风云三号D星MERSI AOD资料的同化应用研究

为了验证风云三号D星MERSI传感器的气溶胶光学厚度(AOD)数据对地面PM_2.5的污染过程预报的效果,本文基于WRF-Chem (Weather Research and Forecasting model coupled with Chemistry)大气化学模式和三维变分同化方法,针对2020-02-10—2020-02-12中国北方地区的一次PM_2.5重污染过程,进行了同化和预报试验研究。同化数据来自常规地面站点的PM_2.5浓度数据和风云三号D星MERSI传感器的气溶胶光学厚度(AOD)数据。控制试验不同化任何资料,3组同化试验分别为仅同化地面PM_2.5,仅同化卫星AOD,以及同时同化PM_2.5和卫星AOD两种资料。结果表明,3组同化试验都可以有效提高初始场准确率,以地面PM_2.5作为检验标准,仅同化PM_2.5、仅同化AOD、同时同化两种资料相对于控制试验,初始场的平均偏差分别降低54.9%、21.9%和49.0%,平均相关系...     

GPS/PWV与第五代大气再分析数据的短时强降水分析

针对全球升温、极端天气增加、我国西北短时暴雨增多等现象，该文结合ERA5降水数据和气象站采集的实际降水量，利用我国西北干旱地区GPS观测数据反演的GPS/PWV对一次短时强降水过程进行分析。结果表明：(1)GPS/PWV的积累和变化与实际降水发生时刻及降水量具有密切联系，特别是GPS/PWV在陡升陡降及高位震荡与降水实际发生具有较强的对应关系，对GPS/PWV应用于我国西北干旱地区短时强降水预报及防灾减灾等具有一定的参考意义；(2)ERA5数据记录的降水事件与气象站记录的实际降水的发生存在较好的对应关系，但降水发生时刻及降水量与实际降水相比准确性较差。该研究对于增强数值同化和机器学习在短时暴雨及极端天气等预报具有重要意义。     

联合资料同化理论及其研究进展

联合资料同化是在"集合预报与资料同化一体化"的思想框架下研究发展的一种数值预报新理论和新方法。它在变分同化系统框架的基础上,充分利用集合预报结果,构造"流依赖"的背景误差协方差,提高对不同尺度天气系统背景误差协方差的刻画能力,进而改善分析和预报的质量。目前该方法已引起国际各主要气象业务中心广泛关注,极具业务应用潜力。本文以联合ETKF-3D-Var为例简要介绍了联合资料同化理论及其研究进展,也说明了联合资料同化的应用前景。     

卫星高度计融合产品的研发综述EI北大核心CSCD

卫星高度计融合产品广泛应用于海洋环境监测、海洋中尺度系统研究和海洋数值预报等业务领域,具有极高的科学和社会价值。当前同时在轨运行并发布沿轨数据的高度计卫星维持在5—6颗,为了立足现有数量的观测卫星,最大程度地提取有效观测信息,本文以改进融合产品的有效分辨率并提升高度计产品质量为主线,详细介绍了现有卫星高度计融合产品的研发现状。前人的研究结果表明:卫星高度计融合产品的质量主要3个方面的影响:(1)制作产品所选择的卫星种类:因不同种类卫星的轨道高度、周期差异,导致获取的海表高度时空精度也存在不同;(2)高度计标准的选择:资料处理中的仪器参数、地球物理参数、环境校正、平均海面的构造等;(3)融合处理资料的方法:不同融合方法在背景场的选择、背景误差相关系数尺度的差异以及观测误差的处理等。针对众多学者关注的热点和亟需解决的难点问题,本文系统地介绍了当前卫星高度计融合产品的种类,对比分析产品质量。同时针对卫星高度计的融合方法,着重介绍了卫星高度计融合产品质量的提升途径。文中进一步强调了融合方法与有效分辨率的关系,为提升卫星高度计融合产品质量,提高融合产品的有效分辨率,扩大卫星高度计融合产品的应用范围提供参考。     

全球遥感实时监测与定点更新云平台设计与实现

卫星遥感是人类观测地球的主要途径,随着遥感技术商业化,全球商业遥感卫星数量快速增长,涌现出许多高分辨率遥感卫星和全球遥感星座,使用卫星对地球进行更全面、更精确、更实时的监测成为可能,但目前卫星遥感数据获取存在重复、盲目、不及时,与用户需求脱节、大量数据闲置等一系列问题,缺乏一个有效的平台和应用模式,搭起卫星数据提供商和...     

