针对雷达回波信号能量弱、信噪比低、难以获取高质量中频信号的频域特征,从而导致测量误差较大的问题,提出了同步挤压小波变换(SST)结合中值滤波的信号时频分析方法,实现强随机噪声压制.首先,构造24 G连续调频雷达回波信号的仿真模型,通过添加瑞利杂波和高斯随机噪声,对比短时傅里叶变换(STFT)、连续小波变换(CWT)、SST时频分析图,提出瞬时频率识别精度作为评价指标I;其次,利用STFT、CWT、SST算法对实际距离为6 m的回波信号进行时频谱分析.研究结果表明:SST能更好地突出瞬时频率特性,并且可将随机噪声压缩为低能量短线条形.基于该分布特点,SST结合中值滤波能很好地抑制噪声,I值相对于SST、STFT、CWT分别降低了0.21、0.55、0.71,瞬时频率识别精度更高,同时逆变换重构信号的波峰波谷值得到较好的保持,且在不同距离下探测精度误差也最小.
基于2001年1月至2021年12月期间MODIS和AIRS遥感反演数据,利用经验正交函数(EOF)、MK趋势分析、最小二乘法等方法研究了东亚地区近21年的云顶气压(CTP)时空模态特征及变化趋势.结果表明:东亚地区CTP从东北到西南呈逐渐递减趋势;四季变化差异性较大,呈现"√"字型变化,表现为冬季气压值最高、夏季最低;受地理位置和纬度带影响,CTP的高值区在一年四季均分布在东北地区上空,低值区始终位于青藏高原地区.在中国的广西、广东和缅甸、印度等地属于热带季风区,在冬季受干冷气流的影响,容易形成CTP高值区.东亚地区主要以中云分布为主,低云区主要集中在中国东北、京津冀、朝鲜半岛和中纬度海洋地区,在中国中原地区、南方地区(广西、广东和长江中下游各省地区)以及新疆部分地区以中云为主,高云主要出现在中国青藏高原和塔克拉玛干沙漠.通过趋势分析发现,在2001年至2021年间,CTP在中国的新疆、印度半岛、缅甸、蒙古和贝加尔湖等区域呈现较高的增长趋势,而在中国的青藏高原、南部沿海等部分区域以及东部海域均呈较明显的下降趋势.东亚地区部分区域的CTP与地表温度、湿度、水汽和云量均呈现较为显著的相关性,因此CTP的变化可以在一定程度上反应区域性天气变化情况.
污染物区域间输送是大气环境研究的重点和难点.利用2012―2015年间浙江省污染程度较高的霾天气过程激光雷达观测数据,根据Mie散射理论和Fernald反演方法计算污染物垂直浓度,开展了高影响霾天气区域间污染物输送沉降特征定量研究.结果表明:(1)浙江省高影响霾天气多发生于高压前部转高压控制的情况,高压前部利于外来污染物输入,而高压控制利于本地污染物累积;(2)不同过程及同一过程不同时刻外来污染物输送高度、质量浓度、结构组成都不相同,污染物集中输送高度一般介于4.5～7.5 km之间,输入最大质量浓度一般介于450～1200μg·m-3之间,输入污染物中粗颗粒物居多,污染物类型主要包括沙尘和城市污染物;(3)个例分析表明,输入污染物仅有25％～35％沉降到近地面,重力和气温下降是影响沉降的重要原因,其中重力对粗颗粒物沉降作用更大,而气温下降对细颗粒物作用更大.
供配电系统是星载偏振成像仪电子学系统的重要组成部分,它不仅要满足将卫星平台提供的一次电源转换成载荷所需的各种二次电源的功能需求,同时还需要满足载荷在轨运行时的高可靠性和长寿命要求.电子元器件的应力分析法是分析电子系统可靠性的一种重要方法,基于应力分析法并根据GJB/Z 299C-2006《电子设备可靠性预计手册》,对星载偏振成像仪供配电系统各组成部件的电子元器件进行失效率计算,并结合系统结构框图对系统的可靠度进行分析.分析结果表明,采用冷贮备的冗余设计方式可以明显提高系统的可靠度.
