复杂地表条件下快速推进法地震波走时计算

为获得计算复杂地表条件下地震波走时的方法,对常规快速推进法(Fast marching method,简写为FMM)做了两点改进:①引入不等距差分格式,用于地表和界面处的局部走时计算;②增加新的网格节点类型,用于实现不规则边界条件下的窄带技术.通过对算法的计算精度、效率及实例的分析可得,算法计算精度高,其中反射波走时计算的精度高于初至波;不会因为处理不规则边界而引入过多额外的计算量;能灵活稳定地处理各种强起伏复杂地形、近地表及地下复杂介质等问题.计算结果满足复杂地表条件下地震波的传播规律.     

黄土高原区域气候暖干化对地表能量交换特征的影响

本文将观测试验资料与陆面过程模式模拟资料相结合, 对目前4个流行的陆面过程模式的模拟资料进行了验证分析, 发现通用陆面模式(CLM)模式的模拟资料在黄土高原地区比较可靠. 在此基础上,利用近几十年CLM模式模拟资料和气象站观测资料, 分析了黄土高原地区的区域气候和地表能量交换特征的变化规律, 研究了该地区地表能量交换对降水和温度变化的响应特征, 讨论了该地区气候变化对地表能量交换特征的影响机理. 研究发现,近几十年来黄土高原区域气候表现为明显的暖干化趋势, 从而引起太阳总辐射、地表反射辐射和地表长波向上辐射的增加 及地表长波向下辐射的减小,并由此造成地表净辐射通量减少. 与之相对应,不仅地表潜热通量呈减小趋势,而且地表感热通量和土壤热通量也呈减小趋势, 但地表热量分量的分配比例基本不变.并且发现,地表感热通量的年变化主要由太阳辐射控制, 而潜热通量的年变化则受太阳辐射和降水共同影响;地表热量分量的年际变化均对降水变化响应很敏感, 而对温度变化响应不太敏感,气候干旱化对地表能量平衡的影响比气温变暖的影响更突出. 关键词： 黄土高原 区域气候暖干化 陆面过程模拟 陆面能量交换     

日全食下城市热环境的变化特征分析

2009年7月22日,我国长江流域能很好地观测到一次千载难逢的日全食现象,且重庆是一个非常好的日全食观测点.作者观测了重庆地区7月21日及22日两天的室外气象数据(太阳辐射,空气温度,相对湿度等),基于实验观测数据,分析和探讨了日全食对室外热环境的影响.日全食当天,室外气温和地表温度随太阳辐射强度的减小而减小,空气温度...     

零视距地物长波红外特征场景仿真研究

为仿真地物长波红外场景图像,根据地表温度随时间变化的规律,并结合气象状况、背景材质、热特性参量、热状态等参数,在对太阳辐射、大气长波辐射、大气温度和地表热传导等影响地表温度变化的因素进行分析的基础上,建立了基于热平衡理论和热传导过程的方程。解算出多种常见地表一日之中的温度变化情况,并将其应用于由相同景物可见光纹理图像反演出的相应红外纹理图像中。在考虑景物表面自身发射、反射的辐射计算模型的前提下,生成了具有相似红外纹理细节的地表红外场景。结果表明,该方法可生成接近真实感的红外场景,有效地模拟仿真地物的长波红外特征。     

中红外波段地表发射率特性分析

陆表温度(LST)在地-气相互作用过程中扮演着重要的角色,是全球变化研究的关键参数。陆表发射率是陆表温度反演的关键输入参数之一。中红外谱区(3~5 μm)介于可见光-近红外谱区(0.38~2.5 μm)与热红外谱区(8~14 μm)之间,地物的发射率在该谱区表现出独特的光谱特性,可用于霜冻监测、矿物成分分析等研究。由于传感器在中红外谱区探测到的能量既有来自于地物自身发射的热辐射能量,又有反射的太阳辐射能量,这两部分的能量分离机理比较复杂,因此中红外谱区发射率特性分析的相关文献较少。本文针对单一均匀地表和具有混合像元的复杂地表计算了MODIS红外通道的有效发射率,发现通道有效发射率在单一均匀地表下与温度的耦合效应不强烈;但在复杂地表下,通道有效发射率与混合像元内的成分比例以及成分的地表温度具有耦合效应。在误差允许的范围内,混合像元的有效发射率可以忽略成分地表温度的影响。发射率误差对陆表温度反演精度的敏感性随着波长的变化而变化。在热红外波段,敏感性是其在中红外波段的2倍左右,说明利用中红外波段进行陆表温度反演具有一定的优势。     

