110232201 - 通信原理-2017

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单向分布式视频编码中迭代相关性噪声细化方法

单向分布式视频编码中迭代相关性噪声细化方法

单向分布式视频编码中迭代相关性噪声细化方法王建鹏;宋娟;刘欢【摘要】针对单向分布式视频编码(UDVC),文中提出了迭代相关性噪声细化方法.在迭代解码过程中,利用上次解码的重构系数对相关性噪声进行细化,提高相关性噪声的估计精度,并且在细化过程中根据系数的解码可靠性对残差进行分类加权细化来避免错误解码系数对细化的误导.实验结果表明,经过相关性噪声细化后,重构帧中由于码率欠估计导致的质量退化问题得到了明显的改善,不同视频序列重构WZ帧的平均峰值信噪比(PSNR)可以提高0.32~0.13dB;和未细化的单向DVC相比,文中基于相关性噪声细化的单向DVC系统的整体平均PSNR也提高了约0.21 dB.【期刊名称】《华南理工大学学报(自然科学版)》【年(卷),期】2019(047)004【总页数】8页(P27-34)【关键词】单向分布式视频编码;迭代解码;相关性噪声;噪声细化;分类【作者】王建鹏;宋娟;刘欢【作者单位】河海大学常州校区数理教学部,江苏常州213022;西安电子科技大学人工智能学院,陕西西安710071;西安电子科技大学计算机科学与技术学院,陕西西安710071;西安电子科技大学计算机科学与技术学院,陕西西安710071【正文语种】中文【中图分类】TN919.81近年来,传统的视频编码如H.264标准等[1]被广泛应用.传统的视频编码方法大多在编码端进行运动估计和预测编码,编码端复杂度是解码端的5~10倍.这样的编码框架非常适用于一次编码、多次解码的应用领域,如广播、流媒体等.但是近年来出现的一些新兴应用如无线传感器网络、无线视频监控等,其计算能力与内存大小受限,要求编码端复杂度尽可能低,对传统的视频编码框架提出了很大的挑战. 在以上新兴应用领域的推动下,分布式视频编码(DVC)[2]近年来得到了快速的发展.DVC基于20世纪70年代提出的两大理论Slepian-Wolf[3]和Wyner-Ziv[4]定理,在编码端对视频帧独立编码,而仅仅在解码端联合解码,经定理证明可以达到和联合编码-联合解码相当的压缩性能.DVC将运动估计等模块转移到了解码端,极大降低了编码端的复杂度.目前最常用的DVC框架为斯坦福视频研究小组提出的变换域Wyner-Ziv(TDWZ)视频编码[5],随后又被DISCOVER(DIStributed COding for Video sERvices)[6]小组在边信息估计、最优重构,在线相关性估计等方面进行了改进,成为了DVC研究的基准.由于DVC对视频帧独立编码,而在解码端利用相关性联合解码,因此DVC编码端并不知道该为每一帧分配多少码率才可以正确解码,大多数DVC系统都是通过反馈信道(FC)在解码端控制码率,即持续发送码流并通过FC反馈解码结果直到解码正确为止.这样的码率控制机制不适用于不存在FC或对实时性要求比较高的场合.这种DVC系统需要FC进行双向传输,因此被称为双向DVC.很多研究学者包括文中作者提出了编码端的码率控制方法[7- 10],完全去除了FC,实现了单向分布式视频编码(UDVC).Song等[7]提出在编码端以极低的复杂度估计近似边信息用于编码端码率估计;Hu等在文献[8- 9]中采用伪随机码置乱的方式估计每个WZ块的码率,避免在编码端估计边信息,进一步降低了编码复杂度.但是由于UDVC仍然对每一帧独立编码,导致编码端码率估计不够准确,难免会出现码率欠估计或过估计的情况,导致重构质量退化.得益于DVC的不对称编码结构,可以仅仅通过改进解码模块就可以提高DVC系统的压缩性能.解码端的相关性噪声(CN)估计是影响DVC系统性能的重要因素之一.一方面,更加精确的CN估计可以为低密度奇偶校验累积码(LDPCA)解码提供更准确的先验概率,节省更多的比特;另一方面,CN模型用于解码端的最优重构,更好的CN估计也有助于提高重构质量.WZ编码帧与边信息帧之间的相关性噪声通常被认为服从拉普拉斯分布.由于编码端得不到边信息帧,解码端也得不到WZ帧,估计参数α是一个比较有挑战性的问题.2008年Brites等[11]提出了在线CN估计方法,其利用运动补偿残差帧来近似相关性噪声,分别从子带级、系数级估计分布参数,并证明更精细的粒度下CN估计更准确.但是利用残差帧近似估计CN往往不够准确,尤其是对于一些运动复杂的序列.很多学者致力于提高CN的估计精度[12- 16].Song等[13]针对双向DVC提出了一种渐进式相关性噪声细化算法,利用已解码比特平面和量化误差对残差进行细化,得到更精确的CN分布并用于后续比特平面的解码,提高系统的率失真性能;刘杰平等[15]利用广义高斯分布对相关性噪声进行建模,并用于WZ帧的重构,也取得了较高的重构质量.但是以上算法都是针对双向DVC,并不适用于无反馈信道的单向DVC.2011年Brites等[10]针对单向DVC系统,提出利用细化的运动矢量更新残差帧,并用于更新相关性噪声分布参数的估计.但是该方法仅仅利用运动矢量进行更新,没有利用到更有效的已解码信息,更新效果非常有限.2018年刘欢等[16]针对单向DVC提出了相关性噪声细化方法,利用解码系数对残差进行细化,但是细化效果不够显著.在文献[16]的基础上,文中针对单向DVC提出了一种新的迭代相关性噪声细化(CNR)算法,利用上一次解码得到的重构系数对相关残差进行细化,提高相关性噪声估计的精度.在细化过程中,考虑到不可靠解码重构系数可能对细化造成的误导,根据重构系数的可靠性进行分类,利用当前残差进行加权细化.最后利用细化的CN估计参数对尚未正确解码的比特平面重新解码,提高重构质量.1 单向分布式视频编码框架文中提出的单向DVC编解码框架以DISCOVER编解码框架为基础,去除了反馈信道,增加了编码端码率控制模块,在解码端增加了相关性噪声细化模块.文中提出的UDVC系统如图1所示.视频序列被分为Key帧和WZ帧,奇数帧为Key帧,偶数帧为WZ帧.对Key帧采用H.264帧内模式编解码,WZ帧的编解码流程如下所述.图1 单向DVC编解码框架Fig.1 Encoding-decoding framework of unidirectional distributed video coding在编码端首先对WZ帧进行4×4 DCT变换(离散余弦变换),整帧的DCT系数CX 按照其在4×4 DCT块中所处的位置重新排列成16个子带.各子带系数分别根据量化矩阵Q进行标量量化.将量化索引抽取成比特平面,从高到低送入码率自适应的LDPCA编码器得到累积伴随式.由编码端码率控制模块[7]来估计每个比特平面所需的码率,并将相应的伴随式码流传至解码端.另外,为了便于在解码端检测解码错误,还需要计算每个比特平面的8比特CRC(循环冗余校验码)并传至解码端.在Wyner-Ziv解码器中,首先利用前向和后向参考帧X′B和X′F做双向运动补偿插值得到WZ帧的边信息帧Y和运动补偿残差帧R,并分别对其做DCT变换得到DCT系数CY和CR.CR作为初始相关性噪声估计样本,用来估计CX和CY之间的分布参数.LDPCA解码器根据接收到的伴随式和CN模型对比特平面解码.利用CRC来验证解码是否正确,若解码失败则对该比特平面及所处的子带位置进行标注以便进行下一次迭代解码.迭代解码首先利用上次解码得到的重构系数进行相关性噪声细化,得到更精确的CN模型,对解码错误的比特平面重新进行LDPCA解码,直到所有比特平面得到正确解码或达到一定的迭代次数为止.最后利用边信息CY和更新的CN分布对量化系数进行最优重构,并对重构系数进行DCT反变换得到WZ重构帧.2 迭代相关性噪声细化算法相关性噪声估计是影响DVC解码性能的关键因素之一.通常认为编码系数CX和边信息系数CY之间的相关性噪声服从拉普拉斯分布,即(1)式中,α就是需要估计的拉普拉斯分布参数.