MWP967KV型地基微波辐射计与探空观测数据对比分析

利用MWP967KV型地基微波辐射计反演的气象要素数据与吉林省长春探空站电子探空数据进行对比,通过相关系数,对比分析了距地高度在0~10 km的58个高度层的温度、相对湿度、水汽的误差情况,分析了误差产生的原因,认为MWP967KV型地基微波辐射计的反演廓线与探空数据在天气良好的情况下,一致性较高;在雪(雨)天气下,也能够很好地表现大气水汽变化趋势及量值的时空分布变化;在霾天气影响下,相关度迅速下降,地基微波辐射计的探测准确性还有待进一步优化与提高。地基微波辐射计的使用还需要在实践中不断改进和完善,在指导人工影响天气作业领域具有很好的应用前景。     

基于深度动态学习神经网络和辐射传输模型地表温度反演算法研究

【目的】地表温度反演是一个典型的病态反演问题,深度动态学习神经网络的出现提供了一条新的地表温度反演途径。文章以MODIS中红外和热红外波段作为参照模拟研究对象,利用深度动态学习神经网络和辐射传输模型(MODTRAN)进行地表温度反演研究,选择最适合于MODIS地表温度反演的波段组合,从而为国产卫星风云系列和高分数据红外波段反演地表温度提供参考算法。【方法】根据中红外波段受太阳的影响以及水汽波段的特征,将反演组合波段分成3组。第1组适合白天和晚上同时反演地表温度的组合(MODIS波段29、31、32和33);第2组适合白天的热红外波段和水汽波段组合(MODIS波段29、31、32、33和水汽波段);第3组是只适合晚上的中外波段(MODIS 20、22、23)与热红外波段(MODIS 29、31、32和33)的组合。【结果】利用辐射传输模型(MODTRAN)和深度动态神经网络(NN)反演分析表明,深度动态学习神经网络能够被用来精确地从单景MODIS数据中反演地表温度,克服了传统MODIS白天/黑夜产品算法的缺陷。3种类型的组合地表温度的平均反演误差都在1 K以下,最高精度为热红外波段与水汽波段的组合,平均最高精度为0.251 K,标准差是0.255 K,相关系数是1。【结论】利用深度动态学习神经网络和辐射传输模型彻底解决了地表温度和发射率病态反演难题,为风云系列卫星和高分数据地表温度反演算法提供参考算法模式,深度动态学习神经网络与辐射传输模型相结合反演地表温度和发射率在地表温度反演史上具有里程牌意义。     

基于微波辐射计SSM/I的海面风速反演算法研究及应用

海面风速是海洋环境的重要参数,微波辐射计是卫星监测海面风速的重要手段。通过微波辐射计SSM/I（Special Sensor Microwave/Imager）亮温与浮标实测风速建立的匹配数据集,利用人工神经网络构建海面风速反演模型。比较不同模型的反演效果,得出七通道单参数神经网络模型SANN（Singleparameter Artificial Neural Network ）反演的效果和浮标实测风速较为接近,均方根误差RMSE（Root Mean Square Error）为1.40m/s。因此选择该模型反演全球的月平均风速,并将反演结果与NOAA产品风速比较。结果表明：两者在整体分布和纬度平均上非常接近,均方根误差为1.03m/s。可见,该算法用于海面风速反演还是可行的。     

