变分同化结合广义变分最佳分析对微波散射计资料进行海面风场反演

针对微波散射计资料的海面风场反演,本文首先利用QuikSCAT卫星散射计的近实时资料,借助荷兰皇家气象学会的SeaWinds散射计数据处理模式,在不同风速和海域的情况下,采用多解方案结合二维变分同化方法进行风向的模糊去除,达到消除解的不唯一性的目的,且对4种反演结果（低速风、中速风、高速风和近海岸风）与美国国家海洋和大气管理局卫星资料中心的近实时风场数据的对比分析,说明了该技术的有效性.在此基础上,对反演得到的中速风场利用广义变分最佳分析方法进行了调整,调整后的风场结构有了进一步的改善.此方法可为我国散射计资料反演海面风场的研究提供新的思路和方法. 关键词： 多解方案 二维变分同化 广义变分最佳分析 正则化方法     

散射计资料对台风海平面气压场的反演和定位的新方法研究

文章首先利用QuikSCAT散射计获取的海面风场资料,利用华盛顿大学行星边界层(UWPBL)模式对台风海平面气压场进行反演(称为直接反演),并对其强度进行了分析;然后对获取的海面风场,采用变分方法对风场进行分解,分解出无旋和有旋风场,对分解出的有旋风场,再利用UWPBL模式对魔羯台风的海平面气压场进行了反演,对所得结果与通常直接反演、NCEP海平面气压场及台风报文资料进行一一对比,结果表明:新的反演定位的方法对台风海平面气压场中心气压的定位精度有了进一步的提高,此种定位的方法为散射计资料在台风中的实际应用开辟了一条新的思路. 关键词： 散射计风场 变分方法 台风 海平面气压场     

合成孔径雷达资料反演海面风场的正则化方法研究

针对基于散射计地球物理模型函数的合成孔径雷达资料反演海面风场中背景风向存在很大误差的问题,提出了利用正则化方法反演海面风场,并通过L曲线准则对正则化参数进行最优选择,然后对该方法进行仿真试验.试验结果显示,正则化方法反演海面风场的风速和风向的反演精度均优于变分同化方法,分析不同真实风向情况下的反演精度表明,真实风向在45°和135°附近时,风速反演的精度高,真实风向在0°和90°时,风向反演的精度高,这种现象与地球物理模型函数中后向散射截面相对于风向的导数相关. 关键词： 合成孔径雷达 正则化 L曲线准则 变分同化     

多参数背景场误差模型在散射计资料台风风场反演中的应用

利用散射计资料反演海面风场时, 台风区域普遍存在降雨使得风场反演误差很大, 引入降雨地球物理模型函数 (GMF+Rain) 及多解方案 (MSS), 结合二维变分(2DVAR) 模糊去除思想风速反演误差很大程度减小, 但风向反演误差仍有待进一步改善, 如何进一步减小风向反演误差有待进一步研究. 文章介绍了2DVAR模糊去 除方法的基本思想, 针对背景场误差较大时, 2DVAR模糊去除风向误差较大, 引入包含若干参数的背景场误差模型. 基于台风个例数值试验结果, 着重从理论分析角度讨论各参数关于2DVAR模糊去除效果的敏感性, 进而提出最优参数设置方案以改善风向模糊去除效果. 2006年“摩羯”台风QuikSCAT数据风场反演数值试验结果结合理论分析表明: 引入多参数误差模型, 通过设置粗糙误差概率等于0, 2DVAR风向模糊去除效果明显改善; 同时, 背景场的影响可通过增大背景场误差方差, 减小背景场误差相关尺度和减小粗糙误差概率而减小, 进而减小在背景场误差较大情况下的风向反演误差. 关键词： 台风风场反演 二维变分 多参数误差模型 散射计资料     

合成孔径雷达反演海面风场变分模型分析

为考察合成孔径雷达反演海面风场变分模型精度,开展了误差分析试验.在背景场误差为极大值条件下分析场误差低于背景场误差,且随背景场风向增大呈周期性变化;在背景场误差逐渐变大条件下分析场误差逐渐增大,误差偏离方向与背景场误差偏离方向一致;在特定背景场条件下与直接反演模型相比,低风速时反演误差略高,中高风速时反演误差明显较低.总体来讲,变分模型误差小于背景场误差,风速反演误差小于1.60 m/s,风向误差小于17.15°.     

