发展,经过一代代人的努力,我国已经在南北极建立了自主的空间环境观测系统,     

塔里木河干流植被遥感监测时空多尺度协同分析方法

利用遥感植被指数、典型植被样方和地面观测信息进行塔里木河干流植被监测是目前的主要方法。由于塔里木河干流具有流域下垫面均匀性差,自然植被随机分布的特点,使得现有研究方法局限在特定的时间和空间尺度,很难使用地面的观测数据和不同尺度的遥感数据进行植被生长状态的协同分析。针对这些问题,本文提出了利用不同分辨率遥感数据和地面观测数据进行多尺度协同分析的方法MSSA(Multiple Scale Synergy Analysis)。该方法包括以下几个步骤:①通过低空间分辨率的遥感数据构建时间序列的塔里木河干流植被指数分布图像,在分析图像特征的基础上划分塔里木河遥感监测单元;②对监测单元内部不同组分的时间和空间状态参数进行量化与率定;③根据几何光学模型原理和植被随机分布特性,采用线性混合模型模拟单元植被指数;④根据模拟结果和遥感数据的对比分析,获得地面植被参量的可靠估计。该方法将地面组分的状态参量和遥感数据通过模拟模型相关联,实现了不同时空尺度遥感数据以及地面样方或者点观测数据的协同分析,为塔里木河干流植被监测进行长期、细致的研究建立了海量数据综合分析的方法体系。     

南极冰穹A的天文台址测量进展

越来越多的观测证据表明,昆仑站所在的冰穹A地区在光学、红外和太赫兹等波段都有着地面最佳的天文观测条件。它具有优异的自由大气视宁度,极低的可沉降水汽含量,非常暗的夜天光背景,以及连续数月的极夜可观测时间等。通过对最近17年的工作总结,着重介绍冰穹A全面的台址测量工作,并展示测量结果以及最新的进展。     

南极中山站极区空间环境观测系统

中国南极中山站位于极隙区纬度,可以观测到丰富的日地能量传输过程的电离层征兆和极光现象,非常适合开展极区空间环境观测研究。自1989年开始建设以来,中山站极区空间环境观测系统经历了观测设备的不断完善和发展,现已建立了涵盖地面极光、电离层和地磁观测多要素、多手段的自主观测体系,实现了极区空间环境的连续监测并建立了数据库。所有观测设备的运行状态可实时监控,地磁、宇宙噪声吸收等数据实现了准实时远程传输。最后展望中国极区空间环境观测研究的发展前景。     

基于卷积神经网络的极光图像分类

极光是由带电粒子经磁层—电离层碰撞大气而产生的。面对形态各异、演变过程复杂的极光图像,对其合理分类为进一步探究日地电磁活动和能量耦合等空间物理问题奠定了基础。针对该问题,引入深度学习的方法,通过卷积神经网络模型自主表征极光特征并实现极光图像分类。该方法对2003年北极黄河站越冬观测的38 044幅和8 001幅典型极光图像分类正确率达93.17%和91.5%;自动识别2004—2009年观测数据的极光形态,4类极光时间分布规律与三波段激发谱能量分布基本一致。实验结果表明,基于卷积神经网络的极光表征方法,能有效实现极光图像的自动分类。     

西安南郊不同人工植被下土壤CO2浓度研究

 利用红外CO2监测仪对西安南郊不同植被、不同深度条件下的土壤CO2浓度进行了多次昼夜观测。观测结果表明:从早8:00到次日早8:00,土壤CO2浓度具有从低到高再到低的昼夜变化规律,这种变化特点与昼夜温度变化基本一致,但两者在时间上并不完全同步；土壤CO2浓度从总体来看是白天和夜间很接近；松树林下的土壤CO2浓度大于草地土壤CO2浓度,草地土壤CO2浓度大于竹林下的土壤CO2浓度。     

