利用奇异谱分析提高极移中长期预报精度

由于空间大地观测数据传输耗时及处理过程复杂, 导致极移测量值的获取存在时延, 无法满足对高精度的极移预报值有重大需求的应用领域. 针对极移复杂的时变特性, 提出一种基于奇异谱分析(singular spectrum analysis, SSA)的预报方法. 首先用SSA分离提取极移时序中的高频组分与低频组分; 其次建立最小二乘(least square, LS)外推与自回归(AutoreGressive, AR)模型对极移高频和低频组分进行组合预报. 结果表明, SSA方法能够准确地分离和提取极移低频和高频组分, 对低频和高频组分组合预报可以显著改善极移的中长期(30--365d)预报精度, 与国际地球自转和参考系服务局(International Earth Rotation and Reference Systems Service, IERS)提供的A公报中的极移预报值相比, SSA方法对极移PMX分量(本初子午线方向)和PMY分量(西90$^circ$子午线方向)的中长期预报精度改进最高分别可达45.97%和62.44%. 研究结果验证了SSA方法对极移中长期预报改进的有效性.     

一种低表面亮度星系的自动搜索算法newline--YOLOX-CS

低表面亮度星系(Low Surface Brightness Galaxy, LSBG)的特征对于理解星系整体特征非常重要, 通过现代的机器学习特别是深度学习算法来搜寻扩充低表面亮度星系样本具有重要意义. LSBG因特征不明显而难以用传统方法进行自动和准确辨别, 但深度学习确具有自动找出复杂且有效特征的优势, 针对此问题提出了一种可用于在大样本巡天观测项目中搜寻LSBG的算法---YOLOX-CS (You Only Look Once version X-CS). 首先通过实验对比5种经典目标检测算法并选择较优的YOLOX算法作为基础算法, 然后结合不同注意力机制和不同优化器, 构建了YOLOX-CS的框架结构. 数据集使用的是斯隆数字化巡天(Sloan Digital Sky Survey, SDSS)中的图像, 其标签来自于$alpha.40$-SDSS DR7 (40%中性氢苜蓿巡天与第7次数据发布的斯隆数字化巡天的交叉覆盖天区)巡天项目中的LSBG, 由于该数据集样本较少, 还采用了深度卷积生成对抗网络(Deep Convolutional Generative Adversarial Networks, DCGAN)模型扩充了实验测试数据. 通过与一系列目标检测算法对比后, YOLOX-CS在扩充前后两个数据集中搜索LSBG的召回率和AP (Average Precision)值都有较好的测试结果, 其在未扩充数据集的测试集中的召回率达到97.75%, AP值达到97.83%, 在DCGAN模型扩充的数据集中, 同样测试集下进行实验的召回率达到99.10%, AP值达到98.94%, 验证了该算法在LSBG搜索中具有优秀的性能. 最后, 将该算法应用到SDSS部分测光数据上, 搜寻得到了765个LSBG候选体.     

大型射电望远镜主反射面调整方法研究

随着毫米波天文学和空间通信的重要性日益提高, 对天线性能提出了越来越高的要求, 而天线性能往往受到其反射器表面精度的限制. 微波全息技术是一种快速有效的检测反射面天线表面轮廓的测量技术. 通过微波全息测量得到天线口径场, 计算天马65m射电望远镜反射面与理想抛物面的偏差. 天马65m射电望远镜的主反射面板是放射状的, 有14圈. 面板的每个角都固定在面板下方促动器的螺栓上进行上下移动, 且相邻面板交点处的拐角共用一个促动器. 采用平面拟合的方法可以计算各块面板拐角处的调整值, 但是同一个促动器会得到4个不同的调整量. 通过平面拟合, 同时以天线照明函数为权重的平差计算方法得到相邻面板拐角的一个平差值, 即天马65m射电望远镜1104个促动器的最佳调整值. 通过多次调整和新算法的应用, 天马65m射电望远镜反射面的面形精度逐渐提高到了0.24mm.     

