基于遥感和BP人工神经网络的城乡气象站点划分分析

城市热岛是城市环境和全球变化研究的重要组成部分,利用气象观测资料研究城市热岛的影响一般采用城市和乡村气象站的同步实测气温,并计算其平均气温差,因此,城乡气象站点划分的准确性,将直接影响城市热岛研究的科学性。鉴于以行政单元统计人口为依据的划分方式未考虑人口在行政单元内的实际空间分布,本文以安徽省为例,利用从遥感影像上提取的土地利用信息,采用BP人工神经网络方法,建立站点缓冲区内土地利用类型比例的城乡站点划分模型,并利用空间化后的人口格网数据对该模型的精度进行了验证。结果表明,该模型有效地建立了气象站点周边缓冲区内的土地利用类型比例与城乡站点类型之间的定量关系,避免直接采用行政单元统计人口数据的不足,客观地模拟了缓冲区内土地利用对气象站点的综合作用,科学地划分出城市和乡村气象站点,为城市热岛研究提供科学、可靠的数据保障,并可用于大区域研究。另外,本文利用划分出的乡村站点建立背景温度场,得出2000年安徽省各城市站点平均热岛强度为0.4℃。     

基于重叠区匹配技术的DVB-S MODIS影像异常数据处理方法

DVB-S（数字视频广播系统）是一种符合工业化标准的数字卫星广播新技术,中国气象局利用该技术建立起成本低廉、应用广泛的我国卫星遥感数据共享接收平台,可准实时获取美国EOS、NOAA和我国FY等系列遥感卫星数据。在使用该接收系统的过程中发现,由于信号干扰等原因,接收到的部分MODIS条带影像中存在异常数据,影响使用。鉴于DVB-S共享接收系统具有多站接收的特点,且各地面站的接收范围存在较大重叠,有针对性地提出了一种利用多站重叠区内的同名像元,对含有异常点的MODIS 1B级条带影像进行修正的方法（包括影像选择、重叠区匹配、异常点替换等）,并通过Visual C++编程实现了自动化。     

华东地区MODIS与OMI气溶胶光学厚度数据融合

气溶胶光学厚度（AOD）表征气溶胶对光的衰减作用,体现大气混浊度或大气中气溶胶总含量,其卫星产品是研究近年来不断恶化的大气环境与空气质量的良好数据源。AOD卫星产品种类较多,但数据存在较大的不确定性;气溶胶全球监测网（AERONET）的地基数据精度高,但空间覆盖度较差。泛克里金法（UK）能在数据融合过程中更多地考虑描述对象的空间相关性,并且简单易行、结果可靠。因此,本文采用该方法,结合二次多项式波段插值法和回归分析方法,在AERONET AOD数据的基础上,对2008年11月华东地区臭氧监测仪（OMI）和中分辨率成像光谱仪（MODIS）的AOD产品进行了融合。结果表明：二次多项式的AOD波段插值方法,能提供比Angstrom波长指数法更为精准的AOD插值结果;AOD融合产品的空间分辨率高于OMI AOD,覆盖率大于OMIAOD和MODIS AOD,且其精度优于这2种AOD卫星产品;融合产品图显示,2008年11月,华东地区的AOD总体呈现南低北高的趋势,高值区主要分布在长江三角洲部分地区、安徽东北部、苏鲁交界处,以及山东西部;低值区主要为江苏以南大部。相比于前人研究,本文证实了AERONET AOD站点数据少、融合的数据源（卫星AOD产品）过境时间不一致的情况下,UK方法仍然有效。本文提出的融合系统,可为相关研究提供空间覆盖更全、精度更高的AOD数据。     