基于UWYO大气探空廓线的中国区域大气模式构建

【目的】 常规大气辐射传输模型的标准大气模式仅适合表征大尺度区域的大气特征,难以精确刻画局地大气特性的动态变化,这会对局地地表温度、土壤湿度等参数的反演和验证精度造成影响,从而限制了这些参数在农业生产、农业气象灾害监测等方面的应用。【方法】 文章利用1973—2019年的UWYO大气探空廓线构建了中国五大气候区的局地大气模式,对大气压强、温度和湿度廓线进行了特征分析,并对比了利用局地大气模式与MODTRAN5.2内置大气模式计算的大气水汽总量和平均大气透过率。【结果】 大气温度和水汽质量混合比廓线具有明显的区域和季节特征,在1 km高程处,相同季节不同气候区的大气温度及水汽质量混合比最大差异分别约为26 K和9.7 g/kg,相同气候区不同季节的大气温度及水汽质量混合比最大差异分别约为21 K和11.3 g/kg。局地大气模式计算的大气水汽总量和平均大气透过率也呈现区域和季节特征,且波段越大特征越明显。其中,大气水汽总量的最高值和最低值分别约为6 g/cm²和0.6 g/cm²,平均大气透过率的最高值和最低值分别约为0.82和0.32。与MODTRAN5.2内置大气模式相比,局地大气模式计算的大气水汽总量及平均大气透过率更贴合中国五大气候区的实际情况。【结论】 局地大气模式可以有效地提高中国区域的大气辐射传输模拟精度、可以真实地反映具体地区的大气特征动态变化,从而可以在局地地区反演得到更加精确的地表温度、土壤湿度等环境参数,这对区域尺度的农业生产、农业气象灾害监测等方面的农业研究具有重要意义。     

基于深度LSTM神经网络的大气可降水量估算模型

基于深度长短期记忆(LSTM)神经网络,分别利用地面气象多要素(气温、气压、露点温度、相对湿度、水汽压、小时降水量)和单要素(水汽压)建立怀化地区GPS大气可降水量估算模型LSTM_5和LSTM_1,并对模型精度进行分析。结果表明,利用地面气象要素建立的2种大气可降水量深度LSTM模型有较好的估算精度,决定系数均大于0.94,均方根误差均值小于1.158 1 mm,平均绝对误差均值小于0.709 9 mm,平均绝对百分比误差均值小于4.54%,较基于水汽压的可降水量线性拟合或二次多项式拟合模型的估算精度提升了70%以上,且LSTM_1模型精度略优于LSTM_5模型;模型估算精度与大气可降水量条件相关,当可降水量较低或较高时,模型估算结果更为理想;同时模型估算精度与观测站海拔呈现正相关,观测站海拔越高LSTM模型精度越高。     

一次山地冬季“霰-雪-云-雾”天气的云降水垂直结构和演变特征研究

山地的云雨观测和研究是深入认识地形对云降水影响的基础.本研究利用Ka波段毫米波雷达和微波辐射计,对山地垭口2019年1月15-20日冬季"霰-雪-雾-云"天气的云降水垂直结构和演变特征进行研究,结果表明:在不同水汽和动力条件下,4种天气的云雨类型、垂直结构和演变特征存在显著差异.降雪云层为对流云,云体发展旺盛,回波强且变化大;降霰云层、雾和低云则为层状云,云体浅薄,回波弱且变化小.水汽主要集中在低层2 km以下,但当高原槽过境,水汽可发展至6 km.大气层温度从低到高依次为:霰、雪、低云、雾,雾的温度垂直递减率明显减小.降雪对流云出现前,相对湿度、水汽密度和液态水路径提前3 h反映出了水汽变化,比雷达回波更敏感.降霰时,利于过冷水的维持,使得冰晶与过冷水冻撞形成霰粒子;而降雪时,云内温度较低使得冰晶聚并形成雪花. 4类云层水凝物增长过程的高度存在差异,雪、霰、低云和雾的粒子增长高度分别位于3～6 km, 1.2～2 km, 1.2～2 km和0.4～1 km.含冰量和粒子有效半径从大到小依次为:雪花、霰、低云、雾.     