为获取NO2时空分布特征并探究NO2污染状况,利用臭氧观测仪(OMI)反演的对流层NO2柱浓度数据,并结合气象、能源及交通排放等统计数据,通过地理空间分析、线性拟合、相关性分析等手段,分析了2005―2019年陕甘宁地区NO2柱浓度的时间变化趋势、空间分布特征及其影响因素.结果表明:近15年NO2柱浓度总体呈先上升后下降的趋势;季节上呈现为冬季>秋季>春季>夏季,其中夏季变化平稳,冬季波动剧烈.从空间分布来看,NO2柱浓度较高区域分布在省会及附近区域,以西安城市群集聚现象最为明显.进一步影响因素分析表明,地形与风向对NO2空间分布有一定的综合影响力;气温、降雨量与NO2柱浓度均呈现出明显的负相关,说明高温、降雨对NO2浓度具有削减作用;煤炭消耗量、工业产值、机动车保有量均与NO2柱浓度呈正相关,说明化石能源燃烧、机动车尾气排放是该地区NO2的重要来源;而2012年后的NO2柱浓度持续下降,主要与国家及地方相关政策的强力实施有关.
随着城市化的加速,城市热岛效应问题逐渐突显.为研究城市空间扩张和社会经济发展对地表热岛效应的影响,基于2000―2020年共5期Landsat遥感影像,利用辐射传导方程法对合肥和南昌的地表温度进行反演,采用归一化方法将研究区的地表热岛效应分为4个等级,并对两市地表热岛效应的时空演变特征进行分析研究,进而运用地理探测器对热岛效应强度的影响因子进行综合性分析.结果表明:(1)在2000―2015年,合肥市的城市扩展系数由1.70降低到1.08,最后趋于1.25,2015―2020年降低到0.56;在2000―2020年,南昌市的城市扩展系数在1.34～1.60范围内上下波动;合肥市和南昌市分别在2011年和2018年完成了产业结构转型,朝着以第三产业拉动为导向的趋势演进;城市在空间的扩展与社会经济的发展和政府的决策支持密不可分;(2)合肥市和南昌市主城区持续扩展均呈现非线性的增长趋势;合肥地表热岛效应主要在东北和西南方向上扩展,而南昌主要呈现出东南-西北方向的扩展模式;合肥和南昌地表热岛效应面积分别由45.17 km2和40.80 km2增加到351.61 km2和274.07 km2,且热岛发展力度和范围与城市快速发展的规模和方向较为一致;(3)合肥市和南昌市的各影响因子对热岛效应强度的解释力从大到小为:人口密度(0.891/0.844)、建成区面积(0.842/0.810)、人均GDP(0.788/0.773)、第二产业占比(0.679/0.711)、第三产业占比(0.582/0.636),其中人口密度的影响最大,产业结构中第二产业作用较高于第三产业;各因素相互作用均比单一因子对地表热岛效应强度的影响程度更大.研究结果能给合肥和南昌市及类似城市的规划提供参考和思路,合理布局建成区的绿色空间以及控制城市人口数量可以有效缓解城市地表热岛效应发展速度.
风廓线雷达作为一种新型测风雷达,能够连续提供大气水平风场、垂直气流、大气折射率结构常数等气象要素随高度的分布,具有时空分辨率高、连续性好和实时性好等特点,是进行高空气象探测的重要设备.而雷达数据的质量是决定资料是否能够投入业务使用的基本前提.通过欧洲中期天气预报中心(ECWMF)第五代再分析资料(ERA5)与气球探空资料比对,验证了ERA5再分析资料在安徽区域的适用性,并利用其对没有气球探空资料的合肥和巢湖两地的风廓线雷达资料进行了评估.结果表明:(1)ERA5再分析资料与气球探空资料显著相关,多项指标均表明ERA5再分析资料可以作为评估基准,利用其对无气球探空资料区域的风廓线雷达进行评估具有可行性;(2)大气湍流强度对风廓线雷达最大探测高度影响明显,依季节划分最大探测高度分别为春季2.7 km、夏季4.5 km、秋季3.6 km、冬季2 km;(3)经评估,合肥地区风廓线雷达资料在数据相关性、偏差、均方根误差等方面u分量数据质量好于v分量.依季节划分,数据质量由高到低排序依次是冬、夏、春、秋.其中,春、夏、冬数据质量较好,可以同化入数值预报模式,而秋季v分量数据需要进行偏差订正以及质量控制后再使用.