C波段机载合成孔径雷达海面风场反演新方法

针对基于散射计地球物理模型函数的机载合成孔径雷达(SAR)海面风场反演中存在的风向获取依赖于图像风条纹或数值预报、 散射计数据和浮标等背景场资料, 风向与SAR图像时空分辨率不匹配, 进而影响机载SAR海面风场反演精度等问题, 本文根据机载SAR对海探测特点, 研究一种适用于C波段机载SAR的海面风场反演新方法. 利用SAR图像距离向不同入射角的后向散射系数, 依据地球物理模型构造最小代价函数, 通过代价函数的求解直接从机载SAR数据同时反演出海面风速和风向. 利用论文提出的海面风场反演方法分别对仿真SAR数据和实测C波段机载SAR数据进行风向、 风速的反演误差分析及试验验证.研究结果表明, 该方法适用于机载SAR海面风场反演, 可不依赖背景风向直接反演出精度较高的风速和风向; 雷达后向散射系数误差是决定海面风速、风向反演精度的关键因素, 辐射定标精度越高则反演误差越小; 海面风速反演误差随着风速的提高而增大, 当海面风速大于18 m/s时, 风速反演误差显著增加, 而海面风向的反演误差与风速无明显关系. 关键词： 机载合成孔径雷达 海面风场 多入射角     

利用变分结合正则化方法对高度计风速资料调整海面风场的研究

利用变分结合正则化方法,对高度计风速资料在无辐散和有辐散两种情形下的背景风场进行调整,同时进行了数值试验.试验表明:高度计风速对背景风场的调整有积极作用,特别是高度计沿轨区域风场调整效果更为明显.对高度计后向散射截面进行了敏感性试验,当后向散射截面存在随机扰动时,利用高度计风速调整海面风场具有较强的抗噪性.最后进行实例试验,结果表明该方法是切实可行的.     

基于变分方法的有限区域风场分解与重构I: 理论框架和仿真实验

众所周知, 风场分解与重构最有效的方法就是引入速度势和流函数, 其一般通过求解两个Poisson 方程得到. 由于速度势和流函数在边界上的耦合性质,有限区域风场分解是不唯一的, 这对风场分解带来了很大困难. 本文采用变分伴随结合正则化方法来克服风场分解的不唯一性, 其核心是把速度势和流函数的边值作为控制变量来反演. 目标泛函由两部分组成, 一是衡量重构风场误差大小的观测项; 二是保证风场分解问题适定的正则化项, 其目的在于寻求具有气象意义的稳定正则化解. 数值试验结果表明, 在正确选取正则化参数后, 利用变分伴随结合正则化方法进行有限区域风场分解与重构是有效可行的.     

梯度计算的集合变分方案及其在大气Ekman层湍流系数反演中的应用

大气Ekman层湍流系数的准确计算对数值天气预报和污染物扩散计算有着重要的意义. 将集合计算和变分法结合起来, 提出了目标泛函梯度计算的集合变分方案, 并根据正演模式的线性化情况提出了两种计算流程. 利用这种集合变分梯度算法及两种流程对Ekman层湍流系数进行了反演试验, 结果表明这种算法实施简单、方便, 根据观测资料能够比较准确地反演湍流系数值. 关键词： 梯度计算 集合变分 湍流系数 反演     

基于激光雷达探测的三维风场变分反演算法

基于单部雷达的三维风场精细反演是航空气象学、精准风力资源评估等领域的重要研究问题.为高效、准确地获得小尺度风场的精细三维结构,提出一种基于单部激光雷达探测的三维风场局地/全局变分反演算法.本算法首先在小范围内构建局地变分法用于反演三维风场初值,然后在激光雷达扫描区域内基于全局变分法对初值进行调整.在仿真中对比了本文方法迭代10次和两步变分法收敛后的结果,发现本文方法性能优于两步变分法,在较均匀风场情况下本文算法反演三维风速的均方根误差平均降低1.49 m/s,在不均匀风场情况下平均降低1.19 m/s.仿真结果和外场实验数据分析表明,在激光雷达扫描区域覆盖较大仰角范围的情况下,本文算法可较为快速准确地获得三维风场反演结果,在航空安全、风资源评估等领域具有较好的应用潜力.     

基于星载激光雷达数据的海面风速探测

使用新版(Version 3.01)星载激光雷达CALIPSO Level 1剖面数据和Level 2的大气气溶胶光学厚度(AOD)数据反演全球海面风速。将AOD数据用于大气双程透射率的校正。对CALIPSO所采集的2007年1月、4月、7月和10月532nm波长无云激光测量数据进行应用计算,采用532nm退偏比经验修正海面白帽及水下次表层水体散射的影响,同时选用准同步的AMSR-E海面风速测量值为真值进行对比。对应2007年的4个月,由CALIPSO星载激光雷达532nm单脉冲测量数据反演海面风速的标准偏差分别为1.24、1.24、1.24、1.20m/s,由5km滚动平均数据反演海面风速的标准偏差分别为0.98、1.02、0.98、0.94m/s。结果表明,采用的数据反演方法可行且数据利用率得到提高。     

Polarimetric scattering from a two-dimensional improved sea fractal surface

This paper studies the influence of wind parameters and fractal dimension from an improved two-dimensional sea fractal surface on the polarimetric scattering by using facet integration.A two-dimensional improved sea surface simulated is discretized into three matrices of sea surface facets including a height matrix and two slope matrices on orthogonal directions.Based on the Kirchhoff approximation,the polarimetric scattered field is derived in the Cartesian coordinate system by integration of three matrices mentioned above.Finally,the fully polarised radar cross section is numerically simulated and the dependence of the polarimetric scattering on the sea fractal surface,such as the wind speed,the wind direction,as well as the fractal dimension,is discussed in detail.     