由于编码端和解码端均不能同时获得CX和CY,因此估计分布参数α成为一个棘手的问题.Brites 等[11]提出使用运动补偿残差帧R近似估计相关性噪声,如式(2)所示:R(i,j)=X′F(i+dxf,j+dyf)-X′B(i+dxb,j+dyb)(2)其中,(i,j)是像素的坐标位置,(dxf,dyf)和(dxb,dyb)分别代表前向和后向运动矢量. 但是变换后的残差系数CR对于相关性噪声估计来说往往不够精确,尤其是对于运动比较剧烈的视频序列,因此文中提出了迭代相关性噪声细化方法.其在第1次解码时利用初始残差CR在线估计得到分布参数,然后进行LDPCA解码得到重构系数;在后续迭代解码过程中利用上次解码得到的重构系数进行相关性噪声细化更新残差,并重新估计分布参数来提高估计精度.2.1 初始相关性噪声估计和DISCOVER编解码框架一致,文中采用基于方差的在线系数级CN估计方法进行初始的参数估计[11],如式(3)所示:(3)式中,和E(|CR,h(i,j)|)为第h个子带残差|CR,h(i,j)|的方差和期望.2.2 相关性噪声细化和双向DVC不同,单向DVC难免会由于码率欠估计导致部分重构系数出现错误.为了避免错误重构系数对相关性噪声细化造成误导,文中提出的相关性噪声细化方法首先对重构系数的可靠性进行判断,并根据可靠性进行分类细化,以提高细化后分布参数的估计精度.文中提出的相关性噪声细化方法工作流程如下所示.(1)比特可靠性判断LDPCA解码器通过对输出极大似然比L(pk)进行硬判决来解码,即若L(pk)>0则比特bk恢复为1,否则恢复为0.L(pk)的计算如式(4)所示:L(pk)=(4)其中分子p(bk=1|CY,S,bN-1,bN-2,…,bk+1)为边信息CY、伴随式S和已解码比特bN-1,bN-2,…,bk+1条件下当前比特bk=1的后验条件概率,分母则为bk=0的后验条件概率.输出极大似然比是变化的、连续的,可以提供该比特解码是否可靠的信息.即bk=1和bk=0的后验条件概率相差越大则认为解码越可靠,越接近则认为解码越不可靠.因此文中利用LDPCA的输出极大似然比L(pk)的幅值来判断该比特解码是否可靠:若|L(pk)|>TL(TL为阀值),则认为该比特解码正确,若|L(pk)|≤TL,则认为该比特有可能解码错误.文中用位图Mk来标识第k个比特平面中可能出错的比特,即(5)(2)系数解码可靠性判断每个系数由很多个比特组成,因此每一个系数的M位图可由组成该系数的比特位图相或得到:(6)式中,K为比特平面数目.(3)相关性噪声细化为了避免不可靠重构系数对相关性噪声细化造成的误导,文中根据解码可靠性对重构值进行分类估计.(a)重构系数可靠(M位图对应值为0)那么重构系数C′X和边信息CY就可以提供关于CN非常可靠的信息,运动补偿残差CR则直接更新为(b)重构系数不可靠(M位图对应值为1)如果重构系数被认为是不可靠的,那么直接用当前重构系数进行细化则可能会造成误导,影响细化效果.由于后验条件概率可以反映解码的可靠性,因此,文中从所有可能的重构系数中选择后验条件概率最大的系数进行相关性噪声细化.根据每个比特平面的错误比特位图Mk,可以判断出不可靠比特的位置.假设C′X 有J个比特位不可靠,那么C′X有2J个可能取值,文中从这2J个可能取值中选取后验概率最大的系数作为重构值进行残差的更新.由式(4)可以反推出每个比特bk=1和bk=0的后验条件概率,如式(7)所示:(7)由于系数中的每个比特是独立的,故将每个比特的后验条件概率相乘,即可得到每个可能重构系数的后验条件概率p(C′X),如式(8)所示:(8)在所有可能的系数重构值中,选择对应概率最大的系数重构值作为最终的系数重构值,即(9)并统计所有系数中的最大重构概率pmax,(10)最后,对重构值和边信息的残差和当前残差加权平均,作为细化后的残差,即(11)其中,ω为权重因子,(12)重构概率越大,表明该重构系数越准确,则给残差分配越大的权重.(4)分布参数更新将更新后的残差代入式(3)对分布参数α进行更新.图2(a)对比了利用文中的CNR细化算法得到的细化残差和未细化的初始残差与真实残差的近似程度,图2(b)对其中的细节进行了放大.其中蓝色实心圈表示Soccer 序列第19帧第2个子带中无细化的初始残差和真实残差的差值,红色空心圈表示细化残差和真实残差之间的差值,差值越小说明实际估计残差与真实残差越接近.由图2可以看出,对于大多数系数,利用相关性噪声细化得到的残差更加精确.图2 细化残差与未细化残差与真实残差误差的比较Fig.2 Comparison of difference between the residuals with or withoutrefinement and the true residuals3 实验结果与分析本节对文中提出的CNR细化算法的性能进行全面的评估.测试序列包括Soccer、Coastguard、Foreman和Hall monitor序列,它们代表了不同类型的运动内容.所有视频序列的空间分辨率均为QCIF格式,时间分辨率为15 Hz.WZ帧采用的量化矩阵如图3所示,调整Key帧的量化步长使得Key帧和WZ帧的PSNR基本一致,且只统计亮度分量的PSNR.为了保证较高的细化精度和较低的计算复杂度,解码可靠性阈值TL取50,迭代次数设为4.图3 量化矩阵Fig.3 Quantization matrix图4比较了在UDVC的率失真点取6时,细化和未细化情况下得到的重构WZ帧的PSNR.从图中可以看出,UDVC确实存在一些WZ帧由于码率欠估计而导致重构质量严重退化,重构质量波动很大.经过细化后相当一部分质量退化的WZ帧的重构质量得到了提高.比如,Coastguard序列WZ帧的平均PSNR提高了0.32 dB,其中第27帧的PSNR提升了约1.8 dB;Soccer序列WZ帧的平均PSNR 提高了0.24 dB,其中第33帧附近PSNR提升高达6.4 dB;Hall序列WZ帧的平均PSNR提高了0.13 dB,其中第15帧附近PSNR提升了2.1 dB.运动更剧烈的视频序列如Soccer、Coastguard,其相关性噪声细化提升效果更加显著.这是由于运动剧烈的视频序列编码端码率估计更加困难,重构质量退化更加严重,因而具有更大的提升空间.为了更直观地显示相关性噪声细化算法对于性能的提升,文中比较了在率失真点为8时,细化和未细化情况下WZ帧的主观质量.如图5所示,无细化的WZ重构帧中存在较多的由于解码错误产生的块效应(如图中圆圈标注),经过细化后很多块效应都得到了较好的修复.图4 细化和未细化情况下WZ重构帧的PSNR比较Fig.4 PSNR comparison of WZ reconstruction frames with or without refinement此外,文中还比较了双向DVC系统DISCOVER以及无细化单向DVC系统UDVC_no refine和细化的UDVC_refine系统的整体率失真性能,实验结果如图6所示.从图中可以看出,单向DVC系统由于码率控制不精确而存在欠估计和过估计的情况,因此性能要低于双向DISCOVER系统.在单向DVC系统中,由于采用了相关性噪声细化,UDVC_refine的PSNR要高于UDVC_no refine,平均PSNR大约可以提高0.21 dB.其中高码率时PSNR的提高幅度更高一些.这是由于在高码率时量化误差更小,用于细化的重构系数更加准确,细化精度也更高.图5 细化重构帧的主观质量比较Fig.5 Comparison of subjective quality of WZ reconstructed frames with or without refinement图6 基于文中细化算法提出的UDVC系统与其他编码框架的对比Fig.6 Performance comparison of the proposed UDVC with refinement and other DVC systems4结论文中提出了迭代相关性噪声细化方法,在细化过程中判断系数解码的可靠性,并根据可靠性分类加权细化避免错误解码系数对细化的误导,提高相关性噪声的估计精度.实验结果表明,经过相关性噪声细化后,重构帧中由于码率欠估计导致的质量退化问题得到了明显的改善,不同视频序列重构WZ帧的平均PSNR可以提高0.32~0.13 dB;和未细化的单向DVC系统相比,文中的基于相关性噪声细化的单向DVC系统的整体平均PSNR也提高了约0.21 dB.