2013年北京市PM_(2.5)的时空分布

对2013年北京市35个自动空气质量监测子站的PM2.5数据进行分析,探讨PM2.5的时间分布特征、空间分布特征以及与前体物和大气氧化性的相关性关系。结果表明,PM2.5浓度由高到低的季节依次是冬季、春季、秋季和夏季,平均浓度分别为122.8μg·m-3、85.1μg·m-3、84.9μg·m-3和79.1μg·m-3;各类监测站中浓度由高到低的依次是交通站、城区站、郊区站和区域站,平均浓度分别为102.2μg·m-3、91.8μg·m-3、89.1μg·m-3和88.7μg·m-3。PM2.5月均浓度呈波浪型分布,在1月份、3月份、6月份和10月份各出现一个峰值。全年来看,交通站PM2.5的日变化规律呈单峰型分布,其他站点呈双峰型分布。分地区来看,年均PM2.5浓度由高到低的依次是东南部、西南部、城六区、东北部和西北部。PM2.5浓度与NO2、SO2和OX浓度均为显著正相关,表明前体物和大气氧化性对PM2.5浓度有显著影响。     

南极光学天文望远镜控制软件关键技术

南极天文望远镜控制软件是望远镜软件系统的重要组成部分,是控制计算机在望远镜用户层和设备层之间运行的关键技术。对于用户层,控制软件需具备全自动观测的交互接口、卫星通信条件下的远程访问和故障诊断等功能;对于设备层,控制软件不但要完成对天体目标的精确指向和精密跟踪、计算并补偿系统误差和控制关键部件以达到目标像质,而且需实现对电源分配系统、除霜及加热系统的控制、设备及环境信息的采集和监测等。相比于普通台址,在南极大陆运行的光学天文望远镜有其独特的特点,控制软件需进行特殊设计。本文重点从操作系统选择、远程建立望远镜指向误差修正模型方法、全自动观测软件接口、卫星通信及远程运维、望远镜实时状态监测和故障诊断等方面探讨了南极天文光学望远镜控制软件的关键技术和设计原则,并展望未来技术的发展,为南极天文望远镜的研制和控制系统研发提供技术储备。     

自动站土壤水分资料质量控制方案的研制

 在已有的人工观测和自动观测土壤水分资料基础上,统计分析土壤水分不同层次四要素（土壤体积含水量、土壤重量含水率、土壤相对湿度、土壤有效水分贮存量）的分布特点,根据四要素相应小时资料的特点,依据土壤水分自动站观测原理和方法,研制了适用于自动站土壤水分小时数据的质量控制方案。将该质量控制方案应用到全国自动站土壤水分观测小时资料中,通过质量评估结果的分析发现,土壤水分自动站小时资料的质量控制方案具有很好的适用性,各个要素各月的可用率均超过90%,平均可用率在97%以上。     

基于小波分析的地磁甚低频脉动指数及其在高磁纬度地区甚低频脉动共轭对比研究中的应用

地磁甚低频脉动是甚低频磁流体波在磁层中传播的地面表现,开发近实时空间天气产品来监测这些地磁脉动至关重要。本文基于小波分析提出一种地磁甚低频脉动指数,并将其应用于研究在南极洲及西格陵兰岛的磁共轭位置观测到的地磁甚低频脉动。研究结果表明,(1)该指数可有效识别Pc4—Pc5频率范围内的脉动事件(包括瞬态事件),并获得甚低频脉动在时域和频域的重要特征。(2)基于共轭位置地磁脉动的小波分析比较揭示了冬至日、夏至日条件下南北半球甚低频脉动的相似性和差异。本研究也表明,南北半球磁共轭位置观测到地磁脉动存在的差异受到行星际磁场条件、磁场拓扑、观测磁纬度和日照等条件影响,需要进一步研究案例中实际磁层和电离层配置以及驱动条件。     

空间分辨率对总初级生产力模拟结果差异的影响

利用模型分析气候变化对陆地生态系统功能的影响,是当前全球变化生态学的研究热点,然而模型模拟不确定性来源之一就是空间异质性的问题。空间异质性是尺度的函数,基于气象和遥感数据驱动的生态系统过程模型（BEPS模型）,分别模拟2003-2005年中国生态系统通量观测与研究网络（ChinaFLUX）长白山站、千烟洲站、海北站及当雄站在1 km和8 km空间分辨率下的总初级生产力（GPP）的时间动态变化,并结合土地覆盖类型及叶面积指数(LAI)的差异,探讨两种空间分辨率输入数据对GPP模拟结果的影响。结果表明：① 差异性主要是由于8 km范围内混合像元导致LAI的不同,4个站点月均差异值分别为0.85、1.60、0.13及0.04;② 两种空间分辨率均能较好地反映各站点GPP的季节动态变化,与GPP观测值的相关性R²为0.79~0.97 (1 km)、0.69~0.97(8 km),月均差异值为11.46~29.65 gC/m²/month (1 km)、11.87~24.81 gC/m²/month (8 km);③ 4个通量站点在两种空间分辨率下的GPP月均差异值分别为14.43,12.05,4.79,3.22 gC/m²/month,不同空间分辨率的模拟结果在森林站的差异大于草地站,且生长季的差异大于非生长季。因此,模型在模拟大尺度、长时间序列GPP时,为了提高模型模拟效率,适度降低空间分辨率是可行的,但应尽量减小低空间分辨率对于森林生态系统以及生长季GPP模拟上的误差。     