空间目标的可见光散射与红外辐射

利用Lowtran7大气传输模型计算0.4～0.8μm可见光波段的太阳辐射、大气自身的热辐射以及天地背景辐射.依据粗糙面光散射理论与双向反射分布函数计算空中目标表面对太阳辐射和云层对阳光反射的散射.利用传热学和背景辐射理论,根据能量守恒定律建立空间目标表面温度的热平衡方程.以气球为例,计算不同表面涂层材料的气球,在不同地理位置、不同高度和不同时间条件下,其温度及辐射功率的变化.分析空间目标红外辐射特性的一般规律和特征.     

我国北方不同类型下垫面地表反照率特征

地表反照率反映了地面对太阳辐射的反射能力,在地表能量平衡中起着非常重要的作用,本文利用"中国北方协同观测"的资料,分析了不同下垫面10个站点7-9月的反照率变化特征和对降水的响应,并讨论了榆中、通榆草地、通榆农田、密云、玛曲和锦州站地表反照率与太阳高度角和土壤湿度的关系,结果表明:反照率的相对关系是东北干旱草甸西北高寒草甸西北绿洲农田黄土高原自然植被东北半干旱草甸东北农田东北果林,并且反照率基本上和降水对应,降水量大的站点反照率小,降水量小的站点反照率大,反照率的日变化曲线分为早晚对称型,早上比较大、中午下午比较小和晚上最大、早上最小的不对称型三种,选取的6个观测站反照率的谷值一般出现在降水日,峰值一般出现在没有降水、太阳辐射比较强的日子,地表反照率随着太阳高度角的增大而减小,当太阳高度角大于40°时,地表反照率基本不变,榆中和通榆农田地表反照率随着土壤湿度增大减小较明显,其次是通榆草地,玛曲、密云和锦州地表反照率随着土壤湿度变化不明显。     

新的太阳辐射测量结果低于以前的权威值

根据美国国家航空与宇宙航行局太阳辐射与气候实验的总辐射监视器(TIM)以及一系列新的辐射测量实验室的实验,在2008年太阳活动极小周期内,总的太阳辐射最精确值为1360.8±0.5Wm-2.这一数值比目前能量平衡计算和气候模型中所使用的1990年确定的权威数值1365.4±1.3Wm-2低了很多.老一代太阳辐射计测得的辐射值较高,其主要原因是散射光的     

探空温度传感器的计算流体动力学分析与实验研究

伴随着数值天气预报和气候变化研究精细化程度的不断提高, 希望探空温度传感器的观测精度达到0.1 K数量级. 为了实现此目标, 运用计算流体动力学方法对珠状热敏电阻从海平面上升至20 km高空的整个过程进行数值仿真分析. 并在此基础上, 针对影响测温精度的太阳辐射强度和传感器倾斜角度两个因素进行分析. 仿真结果表明, 太阳辐射强度和海拔高度是辐射误差的重要影响因子. 当传感器倾斜角度为90°时, 珠状热敏电阻的辐射误差最小. 通过麦夸特法和通用全局优化法对仿真数据进行拟合, 获得不同海拔高度和太阳辐射强度下的辐射误差修正方程; 为验证方程的准确性, 设计和搭建太阳辐射误差模拟系统. 实验结果表明, 辐射误差实验测量值与修正方程修正值之间的平均偏移量为0.017 K, 均方根值RMS误差为0.023 K, 验证了计算流体动力学方法、麦夸特法和通用全局优化法获得辐射误差数据的准确性.     