针对人工影响云雾环境监测作业的需求,基于无人机平台,通过搭载主动微波激光探测和传感器载荷、航线气象仪和云雾催化播撒装置,分别实现对航线下方云、雨、气溶胶、风的三维立体监测,对航线上温、湿、压、风速等常规气象要素的连续监测,以及对冷云/暖云的判别和催化剂的选取自动播撒.在此基础上,设计综合控制软件,通过数据信息链路,实现了地面对无人机及监测作业载荷的智能化指挥控制;构建了集人工影响云雾监测、作业及评估于一体的空基智能无人监测作业系统,实现了多要素精细探测、冷暖云高效催化作业、智能化指挥控制和定量化评估的目标.
近岸高浊度二类水体具有复杂的海洋光学特性,不同影像源反射率产品在该类水体的适用性尚待充分论证.以黄河口水体为典型研究对象,以适用于黄河口的ACOLITE DSF算法校正的Landsat离水反射率产品为参考,通过星星匹配,对基于不同大气校正算法的Sentinel-2-MSI(S2-MSI)和Sentinel-3-OLCI(S3-OLCI)离水反射率产品在黄河口的适用性进行了评估.结果表明,在黄河口高浑浊-极度浑浊水体,iCOR算法校正的S2-MSI和S3-OLCI的离水反射率产品与参考产品的一致性高于其他算法,其次为FLAASH和Sen2Cor算法,C2RCC算法表现相对较差.iCOR、FLAASH和Sen2Cor算法除在高浑浊水体的近红外波段平均百分比相对误差EMARD超过34％外,在绿、红波段的EMARD均小于24％,Sen2Cor算法结果整体上与FLAASH的相似.iCOR、FLAASH和Sen2Cor算法随着水体浑浊程度增加,误差越小;而C2RCC算法则随着水体浑浊程度的增加,误差越大,且整体存在低估.研究结果可为高浊度二类水体大气校正的选择提供有效借鉴,并为黄河口悬沙高分辨率动态监测打下基础.
为研究强湍流效应下大气湍流外尺度与内尺度对高斯波束光斑漂移特性的影响,首先利用修正的von Kar-man谱,分别推导出高斯光束在聚焦和准直条件下传输的光束漂移方差表达式,并且利用实验数据进行验证;进而根据所推导的光束漂移表达式,利用数值分析方法,对不同内外尺度条件下的光束漂移特性进行研究.研究结果表明外尺度的增大会加强光束漂移效应,而内尺度的变化对光束漂移特性无显著影响.
针对如何充分提取和融合红外与可见光图像典型特征的问题,提出一种基于空间多尺度残差网络的图像融合算法.首先,将源图像输入基于空间多尺度残差模块组成的编码器网络,通过源图像重建任务,训练编码器自动获取重要特征信息的能力;然后,引入特征金字塔结构,设计了特征通道自注意力机制,编码器输出的基础层和细节层进行融合,减小尺度噪声,并由解码器重构出融合图像;最后,利用公开数据集进行定性和定量实验,证明了改进算法在突出红外图像目标和保留可见光图像纹理细节两方面的优势,相比于DDcGAN算法,新算法的标准差和平均梯度分别提升了12.91%和47.41%.