高度计风速与辐射计风速的变分融合研究

为实现高度计风速与辐射计风速的融合, 采用Kriging插值方法将辐射计风速插值到高度计路径得到高度计风速观测算子, 建立高度计风速与辐射计风速融合的代价函数; 利用变分方法求解分析风速, 得出融合结果. 分别在仅高度计风速有误差、 仅辐射计风速有误差和两者都有误差的情况下开展了模拟试验, 结果表明变分融合结果更接近于理想风速, 尤其在高度计路径上更为明显. 选取Jason-1高度计第241周期风速资料和与其时空匹配的国防气象卫星计划 F17上所搭载的专用传感器微波成像仪辐射计风速资料开展了实例试验, 结果表明融合后的结果更加接近于浮标观测结果, 证实了变分融合方法的有效性. 经统计, 上述高度计和辐射计资料有60%时空匹配, 开展风速融合有重要的理论及应用价值. 该变分融合方法可应用于我国海洋二号卫星所载高度计与辐射计风速反演结果的融合. 关键词： 高度计 辐射计 风速 融合     

Independent Plaquette Trial Action for 4-Dimensional Lattice Gauge Theory

Based on the explicit expressions of the plaquette formulations, the independent plaquette trial action for 4-dimensional lattice gauge theory is introduced. As an example, the mean plaquette energy EP for the SU(2) lattice gauge theory is calculated by using action variational approach with the independent trial action. The results are in good agreement with the Monte Carlo results in the strong coupling and the crossover region, and the curve is smooth in the whole region, which show that 4-dimensional SU(2) theory has only a single, confining phase. The unwanted discontinuity of EP given by the single link trial action, which is used in the earlier variational calculations has been avoided.     

降雨对C波段散射计测风的影响及其校正

传统观点认为C波段散射计工作波长大于雨滴直径,受降雨散射衰减的影响很小, 因此往往忽略降雨对C波段散射计测风的影响.本文基于降雨引起C波段散射计信号的衰减、 后向体散射及雨滴落入海面后的扰动作用,推导了降雨条件下的雷达方程, 构建了2010年全年的ASCAT散射计、降雨雷达和欧洲中期天气预报中心数值预报的匹配数据集, 定量分析了降雨对C波段散射计测风的影响,发现其信号衰减随降雨强度和入射角的增大而增强; 后向体散射和雨表面扰动作用随降雨强度的增大而增强、随入射角的增大而减小, 其中雨表面扰动作用对散射计测风的影响大于后向体散射.另外, 利用降雨条件下的雷达方程和匹配数据集,本文建立了降雨条件下的C波段主动微波辐射传输模型, 实验表明,该模型能够改善降雨条件下C波段散射计测风的精度.     

聚合物脊形光波导的变分有效折射率法分析

聚合物脊形光波导是聚合物集成光电子器件的重要构成单元.利用有效折射率法计算聚合物脊形光波导的横向折射率分布及有效折射率,将各区域中的光场分布近似用分段函数表达.基于导模满足的标量波动方程,利用变分法确定变分参量,以求得准确的横向光场分布.对聚合物脊形多模光波导基模和高阶模的色散特性与横向场分布进行分析,研究了波导结构参数对色散特性的影响,计算出TM基模和高阶模的光场分布,得出了聚合物脊形光波导的单模传输条件.研究表明,该方法计算量小、精度高,对聚合物光电子器件中脊形光波导的理论分析与设计优化提供了简单高效的方法.     

Two-dimensional electron systems in inversion layers of p-type Hg0.8Zn0.2Te metal-insulator-semiconductor structures

Strong oscillations on capacitance and conductance have been observed in p-type Hg0.8Zn0.2Te metal-insulator-semiconductor structures, made by using a recent process for the interface passivation. This behaviour is attributed to a two-dimensional electron gas in the n-inversion layer and the variation of the conductance maximums with temperature indicates that the dominant perpendicular transport mechanism for electrons is an incoherent two-step tunnelling through deep levels in the gap. Three models have been used to describe the quantum confinement: the simple variational method, the triangular potential approximation and the propagation matrix method. The later approach takes into account the non parabolicity of the conduction band structure and uses a finite height barrier at the insulator-semiconductor interface. A very good agreement between experimental and calculated values for the two lowest subband energy is obtained. Received 9 February 1999