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基于机器学习的云粒子相态识别算法研究

基于机器学习的云粒子相态识别算法研究

作者：徐文铎南京信息工程大学

学位级别：硕士

云粒子相态指的是云中水凝物的各种形态,主要包括雨、雪、过冷水、混合相态、冰晶等,是主要的云微物理参数之一。云中粒子相态的分布和演化对短临预报、飞机积冰等方面研究有十分重要的影响,是云微探测的重点关注领域。目前业务上常用... 详细信息

云粒子相态指的是云中水凝物的各种形态,主要包括雨、雪、过冷水、混合相态、冰晶等,是主要的云微物理参数之一。云中粒子相态的分布和演化对短临预报、飞机积冰等方面研究有十分重要的影响,是云微探测的重点关注领域。目前业务上常用的云粒子相态产品主要基于天气雷达和模糊逻辑算法。天气雷达有诸多偏振量能精细刻画粒子,但是受限于波长对小粒子不敏感。而毫米波云雷达的波长近似云粒子,是目前探测云粒子最好的手段。常用的模糊逻辑方法简单方便,但是存在一个很大的弊端,其中大量的参数需要依赖专家经验值确定,主观性强,不方便加入多源数据。神经网络从数据中学习,减少了主观性,方便加入多源数据。基于此,本文基于毫米波云雷达以及其它新型地基遥感设备的数据,利用神经网络方法进行云粒子相态识别算法研究。具体研究内容如下:1.利用北京市观象台(区站号:54511)2021年5月20日到2022年4月1日间的云雷达、微波辐射计等资料,结合模糊逻辑方法、地面站数据以及专家人工判别建立云粒子相态的数据集。2.为了缓解微波辐射计在下雨时温度跳变导致算法误识别的问题,本研究根据天气情况建立了降雨和非降雨两个DNN(Deep Neural Networks)模型,并集成使用。将该方法与模糊逻辑方法以及常规建模方式建模的DNN模型进行比较。实验结果表明,该种建模方式有效缓解了降雨时刻温度跳变导致的相态误识别。3.针对相态领域真值难以获取,但无标签数据大量存在的情况,提出了一种改进的Tri-training半监督算法。该算法利用云粒子相态领域的物理阈值减少噪声。实验结果表明,与传统Tri-training相比,该方法效果更好。4.针对单偏雷达缺乏线性退极化比,对诸如混合相态的复杂相态识别效果不佳的问题,从数据相关性的角度出发,将一个时间点的高度序列作为输入,利用序列模型Transformer来学习数据的相关性。实验结果表明,相比于DNN,本文提出的序列模型在混合相态类别的准确率上提高了4%。体现了学习数据相关性对复杂相态识别的有效性。最后,通过Stacking方法将本文提出的一系列模型融合得到性能更加优异的混合模型。5.使用本文提出的算法以及传统的模糊逻辑方法对北京市观象台(区站号:54511)典型的一次混合层状云降水和一次降雪过程进行云微物理分析。分析结果表明,本文算法的识别结果大体符合云微物理过程,相比于模糊逻辑方法,对数据质量的鲁棒性更好。

关键词：云粒子相态微波辐射计毫米波云雷达三体训练序列模型

地基遥感联合反演大气边界层高度与ERA5再分析资料比对分析

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气象 2023年第2期49卷 178-187页

作者：杨世昆杨玲张雪芬陶法何平茆佳佳焦志敏徐文铎成都信息工程大学成都610225 中国气象局大气探测重点开放实验室成都610225 中国气象局气象探测中心北京100081 南京信息工程大学南京210044

利用北京国家综合气象探测试验基地超大城市观测试验建设的地基垂直遥感设备(激光气溶胶雷达、微波辐射计及风廓线雷达),使用2021年5—8月的观测资料,根据不同设备的探测优势以及边界层的日变化规律,利用激光气溶胶雷达、微波辐射计、... 详细信息

利用北京国家综合气象探测试验基地超大城市观测试验建设的地基垂直遥感设备(激光气溶胶雷达、微波辐射计及风廓线雷达),使用2021年5—8月的观测资料,根据不同设备的探测优势以及边界层的日变化规律,利用激光气溶胶雷达、微波辐射计、风廓线雷达观测资料进行联合反演,得到全天候大气边界层高度。并将联合反演所得的边界层高度与探空资料计算及ERA5再分析资料提供的全天候大气边界层高度进行比较,发现:联合反演边界层高度与ERA5数据提供的大气边界层高度有较好的一致性;激光气溶胶雷达适用于白天对流边界层的观测,微波辐射计适用于夜间稳定边界层的观测,使用微波辐射计与风廓线雷达联合反演大气边界层高度可以改善弱降雨时单设备的反演结果;联合反演的大气边界层高度结果与单设备反演大气边界层高度均符合大气边界层的日变化规律;得到的联合反演边界层高度与探空数据计算得到的大气边界层高度差值的标准偏差为62 m,相较于ERA5数据提供的一定范围内大气边界层高度均值,联合反演边界层高度能更精准地反映更小范围内的大气边界层高度。

