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[博士论文] 韩晓静
农业遥感 中国农业科学院 2018(学位年度)
摘要:地表温度(Land Surface Temperature,LST)是地球表面能量平衡的重要指示因子,也是研究区域以及全球尺度陆地表面物理过程的关键参数。遥感技术的兴起和发展使得地表温度信息的获取从“点”过渡到“面”,目前遥感手段获取地表温度信息主要是基于热红外数据和被动微波数据。与热红外信号相比,微波信号对云、雾、雨、雪、植被以及一些干燥地物具有一定的穿透能力,具有全天候获取地表温度信息的特性,从而弥补了热红外地表温度监测中的不足。
  本文旨在提供一种简单易行且具有一定物理意义的云下地表温度反演算法。文中回顾了基于被动微波地表温度反演的国内外研究现状,给出了被动微波遥感的基本概念与理论,详细介绍了本研究中用到的模型和数据。在此基础上设定了两个研究目标:(1)定量分析大气对常用被动微波通道星上亮温的影响并提出相应的大气校正方法;(2)通过不同通道比辐射率间的关系发展具有一定物理意义的云下地表温度反演算法。主要研究内容包括以下几个方面:
  (1)大气对常用被动微波通道作用的研究以及大气校正方法的发展。本论文是针对云下地表温度反演方法的研究,有云情况下,大气对微波通道的影响相对较大。因此本文首先利用模拟数据库定量分析了大气对常用被动微波通道亮温的影响,结果显示,在1.4GHz通道,当比辐射率大于0.7时大气影响可以忽略;在6.93GHz通道,当比辐射率大于0.8时大气影响可以忽略;在10.65GHz通道,当比辐射率大于0.9时大气影响可以忽略;其他通道(18.7、23.8、36.5、89.0GHz)一般情况大气影响不可忽略。然后根据大气校正精度的要求以及输入数据的可获取性,分别提出通用的大气校正方法、简单的大气校正方法和基于比辐射率的大气校正方法,为后续研究工作的开展奠定了基础。
  (2)地表温度被动微波反演方法的发展。本文首先建立了18.7、36.5和89.0GHz三个通道垂直极化比辐射率的关系,并对其进行近似和简化,在此基础上,假设辐射传输方程中的大气和植被影响可以忽略,利用简化的辐射传输方程发展了用于地表温度反演的三通道算法。当干土比辐射率已知时,其算法误差为0.83K;当干土比辐射率近似为常数时,该方法仅需要输入18.7、36.5和89.0GHz三个通道的亮温数据即可估算地表温度,其算法误差为2.37K。利用AMSR-E星上亮温数据和地表亮温数据估算地表温度,精度分别为4.0~5.0K和3.0~4.0K。
  (3)云下地表温度反演与验证。本文通过两步法反演中国区域的地表温度,即首先通过通用的大气校正方法将AMSR-E卫星数据的星上亮温转换为地表亮温,然后通过三通道算法利用地表亮温估算中国区域的地表温度。与有云条件下的地面空气温度对比,结果显示,该方法精度约为4.0K。
[硕士论文] 杨一博
计算机科学与技术 山东大学 2017(学位年度)
摘要:随着高性能计算的发展,计算能力得到大幅度的提升,然而受限于投资和复杂度,I/O性能则相对发展缓慢。基于此,I/O性能已经成为众多HPC应用程序的性能瓶颈,提升应用程序的I/O性能就显得格外重要。然而I/O系统具有高延迟、深共享、访问模式多变和成本问题,高端应用无一例外地受到I/O的困扰,其表现为很强的不确定性和振动性。同时,高性能应用程序的I/O行为大多是复杂的,分析和理解高性能计算机上应用程序的I/O行为是提升性能的关键。
  首先,本论文首先设计和实现了一个轻量级的I/O框架,支持灵活的I/O配置,自适应I/O调优,同时也支持同步和异步模式。该框架不同于ADIOS,它是一个轻量级的框架,主要解决计算和I/O的性能可扩展性不一致的问题,从而释放计算的可扩展性。也不同与PIO,该框架支持自动I/O调优以及灵活配置。我们在IBMP460系统上以GRAPES为例,证明了该框架的有效性。
  其次,为了进一步的分析应用程序的I/O行为,本文还实现了一个面向HPC应用程序的I/O trace采集和分析工具。该工具通过采集和高效存储前端计算节点上的I/O日志,统计各个计算节点上的读写行为数据,用IOPS(I/O operations persecond)、I/O带宽、数据大小分布和各个节点的I/O活跃情况等指标来量化反映应用程序的I/O特征和性能问题,并进一步分析应用程序以及系统可能存在的瓶颈。在神威太湖之光超级计算机上,我们以NPB-IO、MPI-IO测试程序和真实应用程序验证了I/O trace采集和分析工具的有效性。
[硕士论文] 侯飙
计算机技术 哈尔滨工程大学 2017(学位年度)
摘要:本文从自动气象站数据采集的原理出发,介绍现有气象探测数据质量控制方法的原理和应用,分析了现有气象数据质量控制方法存在的不足之处,总结国内外研究现状,建立基于数据挖掘技术质量控制方法。
  在卡尔曼滤波的质控方法中,基于混沌系统的特征,分析了某一种气象观测数据,在一段时间内具有混沌性的特征,利用相空间重构的方法,将低维非线性空间的数据映射到高维线性空间的相点,以相点的运动规律来演化混沌系统的动力学特征,利用卡尔曼滤波对映射后的相点进行滤波处理,建立气象要素时间序列的相空间重构卡尔曼滤波模型。用此方法来进行探测数据的质量控制,来评估气象观测数据是否异常。
  在粒子滤波的神经网络质控方法中,基于观测要素在同一站点同一时刻存在相互关联的事实,提出一种利用要素相关性来进行数据质量控制的方法。利用关联度分析法,得到自动气象站各种探测要素之间的相关性,选取相关性较强的几种要素进行质量控制验证。采用粒子滤波与BP神经网络相结合的算法,来进行探测数据的质量控制。
  以上两种方法有很强的互补性,从两个方面完善了现有质量控制方法,作为精确度更好的质控方法,可以作为现有质控方法之后的二次质控,弥补现有方法的不足,又利用了现有方法的稳定性特点,最终实现探测数据质量控制的稳定性,让探测数据得到更好的利用。
[硕士论文] 周泽华
气象学 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:随着遥感科学的不断发展,遥感探测技术已经成为气象观测不可或缺的手段之一,卫星微波遥感技术由于其特有的优势,穿透性强、观测范围大,观测时间长,近些年,成为人们研究的热点。但是,微波成像仪的低频通道观测亮温数据中,存在着污染信号,导致观测数据存在误差,这些污染信号来自于主动微波遥感仪器,称这种观测误差为无线电频率干扰(Radio frequency interference),为了保证资料的可用性,对无线电频率干扰进行识别是必不可少的。
  本文针对风云3号卫星上微波成像仪数据,使用标准化主成分分析法识别其中的干扰信号,并且对干扰信号的日变化趋势进行了分析,同时对海洋上电视信号干扰进行了识别,对海表气象要素反演结果进行了评估。
