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大气边界层模式中随机参数的反演与不确定性分析 预览
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作者 颜冰 冯径 《物理学报》 CSCD 北大核心 2018年第19期363-373,共11页
在大气边界层气象中湍流黏性系数是一个很重要的参数,通过直接观测往往无法得到其准确值,仅能通过间接观测获得大致范围.本文选用随机广义Ekman动力近似模式中的湍流黏性系数进行反演研究与不确定性分析.首先利用风速观测数据,并采用基... 在大气边界层气象中湍流黏性系数是一个很重要的参数,通过直接观测往往无法得到其准确值,仅能通过间接观测获得大致范围.本文选用随机广义Ekman动力近似模式中的湍流黏性系数进行反演研究与不确定性分析.首先利用风速观测数据,并采用基于混沌多项式的集合Kalman滤波方法对系数进行反演,降低其不确定性,缩小可能取值的范围,该方法的核心思想是将集合Kalman滤波方法中求解模式不确定性传播的方法由蒙特卡罗法改为混沌多项式展开,从而避免大规模采样带来的计算资源耗费.然后进行数值实验,结果表明该方法能够有效且快速地求解出湍流黏性的后验概率分布,从而达到降低系数不确定性的目的.根据系数的先验分布计算出风速的先验分布,从而找到风速不确定性大的区域,且揭示了在不确定性大的区域内的观测数据进行系数反演可得到十分明显的效果,这对于观测点位置的选择提供了重要的指导. 展开更多
关键词 混沌多项式展开 集合KALMAN滤波 随机广义Ekman动量近似模式 不确定性
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基于能量最小化的星载SAR图像建筑物分割方法 预览 被引量:4
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作者 周则明 孟勇 +1 位作者 胡宝鹏 《自动化学报》 EI CSCD 北大核心 2016年第2期279-289,共11页
针对星载合成孔径雷达(Synthetic aperture radar,SAR)图像信噪比低、建筑物目标几何变形大以及周围背景复杂的特点,本文提出了一种基于能量最小化的星载SAR图像建筑物分割方法.基于星载SAR图像数据构造条件概率能量项,推动变形曲线... 针对星载合成孔径雷达(Synthetic aperture radar,SAR)图像信噪比低、建筑物目标几何变形大以及周围背景复杂的特点,本文提出了一种基于能量最小化的星载SAR图像建筑物分割方法.基于星载SAR图像数据构造条件概率能量项,推动变形曲线向建筑物目标边界演化;在能量泛函模型中定义长度能量项以保证变形曲线的平滑;在水平集方法获取的SAR图像初始分割结果的基础上,以高分辨率光学遥感影像中建筑物目标的轮廓作为先验信息,构造先验形状能量项约束曲线在第二阶段的演化,最终实现SAR图像建筑物的分割.实验结果表明,该方法显著提高了建筑物目标轮廓的分割精度. 展开更多
关键词 星载SAR图像 建筑物分割 能量最小化 先验形状
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基于COSMIC资料的边界层高度时空特征分析 预览 被引量:1
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作者 廖麒翔 赵小峰 +2 位作者 石汉青 项杰 《气象科学》 北大核心 2015年第6期737-743,共7页
利用2007-2012年的COSMIC掩星折射率资料,结合改进的折射率断点法,分析了全球海上边界层高度的季节、日变化特征,并引入尖锐系数对结果进行了评估。边界层高度大值区水平分布呈纬向不对称,中低纬度地区的几个区域边界层最高,由赤... 利用2007-2012年的COSMIC掩星折射率资料,结合改进的折射率断点法,分析了全球海上边界层高度的季节、日变化特征,并引入尖锐系数对结果进行了评估。边界层高度大值区水平分布呈纬向不对称,中低纬度地区的几个区域边界层最高,由赤道向南北两极递减。在副热带高压控制的部分地区,边界层高度季节变化不明显,而在大陆西海岸的盛行层状云地区,表现出一定的季节变化特征。边界层高度的日变化相对较弱,并且在不同地区略有差异。尖锐系数的评估结果表明:尖锐系数在亚热带最大,折射率断点法能获取准确的边界层高度,而在赤道辐合带和南太平洋辐合带最小,边界层高度定义相对模糊。 展开更多
关键词 COSMIC 边界层高度 季节变化 日变化
