与飞机观测资料对比评估WRF微物理方案集合的模拟能力

使用WRF模式中的Morrison,WSM6,SBM,P3四种微物理方案的集合,模拟中尺度对流系统降水过程.研究发现不同的微物理方案模拟的对流云区液态含水量,冰水含量的垂直分布各不相同,而模拟的层状云区液态含水量,冰水含量的垂直分布结果相似.总的来说与其他方案相比,Morrison方案和集合平均的结果最接近观测值.我们...     

集合最优平滑同化方法的研究与应用

海洋状态场的历史变化过程对其分布状态有重要影响。在观测资料稀疏的情况下,合理利用历史观测资料能够为海洋数据同化提供大量有效信息。然而在目前的顺序资料同化过程中,往往只同化当前时刻的观测数据,没有考虑到历史观测资料对当前状态的约束。四维变分虽然可以体现变量在时间维度的演变过程,但引入伴随方程会增加计算代价。本文基于集合最优平滑同化算法（Ensemble Optimal Smoothing,EnOS）探讨了一种在数据同化中加入历史观测资料的简易可行方案,其能够根据历史观测数据估计当前状态,并进行单点同化实验和区域同化实验来验证该方案的有效性。实验结果表明,将历史观测资料引入到同化过程中可以把控时间演变趋势,减小分析数据与真实值之间的偏差,更有效地消除数值模式误差,提高同化质量。     

Incorporating structural uncertainty of hydrological models in likelihood functions via an ensemble range approach

ABSTRACT

Model ensembles are possibly the most powerful tool to assess uncertainties in runoff predictions stemming from inadequacies in model structure. But in many applications little knowledge is gained about the specific weaknesses of the individual models. Here we introduce the ensemble range approach (ERA). Compared to other ensemble techniques, ERA is primarily intended to facilitate hydrological reasoning about model structural uncertainty. This is attempted by separate modelling of data uncertainty and structural uncertainty with two different error density functions that are combined in one likelihood function. The width of the structural error density is in accordance with the range of runoff predictions calculated by a small model ensemble at each individual time step. Albeit not the only choice, this study is restricted on the use of a modified beta density to represent structural uncertainty. The performance of ERA is assessed in some synthetic and real data case studies. Ensembles of two structurally identical models are applied, made possible by estimating the parameters of ERA and both models simultaneously.

Editor D. Koutsoyiannis; GUEST editor S. Weijs     

Structural properties of effective potential model by liquid state theories

This paper investigates the structural properties of a model fluid dictated by an effective inter-particle oscillatory potential by grand canonical ensemble Monte Carlo (GCEMC) simulation and classical liquid state theories. The chosen oscillatory potential incorporates basic interaction terms used in modeling of various complex fluids which is composed of mesoscopic particles dispersed in a solvent bath, the studied structural properties include radial distribution function in bulk and inhomogeneous density distribution profile due to influence of several external fields. The GCEMC results are employed to test the validity of two recently proposed theoretical approaches in the field of atomic fluids. One is an Ornstein--Zernike integral equation theory approach; the other is a third order + second order perturbation density functional theory. Satisfactory agreement between the GCEMC simulation and the pure theories fully indicates the ready adaptability of the atomic fluid theories to effective model potentials in complex fluids, and classifies the proposed theoretical approaches as convenient tools for the investigation of complex fluids under the single component macro-fluid approximation.     

黄河入海径流量周期变化与东亚夏季风的关系研究

为揭示近 70 年东亚夏季风与黄河夏季入海径流量的多尺度特征以及二者之间的响应关系,本文利用集合经验模态分解 （EEMD） 和小波分析对二者的多尺度特征进行研究,利用交叉小波分析和小波相干性等方法对东亚夏季风和黄河夏季入海径流量在时频域内的共振周期以及相干性进行探究。结果表明：东亚夏季风具有显著的年际、年代际尺度特征,且以年际周期振荡最为显著,其中,2.7 a 左右的周期尺度对东亚夏季风的整体影响程度最高,另外,40 a 左右的年代际周期亦具有较强显著性。黄河夏季入海径流量的年际、年代际尺度周期均通过了 80 %的显著性检验,且以 2.1 a 左右的年际周期为主。东亚夏季风与黄河夏季入海径流量的交叉小波功率谱显示二者在 2 a、6~7 a 左右具有显著的共振周期,且在 1980— 1990 年之间通过了 95 %的显著性检验,由二者的小波相干谱发现,东亚夏季风和径流量的显著性在低能量区大于高能量区,且东亚夏季风提前径流量约 1/4 个周期,另外,1980—2000 年之间在 6~7 a 左右周期尺度上二者的相干性极强。该研究可为黄河下游水资源管理及预测提供一定的理论依据。     