关键词：地基垂直遥感激光气溶胶雷达微波辐射计风廓线雷达联合反演大气边界层高度

中国东北地带性顶极植被类型及其预测判别模型——动态地植物学说的继承与发展(Ⅰ)

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应用生态学报 1992年第3期7卷 215-222页

作者：徐文铎常禹中国科学院沈阳应用生态研究所沈阳110015

本文根据刘慎谔的动态地植物学说原理,采用主成分分析法(PCA)和多组判别分析法(MGDA)研究了东北地区地带性顶极植被类型与气候指标的关系:1)以东北地区210个气象站的7个气象因子为变量,组成210×7矩阵,用PCA方法进行分类和排序,其结果... 详细信息

本文根据刘慎谔的动态地植物学说原理,采用主成分分析法(PCA)和多组判别分析法(MGDA)研究了东北地区地带性顶极植被类型与气候指标的关系:1)以东北地区210个气象站的7个气象因子为变量,组成210×7矩阵,用PCA方法进行分类和排序,其结果明显划分7个地带性顶极植被类型,2)影响地带性顶极植被类型的形成和分布的气候因子,主要是热量和水分条件以及二者的组合状况;3)确定了7个地带性顶极植被类型的水热指数分布范围和特征;4)采用MGDA法建立了判别函数模型,预测了东北地区地带性顶极植被类型,其准确率可达90.32％。

关键词：顶极植被类型地带性预测判别模型

东北地带性植被建群种及常见种的分布与水热条件关系的初步研究

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Journal of Integrative Plant Biology 1983年第3期25卷 264-274页

作者：徐文铎中国科学院林业土壤研究所

本文用定量方法,研究了东北地带性植被建群种及常见种的分布与水热条件之间的关系。确定了它们水热指标分布的范围和类群以及分布特点,并探讨了东北地区的植被带水热指标值。

关键词：常见种初步研究水热条件建群种地带性植被显域植被混交林混合林暖温带落叶阔叶林

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中国东北植被生态学研究中的焦点问题

应用生态学报 2004年第10期15卷 1711-1721页

作者：邹春静徐文铎中国科学院沈阳应用生态研究所

中国东北植被经过半个多世纪的系统研究 ,但有关植被生态学一些争论性问题尚未统一 .本文仅就作者近年来研究工作涉及到的内容和关注的问题 ,提出一些看法 :1)中国东北植被地带性分布规律可用Kira的温暖指数 (WI)、寒冷指数 (CI)和作者... 详细信息

中国东北植被经过半个多世纪的系统研究 ,但有关植被生态学一些争论性问题尚未统一 .本文仅就作者近年来研究工作涉及到的内容和关注的问题 ,提出一些看法 :1)中国东北植被地带性分布规律可用Kira的温暖指数 (WI)、寒冷指数 (CI)和作者的湿度指数 (HI)进行定量解释 .2 )大兴安岭北部山地 ,在海拔14 0 0m以上存在冻原植被 ,是作者于 196 3年首次发现的我国第三块冻原植被 ,其WI 7 5mm/℃·月 .大兴安岭东麓阔叶林是森林草原带上的森林植被类型 .5 )东北东部山地岳桦林是山地植被垂直带谱重要组成部分之一 ,是山地森林垂直分布林线 ,WI为 2 0～ 15℃·月为地带性植被类型 ,而WI>2 0℃·月为非地带性植被类型 .6 )内蒙古浑善达克沙地云杉林是陆地上非常罕见的森林生态系统类型 ,但这种云杉林究竟是哪一树种组成 ,在中国植物分类上一直是个争论性问题 ,作者通过核型分析和同工酶实验进一步证明是一个新种即沙地云杉Piceamongolica(H .Q .Wu)W .D .

关键词：中国东北植被生态地理规律热量指数湿度指数

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外来入侵植物牛膝菊种群构件生物量结构

应用生态学报 2006年第12期17卷 2283-2286页

作者：齐淑艳徐文铎文言沈阳大学生物与环境工程学院沈阳110044 中国科学院沈阳应用生态研究所沈阳110016

牛膝菊原产南美洲,为沈阳地区爆发式入侵种.本文从构件水平研究了牛膝菊种群各构件生物量结构特征和各构件生物量间的关系模型,并进行了定量分析.结果表明,牛膝菊种群各构件生物量之间关系为茎>叶>花序>根.各构件生物量在个体生物量中... 详细信息

牛膝菊原产南美洲,为沈阳地区爆发式入侵种.本文从构件水平研究了牛膝菊种群各构件生物量结构特征和各构件生物量间的关系模型,并进行了定量分析.结果表明,牛膝菊种群各构件生物量之间关系为茎>叶>花序>根.各构件生物量在个体生物量中所占比率表现为茎>叶>根>花序.牛膝菊种群茎生物量和叶生物量与植株高度、根生物量、花序生物量之间都呈显著的正相关关系,均可用幂函数模型较好地表达.