光学气体吸收池可以模拟气体分子的吸收环境并提供较长的吸收光程,因此被广泛应用于气体分子光谱测量以及痕量气体检测等领域.从常温和变温两个角度综述了光学气体吸收池的发展历程,首先介绍了应用于常温气体测量的White型、Chernin型、Herriott型、环型光学气体吸收池的结构原理以及相关应用,并分析了相应的优缺点;随后总结了应用于变温气体测量的光学气体吸收池的技术工艺、主要性能指标、结构特点及应用;最后,对光学气体吸收池的发展前景进行了展望.
精准的大气能见度预报对空气污染治理、保障公共交通安全等方面具有重要意义.基于2019年12月1日至2020年9月23日国家气象信息中心观测的大气能见度站点数据,分别采用ConvLSTM模型和PredRNN模型对中国中东部地区的能见度进行12 h预报,并对这两种模型的预报结果进行评价.试验表明,PredRNN模型相对于经典的ConvLSTM模型在大气能见度预报、图像质量评价指标和预报指标上都有更好的表现.此外,分析还表明,相对于ConvLSTM模型,PredRNN模型对4000 m中等级别雾区预报效果随时间延长有明显提升.
采用OPAC(Optical Properties of Aerosols and Clouds)模型提供的沙尘粒子谱分布和复折射率参数,结合多个入射波长,对群体沙尘气溶胶粒子的退偏振比进行了数值模拟计算.计算获得1064 nm、532 nm和355 nm入射波长下,不同轴比超椭球模型的沙尘气溶胶粒子群体的退偏振比分别为0.317,0.397和0.446,其中1064 nm波长的仿真结果与实际观测结果一致性最好,其次是532 nm波长的仿真结果,355 nm波长的仿真结果和实际观测结果有较大差异,其可能原因为采用了相同数目偶极子导致计算误差增大.本仿真研究中建立的非球形粒子散射模型和数值计算方法,为深入理解沙尘气溶胶光散射特性和研制多波长偏振激光雷达提供了理论基础.同时,多波长偏振探测也为气溶胶混合态和污染型气溶胶生成机理研究提供了重要的技术手段.
为了分析大气折射导致的定位误差,采用转动拉曼激光雷达测量的回波信号反演了大气折射指数廓线,根据目标定位误差理论获得不同高度处目标物的仰角定位修正值和距离定位修正值.研究结果表明:相同高度处目标物的仰角定位修正值和距离定位修正值随视仰角的增大而减小.当视仰角为10o时,位于10 km高度处目标物的仰角定位修正值为4.49',距离定位修正值为10.37 m;当视仰角为40o时,相同高度处目标物的仰角定位修正值为1.19',距离定位修正值为 2.80 m.该结果对目标定位误差的修正有一定的参考价值.
为研究新型冠状病毒肺炎疫情防控期间乌鲁木齐市空气质量变化特征及其影响因素,选取了2020年乌鲁木齐市两次疫情严格防控期间(2020年1月26日至3月21日和7月20至8月29日)及疫情前后,以及2019年相同时期地面观测站的逐小时空气质量指数(AQI)、颗粒污染物(PM2.5、PM10)和气态污染物(SO2、NO2、CO、O3)的数据进行对比分析,探究了气态污染物对颗粒污染物二次合成的贡献,并利用地理探测器对影响空气质量的因子进行了定量探测.结果表明:与2019年同期相比,2020年乌鲁木齐市两次疫情防控期间,除O3外,PM2.5、PM10、SO2、NO2和CO浓度都呈现下降趋势,分别减少了36%、55%、10%、18%和49%;而同疫情严格防控期相比,2020年疫情前后期的AQI、颗粒污染物浓度及气态污染物浓度都要高.说明疫情防控措施在一定程度上减少了乌鲁木齐市颗粒污染物和气体污染的浓度,改善了空气质量.单因子探测结果显示空气污染指标中CO和PM2.5是主导因子,气象因子中气温对空气质量的影响相对较大;交互因子探测结果表明,空气污染物PM2.5和PM10在其他因子的交互作用下对AQI的影响最明显,而气象因子中相对湿度结合其他因子的交互作用对AQI影响较明显.说明乌鲁木齐市的空气质量是多种因子相互作用的结果.本研究为乌鲁木齐市空气质量改善和大气污染防治工作提供了理论参考.
