全天空成像仪云图的预处理方法

利用Radon变换检测直线和连通域填充方法实现了全天空成像仪遮阳杆的重新塑造,剔除了遮阳杆对云量计算的影响。并运用了模板替换的方法,去掉全天空成像仪观测云图上旋转镜面外部的地物杂波干扰。使用上述方法在云图预处理研究取得了较好的效果,特别是针对由于强烈太阳光在遮阳杆上形成的亮斑,能够很好的剔除原图上的亮斑部分。     

地基可见光全天空云图云量图像处理识别方法

为增强地基可见光全天空云图中云与天空的特征和区别,提高云检测率,基于图像复原和图像增强技术提出一种改善云图质量的方法。该方法采用暗通道去雾算法进行图像复原;采用亮度直方图均衡增强图像纹理细节;综合两种方法,先图像复原,再图像增强。按低能见度薄云、低能见度厚云、高能见度薄云、高能见度厚云4种情况分别进行讨论,结果表明:除高能见度薄云采用单一的图像复原使云检测效果降低外,图像复原和图像增强都能使云检测和云量识别准确率提高;综合二者,云检测和云量识别准确率进一步提高;该方法对薄云和低能见度云图的改善最为显著。     

全天空测云技术现状及进展

云是一种常见和重要的天气现象,在大气辐射传输中扮演着重要角色。云的形态、分布、数量及其变化标志着大气运动的状况。云的观测对军事活动、国民经济和社会服务等方面具有重要意义。目前在业务上尚未实现云的自动观测,单点测量云高的仪器已经较为成熟,然而云量和云状的自动观测仪器目前还处于研究阶段。文中总结了目前地基全天空测云仪器现状,分析了全天空云图获取、镜头保护、云点识别、云量计算、云高计算和云状识别等几个测云技术问题,最后从相关测量技术和产品应用角度做一定的思考和展望,认为需要从提高仪器性能、加强云高测量技术攻关、建立器测云分类标准等方面推进全天空测云仪器业务化应用。     

一种卫星云图局部标准差图像的快速算法

局部标准差图像(Local Standard Deviation image,LSD)在卫星图像的空间一致性检测中有着重要的作用,然而利用传统的滑动窗技术计算局部标准差图像时,由于大量的循环过程使运算速度较慢,特别是当卫星图像较大而滑动窗较小时,这种运算更为耗时.采用了矩阵运算的思路,提出了根据滑动窗大小将卫星图像数组按一定方向和偏移量进行整体平移,然后对经过平移后的图像数组进行数学运算来获取标准差图像的快速算法.通过计算2005年1月1日的NOAA-16/AVHRR通道4亮温局部标准差图像实例表明,采用快速算法的计算效率相对于传统滑动窗算法计算效率提高明显.     

利用全天空可见光图像反演天空辐亮度

由中国科学院大气物理研究所LAGEO实验室研制和开发的地基全天空成像仪,可实现地基全天空自动化观测,文中首先对全天空成像仪仪器及性能进行介绍.辐亮度是气象科学研究中基础而重要的气象要素,而全天空成像仪记录的是可见光红、绿、蓝三波段辐射信息的灰度值图像,因而无法直接应用到气象研究中.为能够从灰度值图像中获取天空辐亮度信息,文中详细介绍了与亮度反演密切相关的几个重要标定实验,包括儿何标定、光学标定,以标定参数为基础并结合全天空仪器成像原理提出了一个由可见光灰度图像反演相对天空辐亮度分布的算式算法.文中还利用大气物理研究所香河观测站(39.75°N,116.96°E)同时观测的全天空成像仪以及CIMEL光度计所观测的天空辐亮度数据(440 nm波长),对该反演算式进行检验和比对,结果表明,所提出的算法进行天空辐亮度分布反演可行,该算法将灰度图像与天空辐亮度建立了联系,有利于观测图像数据与数值模式模拟工作的相互对比和验证,有利于观测图像数据在模式研究中的应用.     