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全球风场构建涡度、散度的新方法
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作者 关吉平 张立凤 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2014年第17期428-435,共8页
目前在数值预报中通常利用风场借助于差分方法来构建涡度和散度场,这个问题涉及到观测资料求微分的问题,从数学上来说,此问题是不适定的.在有限区域上构建时可以采用一维数值微分来实现,但此方法在端点部分的资料必须是精确的,本... 目前在数值预报中通常利用风场借助于差分方法来构建涡度和散度场,这个问题涉及到观测资料求微分的问题,从数学上来说,此问题是不适定的.在有限区域上构建时可以采用一维数值微分来实现,但此方法在端点部分的资料必须是精确的,本文提出了新的方法,该方法借助于周期函数的一维数值微分,并用该方法应用到全球风场构建涡度、散度中去,同时与通常的差分方法进行了比较,利用涡度、散度计算了流函数和势函数,然后用流函数和势函数重构初始风场.结果表明,本文提出的方法算法稳定、可行且计算精度比差分方法高,为应用到全球气象资料的诊断分析及预报中提出了新的思路. 展开更多
关键词 风场 涡度 散度 数值微分
中国近海海面风场的时空特征分析 被引量:6
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作者 陈心一 郝增周 +3 位作者 潘德炉 龚芳 施东升 《海洋学研究》 北大核心 2014年第1期1-10,共10页
本文利用1987年9月一2013年9月连续26a的多源卫星融合数据,用经验正交函数方法(EOF)分析中国近海海面风场变化特征。分析结果指出中国近海海面风场的第一模态占总方差贡献的63.94%,呈现为冬一夏季风振荡类型,揭示了中国近海风场... 本文利用1987年9月一2013年9月连续26a的多源卫星融合数据,用经验正交函数方法(EOF)分析中国近海海面风场变化特征。分析结果指出中国近海海面风场的第一模态占总方差贡献的63.94%,呈现为冬一夏季风振荡类型,揭示了中国近海风场的季节变化特征;第二模态占总方差贡献的12.35%,呈现为春一秋振荡类型,反映了冬季风和夏季风过渡时期的变化特征;第三模态占总方差贡献的3.49%,呈现出近似半年周期的波动,体现了中国近海风场季节内变化的特征。 展开更多
关键词 中国近海 多源卫星 海面风场 EOF
Ocean internal waves interpreted as oscillation travelling waves in consideration of ocean dissipation
6
作者 姜祝辉 +1 位作者 游小宝 肖义国 《中国物理B:英文版》 SCIE EI CAS CSCD 2014年第5期52-59,共8页
Most studies of the synthetic aperture radar remote sensing of ocean internal waves are based on the solitary wave solutions of the Korteweg–de Vries(KdV) equation, and the dissipative term in the KdV equation is not... Most studies of the synthetic aperture radar remote sensing of ocean internal waves are based on the solitary wave solutions of the Korteweg–de Vries(KdV) equation, and the dissipative term in the KdV equation is not taken into account.However, the dissipative term is very important, both in the synthetic aperture radar images and in ocean models. In this paper, the traveling-wave structure to characterize the ocean internal wave phenomenon is modeled, the results of numerical experiments are advanced, and a theoretical hypothesis of the traveling wave to retrieve the ocean internal wave parameters in the synthetic aperture radar images is introduced. 展开更多