高层大气密度的午夜极大值特征分析与建模

利用CHAMP (CHAllenging Minisatellite Payload)、GRACE-A (Gravity Recovery and Climate Experiment-A)、SWARM-C (The Earth''s Magnetic Field and Environment Explorers-C)等3颗极轨卫星的资料, 研究360—480km高层大气密度在低纬度区域的午夜极大值(Midnight Density Maximum, MDM)现象. MDM一般出现在23:00- 02:00 LT (Local Time)之间,峰值位置在低纬度15°以内,谷值位置在中纬度35°-45°附近,整体略偏向南半球,振幅约为平均密度的26%.随着高度增大以及太阳辐射水平的增强,MDM振幅呈减小趋势;冬至和夏至日附近的季节效应会减弱MDM振幅,在春秋分日的振幅最大.用3个主流大气模型DTM2000 (Drag Temperature Model 2000), NRLMSISE00 (US Naval Research Laboratory, Mass Spectrom-eter and Incoherent Scatter radar)和JB2008 (Jacchia- Bowman 2008 model)对MDM进行模拟,JB2008没有刻画出MDM现象;另两个模型低估了MDM效应,在360km和480km两个高度DTM2000模型的振幅仅为观测的46%和53%, NRLMSISE00模型仅为观测的33%和26%;模型没有准确刻画出MDM与高度、辐射水平和季节的关系.联合3颗卫星的资料,研究了-种基于地理纬度的6阶勒让德多项式,同时融合地方时和高度因素的经验函数,在振幅和相位上可以较好地刻画MDM特征,相关系数达到0.923,可为大气密度模型的修正提供借鉴,服务于低轨道航天器高精度轨道预报.     

PSR J1701—3726脉冲消零现象研究

利用Parkes 64 m射电望远镜在中心频率为1369 MHz的观测数据, 分析了PSR J1701—3726的脉冲消零现象, 发现这颗星的脉冲消零现象存在准周期性, 准周期值约为81.25P, 其中P为PSR J1701—3726的自旋周期, 并计算出脉冲消零比(Nulling Fraction, NF)为27% ± 0.97%. 进一步研究单脉冲在脉冲辐射窗口区域的相对能量随时间的变化关系, 发现在消零态和爆发态之间存在a、b、c、d共4种不同的切换模式, 其中, a模式出现23次, b模式出现6次, c模式出现5次, d模式出现79次, 表明状态转换可能存在一定的随机性.     

联合同化闪电资料和地面常规观测资料对强对流天气预报的影响

以2017年6月16日发生在广东省的一次中尺度对流过程为例,利用WRF模式对中尺度对流系统进行模拟,分析了联合同化闪电和地面常规观测资料较单独同化其中一种资料的改进作用。闪电资料通过WRF-FDDA系统以15 min作为一个闪电累积窗口被连续同化入模式中,地面常规观测资料通过WRFDA-3DVAR系统以1 h间隔循环同化入模式中。结果显示,相比于只同化地面常规观测资料,联合同化试验中闪电资料的引入提高了背景场中上升气流、冷池和阵风锋的准确度;相比于只同化闪电观测资料,地面常规观测资料的引入减小了更大范围的温度、水汽、风场的背景场误差,抑制了部分地区的虚假对流,即两种资料的联合同化整体上提高了对流系统的模拟准确度。预报技巧评分结果显示,联合同化对同化期和预报期的评分也有一定程度的提高。     

基于CMIP6数据的北极海冰未来分布和变化趋势分析

文章基于第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6）的情景模式比较子计划的4种强迫情景,利用6个模式的输出数据对北极海区海冰密集度和海冰厚度的未来空间分布和长期变化趋势进行分析,并结合海面气温分析了其对海冰变化的可能影响。结果表明,不同强迫情景下2030年、2040年和2050年北极大部分海域海冰密集度均超过50%,海冰厚度约为1.5 m左右,其中东格陵兰海、巴伦支海、喀拉海和楚科奇海部分海域海冰密集度和厚度相对较小。2015—2050年两者整体均呈现下降的特征,部分海区的海冰密集度在高强迫情景下每年降低最大可超1%。2050年高强迫情景的季节变化结果显示,大部分海区冬春季海冰密集度超过90%,且各月均呈现下降趋势。海冰厚度方面,冬春夏大部分海区海冰厚度超过1 m,而秋季大部分海区海冰厚度小于等于0.5 m。12月至翌年5月全域海冰厚度以减小为主,其余月份却出现小范围海冰厚度增加的区域。至2100年的长期变化趋势方面,北冰洋中心区、东格陵兰海和楚科奇海海冰密集度和海冰厚度均随时间增加而减小,其中北冰洋中心区减小速率最大,同时三个海区海面气温将在未来持续增温。此外,海面气温的空间分布和长期变化趋势均与海冰密集度间存在较明显的相反变化特征,说明了气温对海冰的可能影响。本研究可为未来北极海冰在不同的强迫情景下的变化特征提供一定的参考。     