PATMOS-x、ISCCP云量产品及地面观测在中国区域的对比分析

利用1986~2006年PATMOS-x 、ISCCP总云量和低云量产品与中国区域地面台站观测的总云量、低云量资料进行对比分析,对比不同来源、不同观测方法造成的云量数据在时间、空间上的差异,为资料使用者提供参考。结果表明,与台站观测资料相比,无论PATMOS-x还是ISCCP其总云量数据的空间分布、与站点观测数据的格点相关性均好于低云量数据;PATMOS-x总云量、低云量多年平均的空间分布较ISCCP更接近站点观测;中国区域平均低云量的线性趋势PATMOS-x与站点观测一致,表现为显著的上升趋势,而ISCCP低云量数据则呈现微弱的下降趋势。     

面向高光谱遥感图像分类的连续空间依赖增强型空—谱卷积神经网络

利用深度学习技术对高光谱图像进行地表覆被的精细识别与分类已取得瞩目成果.其中,A2 S2 K-ResNet方法分类精度高、综合性能稳定,但其自适应卷积核选取机制未对卷积神经网络的感受野起到实质性的优化作用,进而影响分类结果.该文提出一种面向高光谱遥感图像分类的连续空间依赖增强模块,以弥补A2 S2 K-ResNet方法的不足,并借助三维残差网络框架,形成一种全新的空—谱卷积神经网络.实验采用4组高光谱图像分类标准测试数据集,并结合3种国际通用的精度评价指标进行方法验证.定性分析结果表明,该文方法可增强空间依赖信息,有效抑制噪声现象,大幅减少分类误判现象;定量分析结果显示,相比A2 S2 K-ResNet,该文方法的分类精度更高,计算复杂度更低,且随着训练样本数量递减,其优势逐渐增大.研究结果有助于解决极少训练样本支持下的高光谱图像分类问题,并提高高光谱图像分类模型的泛化能力.     

前期500 hPa高度场与贵州降水可预报性的关系

基于秩序统计量三因子最优子集回归求最大复相关系数的方法，采用北半球500hPa逐月高度场和贵州15个站1～12月各月降水资料，研究前期3～5个月500hPa高度场预报后期贵州各站月降水量所提供的可预报性时空分布变化特征。结果表明：从空间分布上看，除夏季外，可预报性存在着北高南低的空间分布特点。从时间变化上看，2、6月降水的可预报性没有4、12月降水的可预报性好。另外，虽然影响贵州降水的前期环流集中分布在主要的环流关键区，但不同时段提供的预报信息存在差异。     

不同行星际磁场条件下极向运动极光结构的多手段联合观测

本文利用北极黄河站三波段全天空成像仪（ASI）的高分辨率的地面极光观测数据,联合欧洲非相干散射雷达（EISCAT）Svalbard雷达（ESR）,超级双子极光雷达网（SuperDARN）雷达等观测,研究了发生在2003年12月22日0900-1010 UT时间段内极区电离层极光和等离子体的变化特征。研究发现在不同行星际磁场（IMF）条件下,黄河站极光ASI均观测到了一系列极向运动极光结构（PMAFs）,其特征为极光在赤道向一侧点亮后向高纬扩展。这些PMAFs都伴随有明显的粒子沉降特征,且在IMF北向时该粒子沉降能达到更低的电离层E层区域,而此时这些PMAFs相应位置的高纬电离层出现了一个典型反向对流涡,这是高纬（尾瓣）重联的典型特征之一。这些结果表明北向IMF条件下的这些PMAFs是由高纬重联所产生。在IMF南向时,黄河站观测到的PMAFs可跨越更广的地磁纬度,表明其演化时间亦较长,其相应区域的电离层特征也表明该PMAFs由日侧磁层顶低纬磁重联所产生。