星载定标黑体午夜太阳辐照模拟实验

为了揭示午夜太阳辐射对三轴稳定卫星光学载荷的定标黑体温度均匀性和定标精度的影响,进行了基于贴片加热电阻外热流模拟方法的真空实验,利用电压变化产生的加热功率模拟复杂的太阳辐照度波动。将实验获取的温度数据与仿真计算结果对照验证,分析了太阳照射过程中黑体温度分布的规律。根据辐射度学理论,对温度不均匀性产生的定标误差进行了理论计算。实验结果显示:在午夜太阳照射过程中,边缘受照的黑体温度分布具有对称性,黑体最高升温幅度为8.8K,最大温度梯度3.1K/m,定标相对误差0.1%。研究表明:太阳辐射会显著影响黑体温度的均匀性,由此产生的定标精度误差不会影响工程应用的要求。     

太阳辐照对静止水面稳态蒸发的影响

针对低风速下静止水面的蒸发过程,考虑水面与气流的对流传热传质、水体对太阳能辐射的容积内光谱吸收及内部传热,建立分析太阳辐照作用的水面稳态蒸发模型.采用控制容积法结合蒙特卡洛法和谱带模型数值求解水体内部、表面、气流之间的能量传递与质交换.分析空气湿度、温度、流速及正逆温差下,太阳辐照强度对于水面蒸发的影响.结果表明,太阳辐照强度对低风速下静止水面蒸发的影响很大.     

近50年来中国东、西部地面太阳辐射变化及其与大气环境变化的关系

利用1961-2011年中国东、西部地区地面太阳辐射和长期气象数据观测资料, 综合分析了东、西部地区地面太阳总辐射的变化特征, 并结合云量、日照百分率、风速、相对湿度等分析了影响东、西部地面太阳总辐射的变化原因. 结果表明: 近50年来东、西部地区地面太阳总辐射整体呈下降趋势, 下降幅度有所不同; 20世纪90年代之前大部分地区地面太阳总辐射呈下降趋势, 之后呈缓慢增加; 东西部各地区地面太阳总辐射与日照时数间存在显著相关性; 分析影响地面太阳总辐射减少的因素, 东部地区地面太阳总辐射与日照百分率呈显著正相关, 日照百分率是影响地面太阳总辐射减少的主要因素, 总云量与低云量已不是东部地区影响太阳辐射的主要因素; 西部地区地面太阳辐射与云量相关性较低, 主要受大气污染和日照百分率的影响. 风速成为影响地面大气辐射的一个重要因子, 并且风是驱逐大气对流层雾霾等大气污染的主要因子, 这进一步证实了大气污染已经成为影响地面太阳辐射的重要因素, 尤其在中国东部地区.     

Scattering of Solar and Atmospheric Background Radiation from a Target

Light scattering property of environment is very important in theoretical study and application of the remote sensing. What's more, it is valuable for infrared radiation, imaging, and the detection of target and tracking. In this paper, solar and atmospheric background radiation, and their scattering property from target are discussed. BRDF (Biodirectional Reflectance Distribution Function) is a very important quantity that shows the radiation and reflection feature of target. According to electromagnetic radiant and scattering theories, the relationship between laser radar scattering cross section (LRCS) and BRDF is introduced. LOWTRAN model is an effective method of calculating the spectral distribution of solar and atmospheric radiation. Here it is applied to compute solar and atmospheric background radiation scattered from a target. The relative equations are deduced. Thus, the spatial and spectral distribution of scattering light is given. As a special example, for the Lambert's surface, the equations are simplified. As a result, the spatial and spectral distributions scattering radiation of solar and atmospheric background from a rough painted surface are present. The scattering of solar radiation plays a primary role in MIR region, but scattering of atmospheric background radiation is higher in LIR region. At the same time, there is obviously specular reflectance for solar radiation due to coherent scattering from rough surface.     

Photovoltaic modules with cylindrical waveguides in a system for the secondary concentration of solar radiation

The parameters of the concentrating photoelectric modules with triple-junction (InGaP/GaAs/Ge) solar cells whose focusing system contains an original secondary optical element are studied. The element consists of a plane-convex lens in optical contact with the front surface of an intermediate glass plate and a cylindrical waveguide that is located on the rear side of the glass plate above the surface of the solar element. It is demonstrated that the structure of the secondary optical element provides a wide misorientation characteristic of the concentrator and the cylindrical waveguide allows a more uniform radiation density over the surface of the solar cell. The effect of chromatic aberration in the primary and secondary optical systems on the parameters of photoelectric modules is analyzed. It is demonstrated that the presence of waveguides with a length of 3–5 mm leads to effective redistribution of radiation over the surface of the solar cell whereas shorter and longer waveguides provide the local concentration of radiation at the center of the photodetecting area.     