基于连续帧与注意力机制的水下小目标自主检测算法

针对声呐对水下小目标探测时目标特征少,常规目标检测算法性能不佳的问题,提出了一种以 YOLOv5 目标识别算法为基础的连续帧识别改进算法。该算法通过连续帧数据提取模块以及轻量的通道空间注意力模块,提取声呐连续帧信息,提升了 YOLOv5 算法的识别能力。湖上前视声呐时序数据集算法验证试验表明,在几乎不增加推理时间的前提下,改进算法的平均检测精度比 YOLOv5 算法提升了 13.7%。该改进算法预期可在水下小目标自主检测任务中应用。     

基于时空信息融合模型的2022年鄱阳湖湿地干旱过程监测分析

2022年鄱阳湖流域发生自1951年有记录以来的严重干旱。为充分利用高时空分辨率影像探究鄱阳湖湿地干旱及生态响应过程,本文采用STNLFFM时空信息融合模型,融合了MODIS与Sentinel-2影像数据,构建出鄱阳湖2021—2022年平均时间间隔为15天的10 m高时空分辨率归一化植被指数(NDVI)影像序列,对比分析了不同年份水体面积以及NDVI的时空变化,在此基础上探讨干旱可能造成的生态影响。结果表明:(1)2022年鄱阳湖干旱持续近3个月,退水时间比2021年提前约80天。2022年10月鄱阳湖最小水体面积为680 km²,较2021年同期减少约1900 km²,较2021年枯水期最小水体面积减少约337 km²。2022年鄱阳湖湿地淹水时长小于90天的面积是2021年的3倍以上,约占总面积的30.77%。(2)2022年干旱过程中,湖区洲滩植被提前开始生长,NDVI均值在7月中旬之后迅速增大,较2021年同期均值最大相差0.27;到11月中旬,NDVI<0.2的面积为1527 km²,较2021年同期增加561 km²;到12月,NDVI值大于0.6的面积仅为15 km²,不足2021年同期的3%。(3)2022年鄱阳湖干旱引起的植被和水体变化改变了候鸟及长江江豚的栖息环境。湖区的碟形子湖具有较好的持水能力,对极端干旱具有较好的抵御作用。因此,本文建议在干旱期间,适当对湖区长势迅速的植被进行刈割,促使新芽萌发,保障候鸟的食源;开展高时空分辨率的水体连续变化过程监测和预测工作,以便及时救助非连通水体内被困的水生生物;对碟形子湖空间结构进行保护并适当给子湖补水,以保持碟形湖湿地生态系统的稳定性。     

IODP349航次地热调查数据分析

海底热流是研究大洋地壳和上地幔岩石圈热状态的重要参数。为了解南海深水区地热特征,利用IODP349航次地热调查资料进行数据处理,得到了4个站位浅层热导率数据和3个钻孔的海底热流数据。结果表明,浅层沉积物样品热导率变化范围为0.8~2.2 W/(m·K),变化范围与沉积物成分有关,热导率随深度的增加有小幅增加的趋势与沉积物压实作用有关;U1431D、U1432C和U1433A三个钻孔热流值分别为24±8 mW/m2、105±3 mW/m2和89±2 mW/m2,后两个钻孔通过与前人实测数据进行对比,与前人结果相当,表明了结果的可靠性;U1431D发生地温梯度倒转和低热流异常可能是与钻孔处于水热循环的下降流附近有关。