关键词 海洋内波 耗散项 行波 合成孔径雷达图像 KdV方程 振荡 审议 雷达遥感
多参数背景场误差模型在散射计资料台风风场反演中的应用 被引量:1
7
作者 钟剑 费建芳 +2 位作者 小刚 程小平 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2013年第15期575-581,共7页
利用散射计资料反演海面风场时,台风区域普遍存在降雨使得风场反演误差很大,引入降雨地球物理模型函数(GMF+Rain)及多解方案(MSS),结合二维变分(2DVAR)模糊去除思想风速反演误差很大程度减小,但风向反演误差仍有待进一步改善,如... 利用散射计资料反演海面风场时,台风区域普遍存在降雨使得风场反演误差很大,引入降雨地球物理模型函数(GMF+Rain)及多解方案(MSS),结合二维变分(2DVAR)模糊去除思想风速反演误差很大程度减小,但风向反演误差仍有待进一步改善,如何进一步减小风向反演误差有待进一步研究.文章介绍了2DVAR模糊去除方法的基本思想,针对背景场误差较大时,2DVAR模糊去除风向误差较大,引入包含若干参数的背景场误差模型.基于台风个例数值试验结果,着重从理论分析角度讨论各参数关于2DVAR模糊去除效果的敏感性,进而提出最优参数设置方案以改善风向模糊去除效果.2006年"摩羯"台风QuikSCAT数据风场反演数值试验结果结合理论分析表明:引入多参数误差模型,通过设置粗糙误差概率等于0,2DVAR风向模糊去除效果明显改善;同时,背景场的影响可通过增大背景场误差方差,减小背景场误差相关尺度和减小粗糙误差概率而减小,进而减小在背景场误差较大情况下的风向反演误差. 展开更多
关键词 台风风场反演 二维变分 多参数误差模型 散射计资料
大气波导条件下雷达海杂波功率仿真 被引量:2
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作者 赵小峰 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2013年第9期540-546,共7页
考虑近海面大气折射率垂直梯度的变化,采用曲面波频谱估计方法(CWSE)计算掠射角,并结合修正的GIT海表反射率模型和雷达距离方程对大气波导条件下雷达海杂波功率进行仿真,最后通过数值实验及与实测数据比较,验证了CWSE方法的可行性.
关键词 大气波导 雷达海杂波 曲面波频谱估计
基于变分方法的有限区域风场分解与重构I:理论框架和仿真实验 被引量:2
9
作者 赵延来 杜华栋 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2013年第3期528-536,共9页
众所周知,风场分解与重构最有效的方法就是引入速度势和流函数,其一般通过求解两个Poisson方程得到.由于速度势和流函数在边界上的耦合性质,有限区域风场分解是不唯一的,这对风场分解带来了很大困难.本文采用变分伴随结合正则化方法来... 众所周知,风场分解与重构最有效的方法就是引入速度势和流函数,其一般通过求解两个Poisson方程得到.由于速度势和流函数在边界上的耦合性质,有限区域风场分解是不唯一的,这对风场分解带来了很大困难.本文采用变分伴随结合正则化方法来克服风场分解的不唯一性,其核心是把速度势和流函数的边值作为控制变量来反演.目标泛函由两部分组成,一是衡量重构风场误差大小的观测项;二是保证风场分解问题适定的正则化项,其目的在于寻求具有气象意义的稳定正则化解.数值试验结果表明,在正确选取正则化参数后,利用变分伴随结合正则化方法进行有限区域风场分解与重构是有效可行的. 展开更多
关键词 变分伴随方法 正则化 速度势和流函数 风场分解和重构
三维变分同化中多变量平衡约束设计 预览 被引量:7
10
作者 赵延来 +1 位作者 张维峰 杜华栋 《大气科学学报》 CSCD 北大核心 2013年第3期277-285,共9页
