Bias estimation and correction for triangle-based surface area calculations

The calculation of surface area is meaningful for a variety of space-filling phenomena, e.g., the packing of plants or animals within an area of land. With Digital Elevation Model (DEM) data we can calculate the surface area by using a continuous surface model, such as by the Triangulated Irregular Network (TIN). However, just as the triangle-based surface area discussed in this paper, the surface area is generally biased because it is a nonlinear mapping about the DEM data which contain measurement errors. To reduce the bias in the surface area, we propose a second-order bias correction by applying nonlinear error propagation to the triangle-based surface area. This process reveals that the random errors in the DEM data result in a bias in the triangle-based surface area while the systematic errors in the DEM data can be reduced by using the height differences. The bias is theoretically given by a probability integral which can be approximated by numerical approaches including the numerical integral and the Monte Carlo method; but these approaches need a theoretical distribution assumption about the DEM measurement errors, and have a very high computational cost. In most cases, we only have variance information on the measurement errors; thus, a bias estimation based on nonlinear error propagation is proposed. Based on the second-order bias estimation proposed, the variance of the surface area can be improved immediately by removing the bias from the original variance estimation. The main results are verified by the Monte Carlo method and by the numerical integral. They show that an unbiased surface area can be obtained by removing the proposed bias estimation from the triangle-based surface area originally calculated from the DEM data.     

中国地区集合预报产品自适应递减平均偏差订正法的改进研究

基于中国地区T213集合预报产品2 m温度预报数据,采用卡尔曼滤波类型的自适应递减平均法进行偏差订正处理,原方案在剧烈降温天气订正效果表现不理想。通过对递减平均参数w的重新构建得到改进的订正方案w(i,p)(i为站点信息,p为天气过程信息),在此基础上进一步优化对历史信息的有效提取,得到改进的方案w(i,p)相似法和w(i,p)统计法,并进行效果检验。结果表明:改进为包含空间和天气过程信息的函数w(i,p)后方案的订正效果得到不同程度的提高,其中24 h剧烈降温预报各成员预报均方根误差平均减小了0. 15℃;而进一步改进的w(i,p)统计法在当前几种剧烈降温预报中订正效果最优,其集合平均偏差与w(i,p)方案相比减小2. 54℃。     

Latitudinal and Scan-dependent Biases of Microwave Humidity Sounder Measurements and Their Dependences on Cloud Ice Water Path

The relationship between differences in microwave humidity sounder(MHS)–channel biases which represent measured brightness temperatures and model-simulated brightness temperatures, and cloud ice water path(IWP) as well as the influence of the cloud liquid water path(LWP) on the relationship is examined. Seven years(2011–17) of NOAA-18 MHS-derived measured brightness temperatures and IWP/LWP data generated by the NOAA Comprehensive Large Array-data Stewardship System Microwave Surface and Precipitation Products System are used. The Community Radiative Transfer Model, version2.2.4, is used to simulate model-simulated brightness temperatures using European Center for Medium-Range Weather Forecasts reanalysis data as background fields. Scan-angle deviations of the MHS window channel biases range from-1.7 K to1.0 K. The relationships between channels 2, 4, and 5 biases and scan angle are symmetrical about the nadir. The latitudedependent deviations of MHS window channel biases are positive and range from 0–7 K. For MHS non-window channels,the latitudinal deviations between measured brightness temperatures and model-simulated brightness temperatures are larger when the detection height is higher. No systematic warm or cold deviations are found in the global spatial distribution of difference between measured brightness temperatures and model-simulated brightness temperatures over oceans after removing scan-angle and latitudinal deviations. The corrected biases of five different MHS channels decrease differently with respect to the increase in IWP. This decrease is stronger when LWP values are higher.     

CWRF模式在中国夏季极端降水模拟的误差订正

利用1980—2015年6—8月我国逐日降水观测数据评估CWRF模式（Climate-Weather Research and Forecasting model）多种参数化方案对我国夏季日降水的模拟能力,并考察累积概率变换偏差订正法（CDFt）的订正效果。通过将广义帕累托分布（GPD）引入到偏差订正模型中,提出针对极端降水的累积概率变换偏差订正法（XCDFt）,检验和评估其对极端降水订正的适用性。结果显示:CWRF模式微物理过程选用Morrison-aerosol参数化方案组合对我国降水场的模拟较好,CDFt订正效果良好;XCDFt偏差订正模型能够较好地提取模式建模与验证时期变化信号,订正后相比订正前与观测极端降水的概率分布更为接近;经过XCDFt订正后华南、华中和华北地区20年一遇的极端降水重现水平较模拟值更接近观测值,可为CWRF模式提高极端降水的业务预测水平提供参考。     