但是其和双向DVC系统相比仍然有一定的差距,下一步可以深入研究编码端码率估计方法,找到更好的码率估计模型,解决码率过估计的问题,进一步提高单向DVC系统的率失真性能.参考文献:【相关文献】[1] Coding of audio-visual objects-part 10:advanced video coding:ISO/IEC 14496- 10 [S].[2] PEREIRA F,TORRES L,GUILLEMOT C,et al.Distributed video coding:selecting the most promising application scenarios [J].Image Communication,2008,23(5):339- 352.[3] SLEPIAN D,WOLF J.Noiseless coding of correlated information sources [J].IEEE Transactions on Information Theory,1973,19(4):471- 480.[4] WYNER A,ZIV J.The rate-distortion function for source coding with side information at the decoder [J].IEEE Transactions on Information Theory,1976,22(1):1- 10.[5] AARON A,SETTON E.Transform-domain Wyner-Ziv codec for video [C]∥Proceedings of Visual Communications and Image Processing.San Jose,CA:SPIE,2004:520- 528.[6] ARTIGAS X,ASCENSO J,DALAI M,et al,The DISCOVER codec:architecture,techniques and evaluation [C]∥Proceedings of Picture Coding Symposium.Lisbon,Portugal:IEEE,2007:1- 4.[7] SONG J,SHEN P,ZHANG L,et al.An encoder rate control method for unidirectional distributed video coding [C]∥Proceedings of SPIE,Satellite DataCompression,Communication and Processing.San Diego,California:SPIE,2013:21- 25.[8] HU C,HU B,TU W,et al.A low-complexity and efficient encoder rate control solution for distributed residual video coding [J].Multimedia Tools & Applications,2017,77(9):1- 23. [9] 胡春筠,胡斌杰.基于伪随机码置乱的分布式视频残差编码端码率控制算法 [J].电子学报,2016,44(6):1490- 1495.HU Chun-yun,HU Bin-jie.Encoder rate control algorithm based on scrambling with pseudo-random code for distri-buted residual coding of video [J].Acta Electronica Sinica,2016,44(6):1490- 1495.[10] BRITES C,PEREIRA F.An efficient encoder rate control solution for transform domain Wyner-Ziv video co-ding [J].IEEE Transactions on Circuits Systems and Video Technology,2011,21(9):1278- 1292.[11] BRITES C,PEREIRA F.Correlation noise modeling for efficient pixel and transform domain Wyner-Ziv video coding [J].IEEE Transactions on Circuits Systems and Video Technology,2008,18(9):1177- 1190.[12] MOHAMMAD Y,AHMADM O,Swamy M N.A joint co-rrelation noise estimation and decoding algorithm for distributed video coding [J].Multimedia Tools & Applications,2018,77(9):1- 29.[13] SONG J,LI Y,WANG K,et al.Distributed video coding with progressive correlation noise refinement and maximum likelihood pre-decoding [J].OpticalEngineering,2012,51(7):7401- 7412.[14] 唐振华,梁祥严,覃团发,等.分布式视频编码中基于多概率混合分布的相关噪声建模方法 [J].电子学报,2015,43(2):365- 370.TANG Zhen-hua,LIANG Xiang-yan,QIN Tuan-fa,et al.Correlation noise modeling algorithm based on multiple probability distributions for distributed video coding [J].Acta Electronica Sinica,2015,43(2):365- 370.[15] 刘杰平,何越盛.DVC中基于广义高斯分布的WZ帧重构算法 [J].华南理工大学学报(自然科学版),2014,42(8):77- 83.LIU Jie-ping,HE Yue-sheng.Generalized Gaussian distribution based WZ frame reconstruction algorithm for distributed video coding [J].Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition),2014,42(8):77- 83.[16] 刘欢.单向分布式视频编码中迭代解码技术研究 [D].西安:西安电子科技大学,2018.。

北京交通大学通信原理课件-郭宇春1-绪论-10

北京交通大学通信原理课件-郭宇春1-绪论-10

2010-9-6
通信系统原理 郭宇春
28
例题
设有一个图像要在电话线路中实现传真传 输,大约要传输2.2510 6个像素,每个像 素由12个亮度等级,每个等级等概出现, 电话线路具有3kHz带宽和30dB信噪比。 试求在该标准电话线路上传输一张传真图 片需要的最小时间。
2010-9-6
通信系统原理 郭宇春
Eb 1.59(dB) n0
加性高斯白噪声信道实现可靠通信的信噪 比下界——当系统的带宽无限大时才能达 到此界限
2010-9-6
通信系统原理 郭宇春
27
例题
已知彩色电视图像由5105个像素组成。 设每个由64种彩色度,每种色度由16个亮 度等级。设所有彩色度和亮度等级的组合 机会均等,并统计独立,(1)试计算每 秒传送100个画面所需的信道容量;(2) 如果接收机信噪比为30dB,为了传送彩色 图像所需信道带宽为多少?