在现代变分同化系统中,背景场误差协方差起着决定观测信息的空间分布特征、匹配不同变量间的关系和保证分析增量平衡的作用。基于NMC(National Meteorology Centre)方法,设计了一个新的多变量平衡约束算子:在物理变换中,构建相对... 在现代变分同化系统中,背景场误差协方差起着决定观测信息的空间分布特征、匹配不同变量间的关系和保证分析增量平衡的作用。基于NMC(National Meteorology Centre)方法,设计了一个新的多变量平衡约束算子:在物理变换中,构建相对湿度和其余控制变量间的平衡约束算子;同时分别采用经验正交函数方法和递归滤波器来模拟控制变量(ψ,Xu,Tu,hru,Psu)^T的垂直误差协方差和水平误差协方差。利用2009年6月2日到8月9日间WRF模式的预报差值场,对新的背景场误差协方差进行模拟分析。单点观测试验表明,新的背景场误差协方差实现了观测信息在干湿变量之间的传递,而且相对湿度具有与温度相似的增量场分布。 展开更多
关键词 背景场误差协方差 NMC方法 多变量平衡约束
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云导风的初步探究
11
作者 杨平吕 刘祥余 +3 位作者 郭付才 彭新伟 项杰 《数学的实践与认识》 CSCD 北大核心 2013年第15期163-174,共12页
摘要:针对云导风反演算法进行了深入研究.通过分析卫星云图的灰度特性和纹理特征,提出了基于最大灰度和梯度交叉相关系数的云导风反演方法.依据最大信息熵准则自适应调整窗口大小,根据NCEP数值预报产品指定风矢高度.实验结果表明... 摘要:针对云导风反演算法进行了深入研究.通过分析卫星云图的灰度特性和纹理特征,提出了基于最大灰度和梯度交叉相关系数的云导风反演方法.依据最大信息熵准则自适应调整窗口大小,根据NCEP数值预报产品指定风矢高度.实验结果表明,方法有效提高了反演的义精度和效率. 展开更多
关键词 云导风 最大交叉相关系数 信息熵 双线性插值
New method to solve electromagnetic parabolic equation 预览
12
作者 赵小峰 康林春 《应用数学和力学:英文版》 SCIE EI 2013年第11期1373-1382,共10页
This paper puts forward a new method to solve the electromagnetic parabolic equation(EMPE)by taking the vertically-layered inhomogeneous characteristics of the atmospheric refractive index into account.First,the Fouri... This paper puts forward a new method to solve the electromagnetic parabolic equation(EMPE)by taking the vertically-layered inhomogeneous characteristics of the atmospheric refractive index into account.First,the Fourier transform and the convolution theorem are employed,and the second-order partial diferential equation,i.e.,the EMPE,in the height space is transformed into first-order constant coefcient diferential equations in the frequency space.Then,by use of the lower triangular characteristics of the coefcient matrix,the numerical solutions are designed.Through constructing analytical solutions to the EMPE,the feasibility of the new method is validated.Finally,the numerical solutions to the new method are compared with those of the commonly used split-step Fourier algorithm. 展开更多
关键词 抛物方程 电磁 二阶偏微分方程 常系数微分方程 分步傅里叶算法 大气折射率 抛物线方程 傅立叶变换
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模式误差弱约束四维变分同化研究 被引量:2
13
作者 钟剑 费建芳 +1 位作者 杜华栋 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2012年第14期543-550,共8页