对流层中层与近地面大气二氧化碳浓度的比较研究

通过地基观测站点的实测数据,首次证实大气温室效应是由人为排放造成的,地表能量平衡受二氧化碳（CO₂）浓度水平的影响。因此,分析CO₂浓度时空分布特征,从而探究其源汇、控制其排放尤为重要。本文采用AIRS（Atmospheric Infrared Sounder）对流层中层CO₂浓度数据及GOSAT（Greenhouse gases Observing SATellite）近地面CO₂浓度数据,对比研究了CO₂浓度在对流层中层及近地面的时空分布特征差异。结果表明,AIRS探测到的对流层中层CO₂浓度,在时空上普遍高于GOSAT探测到的近地面CO₂值,高值区位于30°~90°N,浓度多集中在390~395 ppm,这与AIRS探测的对流层中层CO₂浓度已充分混合相关;而GOSAT CO₂浓度高值区则位于热带、亚热带人口众多的地域,如非洲和中国东部沿海地区等人类活动活跃地带,这也表明GOSAT探测近地面CO₂的重要性,其可弥补地基站点测量在空间分布上的不足。本文进一步对比分析了CO₂浓度在海陆及南北半球的差异特征及影响原因,CO₂在海洋及陆地区域的平均浓度具有相似的时间波动特征,但其浓度在陆地几乎始终高于海洋,这与人类活动释放大量的CO₂密切相关。CO₂浓度在南北半球存在明显的差异,这是因为南半球的季节变化规律与北半球相反,且由于化石燃料燃烧及土地利用变化等主要集中在北半球,因而北半球CO₂浓度高于南半球。此外,本文还对NUCAPS（NOAA/NESDIS/STAR NOAA Unique CrIS/ATMS Processing System）反演得到的CrIS（Cross-track Infrared Sounder）CO₂柱平均浓度及廓线产品做了初步分析,发现其与AIRS、GOSAT CO₂分析结果一致。     

沿海欠发达县域海洋预报信息服务模式研究

沿海欠发达县域在我国海洋区域经济和社会发展中不可忽视,全国沿海地区基本都存在欠发达县域,这也是许多海洋环境监测中心站负责的辖域和面临的工作局面。县域海洋预报工作的开展是我国海洋预报事业全面铺开的基石,而区域经济欠发达成为阻碍推进海洋预报工作的根本因素。由于县域是各省市防汛工作实施的重点和焦点,也是精细化海洋预报业务的关键突破点,研究县域海洋预报工作对发展海洋预报事业具有重要的意义。文章以霞浦海洋预报台为例,分析研究沿海欠发达县域的区域特点和海洋预报工作难点,根据实践总结其海洋预报信息服务模式,并提出扩展服务模式。     

基于北斗/GNSS高精度定位技术进行区域地块地面沉降监测和预警研究

在进行区域土地测量地面沉降监测时,遥感技术因其数据滞后不能满足实时性要求,因此需要采用新的监测方法。北斗三号全球卫星导航系统于2020年7月31日正式开通,可在全球范围内提供高精度导航、定位、授时和短报文通信服务。本文通过北斗/GNSS高精度测量技术进行实际场地上的定位、测区范围内的地面沉降监测和预警,设计相应的方案来实现对地面实时动态信息的处理分析研究,以确保其精确性和可靠性,从而提高地面沉降监测和预警的工作效率。     

气候-天气研究及预报模式（CWRF）在中国的应用：区域优化

从资料分析和实际模拟两个方面,对中国区域气候模拟中的首要问题——模拟区域的选取进行了研究。首先,采用相关分析确定大尺度环流因子影响中国区域降水的关键区,以保证行星及天气尺度系统能够有效地通过区域气候模式的侧边界传入模拟区域,同时依靠自身的物理机制使中尺度系统在模拟区域内部发展;其次,利用NRA (NCEP\|NCAR Reanalysis II) 和ERA (ECMWF Reanalysis 40) 两再分析资料的相关性,对侧边界场资料的可信性进行分析,结果表明南部赤道洋面附近和青藏高原地区两种再分析资料的相关系数很低,表明资料的可信度低,因此侧边界的位置要尽量避开这些地区。根据以上分析结果,确定了中国区域气候模拟的最佳区域,在此基础上利用实际个例模拟对模拟区域的优化结果进行验证。将美国伊利诺伊州立大学水文研究所开发的CWRF（Climate－Weather Research and Forecasting Model）应用于中国季风区,选取1998年夏季的极端洪涝事件作为验证个例,结果表明:模拟区域对区域气候模式的模拟性能有决定性的作用,资料分析确定的最佳模拟区域能够较好地再现1998年长江流域的极端洪涝事件。当模拟区域扩大,南部缓冲区位于赤道,东西侧边界远离环流因子影响关键区时,模拟结果急剧下降,基本无法再现实测降水。当模拟区域仅在东西方向扩大时,模拟结果略好于上述扩大的区域,但仍然远低于资料分析确定的最佳区域,表明有效地抓住主控环流因子对区域气候模拟的重要影响。资料分析和实际模拟的一致结论确定了中国区域气候模拟的最佳区域,实现了CWRF对中国季风区模拟区域的优化。     