地表净辐射通量观测、模拟和同化的研究进展

地表净辐射通量是陆—气相互作用水热交换过程中的一个重要物理参量,在全球变化背景下,定量研究地表净辐射通量的时空变化对气候变化研究具有重要意义。本文总结了目前定量研究地表净辐射通量的主要方法——观测、模拟和同化,分析了观测和模拟的优势和不足,提出利用数据同化方法可以弥补观测和模拟的不足,并比较分析了目前流行的同化算法的优缺点,利用不同的同化算法构建的同化系统可以同化不同来源的观测数据对模型进行校准,获取时空上连续一致的高精度地表净辐射的预报值。最后,探讨了同化多源遥感数据改进地表净辐射通量的研究中存在的问题、发展方向及其在全球变化研究中的意义。     

利用GRACE反演昆士兰州地下水储量变化

昆士兰州作为澳大利亚的第二大州,开展针对该地区地下水储量变化的监测与分析对当地生态环境与用水管理政策制定具有重要现实意义. 利用德克萨斯大学空间研究中心(CSR)发布的重力反演与气候实验卫星(GRACE)时变重力场模型与全球陆地数据同化系统(GLDAS)地表同化模型,对昆士兰州地下水储量时空变化进行监测分析,并与实测水井数据和全球降水气候学项目(GPCP)降雨资料进行验证分析. 研究结果表明:时间上昆士兰州地下水在2003—2015年约以1.3±0.09 cm/a的速率递增,空间上呈现东增西减的显著空间差异;与GPCP降雨资料对比发现,降雨是影响地下水储量变化的主要因素;与水井实测数据对比发现地下反演结果与水井水位变化趋势基本一致.      

多普勒雷达降水反演及其与改进的区域气候模式RIEMS的同化研究

本博士论文在前人构建的陆面水文过程模型TOPX和区域气候模式RIEMS的耦合模式的框架基础上,针对耦合模式中RIEMS对降水和蒸散发的模拟精度较低,RIEMS和TOPX模式之间尺度不匹配等几个核心问题进行了深入细致的研究:对天气雷达资料的定量估测降水方面的研究获得了对沂沭河流域最佳的Z-R关系,并通过雷达雨量计联合校正法得到较高精度的面降雨量;采用集合卡尔曼滤波同化算法对雷达反演的面雨量及区域气候模式RIEMS的降水输出进行了数据同化方案研究,获得了更好的降水模拟效果;在RIEMS和水文模型TOPX构成的耦合模型中加入同化方案,实现了流域降水的实例模拟研究,结果表明使用同化方案明显改善了水文模拟效果。     

FY-3C/MWHTS资料反演陆地晴空大气温湿廓线

针对风云三号C星微波湿温探测仪(FY-3C/MWHTS)的陆地晴空观测资料,建立了一维变分反演系统,对大气的温湿廓线进行反演。为了更好地描述温湿廓线的相关性,同时减小温度和湿度在反演过程中相互之间的误差传递,提出了使用背景协方差矩阵的联合矩阵和单独矩阵进行组合反演的方法。对于MWHTS模拟亮温和观测亮温之间的偏差,使用逐扫描点的统计回归方法进行校正。选择中国部分陆地区域的晴空观测亮温进行温湿廓线的反演,并利用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)再分析数据、美国国家环境预报中心(NCEP)分析数据以及无线电探空观测(RAOB)数据对反演结果进行验证,温湿廓线的反演结果与ECMWF再分析数据验证的最大均方根误差分别是2.59 K和11.87%,与NCEP分析数据验证的最大均方根误差分别是1.88 K和21.50%,与RAOB数据验证的最大均方根误差分别是3.43 K和25.48%,验证结果表明了反演结果的可靠性。另外与国外同类载荷AMSU观测亮温的物理方法和统计方法反演精度进行了对比,结果表明:MWHTS具有较强的湿度廓线以及高空温度廓线的探测能力,且针对MWHTS的观测亮温建立的一维变分反演系统具有较高的反演精度。与NCEP 6小时预报廓线的验证结果表明:反演的湿度廓线可以提高预报廓线的精度。     