加性干扰
chap2
乘性干扰
恒参信道 随参信道
乘性干扰 加性干扰
2010-9-6
通信系统原理 郭宇春
20
恒参信道
幅频和相频特性不随t变化 引入均衡技术
幅度均衡 相位均衡 把恒参信道改造成为幅度平坦、相位线性的
信道
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通信系统原理 郭宇春
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随参信道
信号的衰耗随时间变化 信号的传播时延随时间变化 主要问题:多径传播
信源










狭义 信道










信宿
调制信道 编码信道

ENSO对冬季北太平洋水汽输送及大气河的影响

ENSO对冬季北太平洋水汽输送及大气河的影响

第41卷㊀第1期气象科学Vol.41,No.1㊀2021年2月JournaloftheMeteorologicalSciencesFeb.,2021㊀游振宇,刘世淦,王轩同,等.ENSO对冬季北太平洋水汽输送及大气河的影响.气象科学,2021,41(1):70⁃77.YOUZhenyu,LIUShigan,WANGXuantong,etal.TheimpactofENSOonvaportransportationandatmosphericriversoverNorthPacificduringwinters.JournaloftheMeteorologicalSciences,2021,41(1):70⁃77.ENSO对冬季北太平洋水汽输送及大气河的影响游振宇㊀刘世淦㊀王轩同㊀任雪娟(南京大学大气科学学院,南京210023)摘要㊀利用1979 2016年ERA⁃Interim再分析资料,分析了ENSO对冬季北太平洋地区水汽输送特征的影响,包括整层水汽含量㊁整层水汽输送及其散度和大气河频率㊂结果表明,在ElNiño年冬季,东北太平洋地区的气旋式环流异常增强了自副热带太平洋向北美西海岸的水汽输送,导致区域性的水汽辐合与辐散异常;LaNiña年冬季的水汽输送特征与厄尔尼诺年大致相反㊂根据尺度分解的方法,对水汽输送及其散度的异常成因进行分析,得到结论如下:除ElNiño年黑潮及其续流区外,ENSO年冬季北太平洋的水汽输送异常主要由环流异常导致;水汽输送散度异常则主要由环流异常的散度㊁气候态比湿的经向梯度和异常比湿的纬向梯度三部分决定㊂此外,ElNiño年冬季北太平洋大气河频率分布的向极弯曲增强,分布更加集中;而LaNiña年冬季大气河频率分布更加分散,纬向跨度减小,经向跨度增加㊂关键词㊀ENSO;水汽输送;大气河;尺度分解㊀㊀分类号:P434㊀㊀㊀doi:10.12306/2019jms.0044㊀㊀㊀文献标识码:A收稿日期(Received):2019⁃06⁃04;修改稿日期(Revised):2019⁃10⁃29㊀㊀基金项目:国家重点研发计划资助项目(2018YFC1505903);国家自然科学基金资助项目(41675067)通信作者(Correspondingauthor):任雪娟(RENXuejuan).renxuej@nju.edu.cn.TheimpactofENSOonvaportransportationandatmosphericriversoverNorthPacificduringwintersYOUZhenyu㊀LIUShigan㊀WANGXuantong㊀RENXuejuan(SchoolofAtmosphericSciences,NanjingUniversity,Nanjing210023,China)㊀㊀Abstract㊀TheimpactofENSOonthevaportransportationcharacteristicsovertheNorthPacificinborealwintersduring1979to2016wasinvestigatedwithERA⁃Interimreanalysisdata,includingtheIntegratedWaterVapor(IWV),IntegratedVaporTransport(IVT)anditsdivergence,aswellastheAtmosphericRiver(AR)frequency.DuringElNiñoborealwinters,thevaportransportationfromthesubtropicalPacifictothewestcoastofNorthAmericaisintensifiedwithcycloniccirculationanomaliesovertheNortheastPacific,causingcorrespondingregionalconvergentanddivergentanomalies.DuringLaNiñaborealwinters,thecharacteristicsofvaportransportationareroughlyoppositetothoseofElNiñocases.AnalysisofcontributingfactorsonIVTanditsdivergenceisperformedbasedonthescaledecompositionmethod,andtheconclusionsareasfollows:IVTanomaliesinENSOwintersovertheNorthPacificareprimarilydecidedbythecirculationanomaliesexceptfortheKuroshio⁃OyashioExtension(KOE)regioninElNiñowinters.IVTdivergenceanomaliesaremainlycontributedbythedivergentcirculationanomalies,themeridionalgradientofclimatologicalspecifichumidity,andthezonalgradientofanomalousspecifichumidity.Furthermore,theARdistributionismorecentralizedandanomalouslyshiftedpolewardinElNiñowinters,whilemoredecentralizedwithawidemeridionalandlimitedzonalrangeinLaNiñawintersovertheNorthPacific.Keywords㊀ENSO;vaportransportation;AR;scaledecomposition㊀引㊀言由于水汽输送过程需要综合考虑大气环流和对流层中低层的水汽条件,其时空特征及不同尺度上的变率广受学者关注[1⁃3]㊂大气环流可通过大尺度的水汽输送带来区域性的水汽辐合,为该区域的降水提供有利条件㊂在北太平洋地区的冬季,受中纬度西风带的影响,整层水汽自西太平洋副热带地区(水汽的主要源地)向北美西海岸输送(水汽汇),其中水汽输送的向极分量主要受到风暴轴活动的影响[3]㊂Newell,etal[4]在分析全球水汽输送通量时指出,在南北半球中纬度的大洋上,水汽输送经常集中在对流层中低层的一些狭长的河流带中,沿河流带方向的水汽通量可达1 6ˑ108kg㊃s-1,与亚马逊河的流量相当,ZHU,etal[5]将其命名为 大气河 (AtmosphericRiver,AR)㊂与东亚上空常与夏季风伴随的宽水汽输送带不同,大气河常出现在冬季温带气旋冷锋前的暖输送带中,分布狭长,具有很强的瞬变性[6]㊂北太平洋地区的大气河是冬季北美洲重要的水汽来源,当大气河受地形强迫抬升时,往往会造成强烈的降水[7]㊂有研究表明,在过去60a,西欧沿岸的冬季强降水多与大气河登陆有关[8]㊂由于大气河对北美洲乃至全球水循环有重要影响,近年来受到越来越多的关注[3⁃10]㊂目前,诸多学者关注了天气尺度和年代际尺度上水汽输送和大气河频率的变化[1,3,10],但有关年际尺度上水汽输送以及大气河和气候事件的联系[2],探讨不多㊂ENSO是赤道太平洋地区最为显著的年际尺度海气相互作用模态,对全球气候有显著影响[11⁃14]㊂大量研究指出ENSO对中国东部地区的降水有重要影响[15⁃16]㊂Kim,etal[2]指出,在ENSO冷暖位相之间,北太平洋地区和北美降水量亦存在显著差异㊂就冬季北太平洋地区而言,ENSO与北半球PNA模态(太平洋 北美遥相关型)存在显著相关[17⁃18]㊂在ElNiño年赤道东太平洋海温的热强迫下,中纬度北太平洋地区500hPa位势高度场会出现气旋式的环流异常[19]㊂在ElNiño年冬季,东亚副热带急流增强东扩,而LaNiña年冬季急流减弱西缩[20⁃22]㊂吴正贤等[23]通过对1982/1983年冬季ElNiño期间大气环流异常的诊断分析,指出ElNiño事件使北半球中纬度西风显著加强,大气湿度明显增加,并增强了自副热带向中高纬度水汽输送的强度㊂综上,由于ENSO可以调制大尺度环流和降水量,所以有必要进一步研究ENSO变率究竟如何影响泛北太平洋地区的水汽输送,以及北太平洋大气河的频率㊂本文采用尺度分解的方法[24⁃25],将水汽输送及其散度分解为时间平均㊁年际尺度的扰动以及非年际尺度的扰动3个部分,分析ENSO对水汽输送和水汽输送散度的影响㊂基于不同的物理过程中多尺度风场㊁比湿之间的相互作用,分析各物理过程对总异常的贡献㊂1㊀资料和方法1 1㊀资料和ENSO事件的选取所用资料主要为欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的ERA⁃Interim再分析资料,选取的大气物理参量包括水平风场(u,v)㊁比湿(q)㊁位势高度场(水平分辨率为0 75ʎˑ0 75ʎ,垂直方向为8层)和海平面气压场(水平分辨率为0 75ʎˑ0 75ʎ)㊂资料选取的时间范围是1979 2016年冬季(12 次年2月)㊂ENSO事件的选取是依据美国气候预测中心(CPC)提供的1979 2018年Niño3 4区(5ʎS 5ʎN,170ʎ 120ʎW)平均海温数据(http:ʊwww.cpc.ncep.noaa.gov),通过定义海温距平的3个月滑动平均的峰值强度为Niño3 4指标(N⁃34)而确定[26]㊂为了提取中等偏强的ENSO事件进行分析,选取1979 2018年间N⁃34指标正异常的前5位作为参与合成分析的ElNiño事件(1982/1983㊁1991/1992㊁1997/1998㊁2009/2010和2015/2016年),负异常的前5位作为合成分析的LaNiña事件(1988/1989㊁1998/1999㊁1999/2000㊁2007/2008和2010/2011年)㊂1 2㊀分析和计算方法1 2 1㊀整层水汽含量、整层水汽输送及其散度的计算㊀㊀使用以下公式计算整层水汽含量(IntegratedWaterVapor,IWV)和整层水汽输送(IntegratedVaporTransport,IVT):IWV=1gʏpsptqdp㊀;(1)IVT=1gʏpsptqVdp㊀,(2)(1)和(2)式中:g为重力加速度;ps为海平面气压;q为相对湿度;V为水平风场;Pt为积分上界的气压(300hPa)㊂当▽㊃IVT<0时(整层水汽通量散度为负),该区域为水汽的汇;当▽㊃IVT>0(整层水汽通量散度为正),该区域为水汽的源㊂171期㊀㊀㊀㊀㊀游振宇,等:ENSO对冬季北太平洋水汽输送及大气河的影响1 2 2㊀IVT及其散度的异常和分解将IVT中的比湿和风场分解为时间平均㊁年际尺度及非年际尺度的扰动,IVT的年际异常可以表示为:IVTᶄ=1gʏpspt(qV)ᶄdp=1gʏpspt q(V)ᶄdpüþýïïïïa+1gʏpsptqᶄ Vdpüþýïïïb+1gʏpsptqᶄVᶄdpüþýïïïïc+residue㊀,(3)其中:IVTᶄ㊁qᶄ㊁Vᶄ分别表示整层水汽输送㊁比湿和风场的年际异常㊂公式(3)中的a项表示由风场年际异常贡献的水汽输送异常(动力场贡献);b项表示比湿场年际异常贡献的水汽输送异常(水汽场贡献);c项表示比湿㊁风场的年际异常共同贡献的部分;余项(residue)较小,可忽略㊂按上述方法,IVT散度的异常可以分解为[24⁃25]:▽㊃1gʏpspt(qV)ᶄdp=▽㊃1gʏpspt qVᶄdpüþýïïïïïA+▽㊃1gʏpsptqᶄ VdpüþýïïïïïïB+▽㊃1gʏpsptqᶄVᶄdpüþýïïïïïïC+residueᶄ,(4)其中:IVT散度的异常可分解为A,B,C三项及余项(较小,可忽略)㊂该式中各项含义与IVT异常分解的各项含义类似㊂其中,A项可分解为以下各项:▽㊃1gʏpspt qVᶄdpüþýïïïïïïA=1gʏpspt q∂uᶄ∂x+∂vᶄ∂yæèçöø÷dpüþýïïïïïïïA1+1gʏpsptuᶄ∂ q∂xdpüþýïïïïA2+1gʏpsptvᶄ∂ q∂ydpüþýïïïïA3+residueA,(5)其中:A1,A2,A3分别表征3种贡献散度异常的过程:(1)异常大气环流的散度;(2)异常纬向风场和背景比湿场的纬向非均匀性;(3)异常经向风场和背景比湿场的经向非均匀性㊂同理,B项亦可分解为以下各项:▽㊃1gʏpsptqᶄ VdpüþýïïïïïïB=1gʏpsptqᶄ∂ u∂x+∂ v∂yæèçöø÷dpüþýïïïïïïïB1+1gʏpspt u∂qᶄ∂xdpüþýïïïïB2+1gʏpspt v∂qᶄ∂ydpüþýïïïïB3+residueB,(6)其中:B1,B2,B3的解释与(5)式类似㊂根据分析,A项主要由A1,A3贡献,B项主要由B2贡献㊂第2部分将会具体阐述㊂1 2 3㊀大气河事件及其频率异常的计算大气河事件采取的判据是ZHU,etal[5]提出的:QrȡQmean+0 3(Qmax-Qmean),㊀(7)其中:Q=|IVT|=(1gʏpsptqudp)2+(1gʏpsptqvdp)2,(8)其中:Q表示IVT的矢量模;Qr表示给定水平空间格点的水汽通量;Qmean是某给定纬度上水汽输送通量Q的大小的纬向平均值;Qmax是该纬度上水汽输送通量Q的最大值㊂对于任意给定格点,当Qr满足公式(8)时,称该格点为AR格点㊂当一个格点成为AR格点时,对应的那一天对于这个格点来说是AR日,否则,为非AR日㊂本文利用判据公式(7)㊁(8)和1 1节中的资料计算得到1979 2016年的逐日AR事件库㊂本文采用合成分析计算ENSO年北太平洋水汽输送及其散度的异常,以及大气河频率的异常㊂按照1.2.2节的方法,对ENSO年水汽输送及其散度的异常进行分解,分析造成异常的具体物理过程㊂2㊀ENSO对北太平洋冬季水汽输送的影响2 1㊀北太平洋冬季整层水汽含量及水汽输送的气候态特征㊀㊀在分析ENSO对北太平洋地区水汽输送特征的影响之前,首先给出北太平洋冬季与水汽输送相关物理场的气候态分布特征㊂图1为北太平洋冬季IWV及其经向梯度的分布特征㊂气候态IWV呈现自低纬向高纬递减的分布特征,其经向梯度在黑潮及其续流区(KOE)及北美西海岸(自加利福尼亚至阿拉斯加湾地区)较大㊂气候态冬季的整层水汽是从西太平洋地区向北美西海岸输送(图2)㊂水汽输送在西太平洋KOE地区有较强的辐散(水汽源);在中国东南部有微弱的辐合,在北美沿岸落基山脉27气㊀㊀象㊀㊀科㊀㊀学㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀41卷图1㊀北太平洋1979 