城市台站周边热岛效应和土地利用与覆盖变化关系

以合肥市气象站为中心,利用1990～2006年的Landsat TM影像,获取不同半径圆形缓冲区范围内下垫面土地分类信息以及对应年份的气温年均值、极值、日定时数据资料,分析了下垫面各土地类型及其变化和站点周边热岛效应的关系.分析得出:城市热岛与建设用地有着最强正相关,与林草地和耕地有着显著负相关,与夜晚水体有着较强正相关.下垫面类型对城市热岛的影响随着每天的不同时刻而变化.4种下垫面类型对城市热岛的影响范围上,建设用地一般在6km以内、林草地4km以内、耕地在4km时最显著,水体则随着距离的增加,其影响范围缓慢上升到8 km.同时,通过分析土地利用年变化和城市热岛效应变化的关系,进一步验证了城市发展对城市热岛效应起着至关重要的作用.最高温和14时(北京时间)热岛强度年变化与土地利用年变化有着较强的相关性.另外,迁站后热岛效应明显减弱.最后,重点探讨了下垫面类型和热岛效应关系的可能原因.     

FY-2红外云图中强对流云团的短时自动预报算法

目前气象预报业务中,预报员主要借助卫星云图,定性判断云团的移动趋势,缺乏形式化的定量评判方法。本文基于FY-2C与FY-2D的高时间分辨率的近红外影像(10.3—11.3μm),采用亮温和面积阈值方法进行云团识别,然后根据最大相关系数云团匹配技术进行追踪,系统地实现强对流云团的自动临近预测。实验结果表明,本文提出的最大相关系数追踪比传统的交叉相关系数法具有更高的匹配精度和运行效率,而且研究发现云团质心外推明显优于最低亮温外推,平均亮温、面积、圆形度对云团的分裂合并有较好的指示作用,经列联表法检验,本文提出的自动识别追踪技术具有较高预测精度和预测时效,并且为卫星云图业务化应用提供了定量科学依据。     

基于现场实验结果对倾倒泥沙扩散数值模型参数率定研究

倾倒区倾倒过程泥沙输运扩散数值模型理论较为成熟,但模型的一些相关参数给定范围较大,且一般由实验室静水或河口淡水实验获取,用于海洋倾倒区的泥沙模型有一定的局限性,使得模型预测结果波动范围也很大,具有较强的不确定性,模型参数亟需物理实验数据的率定和验证。2011-2014年在沙埕港临时性海洋倾倒区开展了3次倾倒物海洋倾倒实验,对现场实验结果数据分析论证后,建立倾倒过程二维泥沙输运扩散数值模型,用实验数据对模型中一些主要参数进行计算和率定。计算率定结果表明:沙埕港倾倒区倾倒过程初期疏浚泥絮团沉降速度可达3.0 cm/s,细沙颗粒充分混合后沉降速度减小,一般小于0.5 mm/s;悬沙紊动扩散系数Dx、Dy取45 m~2/s时计算悬浮物浓度增量曲线与实测结果吻合效果最佳,建议调试值域为30~50 m~2/s。模型参数率定后计算结果的客观性和准确性进一步提高,可为海洋倾倒区选划泥沙扩散模型参数的选取提供一定参考。