  研究发现,标准化主成分分析法适用于风云双星微波成像仪陆地数据中,10.65GHz通道上欧洲干扰信号呈现出夜晚强,白天弱,冬季强,夏季弱的波峰波谷状趋势。明确了海洋上电视信号干扰来源,发现干扰信号位置和强度与风云3号卫星和静止电视卫星相对空间位置有关,10.65GHz通道干扰信号存在于欧洲海域,18.7GHz通道干扰信号则出现在北美海域,同时干扰信号对海表气象要素反演有很大的影响。
[硕士论文] 仕仁睿
气象学 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:基于欧洲中长期天气预报中心(ECMWF)提供的近37a(1979-2015年)ERA-interim臭氧总量月平均资料,并结合美国宇航局(NASA)由臭氧总量测绘光谱仪(TOMS)与太阳紫外线后向散射仪(SBUV)相结合得到的近30a(1979-2008年)TOMS/SBUV臭氧总量月平均资料,分析了青藏高原臭氧总量及其亏损(高原与同纬度非高原地区臭氧总量时间序列的差值)的8~12a演变特征;利用美国国家海洋与大气管理局(NOAA)国家地球物理数据中心(NGDC)提供的10.7cm太阳辐射通量资料,讨论了高原臭氧总量对于太阳辐射通量的响应;并在分析高原臭氧总量变化对高原平流层下部/对流层中上部温度的影响的基础上,重点研究了高原臭氧总量与高原热带对流层顶高度的定量关系。结果表明:
  (1)就高原臭氧而言,ERA-interim臭氧数据与TOMS/SBUV臭氧数据较为一致,前者较后者的偏差不超过5%。
  (2)近37a(1979-2015年)各季高原臭氧总量的下降幅度明显小于近30a(1979-2008年)的下降幅度,表明近年来高原臭氧总量的下降趋势有所减缓。高原臭氧总量亏损近37a均呈现下降趋势(尤其是春季),这表明高原臭氧总量的下降趋势仍强于同纬度非高原地区,特别是春季高原臭氧亏损加剧。
  (3)各季高原臭氧总量及其亏损均存在显著的8~12a振荡周期,滤除高频变化信号后,高原臭氧总量(亏损)的高低值年对应(落后)于太阳辐射通量的峰谷期。高原较同纬度平原地区对太阳活动有更加强烈的响应信号。
  (4)高原臭氧总量的减少伴随着平流层下部温度的降低,而对流层中上部的温度则表现为升高,春季高原臭氧总量与温度的相关最为密切。高原臭氧总量与各层温度的关系较同纬度平原地区更密切。
  (5)当高原臭氧总量减少(增加)时,高原热带对流层顶高度偏高(低);高原臭氧总量每减少(增加)1DU,对应于高原热带对流层顶高度升高(降低)6.7~9.9m左右,近37a高原臭氧总量的趋势变化解释了高原热带对流层顶高度趋势变化的5.1%~31.5%。高原热带对流层顶高度的平均值和上升趋势全年均略大于同纬度平原地区。
[硕士论文] 刘绕
应用气象学 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:本文利用2015年7月至2016年5月寿县稻麦轮作农田区观测站地基多通道微波辐射计观测的高时空分辨率的温度廓线数据,结合位温梯度法计算了该站点的大气边界层高度,分析了边界层高度的日、月和季节演变规律,并与ERA-Interim和NCEP FNL模式数据产品进行对比。得出以下结果:
  (1)晴朗天气条件下边界层高度具有显著地日变化特征,随着地面温度的升高边界层高度不断增大,阴天多云的条件下,边界层高度日变化特征不明显,全天高度较低,ERA-Interim和NCEP FNL具有相似的变化趋势。
  (2)边界层最大平均值高度通常出现在午后,8月份平均高度最高,超过1520米,1月份最低,只有520米,其早晨上升期,最大高度值幅度,平均最大高度出现时间都具有周期性变化,夜间转换期基本在20点,ERA-Interim和NCEPFNL由于每日观测频次较少,只有最大高度值幅度、夜间转换期和观测值结果相似。
  (3)边界层季节日变化中,从冬季、秋季到春季和夏季,大气边界层高度呈增大趋势,白天波动变化较大,夜间时段较稳定,ERA-Interim和NCEP FNL白天时段大于观测平均值,且差值较大,夜间时段小于观测值,差值较小。
  (4)边界层8月平均高度值最大,为543米,10月最小,只有262米,ERA-Interim和NCEP FNL除8月外均大于观测值。春季(3-5月)、夏季(6-8月)、秋季(9-11月)和冬季(12月-次年2月)平均高度分别为436米,499米,377米和322米,ERA-Interim和NCEP FNL则为春季平均高度值最大,冬季最小,夏季和秋季次之。
  上述结果表明,边界层高度具有明显的日、月和季节演变规律,该结果为我们深刻了解边界层高度的演变,认识现有模式数据集的可靠性和准确性提供了重要的依据。
[硕士论文] 宋子尧
电磁场与微波技术 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:长久以来遥感软件商业市场都是由商业遥感软件占据。近年来,由于QGIS等开源遥感影像处理软件及各种开源程序库的出现和发展,这种情况出现了改变,遥感用户及科研人员可以选择利用这些开源遥感软件进行自主开发,开发出适用于自身需求且免费的遥感处理系统。相较于商业软件,开源遥感图像处理软件不用过多地考虑软件成本、数据兼容、功能复杂等问题。本文在此背景下,基于实验室的具体需求,利用开源GIS软件QGIS的框架作为底层函数库实现了一个跨平台遥感影像处理系统,从设计思路、系统架构、系统功能等方面进行了详细分析,阐述了各个遥感影像处理功能的实现和集成原理,同时采用分块技术和构建影像金字塔的方法来提升系统显示海量遥感数据的速度,并利用多线程并行的方式对传统的金字塔生成算法进行了改进,有效地提升了影像金字塔的构建速度。具体研究工作如下:
  (1)对系统的界面、架构及缓存方式进行总体设计,并根据各个功能模块的特点定义系统接口,系统和功能模块之间通过接口进行交互,实现“高内聚低耦合”的系统。通过建立插件管理器对各个插件模块进行管理,定义插件接口,实现动态加载和卸载插件模块的方式。
  (2)采用分块和分层的方式对海量遥感影像数据进行结构组织,以优化系统对遥感影像数据的读取速度。针对传统的金字塔构建算法在对海量遥感影像数据生成金字塔的过程中耗时较长的问题,利用多核计算机的多线程并行计算方式对传统的金字塔生成算法进行改进,将串行的传统算法改为并行方式。经测试,该改进算法对金字塔的构建效率能够提升30%以上。
  (3)对异步缓存调度策略和遥感影像的数据特点进行研究,在系统中通过多线程异步调度的方式实现了影像数据的加载和显示,并实现了部分常用的影像显示控制功能。研究了遥感影像处理的相关理论,实现了两个遥感影像处理功能模块(几何校正模块和K均值分类模块),并根据系统定义的接口将这两个模块集成到系统平台中。
  (4)通过对Windows和Linux两种环境下程序代码字段和文件配置等差异的研究分析,使用 qmake工具,并采用界面和功能分离、条件编译等方法实现了系统源代码级别的跨平台特性。
[硕士论文] 周爱明
