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MetaPINNs:Predicting soliton and rogue wave of nonlinear PDEs via the improved physics-informed neural networks based on meta-learned optimization

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Chinese Physics B 2024年第2期33卷 96-107页

作者：郭亚楠曹小群宋君强冷洪泽 College of Meteorology and Oceanography National University of Defense TechnologyChangsha 410073China College of Computer National University of Defense TechnologyChangsha 410073China Naval Aviation University Huludao 125001China

Efficiently solving partial differential equations(PDEs)is a long-standing challenge in mathematics and physics *** recent years,the rapid development of artificial intelligence technology has brought deep learning-based methods to the forefront of research on numerical methods for partial differential *** them,physics-informed neural networks(PINNs)are a new class of deep learning methods that show great potential in solving PDEs and predicting complex physical *** the field of nonlinear science,solitary waves and rogue waves have been important research *** this paper,we propose an improved PINN that enhances the physical constraints of the neural network model by adding gradient information *** addition,we employ meta-learning optimization to speed up the training *** apply the improved PINNs to the numerical simulation and prediction of solitary and rogue *** evaluate the accuracy of the prediction results by error *** experimental results show that the improved PINNs can make more accurate predictions in less time than that of the original PINNs.

关键词： physics-informed neural networks gradient-enhanced loss function meta-learned optimization nonlinear science

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中法海洋卫星散射计风场资料融合与检验

大气科学 2024年第3期48卷 1233-1246页

作者：冷洪泽曹航胡瑞生曹小群陈祥国赵军国防科技大学气象海洋学院长沙410073

单一的海面风场资料存在观测点稀少、分布不均匀或难以覆盖全球等问题,利用多源风场资料进行融合,实现快速标准网格化,一方面可有效覆盖海面,另一方面可提升风场业务化精度。为了促进以我国自主可控散射计风场资料为主的多源海面风场融... 详细信息

单一的海面风场资料存在观测点稀少、分布不均匀或难以覆盖全球等问题,利用多源风场资料进行融合,实现快速标准网格化,一方面可有效覆盖海面,另一方面可提升风场业务化精度。为了促进以我国自主可控散射计风场资料为主的多源海面风场融合效果提升,本文收集了四种海面风场资料:浮标、船舶报、ASCAT散射计反演风场以及国产中法海洋卫星散射计(CSCAT)反演风场资料,并进行了相关的融合试验与验证。首先对比验证CSCAT散射计风场资料质量,再利用时空加权插值法和最优插值法,以CSCAT散射计资料为核心,辅以其他风场资料进行日平均全球风场融合与3 h区域风场融合,最后对融合风场进行了质量检验。试验结果表明:CSCAT散射计风场资料在数据准确度及数据稳定性上略逊于ASCAT散射计;散射计风与船舶报两种资料融合后的全球风场可以满足一定的业务化精度需求;最优插值法更适合应用于太平洋海域,时空加权插值法更适合应用于印度洋海域,在大西洋海域两种方法融合效果相近;时空加权与最优插值集成方法下的3 h区域融合风场质量较全球日平均风场更高。本融合方法实现简便、运算快捷、融合数据可靠,特别是在观测极端稀疏区域,可为需求部门快速获取高分辨率海面标准网格化风场提供一定参考。

关键词：海面风场散射计时空加权最优插值质量评价

Validation of the multi-satellite merged sea surface salinity in the South China Sea

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Journal of Oceanology and Limnology 2023年第6期41卷 2033-2044页

作者： Huipeng WANG Junqiang SONG Chengwu ZHAO Xiangrong YANG hongze leng Nan ZHOU College of Meteorology and Oceanography National University of Defense TechnologyChangsha 410073China Troop 61741 PLABeijing 100094China

Sea surface salinity(SSS)is an essential variable of ocean dynamics and climate *** Soil Moisture and Ocean Salinity(SMOS),Aquarius,and Soil Moisture Active Passive(SMAP)satellite missions all provide SSS *** European Space Agency(ESA)Climate Change Initiative Sea Surface Salinity(CCI-SSS)project merged these three satellite SSS data to produce CCI L4SSS *** validated the accuracy of the four satellite products(CCI,SMOS,Aquarius,and SMAP)using in-situ gridded data and Argo floats in the South China Sea(SCS).Compared with in-situ gridded data,it shows that the CCI achieved the best performance(RMSD:0.365)on monthly time *** RMSD of SMOS,Aquarius,and SMAP(SMOS:0.389;Aquarius:0.409;SMAP:0.391)are close,and the SMOS takes a slight advantage in contrast with Aquarius and *** discrepancies can be found near the coastline and in the shelf ***,CCI with lower RMSD(0.295)perform better than single satellite data(SMOS:0.517;SMAP:0.297)on weekly time scales compared with Argo ***,the merged CCI have the smallest RMSD among the four satellite products in the SCS on both weekly time scales and monthly time scales,which illustrates the improved accuracy of merged CCI compared with the individual satellite data.