经典四维变分同化(four dimensional variational data assimilation,简称4dvar)中认为模式是完美的,而实际数值模式中存在的模式误差将对变分同化效果产生直接影响,弱约束4dvar的提出为4dvar中考虑模式误差的影响提供了一种可行途径... 经典四维变分同化(four dimensional variational data assimilation,简称4dvar)中认为模式是完美的,而实际数值模式中存在的模式误差将对变分同化效果产生直接影响,弱约束4dvar的提出为4dvar中考虑模式误差的影响提供了一种可行途径.研究了基于模式误差控制变量的弱约束4dvar基本理论,并在一维浅水方程组中对其同化效果及估计模式误差的有效性进行相关数值实验研究.结果表明,在模式误差不可忽略的情况下,模式误差弱约束4dvar在整个区间(包括同化区间和预报区间)上预报误差均比传统.4dvar小,在模式误差相对较大时改进效果更明显,具有明显优越性:并且,模式误差弱约束4dvar能有效估计模式误差大小及分布形式. 展开更多
关键词 模式误差 弱约束四维变分同化 一维浅水方程组
大气廓线参数反演中基于大气可反演指数的正则化参数选择方法
14
作者 何明元 杜华栋 +1 位作者 龙智勇 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2012年第2期 289-295,共7页
以大气可反演指数为指标,采用Nelder-Mead单纯形法求解方法,提出了一种卫星遥感资料反演大气廓线算法中动态的正则化参数选择方案.同时针对四条典型区域廓线,进行了选择试验.从选择结果看,不同廓线所对应的最优正则化参数变化幅度非常小... 以大气可反演指数为指标,采用Nelder-Mead单纯形法求解方法,提出了一种卫星遥感资料反演大气廓线算法中动态的正则化参数选择方案.同时针对四条典型区域廓线,进行了选择试验.从选择结果看,不同廓线所对应的最优正则化参数变化幅度非常小,因此在实际反演过程中,为提高计算效率,可近似取正则化参数为固定值.这为利用卫星遥感资料进行大气廓线反演问题中正则化参数的选择提供了一种可借鉴的方法. 展开更多
关键词 最小信息解 正则化参数 大气可反演指标
基于光的波粒二象性猜想的数学仿真
15
作者 周晨腾 杨升高 +2 位作者 李宝强 项杰 《数学的实践与认识》 CSCD 北大核心 2012年第14期43-51,共9页
针对2011年全国研究生数学建模竞赛A题,研究光子的内在性质,在两种波粒二象性猜想的基础上,解释并建立了光微子衍射发生概率模型、光电磁场双缝干涉模型以及光电磁场的偏振过程,并设计蒙特卡洛验证算法和编写仿真软件进行实验,较... 针对2011年全国研究生数学建模竞赛A题,研究光子的内在性质,在两种波粒二象性猜想的基础上,解释并建立了光微子衍射发生概率模型、光电磁场双缝干涉模型以及光电磁场的偏振过程,并设计蒙特卡洛验证算法和编写仿真软件进行实验,较为完整地回答了提出的问题. 展开更多
关键词 光微子模型 光电磁场模型 蒙特卡洛算法 衍射 偏振原理
遗传算法结合正则化方法反演海洋大气波导 被引量:3
16
作者 何然 +1 位作者 周晨腾 姜祝辉 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2012年第4期 504-511,共8页
针对正则化方法在解决实际反演问题时既能克服问题的不适定性又可以很大程度上抑制噪声和误差的传播,本文提出了利用遗传算法结合正则化方法的新算法,在遗传算法适应度函数中引入正则化项来反演波导参数;然后对算法进行仿真试验,结果表... 针对正则化方法在解决实际反演问题时既能克服问题的不适定性又可以很大程度上抑制噪声和误差的传播,本文提出了利用遗传算法结合正则化方法的新算法,在遗传算法适应度函数中引入正则化项来反演波导参数;然后对算法进行仿真试验,结果表明新算法与传统遗传算法相比具有较高的反演精度,并指出当噪声误差小于10%时,算法具有较强的"去噪"性能;最后利用机载雷达在Wallops岛探测的海表面处局部回波资料进行反演试验,将反演结果与实测大气折射率廓线进行比较,说明该算法的有效性.新方法为海洋大气波导反演研究提供了一种新思路. 展开更多
关键词 遗传算法 正则化 反演 大气波导
一种用于合成孔径雷达图像相干斑抑制的双边滤波参数配置新方法 被引量:3
17
作者 李金才 +1 位作者 彭宇行 张卫民 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2012年第11期565-569,共5页