地表组分温度遥感反演算法研究进展

【目的】地表组分温度是定量遥感反演的一个关键参数,在能量平衡过程模型和地表自然灾害监测中具有重要意义。【方法】过去的几十年中,国内外大量研究人员针对地表组分温度的反演提出了不同的方法和模型。文章系统回顾了现有的地表组分温度热红外遥感反演算法,包括多角度算法、多波段算法和时空信息算法,分析了各种反演算法的优缺点,评述了地表组分温度的验证方法。【结果 /结论】地表组分温度反演方法发展至今已经取得了阶段性进展,有些研究成果已得到广泛运用。由于地表结构复杂性、卫星传感器硬件技术及卫星发射成本等客观因素的影响,地表组分温度反演仍存在一些难点和亟待解决的问题,如有效比辐射率会随观测角度的变化而改变的问题、多角度和多波段数据的相邻角度和波段数据之间均存在相关性较高的问题、多角度传感器不同角度观测到的目标面积和观测时间不一致的问题等。未来地表组分温度遥感反演仍然是一个需要不断深入研究的内容。     

基于Landsat 8数据单通道算法反演地表温度——以济南市为例

当前地表温度反演的遥感数据源多为Landsat TM/ETM+、MODIS数据,Landsat 8热红外数据的使用还不是很多,许多针对Landsat 8热红外数据的地表温度反演算法虽然被提出,但是否能满足不同试验区的精度要求还有待考究,同时,经验模型的使用可能会对求解地表比辐射率和大气透过率等地表温度反演参数造成不同程度的影响。因此,本研究以山东省济南市为研究区,Landsat 8数据为数据源,分别利用大气校正法、JM_SC10算法、TIRS10_SC算法,结合分类回归树(classification and regression tree,简称CART)算法与中等光谱分辨率大气透过率算法计算机模型(moderate spectral resolution atmospheric transmittance algorithm and computer model,简称MODTRAN),构建适合济南地区的温度反演参数,实现地表温度的反演,并以济南市16个气象站的温度数据为基准进行精度验证。结果表明,3种算法反演温度平均误差为1.78℃,TIRS10_SC算法反演精度最高,其次是大气校正法、JM_SC10算法。在一定误差要求下,3种算法均可应用于济南地区的地表温度反演。     

利用地基双频段微波辐射计测量土壤湿度

利用自行研制的双频段微波辐射计进行地基遥感土壤湿度试验,根据试验测得的数据进行回归分析,得到L、C波段反演土壤湿度经验回归模型。用这个回归模型对随后的降雨过程中土壤湿度进行反演,所得结果与实地采样值有较好的一致性。当土壤湿度小于75%时,亮度温度与土壤湿度呈线性关系。试验结果验证了微波遥感土壤湿度的有效性和可行性。这种根据辐射计实测数据进行线性回归的测定方法简单,适应性强,但一般仅具有局部地区应用价值,对于不同地区和不同条件缺乏普遍适用性。     

基于AMSR-E与MODIS数据海表面温度遥感反演研究

海洋表面温度是海洋环境的重要参数。遥感技术是进行海表面温度研究的有效手段之一。以印度洋北部海域为研究区域,利用Aqua卫星上的微波数据（AMSR-E）和光学数据（MODIS）,进行了海表温度反演研究。首先对AMSR-E L2A数据和MODIS-L1B数据进行预处理,然后将AMSR E的各极化通道亮温数据与实测海表温度进行相关性分析,通过多元线性回归建立AMSR-E海表温度的反演模型,而MODIS海表温度则通过采用线性多通道算法得到,最后以AMSR-E亮温数据为主,MODIS海表温度数据为辅,采用多元线性回归的方法建立了海表温度反演模型。利用该模型反演印度洋北部海域海表温度,反演结果与实测数据相比,其均方根误差为0.323 97 ℃。     

海南岛地基GPS遥感水汽研究及与气象要素的相关分析

利用2005年11月海南岛地基GPS水汽观测资料与气象观测资料分析了GPS反演水汽与气象因子的相关关系,结果显示,GPS反演的水汽结果与探空资料计算的水汽一致性很好,与地面水汽压、相对湿度正相关,与降水量、云量、能见度等相关性不强。     