大气遥感与大气探测 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:大气温湿是气象预报和气候预测研究及业务的主要参数,红外高光谱遥感能提供区域和全球高精度大气温湿资料。风云四号(FY-4)是国内第一个装载高光谱红外垂直探测仪的静止卫星,国际上无相关高轨同类载荷的相关研究和反演经验,且随着风云四号高光谱红外大气垂直探测仪的处理流程、产品质量等指标的不断完善,在温湿廓线反演研究中使用这些资料的需求越来越迫切。
  为推动我国FY-4高光谱红外垂直探测仪(GIIRS)资料温湿廓线反演研究,本文基于FY-4GIIRS辐射正演模拟理论,利用神经网络构建了四套反演体系:全球以及中国区域的温度和湿度反演算法模型,对反演效果进行评价,同时建立了Metop-A高光谱红外垂直探测仪(IASI)反演温湿廓线的模型,并对比分析两种模拟资料反演大气温湿廓线的能力。
  本文的主要研究成果及结论:
  (1)完成了GIIRS和IASI的正演模拟计算过程。将全球晴空训练样本CIMSS数据作为辐射传输模式的输入,通过一系列的理论计算,得到模拟的GIIRS和IASI亮温值,并作对比分析发现,虽然GIIRS模拟亮温值在总体上低于IASI,但是两者在所有通道的模拟亮温值走势一致,这也验证了GIIRS正演模拟的准确性。
  (2)实现了GIIRS模拟资料的大气温度廓线反演试验,建立了全球和中国区域两种大气温度反演模型。通过对该反演模型精度的分析,发现中国区域反演大气温度的精度(RMSE=1.922K)高于全球(RMSE=2.630K)。对比分析用5类CIMSS数据反演大气温度的效果,发现用NOAA88的CIMSS数据进行大气温度反演的精度最高(RMSE=1.853K),平均误差达到了0.070K,具有高度相关性(R=0.998)。且对流层大气温度反演精度(RMSE=0.846K)明显高于平流层(RMSE=2.020K),平均误差分别为-0.003K和0.024K。
  (3)实现了GIIRS模拟资料的大气湿度廓线反演试验,建立了全球和中国区域的两种大气湿度反演模型。对于全球区域下的反演模型,水汽混合比RMSE为0.440g/kg,且用NOAA88的CIMSS数据进行大气水汽混合比的反演精度(RMSE=0.315g/kg)最高。对于中国区域下的反演模型,反演大气水汽混合比、相对湿度和水汽密度的RMSE分别为0.362g/kg、9.079%和0.450g/m3,且中国区域反演大气湿度的模型精度优于全球。
  (4)实现了IASI模拟资料的大气温湿廓线反演试验,建立了全球和中国区域的四种反演大气温湿廓线的模型。对于全球反演模型,反演大气温度和湿度的RMSE分别为1.054K和0.524g/kg,且用NOAA88的CIMSS数据进行反演大气水汽混合比的精度最高(RMSE=0.439g/kg)。对于中国区域的反演模型,反演大气温度和湿度的RMSE分别为0.989K和0.487g/kg(水汽混合比)、5.307%(相对湿度)、0.364g/m3(水汽密度)。且在中国区域建立反演温湿廓线的模型精度要优于全球。
  (5)对比分析了GIIRS与IASI两种模拟资料反演大气温湿廓线的精度。对于反演温度能力的检验,发现FY-4GIIRS大气温度反演精度在低层优于IASI,在高层误差大于IASI;而对于反演湿度能力的检验,发现GIIRS大气湿度的反演精度明显优于IASI。总之我国FY-4GIIRS资料在温湿廓线反演方面具有重要研究前景。
[硕士论文] 申翔
物理学 西安电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:低层大气作为人们生产生活的主要环境,对其温度、水汽密度、折射率等参数进行遥感在天气预报、自然灾害预防、气象科学研究等领域具有重要意义。本文围绕地基多通道微波辐射计遥感大气参数的原理和技术开展了相关研究。主要工作如下:
  1.基于微波辐射计探测大气参数原理,仿真计算了不同频率、不同天顶角、不同时间的下行辐射亮温权重函数并得到相应的峰值高度。由青岛站的历史探空温度、压强等数据仿真计算了氧气通道9个频率、不同天顶角的亮温,根据亮温权重函数分布选取了9个频率、天顶角0°~85°每隔5°的组合亮温,分别利用线性回归法和神经网络法仿真反演了青岛地区低层大气温度廓线。仿真结果表明采用组合亮温反演结果比采用常规的天顶亮温反演结果的精度提高了5%~30%。
  2.采用由历史探空数据仿真计算的水汽通道8个频率、天顶角0°、45°、60°、75°亮温,利用线性回归法和神经网络法仿真反演了低层大气水汽密度廓线。仿真结果表明采用多天顶角亮温反演结果比采用常规的天顶亮温反演结果的精度略有提升,但较为有限。
  3.基于微波辐射计实测亮温数据和探空实测数据,采用不同天顶角亮温和组合亮温反演了温度廓线,结果表明组合亮温反演结果比天顶亮温、单一角度斜路径亮温反演结果更接近探空实测结果,验证了采用组合亮温反演低层大气温度廓线的优越性。采用不同天顶角亮温和多天顶角亮温反演了水汽密度廓线,与探空实测结果对比后发现采用多天顶角亮温反演相比只采用天顶亮温反演对反演结果的精度提升有限。
  4.基于青岛地区历年探空资料,统计了逆温、湿度剧减和大气波导三种反常结构的出现频率以及逆温厚度、强度、高度的分布特点。采用组合亮温利用神经网络法对逆温进行了仿真反演,通过与探空资料对比,逆温的反演准确率达76%以上,逆温特征的反演结果与探空结果较为吻合。同时对湿度剧减、大气波导进行了仿真反演,结果表明利用微波辐射计探测大气反常结构是可行的。
[硕士论文] 李倩楠
地理学;地图学与地理信息系统 南京师范大学 2017(学位年度)
摘要:大气气溶胶是大气中悬浮的如烟、尘埃以及水和冰组成的云雾滴、雨雪和冰晶等各种固体和液体粒子的组合体系。大气气溶胶分布很广,它具有复杂的物理和化学变化,对全球的气候和环境质量有着非常大的影响。由于气溶胶时空分布大,相较于地基遥感,卫星遥感具有一定的优越性。目前,利用卫星遥感对气溶胶光学厚度反演的研究很多,其中研究方法较成熟、较广泛的就是MODIS卫星反演方法。在算法的研究方面主要侧重于如何准确地获得地表反射率,以此提高MODIS卫星遥感气溶胶光学厚度的反演精度,这成为了目前国内外学者需要研究解决的问题。
  论文的研究内容和主要结论包括以下几个方面:
  (1)本文根据大气气溶胶光学厚度反演的基本原理,提出一种基于像元分解法确定地表反射率,结合MODIS数据进行气溶胶光学厚度反演的方法。首先,将MODIS地表反射率日数据筛选后进行季节分类,得到春、夏、秋、冬四季的地表反射率均值;然后通过目视解译,选取出建筑物、林地、耕地和水体四类地物端元;接着确定出每一种地物端元在红光或者蓝光波段地表反射率与2.1μm波段地表反射率之间的比例关系;最后,对不同季节的地表反射率产品进行了像元分解,以获得不同地物端元所占每个像元的比例,再结合MODISL1B数据于2.1μm波段的表观反射率,确定出红光或者蓝光波段地表反射率。在确定红光或者蓝光波段地表反射率之后,利用6S辐射传输模型构建查找表,对本文的研究区进行气溶胶光学厚度反演。