关键词： sea surface salinity(SSS) South China Sea(SCS) Argo multi-satellite merged data validation

Application of a novel constrained wavelet threshold denoising method in ensemble-based background-error variance

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Science China(Technological Sciences) 2018年第6期61卷 809-818页

作者： HUANG QunBo LIU BaiNian ZHANG WeiMin ZHU MengBin SUN JingZhe CAO XiaoQun XING Xiang leng hongze ZHAO YanLai Academy of Ocean Science and Engineering National University of Defense Technology Changsha 410073 China College of Computer National University of Defense Technology Changsha 410073 China Weather Center of Chinese People's Liberation Army Air Force Beijing 100843 China

A more efficiem noise filtering technique is needed in ensemble data assimilation, to improve traditional spectral filtering methods that cannot reflect the local characteristics of spatial scales. In this paper, we present the design of a novel constrained wavelet threshold denoising method （CWTDNM） by introducing an improved threshold value and a new constraining parameter. The proposed method aims to filter noise swamped over different scales. We prepared an ideal experiment object based on the two-dimensional barotropic vorticity equation. A suitable wavelet basis function （i.e., Dbl 1） and the optimal number of decomposition levels （i.e., five） were first selected. The results show that, given the wavelet coefficients are constrained by the parameter, the CWTDNM can produce better filtering results with the smallest root mean square error （RMSE） compared to similar methods. In addition, the filtering accuracy of 10 ensemble sample variances using the CWTDNM is equivalent to that estimated directly from 80 ensemble samples, but with the runtime reduced to approximately one-seventh. Furthermore, a large peak signal-to-noise ratio, which implies a low RMSE, suggests that the proposed method suitably preserves most of the information after denoising.

关键词： two-dimensional wavelet threshold denoising background-error variance ensemble data assimilation (EDA)

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大涡模拟技术在航空湍流研究中的应用

空气动力学学报 2023年第8期41卷 26-43,I0001页

作者：宋君强白皓坤程彬张宁张卫民冷洪泽赵文静张泽国防科技大学气象海洋学院长沙410073 南京大学大气科学学院南京210023

航空湍流是威胁飞行安全的重要因素,它的形成机制复杂,一直是航空气象研究中的重点难点问题之一。近年来,随着大涡模拟(large eddy simulation,LES)技术的发展,LES已经成为研究航空湍流问题的重要方法。本文围绕在飞机起降阶段的飞机尾... 详细信息

航空湍流是威胁飞行安全的重要因素,它的形成机制复杂,一直是航空气象研究中的重点难点问题之一。近年来,随着大涡模拟(large eddy simulation,LES)技术的发展,LES已经成为研究航空湍流问题的重要方法。本文围绕在飞机起降阶段的飞机尾涡和低空湍流以及巡航阶段的对流湍流、山地波湍流和晴空湍流这五类航空湍流对飞机颠簸造成的影响,综述了LES技术在相关方向的研究进展,并对LES技术应用中亟需解决的问题及未来的重点研究方向进行了总结与展望。整体来看,航空湍流的LES模拟研究已经取得较大进展,高分辨率的LES可以更加明确航空湍流的来源和生命周期,显著提升了对航空湍流的机制认知和诊断预警能力。但在机制方面,对各种复杂湍流过程的相互影响机制仍然不够清楚;在数值模式技术方面,LES模拟与模式初始状态、边界条件和模式参数化方案的敏感性问题仍然有待解决。未来,LES与中尺度区域模式变网格嵌套技术、动态网格技术、集合预报与概率预报技术的发展,以及与深度学习等方法的结合都将进一步有效提升LES在航空湍流模拟方面的计算效率和预报能力。

关键词：大涡模拟飞机尾涡低空湍流对流湍流山地波湍流晴空湍流

基于RS技术的洪泽湖周边地区遥感影像信息提取

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科技广场 2013年第7期 254-256页

作者：冷燕艳杨业惠淮阴师范学院城市与环境学院江苏淮安223300

洪泽湖,中国第四大淡水湖,在江苏省西部淮河下游。本次研究的周边地区包括泗洪县、洪泽县、泗阳县、盱眙县,还有淮安市区中的一部分。本文运用遥感和地理信息系统技术,先用研究区的行政区划图对2010年遥感影像进行几何校正,再进行裁减... 详细信息

洪泽湖,中国第四大淡水湖,在江苏省西部淮河下游。本次研究的周边地区包括泗洪县、洪泽县、泗阳县、盱眙县,还有淮安市区中的一部分。本文运用遥感和地理信息系统技术,先用研究区的行政区划图对2010年遥感影像进行几何校正,再进行裁减获得洪泽湖周边范围遥感影像信息,为后期洪泽湖周边地区土地利用及生态效应影响等研究提供基础遥感信息源。

关键词：遥感技术影像镶嵌几何校正

洪泽湖周边地区生态系统服务价值对土地利用变化的响应

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淮阴师范学院学报（自然科学版） 2013年第2期12卷 149-153页

作者：张飞杨业惠冷燕燕淮阴师范学院城市与环境学院江苏淮安223300

以洪泽湖周边地区(包括淮安市淮阴区、洪泽县、盱眙县,宿迁市宿城区、泗洪县及泗阳县)1996、2005年的土地数据为基础,采用Costanza生态系统服务价值计算公式,参照谢高地的生态系统服务单价,评估了洪泽湖周边地区1996—2005年土地利用变... 详细信息

以洪泽湖周边地区(包括淮安市淮阴区、洪泽县、盱眙县,宿迁市宿城区、泗洪县及泗阳县)1996、2005年的土地数据为基础,采用Costanza生态系统服务价值计算公式,参照谢高地的生态系统服务单价,评估了洪泽湖周边地区1996—2005年土地利用变化对区域生态系统服务价值的影响.结果表明研究期内洪泽湖周边地区土地利用变化显著,并造成生态系统服务价值减少691·06×106元,水域和草地减少是生态系统服务价值下降的主要原因.因此,今后应控制减少占用水域、草地的行为,以提高生态系统的服务能力.

关键词：生态系统服务价值土地利用变化洪泽湖周边地区