FY-3A/MERSI数据在典型大城市热环境监测预报中的应用——以上海市为例

以上海市为例,探索中国新型自主的FY-3A/MERSI数据在典型大城市热环境研究中的应用模式,包括实时监测与同化数值预报两个方面。结果表明:FY-3A/MERSI反演的250 m地表温度及其他衍生指标能够客观呈现城市热场格局及热岛效应,精细揭示出上海市区—近郊—远郊的地温明显分异,热岛由中心城区呈放射性面状过渡到远郊以乡镇为中心的团块状,其形成与下垫面介质关系密切。同化FY-3A/MERSI数据产品的中尺度数值模式,耦合城市冠层参数化方案,可实现250 m格网0～48 h城市近地层气温空间精细化预报,提取1 h间隔的热环境日演变特征将有助于在不同天气形式下进行热环境灾害潜式预报及机理分析。预报结果在时空分辨率方面明显优于常规数值预报,并避免了卫星云污染的影响,说明FY-3A卫星探测资料能有效改善模式背景场与初始场。     

附加误差修正的GM(1,1)模型在卫星钟差预报中应用

提出一种附加误差修正的GM(1,1)模型卫星钟差预报方法:首先采用GM(1,1)模型利用已有观测值建模,然后利用已有的多余观测值得到预报残差,提出一个误差修正模型,最后利用该修正模型对预报结果进行改正。同时,为保证其可靠性,给出一个修正的阈值。计算结果表明,该方法能够大幅度地提高预报精度,尤其是当GM(1,1)模型预报结果有较大系统偏差时。     

北斗卫星姿态偏航控制模式预报

针对精密定轨中需要精确获取不同姿态控制模式起止时间的问题,研究了北斗导航卫星不同姿态控制模式的预报方法。首先介绍了姿态控制模式的定义以及国内外导航卫星采用的姿控模式;然后利用矢量分析法研究分析了动偏、零偏与连续动偏控制及其预报方法,并编写了一套姿控模式预报程序;最后利用北斗卫星的实测数据进行了试验分析。结果表明:北斗姿态控制模式预报精度优于1 min;连续动偏机动持续约40 min,对卫星的有效观测弧段影响小于1 h。     

BDS/Galileo紧组合系统间偏差估计与模糊度固定效果分析

多个卫星导航系统采用相同频率播发信号,使得不同系统之间可以通过紧组合方式进行数据处理。文中简要介绍了不同系统紧组合双差观测模型;利用零短基线观测数据估计了BDS/Galileo间小数ISB(Inter-System Bias);对其时变稳定性进行了分析并利用单历元相对定位解算进行了验证。实验结果表明,小数ISB具有较好的时间稳定性,能够进行长期预报。相对于松组合相对定位模型,采用紧组合模型能够显著提高模糊度固定的成功率。     

几种时间预报模型的钟差长期预报效果分析

利用IGS提供的精密钟蔗数据,分别对三种不同时期发射的GPS卫星的卫星钟,利用普通多项式模型、切比雪夫多项式模型、灰色系统模璎预报70 d的卫星钟差,并对三种模型的预报效果进行分析和比较.结果表明,普通多项式模型和切比雪夫多项式模型的预报效果相差较小;灰色系统模型对于观测数据少、预报周期较长的卫星具有明显的优势;利用三...     

联合重力卫星和水井资料监测华北平原地下水储量变化

华北平原作为人口最多的平原地区,其地下水资源开采十分严重,常态对该地区地下水储量（ground water storage,GWS）变化的精确监测具有重要的生态意义。利用重力卫星数据反演了华北平原的GWS变化,并与水文模型、降水资料、南水北调调水量和地下水井资料进行对比分析,提出融合浅层GWS变化和深层地下水变化方法,得到总地下水的贡献。研究结果表明,重力卫星与全球陆地数据同化系统模型估计的水储量变化均表现出明显的季节性特征;重力卫星反演的GWS变化与浅层地下水井资料估计结果一致性较好;考虑深层地下水的贡献,融合浅层和深层地下水井资料估计结果和重力卫星反演结果吻合更好,相较于仅使用浅层地下水估计结果吻合度更高,并表明浅层地下水为GWS变化的主要变化量;2003—2017年,华北平原地下水处于长期亏损趋势（-1.3±0.6 cm/a）;2018—2020年,重力卫星反演结果与同时段内顾及深层地下水井资料的总GWS亏损速率几乎一致;2021年,重力卫星和地下水井资料与前期观测结果形成鲜明的U型反转,GWS均呈增长趋势;降雨和南水北调对华北平原的水储量变化具有直接影响,对缓解GWS亏损和地下...     