  (2)本论文将基于像元分解法确定的地表反射率与传统暗像元法和MODIS V5.2算法确定的地表反射率进行比较分析。总的来说,基于像元分解法确定的地表反射率较大于上述两者方法确定的地表反射率,特别是建筑物集中的城市地区。而在植被浓密的林地地区,三种方法确定的地表反射率较接近。
  (3)利用地面观测数据对实验结果进行了验证。分析得出,本文基于像元分解法的气溶胶光学厚度反演结果与传统的暗像元法和MODIS V5.2算法的反演结果有较好的相关性,说明本算法具有可用性。基于像元分解法得到的气溶胶光学厚度的反演结果偏小于传统暗像元法和MODIS V5.2算法得到的结果。结合地面观测数据进行验证,结果表明,三种方法中,基于像元分解的反演方法与地面观测数据的相关性最高,R2为0.8731;其次是MODIS V5.2算法,R2为0.8068;相关性最低的是传统暗像元法,R2为0.7037。并且,像元分解法,MODIS V5.2算法,传统暗像元法得到的气溶胶光学厚度反演结果落在误差范围内的点占总反演结果的比例分别是:78.94%,60.52%和35.52%。相较于MODIS V5.2算法和传统暗像元法,基于像元分解的方法具有更好的反演结果。
[硕士论文] 冯姣姣
地图学与地理信息系统 西北师范大学 2017(学位年度)
摘要:太阳辐射是地球上的主要能量来源,几乎为地球上一切生物提供能量,太阳辐射决定着地表能量的收支平衡。太阳辐射数据是农作物模型、水文模型及气候变化模型等的重要参数,定量模拟太阳辐射对了解全球及区域气候变化至关重要。全球太阳辐射观测站点稀少且分布不均,仅利用稀少的辐射站点数据进行内插或者外推得到的辐射数据精度较低,因此,太阳辐射数据的缺乏限制了相关领域的研究。影响太阳辐射变化的不确定因素较多,并且各影响因素会相互影响,而BP(Back Propagation)神经网络模型具有较强的非线性处理能力,但以往太阳辐射的模拟研究都是基于单个站点,且BP神经网络模型存在收敛速度慢、训练时间长等问题,为了克服BP算法的这些缺点,本文利用LM(Levenberg-Marquardt)算法优化过的BP神经网络,即LM-BP神经网络模型来模拟太阳辐射。现有的神经网络模型在模拟太阳辐射时很少考虑云、气溶胶、水汽等高空大气因素对太阳辐射的影响,因此本文在全面分析各种因素对太阳辐射影响的基础上,将 MODIS提供的气溶胶、云、水汽高空大气遥感产品和常规气象数据结合,利用LM-BP模型来模拟太阳辐射。由于华东地区的数据质量较好,所以本文将华东地区作为实验区来验证本文太阳辐射模拟的方法。本文利用华东地区90个常规气象站点2001~2014年的纬度、海拔、气溶胶光学厚度、云量、云光学厚度、可降水水汽、日照时数、气压以及气温输入 LM-BP神经网络模型模拟了常规气象站的太阳辐射月均值,并用辐射站点的实测数据验证了该模型,该模型的拟合优度高达0.95,均方根误差基本控制在2 MJ·m-2以内,平均偏离误差基本在-1 MJ·m-2到1 MJ·m-2之间,精度较高。最后,结合13个辐射站点的实测值,通过空间插值得到该区太阳辐射月均值的空间分布,并分析了其时空分布特征。
  本研究主要内容包括:⑴日照时数、风速和太阳辐射呈正相关关系,气压、气溶胶、可降水水汽、云光学厚度、云量和太阳辐射呈负相关关系,整体上,各因素对不同区域太阳辐射的影响程度不同。⑵太阳辐射穿过大气层到达地表时,云、气溶胶、水汽等大气因子对太阳辐射的影响较大,在模拟太阳辐射时应该考虑这些因素。⑶通过建立不同结构的神经网络模拟模型,与实测值对比发现,在纬度、海拔、日照时数、气压、气温的基础上,加入气溶胶光学厚度、云量、云光学厚度、可降水水汽之后模型的模拟精度最高,拟合优度高达0.95,均方根误差最小值仅为0.57 MJ·m-2,平均偏离误差基本在-1 MJ·m-2到1 MJ·m-2之间,平均百分比误差基本控制在10%以内。⑷将MODIS和常规气象数据结合利用LM-BP神经网络来模拟太阳辐射是一种很好的太阳辐射模拟方法,适合对辐射观测稀少地区的太阳辐射进行模拟。⑸华东地区2001~2014年地表太阳辐射的变化率在-0.06~0.18之间,整体呈增大趋势;华东地区2001~2014年1月至12月的月均值变化为7.02~23.89 MJ·m-2,整体呈现“中间低,两边高”的分布特征;四季的太阳辐射月均值的变化范围为7~24 MJ·m-2,从整体分布来看,夏季太阳辐射最强,其次为春季、秋季,冬季太阳辐射最弱。
[硕士论文] 陈丽萍
地图学与地理信息系统 西北师范大学 2017(学位年度)
摘要:积雪是冰冻圈的主要覆盖物,并且冰川和积雪融水也是全球主要的水源。积雪大到影响全球气候系统的变化,小到影响人类生活环境。随着全球气候变暖,积雪对气候的敏感反应,积雪研究已经成为全球热门的研究话题之一。新疆阿尔泰地区作为我国主要的稳定积雪区,其畜牧业发达,该地区农业、畜牧业及城市建设用水主要来源于冰川和积雪融水;同时,积雪变化对当地旅游及交通等都多有所影响。本文用于研究的数据主要有光学遥感、被动微波遥感、气象数据等,光学遥感数据主要为MOD10A2用于提取分析2001-2014年新疆阿尔泰地区积雪覆盖面积和积雪覆盖日数,被动微波遥感数据 AMSR-E用于提取和分析2001-2014年新疆阿尔泰地区积雪深度的变化趋势,气象数据用于研究主要积雪参数和气候因子之间的关系。
  本研究主要内容包括:⑴新疆阿尔泰地区积雪覆盖面积比例在年内呈现“单谷”变化趋势,一年中积雪覆盖面积比例值最小的是7月份,最低值为仅为1.28%;1月份最大为90%。阿尔泰地区在2001-2014年积雪覆盖面积比例总体呈现冬季>春季>秋季>夏季,且冬季积雪覆盖比例高达48%,而夏季积雪覆盖比例却只有3%。在研究时段内,积雪比例的年平均值在32.7%-41.8%之间,最高值发生在2001年,最低值发生在2007年;研究区在2001-2014年间积雪覆盖面积的空间分布特征为:在高海拔及其周边地区,积雪覆盖面积比例高,积雪频次也高,而在平原及低海拔地区则呈相反规律;该地区稳定性积雪分布较少,仅为0.95%,且分布在高海拔地区。⑵阿尔泰地区积雪覆盖日数的变化趋势为:中日积雪区>长日积雪区>短日积雪区>终年积雪区>不稳定积雪区。积雪存在的主要形式为中日积雪区,其在2001-2014年的年平均分布面积占研究区总面积的65.9%;并且在研究时段内,波动明显,呈现先下降后上升的趋势,总体变化趋势为下降趋势;其余积雪覆盖日数分区在年际间也有所波动,但均没有中日积雪区波动大,并且终年积雪区和不稳定积雪区年际间变化很微弱。阿尔泰地区积雪覆盖日数空间分布不均匀,在研究区域和时域,短日数积雪覆盖区域和中日数积雪覆盖区的空间变换较为明显,并且年际波动略微显著。积雪覆盖日数沿西北-东南走向分布,积雪日数较长的区域主要分布在海拔较高的地区。⑶2001-2014年阿尔泰地区的年平均雪深在6.79cm-4.28cm之间波动,2012年达到最大值,2014年降至最低值,研究时段内积雪年平均值为5.32cm,并且年平均雪深在年际间有波动,在研究期间积雪年平均雪深整体表现为下降趋势。