EnKF集合同化下黄海海雾数值确定性预报初始场构造方法的探究

在黄海海雾的数值模拟中,EnKF（ensemble Kalman filter）是一种优于3DVAR（three-dimensional variational）的数据同化方法。研究发现,对EnKF初始场集合体采取常用的集合平均所产生的确定性预报初始场,会出现初始场中海雾在预报开始后就迅速消失以及接下来海雾难以生成的异常现象。通过详细的海雾个例研究,清晰地揭示并解释了此现象,指出这是集合平均造成初始场中云水与温度湿度之间存在不协调关系所导致的后果,并提出了一种择优加权平均方法来取代常用的集合平均。研究结果表明,海雾确定性预报采用择优加权平均所构建的初始场,可以消除上述异常现象,显著改进海雾模拟效果。     

基于Adaboost的高分遥感影像自动变化检测方法

基于监督分类的高分辨率遥感影像变化检测需要大量人工标注,且单个监督分类器难以适应高分影像中复杂多样的地表变化信息提取,检测结果中“椒盐噪声”严重、变化图斑破碎。因此,本文提出一种基于Adaboost集成算法、自动标注训练样本的变化检测方法。首先利用非监督分类方法完成变化初检,接着在初检结果中进行“非等距”区间采样自动获取均匀分布的训练样本;然后以Adaboost算法为集成框架,选择决策树桩、Logistic回归和kNN作为弱分类器,构建一种混合分类器集成系统,充分挖掘和利用高分影像中的空间信息以提升分类精度和分类器泛化能力,最后利用SLIC分割算法和空间邻域信息对像元级检测结果进行空间约束滤波,进一步提升变化检测精度。为验证本文方法的有效性,选取SPOT-5和WorldView-2影像为实验数据,结果表明本文方法能有效降低训练样本人工标注成本、提高变化检测精度。     

基于改进EEMD的GPS多路径误差建模与削弱方法研究

引入一种改进的集合经验模式分解方法（improved ensemble empirical mode decomposition,IEEMD）进行多路径误差的建模。与EEMD方法相比较,IEEMD方法可以有效地克服模态分量数目不一致和分解不彻底等问题,并将原始序列分解为不同尺度的模态分量。同时,考虑到不同模态分量中高斯白噪声的能量密度与平均周期之积为常数,设计一种自动选择尺度与重构的方法,用于模态分量的选择与重构,进而构建GPS多路径误差模型。在此基础上,采用恒星日滤波技术,进行邻近周日GPS坐标序列中多路径误差的实时削弱。实验结果表明,采用同样的尺度选择方法和恒星日滤波技术,使用IEEMD方法可以得到比EEMD方法精度更高的GPS坐标序列。     

风云气象卫星影像自动精细云检测

抠图技术能够准确细致地检测出前景与背景的差异,但是现有的大多数抠图算法均需事先给出前景与背景的标记,在海量影像处理业务中具有明显的局限性。本文将抠图技术引入风云气象卫星影像云检测中,提出了基于连通区域抠图的自动精细云检测算法。首先对影像的灰度图像进行多种阈值方法二值化,通过投票法集成得到初步二分图;在此基础上计算连通区域,以连通区域的重心为种子点,自动生成连通区域三分图;最后使用闭形式抠图法求解alpha值进而得到精细的云检测结果。将该方法与基于学习和稳健性抠图检测算法进行了对比,试验结果表明,该方法能够较好地检测出多种类型的云,具有更高的准确率。     

基于集合经验模态分解的老年人步态信号的降噪方法

基于手机传感器的行人航位推算(PDR)作为一种不依赖外部信息和硬件就可以自主定位导航的方法,在室内环境下试图去普及应用。老年人与年轻人在步频与步幅上有很大差异,常用的年轻人步态降噪方法并不适用于老年人,大大降低PDR的定位精度。针对该问题,本文以手机内加速度传感器信号为数据依据,以检测老年人步数为研究目标,采用卡尔曼滤波、巴特沃斯低通滤波、集合经验模态分解等方法,确定老年人的步数。通过对比分析,确定基于集合经验模态分解的降噪方法,对老年的检步精度达到98%以上,较采用卡尔曼滤波与巴特沃斯低通滤波的方法提高了19.4%。