2016年冬季IWV(等值线;间隔为4kg㊃m-2)及其经向梯度(填色;单位:10-5kg㊃m-3)气候态Fig.1㊀ClimatologyofIWV(contour;theintervalis4kg㊃m-2)anditsmeridionalgradient(colored;unit:10-5kg㊃m-3)overtheNorthPacificduringborealwintersfrom1979to2016图2㊀北太平洋1979 2016年冬季IVT(矢量;单位:kg㊃m-1㊃s-1;图中只画出值超过20的部分)及其散度(填色;单位:10-5kg㊃m-2㊃s-1)气候态Fig.2㊀ClimatologyofIVT(vector;unit:kg㊃m-1㊃s-1;onlyvaluesexceeding20areshown)anditsdivergence(colored;unit:10-5kg㊃m-2㊃s-1)overNorthPacificduringborealwintersfrom1979to2016西部有强辐合(水汽汇),促进冬季北美西海岸的降水㊂2 2㊀ENSO年冬季北太平洋地区水汽输送及其散度的异常㊀㊀图3给出了ElNiño年和LaNiña年IWV的异常及其纬向梯度㊂在ElNiño年冬季,北太平洋地区IWV异常自西向东呈 正 负 正 分布特征;在整层水汽异常正负交替区域有较强纬向梯度㊂LaNiña年的IWV异常及其纬向梯度的分布特征与ElNiño年大致相反㊂图4给出了ElNiño年和LaNiña年IVT异常及其散度异常的空间分布㊂在ElNiño年,东北太平洋地区的IVT呈气旋式异常㊂由于ENSO与PNA遥相关型有明显的相关性,在ElNiño年,东北太平洋地区对流层出现气旋式环流异常[17⁃19],伴随着阿留申低压的加深和副热带急流的增强东扩[20⁃22],因此东北太平洋地区的水汽输送异常分布特征与环流异常的分布特征较为一致,而气旋式水汽输送异常会增强自副热带地区向中高纬度地区(如北美西海岸)的水汽输送㊂在LaNiña年,东北太平洋地区呈反气旋式的水汽输送异常,使得该地区自副热带向中高纬地区的水汽输送减弱,而中太平洋海盆地图3㊀ElNiño年(a)和LaNiña年(b)冬季IWV异常(等值线;间隔为0 8kg㊃m-2;图中只显示置信度超过α=0 1的区域)及其纬向梯度(填色;单位:10-5kg㊃m-3;图中只显示绝对值大于0 08的区域)Fig.3㊀IWVanomaly(contour;theintervalis0 8kg㊃m-2;onlyvaluesabovethe90%significancelevelareshown)anditszonalgradient(colored;unit:10-5kg㊃m-3;onlyareaswithabsolutevalueslargerthan0 08areshown)during(a)ElNiñoand(b)LaNiñaborealwinters图4㊀ElNiño年(a)和LaNiña年(b)冬季IVT(矢量;单位:kg㊃m-1㊃s-1;图中只显示置信度超过α=0 1的值)及其散度的异常(填色;单位:10-5kg㊃m-2㊃s-1;图中阴影为置信度超过α=0 1的区域)Fig.4㊀IVTanomaly(vectorunit;unit:kg㊃m-1㊃s-1;onlyvaluesabovethe90%significancelevelareshown)anditsdivergenceanomalies(colored;unit:10-5kg㊃m-2㊃s-1;areasexceedingthe90%significancelevelareshaded)during(a)ElNiñoand(b)LaNiñaborealwinters区上空整层水汽的向极输送分量有所增强㊂这些结论与前人的研究成果一致[2,23]㊂由图4可知,ElNiño年西太平洋副热带地区和北美沿岸有水汽输送异常的辐合,而中太平洋海盆上空存在水汽输送异常的辐散㊂水汽输送异常的辐合辐散与ElNiño年IWV的空间分布(图3)较为一致,因此可以推断,除海表面温度的异常带来蒸发量的增加(减少)外,水汽的辐合(辐散)对区域性的水汽含量有重要影响,进而促进(抑制)区域性的降水过程㊂LaNiña年水汽输送异常的辐合辐散特征与ElNiño年大致相反㊂371期㊀㊀㊀㊀㊀游振宇,等:ENSO对冬季北太平洋水汽输送及大气河的影响2 3㊀IVT异常及其散度的分解上节虽揭示了ENSO对水汽输送及其散度的影响,但产生异常的具体物理过程尚不清晰㊂因此,根据1 2 2节的分解方法将IVT异常及其散度异常进行分解㊂首先,根据公式(3)㊁(4)将IVT异常分解为a㊁b㊁c三项,IVT散度异常分解为A㊁B㊁C三项(图5)㊂图5㊀ENSO年冬季IVT异常(矢量;单位:kg㊃m-1㊃s-1;图中只显示置信度α=0 1的值)及其散度(填色;单位:10-5kg㊃m-2㊃s-1;阴影为置信度超过α=0 1的值)分解:(a)ElNiño年A和a项;(b)LaNiña年A和a项;(c)ElNiño年B和b项;(d)LaNiña年B和b项;(e)ElNiño年C和c项;(f)LaNiña年C和c项Fig.5㊀DecompositionofIVTanomaly(vector;unit:kg㊃m-1㊃s-1;onlyvaluesabovethe90%significancelevelareshown)anditsdivergence(colored;unit:10-5kg㊃m-2㊃s-1;areasexceedingthe90%significancelevelareshaded)inENSOwinters:(a)TermAandaduringElNiño;(b)TermAandaduringLaNiña;(c)TermBandbduringElNiño;(d)TermBandbduringLaNiña;(e)TermCandcduringElNiño;(f)TermCandcduringLaNiña对比分析图4㊁5可见,在北太平洋大部分地区(特别是东北太平洋地区),ElNiño年和LaNiña年的IVT异常都主要由公式(3)中的a项贡献(动力场异常)㊂在西太平洋副热带地区(尤其是KOE区),ElNiño年的纬向水汽输送异常主要由b项贡献(水汽场异常),这是由该区域ElNiño年IWV的显著正异常(图2)和较强的冬季平均西风急流所致;该区域的经向水汽输送则主要由a项贡献,这与ElNiño年西北太平洋上空异常反气旋环流有关[27],该过程可为我国东南部地区带来丰沛的水汽㊂另外,ElNiño年和LaNiña年的IVT散度的异常均主要由A项贡献(动力场异常),且在各个区域A项的大小超过了IVT散度的总异常;B项对IVT散度异常的贡献小于A项,其异常区域主要位于A项的正负异常大值区之间,且符号与A项大致相反㊂c项(C项)与a项(A项)㊁b项(B项)相比,对IVT异常(及IVT散度异常)的贡献很小㊂其次,按照公式(5)㊁(6)进一步将IVT异常散度的A项和B项进行分解,对A1,A3,B2三项进行计算(图6)㊂通过与图5中A项和B项的对比可以发现,A1,A3均对A项有重要贡献㊂对于A1项,风场异常uᶄ,vᶄ的辐合(辐散)可以聚集(疏散)冬季气候态中的水汽,导致IVT异常的辐合(辐散),因此A1项的贡献在气候态水汽含量较大的区域(低纬度地区)尤其明显;对于A3项,由于在北太平洋地区(特别是KOE区),冬季气候态下的水汽经向梯度为负(图1),因此经向风的正异常(负异常)会导致水汽通量异常的辐合(辐散)㊂B项则主要来自B2项的贡献㊂由于在北半球冬季,北太平洋地区上空被强盛的西风带控制,B2和B项的异常分布特征均与图3中IWV异常的纬向梯度的分布特征十分一致㊂3㊀ENSO对冬季北太平洋大气河的影响㊀㊀图7给出了冬季气候平均的AR频率分布㊂图7用30%频率代表北太平洋冬季气候平均AR带的基本形状和位置㊂由此可见,AR主要位于北太平洋(25ʎ 