Landsat5图像的增益、偏置取值及其对行星反射率计算分析

在对比不同时相的数据或建立遥感反演模型时,往往需要将图像的灰度值转换为反射率。增益和偏置是计算反射率时使用的两个基本参数。如果这两个参数发生偏差,反射率的计算结果就有问题,大气校正和其他相关工作的结果也是不可靠的。根据USGS文档和1995年以来的Landsat5遥感图像,对图像头文件中的增益和偏置参数的取值进行了分析,并按照标准单位将增益和偏置进行了转换。为了分析不同增益和偏置取值对反射率计算结果的影响,对比计算了植被和水体的行星反射率值。对2004年7月26日的太湖地区的TM图像。取值分为4种方案: (1)使用遥感软件ENV14．0计算;(2)使用图像头文件中的参数;(3)使用USGS提供的同期参数;(4)使用USGS提供的2003年前的参数。结果表明,不同增益和偏置取值导致计算结果变化较大。如果以方案3的USGS参数计算的结果为标准,那么,其他方案的相对误差值可从0．2％到20％以上。从各个波段的误差分布看,以第3波段的相对误差最小。从工作成果的可比性角度出发,建议统一使用USGS的增益和偏置参数计算Landsat5图像的反射率。     

一种新的守时型原子钟综合时间尺度方法研究

在这篇文章中, 提出了一种基于改进的指数平滑和Vondrak_Cepek联合平滑的氢铯综合时间尺度产生方法. 以最小误差方法为理论基础, 动态估计氢原子钟频率漂移参数, 提升氢原子钟钟差预测准确度; 基于改进的二次指数平滑产生氢原子钟组时间尺度、加权平均方法产生铯原子钟时间尺度, 同时设计Vondrak_Cepek滤波器以结合两类时间尺度长短期稳定度优势, 提升综合时间尺度性能. 实验结果表明, 所提方法产生的氢铯综合时间尺度时稳可达1.60x10^-15,天稳可达3x10^-15,优于ALGOS、AT1和Kalman滤波3种经典方法产生的时间 尺度性能.     

北斗卫星类型间偏差快速改正分析

针对北斗卫星类型间偏差（ISTB）导致载波相位差分高精度定位（RTK）的整周模糊度无法固定问题,本文提出了改进ISTB快速改正方法,在观测量层面仅利用1组不同卫星类型的载波相位差分观测量即可实现ISTB估计与改正,实际应用中较传统方法更具普适性与简易性。该方法的测试结果表明,ISTB值由NH码调制不同引起,不同频点的ISTB值具有不一致性;此外,有无改正ISTB的北斗RTK性能对比反映了ISTB会严重降低整周模糊度固定与RTK定位性能。由此可知,本文方法能够保障现阶段北斗接收机更新换代过程中北斗RTK的高精度与高可靠性能。     

BDS卫星钟差半参数平差模型异常数据探测与处理

针对北斗卫星钟差数据中出现钟跳、粗差等异常数据频次较高的问题,将半参数平差模型引入BDS的钟差数据的处理过程中。首先,在考虑系统误差的同时,改进了常用的钟差模型;其次,综合考虑异常数据和系统误差,利用补偿最小二乘原理和极值求解方法,详细推导了分离异常数据前后参数和非参数估计值与相应观测值改正数的关系表达式,实现了异常数据的定值、参数求解和系统误差分离。在此基础上,引入Cook距离,给出了利用参数分量和非参数分量的Cook距离及混合Cook距离,去判断异常值的位置,并给出了一些参数的选取方法及相应的处理措施,实现了卫星钟差异常数据的定位和定值以及部分系统误差的分离。最后,采用武汉大学GNSS中心提供的采样间隔为5 min的北斗卫星精密钟差数据,将本文方法与常用方法进行了试验对比。试验结果表明,本文方法能够有效地识别并处理卫星钟差数据中的异常值,有效克服了基于经验阈值钟差异常数据探测方法的不足,且该方法对于量级较小的异常钟差数据也有很好的探测效果,一定程度丰富了现有的BDS钟差数据质量控制方法。     

基于核函数NPSSB模型的HY-2A卫星雷达高度计海况偏差研究

利用机器学习的方法,对14个周期HY-2A卫星高度计数据:风速、有效波高和海面高度差值进行训练,探究海况偏差和风速、有效波高之间的关系,创建海况偏差核函数非参数模型(NPSSB),并与参数模型中具有代表性的BM3、BM4模型进行对比。研究表明:(1)核函数NPSSB模型能够很好的反映SSB与U、SWH之间的关系,SSB与U呈二次函数关系,SSB与SWH呈反比例函数关系;(2)核函数NPSSB模型对SSB的模拟能力与训练数据集相关,数据量越多,模拟能力越好;(3)核函数NPSSB模型与BM3、BM4模型都存在0^-0.03 m的差值,随着风速和有效波高的增加,差值的绝对值越大。     

北斗星地双向时频传递与广广播钟差精度分析

与其他卫星导航系统不同,北斗卫星导航系统采用星地双向时间比对技术,直接测量卫星钟相对于地面保持的系统时间的钟差,并用于广播电文钟差参数的建模。讨论了电离层延迟误差、卫星相位中心误差等不同误差源对不同类型卫星双向时间同步卫星钟差精度的影响。实测数据分析结果表明,星地双向卫星钟差内符合精度(RMS)优于0.15 ns。利用双向卫星钟差序列,对广播星历钟差参数预报精度进行了分析,统计结果显示广播电文钟差参数预报1 h,精度在2 ns以内,移动卫星刚入境时,钟差参数预报6 h误差可达10 ns。