The influence of optical properties of shallow shelf seas on temperature structure and acoustic propagation

The penetration of solar radiation below the sea surface is not always taken into account in numerical ocean models, even though its influence on the temperature (and therefore sound speed), structure of the water column can be significant, especially in shallow shelf seas where water turbidity tends to be high. Variations in sound speed structure have a consequent effect on the propagation of sound underwater which, in turn, influences the performance of sonar systems. A double exponential parameterization for the penetration of solar radiation with depth was implemented in an N × 1D turbulence closure model of the UK shelf seas. The model was run along a section through the Celtic Sea Front, with sets of optical extinction coefficients representing different water clarities, for one month to simulate the generation of the front, and the results were compared with a control model run in which all solar radiation was absorbed in the surface layer. Temperature structure and sound propagation were only affected by changes to the optical parameterization on the stratified side of the front, where consequent variations in acoustic propagation loss of up to 10 dB relative to the control were simulated using an acoustic model. Changes in propagation loss were greatest for acoustic sources placed in the stratified water above the thermocline. Similar changes to the optical parameterization made on the well-mixed side of the front had no discernible effect.     

基于高次余弦散射分布的空间卫星可见光特性

基于几何光学和辐射理论,研究了空间卫星的可见光散射特性.空间卫星的背景辐射主要包括太阳的直接辐射和地球及大气的散射辐射,根据目标的结构特性与背景特性建立了空间卫星的几何模型和光照模型.分析目标表面状况,入射到目标表面的光线近似服从高次余弦散射分布,根据能量守恒定理及表面材料的高次余弦散射分布特性建立了目标散射特性的数学模型.通过矢量坐标变换确定太阳、地球、观测卫星在目标本体坐标系下的相对位置关系.根据给定的几何尺寸和表面物性参量仿真获得了目标在探测器入瞳处的能量分布及星等特征,目标本体与太阳帆板在探测器入瞳处的辐照度最大量级均为10-12 W/m2.仿真结果表明太阳帆板在目标特性分析时不可忽略,为空间目标的可见光探测提供参考数据.     

Effects of oceanic turbidity and index of refraction of hydrosols on the flux of solar radiation in the atmosphere-ocean system

The effects of the concentration and complex index of refraction of hydrosols on the flux of solar radiation in the atmosphere and ocean have been studied by solving the equation of radiative transfer in model atmosphere-ocean systems. Scattering and absorption by aerosols, hydrosols, air and water molecules, as well as reflection and refraction at the ocean surface, are taken into account by applying the matrix method to the combined atmosphere-ocean system. Nine values of the index of refraction and four values of the concentration are assumed for the hydrosols. The flux of the solar radiation at the top of the atmosphere, just above and below the ocean surface, and at several depths in the ocean is calculated in the spectral interval between 0.3 and 0.8 μm. The flux of solar radiation in the atmosphere and ocean is significantly affected by the oceanic turbidity, as well as by the complex index of refraction of hydrosols.     

基于双向反射分布函数的空间卫星紫外动态特性研究

根据目标所处的背景辐射环境,对空间卫星的紫外散射特性进行建模方法研究。依据目标表面材料属性与表面状况对目标表面进行区域分解与网格划分。基于辐射理论引入双向反射分布函数模型来描述目标表面网格单元的光散射特性,将目标各个表面所有网格单元散射分量叠加建立了目标紫外散射特性的数学模型。利用给定的目标几何结构尺寸和物性参数仿真获得了目标在轨动态光学特性。在某一观测角度下太阳帆板在探测光学系统入瞳产生的辐照度值与卫星本体接近,最大量级为10-11W/m2。仿真结果表明太阳帆板在目标特性分析时不可忽略。     

空间目标的可见光散射与红外辐射

利用Lowtran7大气传输模型计算了0．4～0．8μm可见光波段的太阳辐射、大气自身的热辐射以及天地背景辐射。利用粗糙面光散射理论与双向反射分布函数计算了空中目标表面对太阳辐射、云层对阳光反射的散射。并利用传热学和背景辐射理论，根据能量守恒定律建立了空间目标表面温度的热平衡方程。以气球为例，计算了不同表面涂层材料的气球在不同地理位置、不同高度、不同时间、温度及辐射功率的变化。分析了空间目标红外辐射特性的一般规律和特征。