研究区雪深月均值分布特征为单峰形式,2月份积雪月平均雪深达到最大值16.75cm。雪深均值的分布受海拔高低、气温、降水等各因素的影响,积雪的雪深分布与该地区的地形存在一定的关系,年均雪深值受海拔高低的影响明显,在3200-3600m之间研究区在2001-2014年的雪深均值达到最高为9cm。⑷研究区积雪的时空变化也受气候因子的变化影响。四个季节中春季、秋季、冬季的积雪面积比例与平均气温之间均为负相关,并且春季的平均气温与积雪覆盖面积比例之间通过了0.05显著性检验,为显著性相关。降水量在春季、夏季、秋季与积雪覆盖面积比例之间都呈正相关,且在春季和夏季相关系数较高,夏季为显著性相关。年际积雪比例与平均气温呈负相关性,且相关性系数较大,降水量与年际积雪面积覆盖比例之间的相关性为正相关,并通过0.05的显著性检验。气候因子在不同积雪日数覆盖区的影响有明显的差异性,不稳定积雪区、短日数积雪区平均气温与积雪比例都为显著性相关。雪深与气象因子有一定的相关性,其中降水量与年际雪深、平均气温与月均雪深之间都通过0.05显著性检验,为显著性相关。
[博士论文] 青春
光学 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:光学湍流效应是制约光电工程应用的重要影响因素,定量描述湍流效应与折射率结构常数(C2n)有关。对于具体的光电工程应用,一般可以用多种测量仪器进行C2n的实时实地测量,以定量分析湍流效应。然而,在许多光电工程的设计及可能的应用场景中,需要对应用场景的C2n进行大范围、长期系统地测量,这是测量仪器难以胜任的。近十多年来,利用中尺度数值气象模式获取大气光学湍流参数逐渐成为国际上较为关注的研究热点,为此我们尝试开展了利用数值气象模式(WRF)预报C2n廓线及其随时间变化特征的研究。本文总结了国内外C2n建模以及预报模型研究的基础上,开展了利用WRF模式预报丽江高美古天文观测站、茂名博贺海洋观测站、新疆库尔勒地区的C2n廓线以及不同下垫面(南海近海面、南极泰山站冰雪面、成都内陆等)C2n时间演变特征的研究。本文主要围绕WRF模式预报C2n的技术特点和难点以及可行性,开展了以下几方面的研究工作:
  1.详细介绍了WRF模式基本情况包括模式框架、坐标方程、物理参数过程等,同时介绍了WRF模式在PC机上的安装流程、初始场数据的使用以及调试运行等。
  2.用常规气象参数估算C2n廓线的方法主要是依据Tatarskii模式,而Tatarskii模式中外尺度是关键参数,但难以直接测量。研究对比了四种外尺度参数化模式(Dewan模式、Coulman模式、Sterenborg模式和HMNSP99模式)。用探空气球实测的常规气象参数估算的C2n廓线与湍流气象探空仪实测的C2n廓线进行对比。发现采用四种外尺度模式估算的C2n廓线无论在变化趋势上还是量级上,四种模式之间的差异都很大。发现在与外尺度有关的如温度梯度、风速梯度、Richardson数等几个参数中,加入了温度梯度和风速梯度的HMNSP99外尺度模式估算的C2n与测量的C2n在变化趋势和量级上最为接近。
  3.基于WRF模式,结合Tatarskii模式和HMNSP99模式分别预报了高美古、茂名以及库尔勒等三个典型地区的温度、风速和C2n廓线,并用湍流气象探空仪实测的相应廓线作为对比。结果表明:WRF预报的温度和风速廓线与三个地区的探空实测结果非常接近,相关性可分别达到90%、80%以上。预报的C2n廓线基本满足C2n随高度变化的特征,相关性在75%左右,但C2n廓线的变化细节与实测值差异稍大。三个典型地区气候类型各异,表现出的C2n廓线分布特征也具有明显的气候类型差异。总体来说WRF预报的高美古地区的C2n廓线要好于在茂名和库尔勒地区的预报值。
  4.以Monin-Obukhov相似理论为依据并结合Bulk空气动力学方法,利用WRF模式预报了中国南海近海面上、中国南极泰山站冰雪面上以及中国内陆成都地区近地面层常规气象参数(如温度、湿度、风速、风向,等)和C2n。用自动气象站和温度脉动仪实测的近地面层常规气象参数以及C2n作为对比验证,结果显示WRF预报的近地面层常规气象参数以及C2n与实测值吻合的较好,而且预报值能够准确地反映出近海面上,冰雪面上的常规气象参数以及C2n的日变化特征。使用了如平均偏差(Bias)、均方根误差(RMSE)、纠正偏差(σ)、相关系数(Rxy)、列联表等统计工具分析了预报值的稳定性和可靠性,其相关统计结果是令人满意的。成都、南海以及南极泰山站在一定程度上代表了陆地、海面以及冰雪面等典型的下垫面类型,从对比结果可以看出C2n的日变化特征具有显著的地域性差异。总体来看,WRF模拟冰雪面上的C2n与实测结果吻合的最好,海面上次之,陆地上最差。陆地上的环境更加复杂多变,测量点受周围影响较大,并且模式的水平分辨率有限,这些因素可能是陆地上预报值与测量值差异较大的原因。
  通过在高美古、茂名、库尔勒三个典型地区以及陆地、海面、冰雪面等不同下垫面的C2n的估算预报和测量对比表明,利用WRF模式预报的C2n廓线和近地面层C2n在变化趋势和量级上与实测数据基本相符合,但在WRF模式预报的常规气象参数的空间分辨率和精度、不同下垫面的光学湍流参数化方法等方面还需要进一步的改进和完善。
[硕士论文] 李季
大气物理学与大气环境 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:黑碳气溶胶在全球和区域气候中起着重要作用,然而其光学特性仍然存在不确定性。实际的黑碳粒子为复杂的非球形结构,但由于模拟的限制,大多黑碳光学特性的数值研究将其假设为球形,得到的光学特性与实际存在一定差别。本文数值地研究黑碳气溶胶的非球形形状和复杂内混结构对其光学特性的影响。
  对于未混合的情况,利用分型聚合体表示大气中的黑碳气溶胶粒子,不同的分型维度决定了不同分型聚合体的形状,同时建立与分型聚合体等体积的球形、椭球形模型,运用MSTM方法模拟分型聚合体模型的光学特性,Mie散射模拟球形模型、T-矩阵方法计算椭球形模型的光学特性并对0.35μm,0.55μm和0.88μm入射波长下不同形状的黑碳气溶胶体光学特性进行比较。结果表明,即使分型聚合体为十分紧凑的近似球形,球形模型和椭球形模型光学特性的结果仍然与分型聚合体模型结果有明显误差,因此,在气候模式模拟中,用球形模型结果代替大气中真实黑碳气溶胶的光学特性是存在问题的。同时,发现入射波长和分型维度也是影响黑碳气溶胶光学特性的两个重要因子。此外,评估了(A)ngstr(o)m指数对黑碳气溶胶形状和尺度分布的敏感性,发现消光(A)ngstr(o)m指数和吸收(A)ngstr(o)m指数对形状和尺度分布都很敏感。
