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     

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     

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     

有限区域风场的分解和重建

对有限区域进行旋转风和辐散风的分解,是中尺度系统结构分析的一种诊断方法,可提高对中尺度系统动力结构的认识. 一方面,有限区域风场的分解可以给出总风场中无辐散风与无旋转风的不同分布,还可根据这两种风场的分布特征进行不同要求的分析;另一方面,由于耦合边界条件不能直接计算,计算过程中必须简化处理,使有限区域风场分解本身还有许多问题没有很好解决. 目前,对风场进行有效分解的方法是对有限区域里的流函数和速度势进行求解,然后对流函数和速度势求导得到对应的无辐散风与无旋转风. 有限区域流函数和速度势求解的准确程度主要以分解后的风场能否还原到原始风场（即风场重建）为标准. 本文总结了有限区域风场分解和重建的方法,重点介绍了调和正弦/余弦方法,该方法可较准确有效地解决有限区域风场的分解和重建问题,对进一步研究天气系统的动力结构有较好效果.     

有限区域风场的分解和重建

对有限区域进行旋转风和辐散风的分解,是中尺度系统结构分析的一种诊断方法,可提高对中尺度系统动力结构的认识. 一方面,有限区域风场的分解可以给出总风场中无辐散风与无旋转风的不同分布,还可根据这两种风场的分布特征进行不同要求的分析;另一方面,由于耦合边界条件不能直接计算,计算过程中必须简化处理,使有限区域风场分解本身还有许多问题没有很好解决. 目前,对风场进行有效分解的方法是对有限区域里的流函数和速度势进行求解,然后对流函数和速度势求导得到对应的无辐散风与无旋转风. 有限区域流函数和速度势求解的准确程度主要以分解后的风场能否还原到原始风场（即风场重建）为标准. 本文总结了有限区域风场分解和重建的方法,重点介绍了调和正弦/余弦方法,该方法可较准确有效地解决有限区域风场的分解和重建问题,对进一步研究天气系统的动力结构有较好效果. 关键词： 有限区域 风场分解和重建 调和正弦/余弦方法 流函数和速度势     

有限区域风场分解方法及其在台风SAOMEI研究中的应用

介绍了有限区域水平风场分解的调和-余弦计算方法,该方法把函数分成两部分之和.第一部分是Laplace方程在给定边界条件下的解,由于Laplace方程的解是调和函数,这个部分可称为调和部分,又因为其与区域内部值无关,也称外部部分.第二部分是原始函数与调和部分之差,这个函数是齐次边条件下Poisson方程的解,只与区域内部的涡度或散度有关,故称为内部部分,可以展开成双傅氏的余旋函数系列.调和-余弦计算方法的求导都是用谱系数进行,计算精度比常用的差分方法高两阶以上.而且,由于外部部分对应的边界条件物理意义清楚,边界光滑,成功克服了有限区域流函数和速度势迭代求解出现的计算不稳定、原始风场无法还原、边界上的系统缺失等问题,可以准确分解和重建有限区域的风场.利用NCEP/NCAR 1°×1°的实时分析资料和日本气象厅区域谱模式(RSM)20km分辨率的再分析资料,利用调和-余弦算法得到的无辐散风分量和无旋风分量,对2006年的8号超强台风“桑美"(SAOMEI)进行风场结构的比较分析.结果发现,低层无辐散风比原始风场与台风中心的对应关系更好;同时,无旋风分量能更好地显示原始风场上并不明显的低层辐合高层辐散的特征,大尺度无辐散风分量可以更清晰地显示出台风的水汽输送通道.从与台风中心的对应关系看,台风在海上发展阶段,SAOMEI台风的旋转中心与辐合中心并不是时时重合,这个特点只能通过风场分解才能得到.此外,SAOMEI登陆以后,南部洋面上发展起来的对流活动从水汽和能量补充方面都不利于SAOMEI的维持.可见,分解后的无辐散风场和无旋风场能更清楚地体现出SAOMEI的风场结构,在台风结构分析中有重要的推广应用价值. 关键词： 台风 水平风场分解 调和-余弦算法     

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.     

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     

南海夏季风建立的数值模拟试验

利用中国科学院大气物理研究所全球谱模式(T42L9)对南海夏季风建立的过程进行了数值模拟试验.试验结果表明:通过青藏高原的动力作用和东南亚地区强大的潜热加热产生印度洋上跨赤道的偏南辐散风、高原南侧的偏西辐散风、高原东侧的偏北辐散风和西太平洋上的偏东辐散风,这4支散度流加强南海海域大尺度低空辐合,南海的雨季和西南季风爆发.     