基于地表相对湿度数据反演地表温度研究

在地表温度反演中,大气透射率是一个关键参数。覃志豪的单窗算法依靠从探空数据中获得大气水分含量来计算大气透射率。因此在缺乏探空数据的情况下,对地表温度的反演就比较困难。目前解决这个问题的方法是利用地表相对湿度来估测大气水分含量。估算的大气水分含量是否能精确地反演地表温度的这类研究还比较少见,此研究利用冀蒙接壤区LandsatTM热红外波段数据和估算的大气水分含量,采用覃志豪的单窗算法反演冀蒙接壤区内的地表温度,并与地表实测数据进行了比较。研究结果表明,反演多伦的地表温度与实测数据相差6.29℃,反演的地表温度精度较高;研究区地表温度除了与NDVI指数相关外,还与土壤、人类活动关系密切。     

基于GPS资料调整中尺度模式湿度场的应用研究

利用长三角洲地基GPS观测网中124个站点的可降水量（PWV）资料,对影响长三角洲降水的“0716”号热带风暴“罗莎”进行WRF模式湿度场调整试验。结果表明,经GPS／PWV资料调整后,上海宝山站的水汽混合比从地面至模式层顶均得到了相应的调整,且模式下层的调整幅度大于模式上层,在300hPa以下模式各层相对湿度调整幅度比较均匀,基本在5％～8％;调整后的850hPa水汽通量大值中心范围缩小．数值也有所减小,水汽通量中心北侧的水汽输送带明显南压,一方面表明江苏北部水汽输送减少,不利于降水,另一方面伴随水汽通量中心南侧的水汽输送带的略微北抬,使上海、杭州湾一带水汽通量梯度增大,有利于降水,与实况江苏北部降水较小、上海及浙北降水较大相吻合。综上所述,利用长三角洲地基GPS观测网资料对WRF模式湿度场调整可使其更好地反映湿度的局地变化特征,更为接近真实大气的水汽分布。     

Effects of different irrigation methods on micro-environments and root distribution in winter wheat fields

The irrigation method used in winter wheat fields affects micro-environment factors, such as relative humidity(RH) within canopy, soil temperature, topsoil bulk density, soil matric potential, and soil nutrients, and these changes may affect plant root growth.An experiment was carried out to explore the effects of irrigation method on micro-environments and root distribution in a winter wheat field in the 2007–2008 and 2008–2009 growing seasons.The results showed that border irrigation(BI), sprinkler irrigation(SI), and surface drip irrigation(SDI) had no significant effects on soil temperature.Topsoil bulk density, RH within the canopy, soil available N distribution, and soil matric potential were significantly affected by the three treatments.The change in soil matric potential was the key reason for the altered root profile distribution patterns.Additionally, more fine roots were produced in the BI treatment when soil water content was low and topsoil bulk density was high.Root growth was most stimulated in the top soil layers and inhibited in the deep layers in the SDI treatment, followed by SI and BI, which was due to the different water application frequencies.As a result, the root profile distribution differed, depending on the irrigation method used.The root distribution pattern changes could be described by the power level variation in the exponential function.A good knowledge of root distribution patterns is important when attempting to model water and nutrient movements and when studying soil-plant interactions.     

陕西一次持续性大雾天气特征分析

利用常规探测资料、自动站资料,对陕西2007年11月12~16日大范围持续性大雾产生的天气背景、温湿条件和大气层结等特征进行分析。结果表明,前期500 h Pa陕西为西西北气流,地面为均压场控制,辐射降温有利于近地层水汽凝结成雾;后期陕西处于高压前部等压线较密集区,形成锋前雾;1~4 m/s的地面风速、低层弱的垂直速度是这次雾形成的动力条件;上干下湿的高低空配置是大雾发生的水汽条件;大气层结稳定,低层有逆温、稳定少动的暖盖,阻碍低层水汽向上扩散,有利于大雾发生。     