全天空数字相机观测云量的初步研究

采用带有鱼眼镜头的数字相机拍摄全天空图像,对图像进行处理并分析,实现根据图像获取云量的目的。介绍了工作的基本原理和方法并给出初步实验结果。结果表明,用目前分析图像所获取的算法计算云量（与观测员记录相比）,平均误差在15％以内,结果的准确度受地面能见度影响较大,对能见度达15km以上的图像分析效果最好。     

全天空成像仪云量计算方法的改进

全天空成像仪（total sky imager 440,TSI-440）可以实现白天全天空云量的持续自动监测,时空分辨率较高,得到的云量计算结果更精确.首先介绍了TSI-440的基本原理和资料格式,并基于太湖地区2008年5-10月的TSI-440资料及无锡站地面观测资料,采用统计方法详细地分析了不同天气情况下图像的成像特征及云量的计算误差.结果发现：图像的成像特征与能见度密切相关,红蓝比值随着能见度的减小而增大.另外,仪器在处理阴天图像及复杂天空（多云）图像时,易造成一定的云量计算误差.针对上述问题,本文通过直方图分析,重新选定了红蓝比阈值（晴空点阈值0.62,云点阈值0.66）,基于新阈值计算的云量结果较仪器自带的处理结果更为准确,减小了因天气状况不同而产生的云量计算误差.     

一种神经网络的云图短时预测方法

依据6hT213数值预报产品的资料,采用EOF展开和人工神经网络等方法,对卫星云图短时预报方法进行研究。首先对卫星云图灰度值样本序列进行EOF展开,将提取出来的时间系数作为建模的预报量,以数值预报产品的物理量场作为预报因子,建立人工神经网络预测模型。将预报得到的时间系数与空间特征向量进行时空反演,实现对未来6h云图的预测。预报方法的独立样本试验证明,预测结果与实际云图的主要特征基本吻合,尤其在预测云图的大体分布和发展趋势上得到了较好效果。     

利用全天空数字图像对北京上空云况分布特征的试验分析

利用最新获取的近两年北京上空全天空数字图像资料对云况分布做统计分析,以获得云的分布特征。工作中将图像分为9个扇区和16个环区分别进行分析,从结果看,无云(云量<1)与全天空有云天气(云量>9)情况明显占优,平均各占总量的36%,46%。除去系统误差及计算所带来的误差发现,两年中北京上空多以晴好天气(包含薄卷云)和阴天为主。上空西北部云的分布略显偏多,头顶上空云的出现概率较其他位置低,并有随天顶角增大概率增大的趋势。     

全天空图像分析西藏羊八井2009～2010年云量特征

运用西藏羊八井观测站2009～2010年近1年的高时空分辨率全天空图像资料分析了测站上空的日间云量特征。年平均总云量统计结果为5.2;冬夏季节云量分布差别明显,夏季平均云量大,冬季小;无云、少云天气多出现在冬季上午,而夏季午后满云情况较多;1～4月及11、12月(冬半年)云量日变化特征明显,上午逐步增加,至17:00(北京时间)左右到达高值,随后逐步下降,形成白天云量渐多夜间云量消散的"循环"过程。运用该地资料还分析了运用时间概率方法估算的点云量与实际云量的差异,小时平均结果显示无云及满云天气条件下二者云量一致性较高,而对中等云量天气二者相差较大。更长时间尺度(天平均)的统计对比表明,随着统计样本增加二者差距缩小。总体来看少云天气情况下点概率云量估算低于实际天空云量,当天空多云时点概率云量则大于实际天空云量。     

贵阳地区太阳紫外线辐射及其预报方法研究

对近一年的紫外线辐射观测资料分析后发现：贵阳地区紫外线辐射较强，夏季辐射量比冬委大，一天中12－15时是紫外辐射最强的时段，少云天或晴天，冬季此外线辐射指数可达5以上，属中等辐射，夏季紫外辐射指数可达8以上，属较强或很强辐射。决定紫外线辐射强度的重要因素的重要因素主要主要是纬度，当地日照时间，云量，云状，空气污染程度等。因此可以通过对云量的预报作出相应的紫外线辐射量及紫外线指数预报。     

Co-designing global target-seeking scenarios: A cross-scale participatory process for capturing multiple perspectives on pathways to sustainability