  对于老化混合后的黑碳气溶胶,本文建立了一个理想的非球形内混模型并通过数值模拟的方式准确研究混合后黑碳气溶胶的光学特性。该模型用分型聚合体模型表示黑碳气溶胶粒子,并假设非吸收的混合物质为球形,为了提高计算效率,模型中将与混合球形模型发生重叠的单体移至球形模型外部,避免重叠情况的发生,从而可以继续使用计算效率较高的MSTM算法模拟其光学特性。讨论了入射波长为0.55μm时与非吸收性气溶胶混合的黑碳的光学特性,发现非吸收性的混合物质使黑碳气溶胶的消光和吸收明显增强,尤其是吸收可以强于未混合时的三倍以上。此外还发现混合的体积和相对位置同样是两个影响黑碳气溶胶光学特性的重要因素,需要在今后的研究中重点关注。
[硕士论文] 苏夏羿
水文学及水资源 西北农林科技大学 2017(学位年度)
摘要:降水数据作为气象水文分析的基础数据,其空间尺度和序列的长短对研究的结果至关重要,现阶段面降水量的获取主要靠插值方法。针对青海省地势复杂,面积广阔,气象站点分布极不均匀的情况,在分析大区域的降水时容易因插值造成误差,而基于卫星雷达测雨的热带测雨计划(TRMM)可以有效的改善该现象。本研究首先分析了TRMM3B43数据在青海省的适用性,之后利用多源遥感数据获取地面干旱过程中的各致旱因子信息,进行干旱监测模型研究,论文的主要研究内容如下:
  (1)区域适用性分析。利用研究区内50个地面气象站点实测降水数据,分别从年、季、月3个尺度,以及单站降水过程分析,采用相关系数、相对偏差等方法对TRMM3B43降水数据进行适用性分析。研究表明:1)从整体上看,TRMM数据在青海省具有很好的精度。月尺度相关系数为R=0.9344,年尺度相关系数R=0.9111,研究区41个站点的相关系数大于0.9,且遥感降水过程与实测降水过程有很好的一致性。2)数据精度存在时间差异。秋季的拟合效果最好,其次为春季、夏季,拟合效果最差的是冬季。3)数据精度存在空间差异。拟合效果差的三个站分别为海西州的茫崖、小灶火和冷湖,相关系数为0.73,偏差在50%以上。拟合效果较好的五道梁站相关系数达到0.98,偏差最小的刚察站Bias值达到0.08%。
  (2)统计降尺度研究。分析遥感降水数据与归一化植被覆盖指数(NDVI)间关系,呈现很好的正相关。同时考虑到降水受季节、地形等因素影响,以月为单位,通过人工智能软件找到主要TRMM数据与地理因子(经纬度)、高程因子(DEM)和NDVI之间的最优关系,作为降尺度模型的核心。将低分辨率(0.25°×0.25°)的TRMM3B43数据降尺度至高分辨率(0.05°×0.05°和1km×1km)。结果表明:所有的拟合方程均通过了显著性检验,除了1月和12月,其余各月份的拟合优度R2均大于0.6。
  (3)构建的TRMM-Z指数和TCI指数。使用2000-2014年TRMM产品的逐月降水量资料和单站干旱监测Z指数方法,构建监测大气降水亏缺的TRMM-Z指数。并利用TRMM-Z作为单项干旱监测模型,与气象站点实测降水数据计算的SPI值进行对比,结果表明TRMM-Z具有一定的表征干旱的能力,但受遥感降水序列长度较短的原因,计算结果表现出一定的不稳定性,并且存在弱化干旱等级的现象。获得青海省MODIS遥感源下地表温度数据,基于其与同期最大值最小值的关系,计算温度状态指数TCI,作为一个衡量干旱的指标。
  (4)计算50个气象站点的CI值和Z值,并提取站点位置的温度状态指数TCI值,以Z值和TCI值为自变量,以CI为因变量,构建相关性模型,获得多源遥感综合监测模型参数,并通过计算的区域TRMM-Z数据和区域TCI数据计算出多源遥感综合干旱指数。结果如下:拟合效果最优的情况下,相关系数R=0.5844,通过了显著性检验。并且通过与典型年干旱实例的分析,综合干旱监测模型可以表征出干旱状态。但仍需进一步从其他数据源来对综合干旱监测模型进行检验。
[硕士论文] 李若曦
空间物理 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:热层是人类航天活动的主要区域,热层大气密度变化直接影响着航天器的控制和寿命。广泛应用于航天工程的热层大气经验模式存在较大误差。本文主要探讨了使用卫星精密轨道数据以及加速度计数据反演热层大气密度的方法,并修正了经验模式温度计算偏差,优化了反演算法。
  本文首先使用低轨卫星精密轨道数据,根据经典大气阻力摄动方程,通过计算卫星半长轴衰减率,反演了热层大气密度。卫星运行过程中总能量受到大气拖曳阻力而衰减。基于这个原理,本文提出一种新的方法,即能量衰减法反演热层大气密度。通过对比分析,我们认为半长轴衰减法和能量衰减法在数学表达上具有一致性,并具有相同的反演精度,而能量衰减法具有更高的计算速度。
  CHAMP和GRACE卫星携带高精度加速度计,加速度计数据可用于反演热层大气密度,然而加速度计数据需要进行标定方可使用。本文同样根据能量衰减法,采用最小二乘原理对加速度计数据进行标定。这种标定方法与传统的定轨法估计标定系数相比,计算过程更加高效。由于加速度计数据具有较高测量精度与时空分辨率,因此我们将加速度计数据反演密度作为参考密度,与精密轨道数据反演密度进行对比,重点分析了能量衰减法的适用条件。能量衰减法根据单位时间间隔内的能量差,反演该时间间隔内的平均密度。定轨误差会引入测量噪声,而增加时间间隔,可以提高信噪比,进而提高密度反演的可靠性,但另一方面,会降低反演时空分辨率。对于任务后期的CHAMP卫星,我们认为20分钟的时间间隔较为合适;对于定轨精度更高的GRACE卫星,时间间隔可缩短至5分钟。同样,如果单位时间内能量衰减率较大,则噪声的影响也会降低。因此精密轨道数据反演热层大气密度算法准确性与卫星轨道高度和地方时相关。轨道高度越低,地方时越接近正午,大气密度越大,能量衰减率越大,反演精度越高。精密轨道数据反演密度同样可应用于研究热层大气对磁暴的响应。
  我们将卫星数据反演密度与MSIS00经验模式所得密度进行对比,发现MSIS00计算所得密度在太阳活动低年偏高约25%。这个偏差主要是MSIS00计算逃逸层温度偏高造成的。使用卫星数据反演热层大气密度过程中,需要使用经验模式计算出的大气温度和平均相对分子质量计算大气阻尼系数。我们进一步分析了经验模式温度计算不准确对密度反演造成的影响。将加速度计反演密度作为真实密度,推算逃逸层温度,随后探讨了温度修正对大气阻尼系数及大气密度反演的影响。结果表明,MSIS00计算逃逸层温度相对于我们推算的结果偏高约15%。我们基于上述所得真实逃逸层温度修正大气阻尼系数,发现经验模式温度计算偏差会对大气密度反演造成平均1%~2%,最大约5%的影响。该影响对于研究热层大气密度长期变化以及卫星轨道长时间外推具有显著影响。
[博士论文] 朱宇鹏
光学 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:自由基是大气化学反应中重要的中间体,其浓度低、种类繁多,对理论和实验都提出了极大的挑战,目前大气化学反应及相关理论计算中迫切需要的自由基的能级和结构等重要数据还十分缺乏。同步辐射阈值光电子光离子符合质谱(Synchrotron threshold photoelectron photoion coincidence time-of-flight massspectrometry)充分发挥同步辐射真空紫外光源、符合质谱和阈值光电子谱等技术的优点,同时检测分子及自由基光电离过程中产生的阈值光电子和光离子,并进行符合测量,是开展有机化合物分子及相关自由基光电离研究的有效方法。本论文研究工作采用合肥同步辐射光源和阈值光电子光离子符合成像质谱仪,开展了若干分子及相关自由基的光电离和光电离解离等实验研究,精确测量了分子及自由基的电离能、碎片离子出现势等基本数据,获得了分子及自由基的光谱、能级结构及动力学等信息,为相关理论计算、深入研究大气化学反应机理等提供重要数据和科学依据。本论文的研究内容主要包括以下几个部分:
  1.甲基自由基的阈值光电子谱实验研究。基于连续超声分子束技术,搭建了一套闪速热解反应装置,用于在实验室中高效、稳定地产生自由基,并开展有机化合物的高温热解反应等实验研究。以最简单的甲基自由基(CH3)作为示范研究体系,通过前体物CH3NO2分子的闪速热解制备出CH3自由基,结合同步辐射阈值光电子光离子符合成像质谱仪开展了CH3自由基的阈值光电子谱实验研究。通过检测具有质量选择的阈值光电子谱,精确测量获得了CH3自由基的绝热电离能,其值为9.84±0.01 eV,并对闪速热解及光电离过程中CH3自由基的振动激发模式进行了分析和标定。
  2.正丁烷分子的闪速热解反应研究。采用同步辐射阈值光电子光离子符合成像质谱仪和闪速热解装置,我们开展了正丁烷分子(n-C4H10)的闪速热解反应研究。实验中通过采集阈值光电子光离子符合质谱,首次成功检测获得n-C4H10热解反应中的C3H7自由基瞬态中间产物。结合具有质量选择的阈值光电子谱,精确测量了C2H5自由基的绝热电离能和垂直电离能,其值分别为8.20±0.01 eV和8.70±0.01 eV,并观察到了C2H5自由基光电离过程中的振动模跃迁激发;精确测量了热解产物C3H6分子的绝热电离能,9.75±0.01 eV,并对C3H6光电离过程中的碳碳双键(C=C)伸缩振动激发进行了标定。此外,结合高精度量化计算获得了n-C4H10热解反应的势能面,对n-C4H10热解反应路径上的过渡态结构进行了结构分析,并对其热解反应机理进行了研究。
  3.正丁烷分子的光电离解离实验研究。利用同步辐射阈值光电子光离子符合成像质谱仪,开展了n-C4H10分子的光电离解离实验研究,通过分别检测n-C4H10+母体离子和C3H7+碎片离子的阈值光电子谱,测量获得了n-C4H10分子的电离能和C3H7+碎片离子出现势。此外,通过阈值光电子谱构建了Breakdown曲线,并对其进行了拟合,以扣除分子内能等因素的影响,精确测量获得了C3H7+碎片离子的绝热出现势,11.31±0.01 eV。
  4.p-,m-,o-C7H7Br同分异构体分子的光电离解离实验研究。同分异构体具有相同的分子式,但具有不同的化学结构和性质,一直是研究的热点和难点问题。本文以C7H7Br作为示范体系,探讨阈值光电子光离子符合技术在同分异构体光电离检测及研究方面的应用。通过改变同步辐射光的能量,在阈值光电子光离子符合质谱中分别观察到了p-,m-,o-C7H7Br+母体离子和相应的C7H7+碎片离子。通过检测具有质量选择的阈值光电子谱,精确测量了p-,m-,o-C7H7Br同分异构体分子的电离能(8.68±0.01 eV,8.82±0.01 eV和8.78±0.01 eV),以及相应C7H7+碎片离子的出现势(11.46±0.01 eV,11.55±0.01 eV和11.40±0.01 eV)。同时,结合量子化学计算,对p-,m-,o-C7H7Br光电离解离反应过程进行了分析,其解离主要是通过C-Br键的断裂来产生具有甲苯基构型的C7H7+碎片离子。
[博士论文] 卢雪
光学 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:夜间大气化学过程在整个大气环境化学循环中起到了至关重要的作用。NO3自由基是夜间大气化学循环的关键物种,控制了众多微量气体的氧化和去除过程,影响夜间二次有机气溶胶的形成,对NOx非光化学转化为HNO3或ClNO2及硝酸盐颗粒物的形成也起着关键作用。我国京津冀地区大气污染严重,尤其在秋冬季节,大范围雾霾天气频现,而该地区夜间大气NO3自由基相关研究较为缺乏。针对NO3自由基浓度低且较为活泼和目前我国大气的污染状况,高灵敏度准确观测NO3自由基,并对其大气化学过程进行分析具有重要意义。
  差分吸收光谱(DOAS)技术灵敏度高,无需采样和对样品进行预处理,可以很好的避免采样损失及化学变化等因素造成的影响,具有内标定的特性,并能实时、在线、多组分同时测量,仪器简单易操作,特别适合长期外场观测大气NO3自由基。基于该方法以上的优势,本论文在研究组现有的技术基础上开展了仪器优化和京津冀地区夜间大气NO3自由基的观测研究。主要取得以下研究结果:
  1)优化了长光程差分吸收光谱测量大气NO3自由基装置,研究了NO3自由基的拟合方法,在4.4 km光程下1σ探测灵敏度达到1 ppt。将搭载温控设备的中心波长为660nm的LED灯作为光源,组合了施密特望远镜和收发一体式光纤对大气NO3自由基进行探测,对装置进行了实验室测试和外场验证,估算的2.16 km光程下1σ探测灵敏度达到5 ppt。
  2)于不同季节在雾霾较为严重的京津冀地区开展了大气NO3自由基的长期观测,获得了该地区夜间大气NO3自由基的变化特征。实验结果表明怀柔站点夏季夜间大气NO3自由基浓度和秋冬季相比较高,可达250 ppt,这一结果在已报道的国内外相关观测研究中也属高值,表明了京津冀地区夏季夜间大气较强的氧化性。秋冬季怀柔站点夜间大气NO3自由基浓度一般低于80 ppt。
  3)结合NO2,O3,温湿度数据,对NO3自由基的产率和寿命进行了计算,并基于相关性分析方法对不同季节NO3自由基的损耗机制进行了研究。计算结果表明:和2015年夏季怀柔站点结果相比,2014年夏季望都站点NO3自由基的产率较高,寿命较低;2014年怀柔站点夏季和秋季NO3自由基的产率相当,高于冬季产率,秋冬季NO3自由基的寿命高于夏季。望都站点夏季夜间大气NO3自由基主要通过大气氧化反应去除;怀柔站点秋冬季夜间大气NO3自由基主要参与的大气化学过程为先通过反应形成N2O5,再在颗粒物表面发生非均相反应,而这一过程最终会导致颗粒物的增长。
  4)对NO3自由基损耗机制的不同影响因素进行了研究,主要因素包括颗粒物浓度及表面积,NO2浓度,温湿度。实验发现颗粒物浓度的增加会加速NO3自由基的损耗,且秋冬季更为明显。当NO2浓度或颗粒物表面积较低时,NO3自由基的两种损耗途径同时存在;当NO2浓度或颗粒物表面积较高时,NO3自由基主要通过N2O5在颗粒物表面的反应发生损耗。拟合得到的重要参数γN2O5变化范围为0.0042~0.11。在人为控制污染物排放期间,NO2浓度大幅降低,NO3自由基浓度增高,非均相反应损耗率降低。湿度的增加会促进这一损耗过程,并使NO3自由基浓度趋向低值。综上,在低温,高湿度和高NO2浓度情况下会促进由NO3自由基引发的大气灰霾现象。
[硕士论文] 朱佳晨