塑料大棚小气候变化规律分析

根据观测资料，分析了塑料大棚的温度，相对湿度和风速的变化规律。结果表明，９：００￣１１：００时塑料大棚内外的气温差增大，其差值随高度升高而增加，棚内气温呈逆温分布，相地显度棚内比棚外平均高１７．８％，塑料大棚通风时，棚内风速仍小于棚外，而且棚内中心比棚内四周边缘的风速小，自然通风调节棚内的温度，湿度，约需３￣４ｈ小时。     

库车白杏茎直径和茎液流速日变化及其与环境因子的关系

[目的]通过对库车白杏(Armeniaca vulgaris‘Kuchebaixing')茎干直径、茎液流速日变化及其与环境因子的关系分析,探讨环境因子对茎干直径和茎液流速变化的影响,为进一步认识库车白杏生长与环境的关系提供科学依据.[方法]利用以色列PhyTech公司生产的Phytalk植物生理生态监控系统对库车白杏的茎干直径、茎液流速及其环境因子日变化过程进行同步自动采集,并采用逐步回归分析方法进行分析.[结果]库车白杏茎直径变化过程曲线呈不规则锯齿状24h左右的周期性波动变化,晴天茎直径变化过程曲线比较平滑,阴天和雨天波动较大;茎直径变化与空气相对湿度、空气温度、太阳总辐射和土壤水势呈线性正相关,而与土壤温度和饱和水汽压差呈线性负相关.库车白杏茎液流速呈明显的昼夜节律变化,雨天的茎流速率变化过程有较大的起伏震荡;茎液流速与空气温度、空气相对湿度和土壤温度呈线性正相关,而与太阳总辐射、饱和水汽压差和风速呈线性负相关.[结论]库车白杏茎直径日变化呈白天收缩,傍晚、夜间复原或膨胀,与空气相对湿度、空气温度、太阳总辐射、土壤水势、土壤温度和饱和水汽压差紧密相关;茎液流速日变化呈单峰型曲线,与空气温度、空气相对湿度、土壤温度、太阳总辐射、饱和水汽压差和风速紧密相关.     

半干旱区华北落叶松林冠层蒸腾特征及其影响因子

准确量化半干旱区森林植被耗水特征及其影响因子对植被-水-土的综合管理至关重要。选择内蒙古大青山的华北落叶松人工林为研究对象,利用热扩散探针法监测树干液流,同步监测气象因子和土壤体积含水量。结果表明,研究期间华北落叶松冠层蒸腾存在明显月、季节变化,冠层蒸腾季节变化呈单峰曲线,冠层月蒸腾量（mm）为8月（55.08）＞7月（54.76）＞6月（48.76）＞5月（43.13）＞9月（40.20）＞10月（12.36）。华北落叶松林冠层蒸腾与气温、太阳辐射、大气湿度、饱和气压差、风速、土壤水分均存在极显著相关关系（P＜0.01）,回归分析表明气温、太阳辐射和大气湿度是影响冠层蒸腾的主要气象因子;基于边界线的分析表明,冠层蒸腾随太阳辐射、气温变化可用对数增长函数拟合,即随太阳辐射、气温增大,冠层蒸腾先快速后缓慢增大,达到阈值后趋于平稳;冠层蒸腾随大气湿度增加的变化遵循抛物线曲线,阈值为59.41%。次降水量对冠层蒸腾的影响存在差异,降水强度>10 mm的次降水量显著影响华北落叶松人工林冠层蒸腾。总体来看,气温、太阳辐射、大气湿度和降水是影响华北落叶松冠层蒸腾的主要环境因子。     

松花湖山地温湿度特征分析研究

通过对松花湖山地小气候的观测分析表明,初夏时期,山地的日平均气温显著低于市区,彼此的差异在白天更加明显,山地气温日较差比市区小;山地气温随高度升高而降低,气温递减率平均为0.74℃/100m;在一天之内,气温随高度升高而降低的情况有双波型的规律。山地相对湿度随高度升高而增加,山地各高度的日平均相对湿度明显高于市区,这种白天差异更明显。一日之内水汽压的差异,白天山地高于市区,夜间低于市区,水汽压随高度升高而降低。