40ʎN)范围的纬向带状区域内,自西太平洋向东伸展,到中太平洋海盆约170ʎW处时发生向极的弯曲,一直延伸至北美西海岸的阿拉斯加湾一带㊂按照1 2 3节中的方法,合成ElNiño年与La47气㊀㊀象㊀㊀科㊀㊀学㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀41卷图6㊀ENSO年冬季IVT散度异常(填色;单位:10-5kg㊃m-2㊃s-1)A,B项的分解:(a)ElNiño年A1项;(b)LaNiña年A1项;(c)ElNiño年A3项;(d)LaNiña年A3项;(e)ElNiño年B2项;(f)LaNiña年B2项(图中只画出绝对值超过0 8的部分)Fig.6㊀DecompositionofA,Bterm(colored;unit:10-5kg㊃m-2㊃s-1)duringENSOborealwinters:(a)TermA1duringElNiño;(b)TermA1duringLaNiña;(c)TermA3duringElNiño;(d)TermA3duringLaNiña;(e)TermB2duringElNiño;(f)TermB2duringLaNiña(Onlyareaswithabsolutevaluesexceeding0 8areshown)图7㊀北太平洋冬季AR频率(填色;单位:%)分布(其中30%频率用黑色实线勾勒)Fig.7㊀ARfrequency(colored;unit:%)overtheNorthPacificduringborealwinters(Frequencyof30%ishighlightedinblacksolidlines)Niña年AR频率,将ENSO年AR合成频率与气候态相减,分别得到ElNiño和LaNiña年AR频率异常的分布(图8)㊂与气候态相比,ElNiño年北太平洋东部至阿拉斯加湾一带和KOE区的AR频率增加,而气候态30%频率AR带南北两侧的频率减小,这说明ElNiño年AR的分布更加狭长集中,北美沿岸和KOE区的水汽输送增强;LaNiña年气候态30%频率AR带南北两侧的频率增加,北太平洋东部和阿拉斯加湾一带的频率减弱,这说明LaNiña年AR分布的东西跨度减小,南北跨度增加,狭长的特点有所减弱㊂总体而言,LaNiña年与ElNiño年的变化大致相反㊂4 结论ENSO是赤道太平洋地区最显著的年际异常信号,对北太平洋地区的水汽输送特征有重要影响㊂图8㊀ElNiño年(a)和LaNiña年(b)冬季AR频率异常(填色;%)分布(气候态AR发生频率30%处用黑色实线勾勒,图中阴影为置信度超过α=0 1的区域)Fig.8㊀ARfrequencyanomaly(colored;%)duringElNiño(a)andLaNiña(b)borealwinters(Frequencyof30%inclimatologicalwintersishighlightedbyblacksolidlines.Areasexceedingthe90%significancelevelareshaded)本文利用ERA⁃Interim再分析资料,分析了北太平洋地区冬季的水汽含量㊁水汽输送及其散度的分布特征,并用合成分析的方法,根据选择的ENSO事件探讨了ENSO的两种不同位相 ElNiño和LaNiña对水汽输送各物理量的影响㊂基于尺度分解的方法,分析各物理过程对水汽输送异常及其散度异常的贡献㊂此外还分析了ENSO对北太平洋水汽输送的重要形式 大气河的影响㊂主要结论如下:(1)北太平洋冬季水汽输送的平均特征为自西太平洋副热带地区向北美中高纬地区输送㊂在571期㊀㊀㊀㊀㊀游振宇,等:ENSO对冬季北太平洋水汽输送及大气河的影响ElNiño年,由于东北太平洋地区的气旋式环流异常,该地区的水汽输送亦呈气旋式异常㊂西太平洋副热带地区和北美西海岸为水汽输送异常辐合区,而中太平洋海盆上空为水汽输送异常辐散区㊂在LaNiña年,东北太平洋地区呈反气旋式的水汽输送异常,中太平洋海盆上空整层水汽的向极输送分量有所增强,水汽输送的辐合辐散异常特征与ElNiño年大致相反㊂(2)通过对水汽输送异常及其散度的进一步分解,可以得出结论:1.在北太平洋大部分地区,ENSO年份的水汽输送异常及其散度都主要来自风场异常(uᶄ,vᶄ)的贡献㊂在黑潮及其续流区,ElNiño年的纬向水汽输送异常主要由比湿异常(qᶄ)贡献㊂2.在由风场异常(uᶄ,vᶄ)决定的水汽输送散度的异常中,有两项贡献较大㊂一项由风场异常(uᶄ,vᶄ)的散度造成;另一项由经向风异常(vᶄ)和气候态比湿的经向梯度造成㊂3.在比湿异常(qᶄ)决定的水汽输送散度的异常中,气候态纬向风( u)和异常比湿的经向梯度的贡献占主导地位㊂(3)在ElNiño年,大气河频率分布的向极弯曲增强,分布更加集中,向中国东南部及北美西海岸延伸;而LaNiña年北太平洋中北部大气河频率增加,东西跨度减小,南北跨度增加,狭长的特点有所减弱㊂水汽输送和大气河频率的增强与北太平洋地区(北美西海岸㊁中国东部)的降水有密切的联系㊂在ElNiño年,环流异常导致向中国东南部和北美西海岸的水汽输送显著增强,导致异常的水汽输送辐合,并伴随区域性AR频率的增加,这进一步突出了ENSO在年际尺度上对区域气候预测的重要意义㊂值得注意的是,近30a,一种新型的ElNiño事件频繁发生㊂不同于传统的ElNiño事件,这类ElNiño事件的海温异常不再起于赤道东太平洋,而是向西移至中太平洋区域,即中太平洋ElNiño[28⁃29]㊂有少量研究指出,中太平洋ElNiño对冬季北太平洋的水汽输送及大气河的影响与传统的ElNiño不同[2]㊂本文按照Larkin,etal[30]对1979年后中太平洋ElNiño事件的分析结果,选取前5次强中太平洋ElNiño事件进行合成分析(1979/1980㊁1986/1987㊁1994/1995㊁2002/2003和2004/2005年)㊂结果表明(图略),与传统的ElNiño事件相比,在中太平洋ElNiño的冬季,北太平洋气旋式水汽输送异常南移,其强度偏弱;大气河路径偏南,向美国加州沿岸的水汽输送增强㊂有关中太平洋ElNiño对北太平洋水汽输送的影响及其动力学过程,仍有待我们进一步的探索㊂参㊀考㊀文㊀献[1]㊀NewmanM,KiladisGN,WeickmannKM,etal.Relativecontributionsofsynopticandlow⁃frequencyeddiestotime⁃meanatmosphericmoisturetransport,includingtheroleofatmosphericrivers.J.Climate,2012,25(21):7341⁃7361.