关键词：外来入侵植物牛膝菊构件生物量

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沈阳东陵区油松栎林群落数量特征的研究

北京林业大学学报 2005年第6期27卷 36-42页

作者：陈玮徐文铎中国科学院沈阳应用生态研究所

该文以沈阳市东陵区油松栎林群落为对象,分析了群落数量特征.结果表明,油松栎林群落共有种子植物161种,分属49科121属,区系组成丰富.在植物区系地理成分上,种的分布类型以温带性质居多,共143种,占总种数的88.82%,表明了群落植物区系组... 详细信息

该文以沈阳市东陵区油松栎林群落为对象,分析了群落数量特征.结果表明,油松栎林群落共有种子植物161种,分属49科121属,区系组成丰富.在植物区系地理成分上,种的分布类型以温带性质居多,共143种,占总种数的88.82%,表明了群落植物区系组成的温带亲缘关系.在群落结构上,油松栎林群落以地面芽植物最多,占36.02%.群落可分为乔木层、灌木层和草本层3个层次.利用Ievins和MacArthus指数测算了群落10个木本植物的生态位宽度和生态位重叠,以榆树、山里红、油松和卫矛有较大的生态位宽度值,分别为0.519 3、0.491 6、0.481 7和0.459 4.油松与其他树种种间具有较大的生态位重叠,它在群落中占有相当重要地位,稠李同其他树种间的生态位重叠值较小,形成了局部小生境地段的优势种;种间联结性以山里红与黄菠萝呈显著正关联外,其他种对联结性都较低.

关键词：油松栎林群落特征区系成分生态位种间联结

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沈阳城市森林凋落物数量及动态

应用生态学报 2012年第11期23卷 2931-2939页

作者：徐文铎陈玮何兴元徐胜张粤闻华中国科学院沈阳应用生态研究所森林与土壤生态国家重点实验室沈阳110164

在沈阳城市森林中设置20个样点,2005—2007年连续3年进行了森林凋落物数量和动态的观测.结果表明:研究期间,20个1m2凋落物收集器中共收集30种树种凋落叶,占研究区树种的15.5%,种群个体数量和叶面积分别占研究区内树木的63.8%和69.9%.叶... 详细信息

在沈阳城市森林中设置20个样点,2005—2007年连续3年进行了森林凋落物数量和动态的观测.结果表明:研究期间,20个1m2凋落物收集器中共收集30种树种凋落叶,占研究区树种的15.5%,种群个体数量和叶面积分别占研究区内树木的63.8%和69.9%.叶凋落量与该树种的叶面积呈显著正相关.不同树种的叶片凋落开始时间相差很大,落叶开始时间早的树种,落叶结束时间也提前.落叶开始时间与落叶持续时间和落叶结束时间极显著相关.年平均凋落量为4229.0kg·hm-2,其中叶、枝和花果的凋落量分别占总凋落量的80.3%、11.0%和8.7%.凋落物的季节变化呈单峰型曲线,10月达到最大值,约占总凋落量的50.0%.大量凋落物为城市森林提供了营养物质和能量.

关键词：凋落物凋落格局年凋落量城市森林沈阳市

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内蒙古沙地云杉分类的研究

植物研究 1994年第1期14卷 59-68页

作者：徐文铎李维典郑沅中国科学院沈阳应用生态研究所沈阳师范学院

内蒙古沙地云杉究竟是哪一种，在植物分类学上是一个争论性问题。本文通过三种云杉的形态解剖比较、栽培实验观察、同工酶和核型分析以及生态地理分布的研究，结果表明，内蒙古沙地云杉既不同于红皮云杉（Ｐｉｃｅａｋｏｒａｉｅｎｓｉ... 详细信息

内蒙古沙地云杉究竟是哪一种，在植物分类学上是一个争论性问题。本文通过三种云杉的形态解剖比较、栽培实验观察、同工酶和核型分析以及生态地理分布的研究，结果表明，内蒙古沙地云杉既不同于红皮云杉（ＰｉｃｅａｋｏｒａｉｅｎｓｉｓＮａｋａｉ），也不同于白扦云杉（ＰｉｃｅａｍｅｙｅｒｉＲｅｈｄ．ｅｔＷｉｌｓ．），应划分为一个独立种更为合适，即将原来发表为白扦云杉的变种新组合之为独立的种，沙地云杉（ＰｉｃｅａｍｏｎｇｏｌｉｃａＨ．Ｑ．Ｗｕ）Ｗ．Ｄ．Ｘｕ（ＰｉｃｅａｍｅｙｅｒｉＶａｒ．ｍｏｎｇｏｌｉｃａＨ．Ｑ．Ｗｕ）。

关键词：内蒙古沙地云杉分类