The United Nations 2030 Agenda catalysed the development of global target-seeking sustainability-oriented scenarios representing alternative pathways to reach the Sustainable Development Goals (SDGs). Implementing the SDGs requires connected actions across local, national, regional, and global levels; thus, target-seeking scenarios need to reflect alternative options and tensions across those scales. We argue that the design of global sustainability-oriented target-seeking scenarios requires a consistent process for capturing multiple and contrasting perspectives on how to reach the goals, including the perspectives from multiple scales (e.g. local, national, regional) and geographic regions (e.g. the Global South). Here we propose a novel approach to co-design global target-seeking scenarios, consisting of (a) capturing global perspectives on pathways to the SDGs through a review of existing global scenarios; (b) a multi-stakeholder process to obtain multiple sub-global perspectives on pathways to sustainability; (c) an analysis of convergences, and crucially, divergences between global and regional perspectives on pathways to reach the SDGs, feeding into the design of new target-seeking scenario narratives. As a case study, we use the results of the 2018 African Dialogue on The World in 2050, discussing the future of agriculture and food systems. The identified divergent themes emerging from our analysis included urbanization, population growth, agricultural practices, and the roles of different actors in the future of agriculture. The results challenge some of the existing underlying assumptions of the current sustainability-oriented global scenarios (e.g. population growth, urbanisation, agricultural practices), indicating the relevance and timeliness of the proposed approach. We suggest that similar approaches can be replicated in other contexts to better inform the process of sustainability-oriented scenario co-design across scales, regions and cultures. In addition, we highlight the implications of the approach for scenario quantification and the evolution of modeling tools.     

A method of automatic solar radiation integration with printed records including an assessment of its reliability

Summary Solar radiation intensity has been recorded on a single trace strip chart potentiometer and integrated automatically. The integral can be printed at frequencies from minutes to hours as required. The performance of the integration equipment has been assessed by (1) comparing chart area expected from a calibration of the printed digital output with the area as measured by planimeter and (2) estimating the scatter in the relation of chart area to printed output per hour on a number of days over periods up to a month. The errors (95% limits) are about ±1 cal cm^–2 for hourly values and ±4 cal cm^–2 for daily values.

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Zusammenfassung Die Intensität der Sonnenstrahlung wurde mit einem selbstabgleichenden Millivoltschreiber registriert und automatisch integriert. Das Integral kann nach Bedarf über Zeiten von der Größenordnung von Minuten bis Stunden gebildet werden. Die Leistungsfähigkeit des Integrators wurde abgeschätzt 1. durch Vergleich der auf Grund der Eichung des Integrators aus seinen Angaben errechneten Fläche unter der Registrierkurve mit der planimetrierten Fläche und 2. durch Abschätzung der Streuung der Werte des Zusammenhanges zwischen den pro Stunde angegebenen Integratorwerten und der Fläche auf dem Registrierstreifen an einer Anzahl von Tagen aus Perioden von einer Dauer bis zu einem Monat. Der Fehler (bei einer Genauigkeitsgrenze von 95%) liegt bet ±1 cal cm^–2 für Stundensummen und bei ±4 cal cm^–2 für Tagessummen.

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Résumé L'intensité du rayonnement solaire fut enregistrée par un millivoltmètre compensateur et intégrée automatiquement. L'intégration peut s'étendre à des temps allant de la minute à plusieurs heures. L'exactitude de l'intégrateur fut estimée 1) en comparant la surface résultant de ses indications à celle que l'on planimètre, et 2) en calculant la dispersion des écarts entre les valeurs données par heure par l'intégrateur et celles qui résultent de la planimétrie, cela pour un certain nombre de jours choisis dans des périodes pouvant atteindre le mois. L'erreur (pour un domaine de validité de 95%) est de ±1 cal cm^–2 pour des sommations horaires, de ±4 cal cm^–2 pour des sommations diurnes.