基于最优折衷假设以及等效视数曲线和边缘保持指数曲线的单调特性,提出了一种用于合成孔径雷达(SAR)图像相干斑抑制的双边滤波参数配置新方法.该方法与传统方法相比,在计算时间相当的情况下,灰度值近似方差精度提高一个数量级;当灰度... 基于最优折衷假设以及等效视数曲线和边缘保持指数曲线的单调特性,提出了一种用于合成孔径雷达(SAR)图像相干斑抑制的双边滤波参数配置新方法.该方法与传统方法相比,在计算时间相当的情况下,灰度值近似方差精度提高一个数量级;当灰度值近似方差精度相同时,计算时间减少一个数量级. 展开更多
关键词 双边滤波 合成孔径雷达 相干斑抑制 参数配置
散射计资料对台风海平面气压场的反演和定位的新方法研究
18
作者 张亮 杜华栋 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2011年第11期 792-801,共10页
文章首先利用QuikSCAT散射计获取的海面风场资料,利用华盛顿大学行星边界层(UWPBL)模式对台风海平面气压场进行反演(称为直接反演),并对其强度进行了分析;然后对获取的海面风场,采用变分方法对风场进行分解,分解出无旋和有旋风场,... 文章首先利用QuikSCAT散射计获取的海面风场资料,利用华盛顿大学行星边界层(UWPBL)模式对台风海平面气压场进行反演(称为直接反演),并对其强度进行了分析;然后对获取的海面风场,采用变分方法对风场进行分解,分解出无旋和有旋风场,对分解出的有旋风场,再利用UWPBL模式对魔羯台风的海平面气压场进行了反演,对所得结果与通常直接反演、NCEP海平面气压场及台风报文资料进行一一对比,结果表明:新的反演定位的方法对台风海平面气压场中心气压的定位精度有了进一步的提高,此种定位的方法为散射计资料在台风中的实际应用开辟了一条新的思路. 展开更多
关键词 散射计风场 变分方法 台风 海平面气压场
垂直天线阵观测信息反演大气折射率廓线 被引量:1
19
作者 赵小峰 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2011年第11期 802-811,共10页
利用垂直天线阵观测得到的电磁场信息建立目标泛函,从电磁波抛物方程传播模式出发,利用偏微分方程最优控制中的伴随方法研究大气折射率廓线反演问题.针对反演的不适定性,采用正则化思想对目标泛函进行改造,并根据变分同化思想构建反演... 利用垂直天线阵观测得到的电磁场信息建立目标泛函,从电磁波抛物方程传播模式出发,利用偏微分方程最优控制中的伴随方法研究大气折射率廓线反演问题.针对反演的不适定性,采用正则化思想对目标泛函进行改造,并根据变分同化思想构建反演迭代格式.数值模拟试验验证了理论算法的可行性.由于采用分步Fourier算法求解电磁波抛物方程传播模式和伴随模式过程中产生的固有误差随着传播距离的增加累积增大,反演廓线在传播距离较远时不能收敛于观测廓线.在这种情况下,引入较好的初猜廓线和背景场可以有效地改进反演结果. 展开更多
关键词 大气折射率 电磁波抛物方程 变分伴随 正则化
Vandemark-Chapron算法与Young算法联合反演Jason-1雷达高度计海面风速方法研究 预览
20
作者 姜祝辉 +2 位作者 郭洪涛 赫英明 尹志泉 《海洋通报》 CAS CSCD 北大核心 2011年第6期 679-682,共4页
针对现行业务运行的雷达高度计风速反演算法只考虑0~20 m/s的缺陷,提出了VC算法(Vandemark-Chapron Algorithm)与Young算法联合反演高度计海面风速的方法,通过对Jason-1资料的统计试验,确定了后向散射截面临界点,当高度计后向散射截... 针对现行业务运行的雷达高度计风速反演算法只考虑0~20 m/s的缺陷,提出了VC算法(Vandemark-Chapron Algorithm)与Young算法联合反演高度计海面风速的方法,通过对Jason-1资料的统计试验,确定了后向散射截面临界点,当高度计后向散射截面大于等于该临界点时采用VC算法反演风速,反之采用Young算法反演风速,统计试验亦校准了Young算法因仪器参数不同而引起的观测偏差。选取了Jason-1高度计经过珊珊台风中心的一个个例进行试验。试验结果表明,单纯使用VC算法使得反演结果严重偏低,校准后的Young算法进行20~40 m/s风速反演能够有效的提高反演精度。分析过程中进一步证实了利用Young算法反演20~40 m/s风速的有效性。 展开更多
关键词 高度计 风速反演 校准
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