机载合成孔径雷达海面风场探测辐射定标精度要求研究

复杂的机载合成孔径雷达系统使得探测精度要求研究难以系统有效. 依据辐射定标精度在机载合成孔径雷达海面风场探测信息流程中的作用, 提出通过辐射定标精度要求整体考察系统探测精度要求的研究方法, 仿真研究了CMOD4地球物理模型函数的参数关系,系统地确定出不同入射角和风向条件下机载合成孔径雷达海面风场探测的辐射定标精度要求.研究结果表明, 辐射定标精度要求随着入射角的增加而降低,且随着风向变化呈周期性变化, 这一规律与CMOD4地球物理模型函数中由风速变化引起的后向散射截面变化值的变化规律一致. 依据这一规律,研究发现通过采用有源定标器定标、设计载机做侧风飞行以及选择大入射角的探测图像作为反演图像区这三种手段,能够提高风速反演精度.     

Application of the Tikhonov regularization method to wind retrieval from scatterometer data I. Sensitivity analysis and simulation experiments

Scatterometer is an instrument which provides all-day and large-scale wind field information, and its application especially to wind retrieval always attracts meteorologists. Certain reasons cause large direction error, so it is important to find where the error mainly comes. Does it mainly result from the background field, the normalized radar cross-section (NRCS) or the method of wind retrieval? It is valuable to research. First, depending on SDP2.0, the simulated `true' NRCS is calculated from the simulated 'true' wind through the geophysical model function NSCAT2. The simulated background field is configured by adding a noise to the simulated 'true' wind with the non-divergence constraint. Also, the simulated 'measured' NRCS is formed by adding a noise to the simulated 'true' NRCS. Then, the sensitivity experiments are taken, and the new method of regularization is used to improve the ambiguity removal with simulation experiments. The results show that the accuracy of wind retrieval is more sensitive to the noise in the background than in the measured NRCS; compared with the two-dimensional variational (2DVAR) ambiguity removal method, the accuracy of wind retrieval can be improved with the new method of Tikhonov regularization through choosing an appropriate regularization parameter, especially for the case of large error in the background. The work will provide important information and a new method for the wind retrieval with real data.     

Noise reduction in LOS wind velocity of Doppler lidar using discrete wavelet analysis

The line of sight (LOS) wind velocity can be determined from the incoherent Doppler lidar backscattering signals. Noise and interference in the measurement greatly degrade the inversion accuracy. In this paper, we apply the discrete wavelet denoising method by using biorthogonal wavelets and adopt a distance-dependent thresholds algorithm to improve the accuracy of wind velocity measurement by incoherent Doppler lidar. The noisy simulation data are processed and compared with the true LOS wind velocity. The results are compared by the evaluation of both the standard deviation and correlation coefficient. The results suggest that wavelet denoising with distance-dependent thresholds can considerably reduce the noise and interfering turbulence for wind lidar measurement.     

A procedure for the assessment of wind turbine noise

The noise assessment at the receivers due to wind turbines in operation is usually performed through outdoor measurements. Background noise and wind turbines noise (WTN) are related to wind speed and both contribute to the overall measured noise levels (environmental noise). Nevertheless, the relation between noise and wind speed is not easily predictable, especially when the wind farms are installed in hilly terrains, where the wind shear is truly remarkable. In Italy and in other countries, this kind of assessment is even more difficult to perform due to the national regulations that require to compute the difference between environmental and background noise levels with the same weather conditions. Thus, to get a reliable and approved measure of the residual noise it would be necessary to turn off the wind farm. This work suggests a technical procedure to simultaneously estimate the immission and the residual noise components measured nearby a wind farm when the residual noise is mainly generated by wind. This allows the evaluation of the noise impact produced by operational wind farms, without requiring the farm shut down. The method aims to be fairly straightforward, thus maintaining the required scientific basis to be used as an assessment procedure by consultants and public bodies.     

大型航空声学风洞消声室建设与校测

风洞试验是进行民用飞机机体噪声研究的重要手段。为了满足航空飞行器低噪声设计在大型风洞中进行气动噪声试验的需求,中国航空工业空气动力研究院建设了FL-10大型低速风洞全消声室。通过在FL-10风洞试验大厅壁面安装吸声尖劈、对洞体外表面进行声学处理、对支撑系统进行隔声处理、对消声换气窗进行降噪处理等手段,建成了气动噪声风洞试验所需的声学环境。按照国家标准中给定的方法,利用张线方法实现了校准声源的布置,测量了消声室内沿不同路径、不同频率噪声的衰减规律,表明FL-10风洞消声室自由场特性达到了相应标准的要求,为后续在该风洞中进行大尺寸机体模型噪声试验奠定了基础。     