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With 4 Figures     

保守污染物水环境容量计算方法及其在大辽河流域的应用

根据保守污染物的迁移、转化特点,提出保守污染物水环境容量计算方法,并将这种方法应用于大辽河流域,得到地表水环境质量标准(GB3838-2002)中规定的各种保守污染物的水环境容量,为流域保守污染物水环境容量总量控制提供了一种技术方法。     

齐次积分方程数值求解法及在反演气溶胶谱分布上的应用

本文论述了一个数值求解齐次的第一类Fredholm积分方程的方法,并以消光系数和体积散射系数综合反演气溶胶谱分布为例,说明采用比值通道以反演气溶胶谱分布有利于消除多次散射等系统误差.本文还证明了在Junge谱分布下,不同波长的体积消光系数、散射相函数等Mie散射光学参数之比与折射率无关的特性,指出了采用比值通道能够有效地消除折射率的不确定性对于消光——小角散射法反演气溶胶谱分布的影响.     

Principles for capturing the upstream effects of deep sills in low resolution ocean models

Principles for incorporating the upstream effects of deep sills into numerical ocean circulation models using nonlinear analytical hydraulic models are discussed within the context of reduced gravity flow. A method is developed allowing the upstream influence of a numerically unresolvable deep sill or width contraction to be reproduced. The method consists of placing an artificial boundary in the numerical model's overflowing layer at some distance upstream of the actual sill or width contraction of the deep strait. Given the model state at time t, the dependent flow variables are then predicted at the artificial boundary at time t + Δt by using the method of characteristics in combination with quasi-steady hydraulic laws. The calculation requires the use of Riemann invariants and examples are given for a simple nonrotating flow and for rotating channel flow with uniform potential vorticity. The computation is considerably simplified by linearizing the relevant equations in the vicinity of the artificial boundary, resulting in a linear wave reflection problem. The reflection coefficients for the two cases are calculated and these can be used directly to numerically satisfy the boundary condition in a straightforward way.     

一种风暴轴逐日监测的方法及应用

提出了一种风暴轴逐日监测的方法, 可以获得逐日的风暴轴变化情况。并且采用了动态阈值定义了新的风暴轴的强度和位置指数, 从而可以有效对比不同层次、不同区域、不同时间的风暴轴变化情况。利用NCEP/NCAR再分析资料进行了监测结果的诊断分析。结果表明:各气象要素滤波结果都能表现出两个风暴轴主体, 但有位置上的差别。同时可以利用逐日检测的结果求得逐候、逐月的风暴轴监测结果。在不同高度的风暴轴中, 250~300 hPa高度的风暴轴强度最大, 850 hPa有极小值出现, 各层风暴轴强度呈现准正压结构。采用500 hPa高度场风暴轴监测结果做代表, 讨论了两大洋上各自的风暴轴偏强/偏弱、偏东/偏西、偏北/偏南时同期大气环流的500 hPa高度场和300 hPa纬向风场差异。     

光流法及其在临近预报中的应用

短临降水预报对于暴雨和强对流天气监测预警服务具有重要意义,使用雷达回波外推方法进行短临降水预报是目前较为常用的预报方法之一,但是传统的雷达回波外推方法普遍存在数据利用率低、外推准确性差和外推模糊等问题。针对上述问题,利用陕西全省雷达拼接数据资料,选择深度学习中编码器-解码器结构,以卷积长短期记忆网络(Convolutional Long Short-Term Memory Network, ConvLSTM)作为循环单元,构造了基于全局通道注意力的ConvLSTM预测网络(Global Channel Attention based ConvLSTM, GCA-ConvLSTM);此外,为进一步提高GCA-ConvLSTM预测网络的拟合能力,使用集成学习算法对其进行改进,通过装袋算法对数据集进行采样,训练3个GCA-ConvLSTM预测网络作为基学习器,使用加权投票策略将这3种基学习器进行有效组合,最终获得了一个性能更优的组合模型。试验结果表明,基于集成学习算法改进的GCA-ConvLSTM雷达回波外推方法与现有深度学习方法相比,提升了短临降水预报方法的准确性和时效;该方法在25 dBz、35 dBz和45 dBz反射率阈值下的评估试验中分别比对比的主流深度学习模型CSI值平均高出0.149、0.192、0.085;同时该方法的外推结果拥有更加清晰的边缘和细节性纹理,减轻了外推后期模糊问题。