大气物理学与大气环境 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:云和气溶胶是地气系统中的重要组成部分,对地气系统的辐射收支有重要作用。气溶胶通过直接和间接效应在地气系统的辐射收支、全球气候变化、大气稳定度和区域环境质量方面起着不容忽视的作用。云则是可以通过辐射、潜热和对流强迫三种机制影响气候并直接参与全球水循环。中国东部位于亚洲主要的季风区,气溶胶分布扩散、云和降水天气和气候等都会受到季风环流的影响。近几十年来,中国东部经济迅速发展,频繁的工业活动排放了大量的人为气溶胶,造成了严重的环境和气候问题。因此,研究中国东部地区云和气溶胶的时空分布特征以及气候效应对充分认识中国东部的气候特征具有重要的科学意义,同时对改善人类生存环境和制定正确的政府决策等也具有重要的社会意义。
  本文首先通过多年的地基和卫星气溶胶观测资料,揭示了中国东部气溶胶光学参数的时空分布特征。之后利用SBDART辐射传输模式,以地基和卫星气溶胶观测资料和再分析资料为输入,开展了中国东部格点尺度上的气溶胶直接辐射强迫的模拟研究。最后,利用葵花-8卫星观测资料,依据双光谱反射率算法,开展了云微物理参数的反演工作。本文的主要成果如下:(1)通过对2001-2014年MODIS气溶胶资料的分析,揭示了中国东部气溶胶光学厚度的时空分布特征
  从空间分布上看,东亚地区的气溶胶光学厚度(AOD)高值区位于中国东部、四川盆地和珠三角地区,低值区则主要集中在西北地区和东北地区。同时,春夏季节东亚地区的AOD高值区面积和强度都明显大于秋冬季节。从年际变化上看,东亚地区的AOD在冬季为明显的上升趋势,中国东部以及华北地区、长三角地区的AOD则是在四季均呈现上升趋势。从季节变化上看,东亚地区的AOD在春季为峰值,秋季为最低值,其余三个区域的AOD则是在夏季为最大值,冬季为最小值。
  (2)利用2001-2014年AERONET地基气溶胶观测资料,揭示了中国东部气溶胶单次散射反照率和不对称因子的时空分布特征北方地区的气溶胶单次散射反照率(SSA)和不对称因子(ASY)在夏季为最大值,冬季为最小值,且城市站点的SSA数值小于郊区站点。南方地区的气溶胶SSA在春季达到最大值,冬季为最小值,ASY则是夏季最大,秋季最小。SSA和ASY的季节变化明显,并且在5~8月份容易出现峰值。从年际变化上看,气溶胶SSA的年际变化比ASY显著,且夏季和秋季的年际变化比春季和冬季时显著。
  (3)基于气溶胶实测资料,开展辐射传输模式的模拟研究,阐明了中国东部格点尺度上气溶胶直接辐射强迫的时空分布特征选取中国东部秋季的典型污染过程和洁净过程进行研究,污染过程时中国东部的AOD均值和高值区面积都明显大于洁净过程。对两个过程的后向轨迹进行模拟发现,洁净过程时南北方地区气流来源相同,气溶胶性质统一,但是污染过程时的南北方气溶胶来源不同,气溶胶性质存在差异。对气溶胶直接辐射强迫(ADRF)进行模拟发现,ADRF的空间分布与AOD的空间分布模态基本相同,同时污染过程时的ADRF的强度和高值区面积都大于洁净过程。
  对2006-2014年中国东部冬夏季节的气溶胶光学参数进行统计发现,中国东部的气溶胶AOD、SSA、ASY都存在冬小夏大的季节变化特征。对ADRF进行模拟发现,大气顶和地面的ADRF均为负值,其中大气顶的ADRF数值为-20W/m2~-45W/m2,地面的ADRF数值为大气顶的四倍。AOD和ADRF的年际变化显著,且夏季的年际变化比冬季更明显。ADRF会造成地面层温度的降低和湿度的增加。另外,受到季风环流的影响,AOD和ADRF的空间分布在季风强弱年时存在明显差异。对于中国东部大部分地区来说,AOD在冬季风强年和夏季风弱年时数值更大,对应的ADRF的强度也更强。
  (4)利用葵花-8卫星观测资料,结合双光谱反射率算法,开展了云参数的反演研究工作
  1.6μm通道反射率对云相态和地表类型变化非常敏感,且0.64μm和1.6μm通道反射率对太阳和卫星天顶角的变化敏感,对相对方位角的变化不敏感。对2016年4月15日的个例进行反演,发现冰云主要分布于副热带陆面,0.64μm通道反射率在0.2~0.4之间,1.6μm通道反射率为0.1~0.2,红外亮温在220K~230K之间;混合云的分布范围最广,可见光反射率在0.2以上,1.6μm通道反射率为0.05~0.4,亮温在240K~270K之间;水云主要分布在洋面,0.64μm通道反射率在0.2以上,1.6μm通道反射率为0.1~0.3,亮温为273K~290K。对云参数反演结果进行简单分析,冰云的粒子半径(CER)大于水云,冰云的CER在10μm以上,水云的CER在10μm以下。冰云的光学厚度(COD)在15以上,部分冰云的COD达到了50以上,水云的COD在10~20之间,但是在0.64μm通道反射率比较大的区域,水云COD在40以上。冰云的云水路径(CWP)数值大于水云,冰云的CWP数值基本在200g/m2以上,但是大部分水云的CWP在100g/m2以下。
  
[硕士论文] 薛骐
测绘工程 西南交通大学 2017(学位年度)
摘要:GPS气象学为GPS探测大气水汽奠定了理论基础,地基GPS大气水汽监测网和GPS连续观测站为地基GPS水汽反演提供了绝好的条件,当前气象学正在从技术研究逐步走向业务化应用。所以地基GPS水汽反演精度提高、气象应用和三维层析精度提高均是当前研究的热点。本文针对以上内容,利用香港连续观测站以及探空数据进行了地基GPS水汽反演,主要内容如下:
  1、依据香港地区2014年-2016年10月份探空数据,建立了香港地区加权平均温度模型。实验后发现,本地化模型计算10月份的加权平均温度误差基本保持在3.4度以内,造成的PWV误差保持在1mm以内。
  2、在依据GPS观测站坐标信息进行地势拟合时,发现3次模型虽然拟合误差小,但是对于未参与拟合测站的误差较大,所以在地势拟合过程中需根据实际地势情况进行模型确定。本文通过PWV拟合研究发现,香港地区地势拟合以2次模型为最佳,平面方向梯度因子对于PWV拟合精度并没有显著提高。
  3、本文基于地势拟合模型进行了PWV香港地区的拟合,并发现当地势拟合模型误差在1km以内时能够保证PWV误差控制在1mm以内。在基于地势拟合的PWV平面拟合时序分析图中发现,使用平面PWV拟合不仅在精度上有所保证,而且能通过该方法对水汽走势、运动状态有明显的判断。
  4、针对传统层析方法中采用平面分层而不能顾及测站之间高差的问题,本文提出使用基于地势拟合的三维层析方案,并分别从滤波次数、平面格网划分长度和地势拟合模型进行考虑。结果表明基于地势拟合的三维层析方法在低层3km以下和高层6km以上区域较传统层析方法解算的水汽密度有明显的精度提高,但是在中层3km-6km区域精度较传统平面层析结果较差。最后提出使用组合方案对水汽密度进行计算,结果证明该方法能够有效提高结果精度。
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