高分辨率地表反照率遥感估算研究进展

地表反照率是研究地表能量收支平衡、中长期天气预报和全球气候变化的一个重要参数。利用卫星数据估算地表反照率需要地表二向反射特征知识的支持，目前针对中低分辨率卫星数据的反照率反演算法相对成熟，且发布了不同分辨率和精度的全球产品。随着全球高分辨率对地观测技术的不断发展，特别是中国高分系列卫星的发展，为高分辨率地表反照率精确估算提供了丰富的数据源。然而高分辨率地表反照率遥感估算面临着观测角度数据不足、波段信息少等有效数据缺失的问题，国内外学者开展了一系列针对高分辨率地表反照率估算方法的研究。本文首先简述了地表反照率遥感估算的基本原理与目前存在的主要问题，总结并分析了近几年高分辨率反照率估算的相关算法，并对未来高分辨率反照率估算的进一步发展提出了展望和设想。论文研究可为高分辨率反照率算法研究和产品发展提供理论支持。     

联合GRACE和水文数据探测松花江流域地下水时空变化

松花江流域地处高纬度地区,是中国重要的粮食产地之一,开展该地区地下水变化的探测和分析工作对揭示区域地下水变化特征、保障社会经济可持续发展、保护区域生态环境有重要意义。采用美国德克萨斯大学空间研究中心发布的重力场恢复与气候实验卫星重力数据,联合全球陆地数据同化模型和全球降水测量计划卫星降水数据反演了松花江流域2002—2017年地下水时空变化,引入可持续性指数定量探测了该区域地下水时空可持续性,并与降水、温度数据及实测水井数据进行对比。研究表明：松花江流域在研究时段内地下水以0.34 cm/a的速率持续增加,空间上从南到北地下水恢复速率依次增大;研究时段内流域地下水系统呈现出严重不可持续性;地下水与降水、温度数据存在明显滞后关系,其变化受降水影响显著;卫星手段反演结果与测井数据在重合时段具有相同的地下水恢复趋势,并存在一定的滞后现象。     

多模 GNS 统一定位关键技术研究及精度分析

在卫星定位中,观测环境的优劣对最终定位结果精度有着显著性影响,单GPS系统因为其可观测卫星颗数少和自身星座分布的共同影响,载波相位周跳频繁,定位解的误差大、可靠性低、稳定性差。本文对多模GNSS （ Global Navigation Satellite System ）解算中时空系统的统一,组合单点定位模型和差分定位模型等关键技术进行了研究,实现了多模GNSS组合定位,改善了卫星相对于测站的几何分布,环境适应性加强,使得定位精度、系统冗余度和可靠性大幅提高,最后使用车载数据进行实验验证。验证结果表明,多模GNSS观测卫星数相比单GPS系统而言,观测卫星数增加了2倍,PDOP值降低了42％,极大地提高了差分定位解的成功率,固定解比例提高了18．3％。这充分说明了多模GNSS统一定位的可行性和优越性。     

幂函数变换的GM(1,1)模型在BDS卫星钟差预报中的应用研究

由于卫星钟存在频率高、敏感性强、极易受到外界影响从而导致观测数据波动大,预测结果精度低的问题,利用幂函数变换法对初始观测数据进行变换预处理,从而提高观测数据的平顺度.由此提出一种基于幂函数变换的GM(1,1)模型,选用北斗卫星导航系统(BDS)卫星钟差进行插值和预报,并且进行了精度验证.实验结果表明:Lagrange插值方法可以满足高精度BDS的钟差的插值需要;利用幂函数变换的GM(1,1)模型相比传统模型精度有效提高了,而且当改进模型和传统模型预报值越接近实际值,则幂函数改进的GM(1,1)模型精度更高,适用性更强,对BDS卫星钟差预报具有实际参考价值.     

武汉人卫站第三代卫星激光测距系统

本文阐述武汉人卫站第三代卫星激光测距系统，包括硬件和软件，并介绍了１９９０年和１９９年的观测情况。从两年多的观测实践和国外返馈的结果可知：①武汉站第三代卫星激光测距系统能够观测所有带反射镜的激光卫星，具有一定的地影观测能力，单次测距精度为２－４ｃｍ；②实现了用微机进行实时跟踪控制；③研制的软件系统可以提高卫星位置预报精度、增强信噪分辨力、以及提高资料利用率。