大气风场和温度对无线电声波探测系统探测高度影响的数值研究

从声波扰动介质中的电波波动方程出发, 使用时域有限差分(FDTD)方法, 结合声波传播的FDTD 模型, 构建了描述声波和电波相互作用的数值模型, 并运用该模型分析风场和温度对无线电声波探测系统的探测高度的影响. 数值模拟结果表明: 温度与风场剖面的存在改变声波和电波散射回波的传播轨迹; 温度梯度剖面主要影响声波的传播速度, 风场剖面导致作为电波散射体的声波波阵面的偏移, 降低电波散射回波的强度并改变回波路径, 使得接收数据减少, 限制无线电声波探测系统的探测高度; 在强风背景下, 若降低声波散射体高度, 电波散射回波“聚束点”的偏移会有较大的改善, 但同时意味着探测高度的降低. 为了改善风场背景下无线电声波探测系统的探测高度, 可以使用双基地雷达或者增大接收天线面积等方法来实现.     

Design and performance of a small-scale aeroacoustic wind tunnel

The D5 aeroacoustic wind tunnel at Beihang University is a newly commissioned small-scale closed-circuit wind tunnel with low turbulence intensity and low background noise. The wind tunnel is built to study both aerodynamic and aeroacoustic performance of aircraft components or scaled models. The wind tunnel has two types of test sections, the closed type test section is used for aerodynamic tests while the open type test section is mainly used for aeroacoustic experiments. Both types of test section are 1 m in height and 1 m in width, and the maximum wind velocity in the test section can be up to 80 m/s. An anechoic chamber is built surrounding the test section to provide the non-reflecting condition. This paper provides an overview of design criteria and performance of the small-scale wind tunnel. The layout of the wind tunnel and some critical design treatments to improve aerodynamic and acoustic performance are discussed in detail. Some experiments are conducted to verify the performance of D5 wind tunnel, results confirm that the turbulence intensity is less than 0.08% in the core of test section and the background noise is comparable with other aeroacoustic wind tunnels. A scaled simplified nose landing gear model is also measured as a benchmark test, results reveal that noise radiated from the model is adequately higher than the background noise for a wide frequency range and remarkably consistent with other results from literatures.     

基于海面散射模型的全极化合成孔径雷达海洋环境探测关键技术参数设计仿真研究

技术参数设计研究是提升全极化SAR海洋环境探测能力的有效途径. 本文通过分析噪声等效后向散射系数和辐射分辨率与海洋环境探测的地球物理联系,提出一种全极化SAR关键技术参数设计方法. 采用全极化海面散射模型计算不同海洋环境条件下的雷达后向散射系数,据此确定全极化SAR对海探测的噪声等效后向散射系数,再将其作为合成孔径雷达方程输入参数,以辐射分辨率和信噪比的函数关系为约束条件,开展信噪比、辐射分辨率和系统功率孔径积等技术参数设计研究. 论文通过全极化海面散射模型的仿真计算,发现对海探测的噪声等效后向散射系数设计为-35.0 dB,可满足全极化SAR不同海洋环境条件的探测需求. 通过研究辐射分辨率与信噪比的函数关系,发现对海探测的最优信噪比为8.0 dB. C波段机载全极化SAR设计结果表明,由于兼顾了海洋环境探测需求,本文设计方法使得全极化SAR技术参数同时满足了海洋环境应用需求和系统设计要求. 关键词： 海面散射模型 全极化合成孔径雷达 海洋环境探测 技术参数设计     

佛克脱线型HeⅠ 1 083.0 nm的有效后向散射截面的理论研究

考虑到碰撞展宽导致的洛伦兹线型,理论上研究了佛克脱线型(高斯线型和洛伦兹线型的卷积)HeⅠ 1 083.0 nm辐射线的后向散射截面和有效后向散射截面,HeⅠ 1 083.0 nm辐射线实际上由三条非常接近的1 083.034,1 083.025和1 082.908 nm辐射线组成,文章给出了此3条辐射线的有效后向散射截面的曲线及其峰值,得到的10-16数量级与预言的数量级相一致。此研究比以前假定HeⅠ 1 083.0 nm辐射线为高斯线型更接近实际,从而为共振雷达探测热成层亚稳态He提供了更全面翔实的理论基础。文章还给出了HeⅠ 388.9 nm和HeI 318.8 nm辐射线的有效后向散射截面的曲线及其峰值,得到它们的有效后向散射截面比HeI 1 083.0 nm辐射线的小,此结论与实验结果相一致。