从光学工程应用的角度对全国云量情况进行了研究,重点分析了全国陆地主要地区云量总体平均情况、冷暖半年、昼夜变化等三个方面云量历史数据,研究结果表明:全国陆地主要地区总云量和低云量分布区域基本呈北少南多的情况;冷暖半年云量分布有较明显的差别,暖半年云量高于冷半年的站点区域占全国较大面积;昼夜云量分布区别主要体现在西部地区白天低云低值区会有中高云存在.在云量总体平均情况、冷暖半年、昼夜变化的分析基础上进而讨论了全国云量区域的分级情况,结果表明适合光学工程应用的1级区主要分在北方.结果有助于了解全国适于开展光学工程应用的区域,并可为进一步研究云量对光学工程应用产生的定量影响提供参考.
离轴积分腔输出光谱技术具有实验装置简单、灵敏度高、响应时间快等特点,常被应用于一些超高灵敏度的气体探测领域.高反射率镜片作为系统的重要组成部分,其反射率是影响整个光谱系统测量准确性的重要因素之一.结合射频噪声源搭建了一套离轴积分腔输出光谱测量系统,首先以CH4气体在6046.96 cm-1处的吸收谱线作为研究目标,对不同压力下有无噪声源时的腔镜反射率进行了标定研究,结果表明在有无噪声源两种不同条件下标定的镜片反射率具有一致性,而且反射率随着压力的增加有降低的趋势,计算得到的镜片最高反射率约为0.99992.进而对有无噪声源时0.4 μmol/mol浓度下的CH4测量信号进行了研究,发现引入噪声源后,虽然降低了信号的峰值高度,但信噪比提高了约1.3倍,最小可检测浓度为0.0045 μmol/mol,表明该系统可有效用于大气环境以及工业应用过程中的CH4高灵敏度测量.
为合理评估水汽资源,利用大气红外探测仪(AIRS)和先进微波探测器(AMSU)联合反演的2006―2015年AIRS L2标准反演产品AIRX2RET V006,研究了安徽淮北地区水汽分布和变化特征,重点分析了该地区整层大气可降水量和若干层累积水汽月均值、季均值的年际变化,以及水汽和温度的关系.研究发现:从2006年到2015年这10年间,淮北地区月平均整层大气可降水量呈现逐年减小的趋势.1000～850、850～500和500～100 hPa层累积水汽和整层大气可降水量四季分布一致,呈现夏季>秋季>春季>冬季.四季整层大气可降水量与三层累积水汽年际变化也呈现出较高的一致性,表现为夏季逐年变化相对较大,呈线性减小趋势;秋季次之,除500～100 hPa层外,在2006至2011年期间呈现逐年线性增大趋势;春、冬两季年际变化相对较小,且无明显的线性关系.
基于2018年中国逐日PM2.5数据,选用随机森林方法构建了高精度PM2.5浓度估算模型,并在季节和区域尺度上验证了其时空适用性,进一步利用特征重要性方法系统阐释了各影响因子对PM2.5浓度变化的重要程度,最后利用偏依赖技术探究了不同影响因素的交互作用对PM2.5浓度变化产生的综合影响.结果表明:(1)相比于多元线性回归与极端梯度提升树模型,利用多源数据构建的随机森林模型精度最高,可准确模拟出PM2.5的浓度,且在季节和区域尺度上也有良好的适用性;(2)PM2.5浓度估算模型的特征重要性排序分析发现,对2018年全国日均PM2.5浓度影响显著的因子主要是时空、大气边界层高度等全局性因素,表明大气污染防治应把握PM2.5传输机制,强化区域联防联控;(3)偏依赖交互效应研究发现温度和相对湿度以及年积日、纬度、温度和大气边界层高度的组合对PM2.5浓度变化会产生显著影响,说明提升空气质量要从多因子协同治理的角度出发.