[2]㊀KimHM,AlexanderMA.ENSO 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国家自然科学基金学科代码数理科学部A01数学A0101数论A010101解析数论A010102代数数论A010103数论应用A010603空间理论A0107常微分方程与动力系统A010701泛函微分方程A010702定性理论与稳定性理论A010703分支理论与混沌A010704微分动力系统与哈密顿系统A010705拓扑动力系统与遍历论A0108偏微分方程A010801几何、物理和力学中的偏微分方程A010802非线性椭圆和非线性抛物方程A010803混合型、退化型偏微分方程A010804非线性发展方程和无穷维动力系统A0109数学物理A010901规范场论与超弦理论A010902可积系统及其应用A0110概率论与随机分析A011001马氏过程与遍历论A011002随机分析与随机过程A011003随机微分方程A011004极限理论A0111数理统计A011603代数组合与组合矩阵论A0117计算数学与科学工程计算A011701偏微分方程数值计算A011702流体力学中的数值计算A011703一般反问题的计算方法A011704常微分方程数值计算A011705数值代数A011706数值逼近与计算几何A011707谱方法及高精度数值方法A011708有限元和边界元方法A011709多重网格技术及区域分解A011710自适应方法A011711并行算法A02力学A0201力学中的基本问题和方法A020101理性力学与力学中的数学方法A020102物理力学A020103力学中的反问题A0202动力学与控制A020201分析力学A020202动力系统的分岔与混沌A020203运动稳定性及其控制A0204流体力学A020401湍流与流动稳定性A020402水动力学A020403空气动力学A020404非平衡流与稀薄气体流动A020405多相流与渗流A020406非牛顿流与流变学A020407流动噪声与气动声学A020408流动控制和优化A020409环境流体力学A020410工业流体力学A020411微重力流体力学A020412交通流与颗粒流A020413电磁与多场耦合流体力学A020414实验流体力学A020415计算流体力学A0205生物力学A020501组织与器官系统力学A020502细胞、亚细胞、生物大分子力学A020503仿生、生物材料与运动生物力学A0206爆炸与冲击动力学A020601爆炸力学A030404太阳系的起源和演化及太阳系中行星、卫星和其他小天体A030405太阳爆发活动对日地空间天气的影响A0305天体中基本物理过程的理论和实验A030501天文中基本物理过程和天体辐射过程的理论和实验A030502实验室天体物理A0306天体测量和天文地球动力学A030601天文参考系及星表A030602相对论天体测量A030603天文地球动力学及天体测量学的应用A030604?时间与频率A0307天体力学和人造卫星动力学A030701人造天体、太阳系小天体、行星系统和恒星系统动力学A030702N体问题、非线性和相对论天体力学A0308天文技术和方法A030801光学、紫外和红外天文技术与方法A030802射电、毫米波和亚毫米波天文技术及电学性质A040205介观系统和人工微结构的电子结构、光学和电学性质A040206超导电性A040207磁有序系统A040208低维、介观和人工微结构的磁性A040209介电、压电、热电和铁电性质A040210凝聚态物质的光学和波谱学、物质与粒子的相互作用和辐射A040211极端条件下的凝聚态物理A040212量子计算中的凝聚态物理问题A040213软物质、有机和生物材料的电子结构和物理A040214生命现象中的凝聚态物理问题A040215凝聚态物理中的新效应及其他问题A0403原子和分子物理A040301原子和分子结构理论A040302原子、分子、光子相互作用与光谱A040303原子分子碰撞过程及相互作用A040304大分子、团簇与特殊原子分子性质A040305极端条件下的原子分子物理A040306外场中的原子分子性质及其操控A040505生理、心理声学和生物声学A040506语言声学、乐声及声学信号处理A040507声学换能器、声学测量方法和声学材料A040508信息科学中的声学问题A040509 A040510建筑声学与电声学与声学有关的其他物理问题和交叉学科A05物理学IIA0501基础物理学A050101?物理学中的数学问题与计算方法A050102?经典物理及其唯象学研究A050103??量子物理及其应用A050104??量子信息学A050105?统计物理学与复杂系统A050106相对论、引力与宇宙学A0502粒子物理学和场论A050201场和粒子的一般理论及方法A050202量子色动力学、强相互作用和强子物理A050203电-弱相互作用及其唯象学A0505粒子物理与核物理实验方法与技术A050501束流物理与加速器技术A050502荷电粒子源、靶站和预加速装置A050503束流传输和测量技术A050504反应堆物理与技术A050505散裂中子源相关技术A050506探测技术和谱仪A050507辐射剂量学和辐射防护A050508实验数据获取与处理A050509新原理、新方法、新技术、新应用A0506等离子体物理A050601等离子体中的基本过程与特性A050602等离子体产生、加热与约束A050603等离子体中的波与不稳定性A050604等离子体中的非线性现象A050605等离子体与物质相互作用A050606等离子体诊断A050607强粒子束与辐射源A050608磁约束等离子体A050609惯性约束等离子体A050610低温等离子体及其应用A050611空间和天体等离子体及特殊等离子B010401金属蛋白(酶)化学B010402生物微量元素化学B010403细胞生物无机化学B010404生物矿化及生物界面化学B0105固体无机化学B010501缺陷化学B010502固相反应化学B010503固体表面与界面化学B010504固体结构化学B0106物理无机化学B010601无机化合物结构与性质B010602理论无机化学B010603无机光化学B010604分子磁体B010605无机反应热力学与动力学B0107无机材料化学B010701无机固体功能材料化学B010702仿生材料化学B0108分离化学B010801萃取化学B010802分离技术与方法B010803无机膜化学与分离B020301有机磷化学B020302有机硅化学B020303有机硼化学B020304有机氟化学B0204天然有机化学B020401甾体及萜类化学B020402中草药与植物化学B020403海洋天然产物化学B020404天然产物合成化学B020405微生物与真菌化学B0205物理有机化学B020501活泼中间体化学B020502有机光化学B020503立体化学基础B020504有机分子结构与反应活性B020505理论与计算有机化学B020506有机超分子与聚集体化学B020507生物物理有机化学B0206药物化学B020601药物分子设计与合成B020602药物构效关系B0207化学生物学与生物有B030102表面结构B030103溶液结构B030104动态结构B030105光谱与波谱学B030106纳米及介观结构B030107方法与理论B0302理论和计算化学B030201量子化学B030202化学统计力学B030203化学动力学理论B030204计算模拟方法与应用B0303催化化学B030301多相催化B030302均相催化B030303仿生催化B030304光催化B030305催化表征方法与技术B0304化学动力学B030401宏观动力学B030402分子动态学B030403超快动力学B030404激发态化学B0305胶体与界面化学B030803量热学B030804复杂流体B030805非平衡态热力学与耗散结构B030806统计热力学B0309生物物理化学B030901结构生物物理化学B030902生物光电化学与热力学B030903生命过程动力学B030904生物物理化学方法与技术B0310化学信息学B031001分子信息学B031002化学反应和化学过程的信息学B031003化学数据库B031004分子信息处理中的算法B04高分子科学B0401高分子合成化学B040101高分子设计与合成B040102配位聚合与离子型聚合B040103高分子光化学与辐射化学B040104生物参与的聚合与降解反应B040105缩聚反应B040602高分子聚集态结构B040603高分子转变与相变B040604高分子形变与取向B040605高分子纳米微结构及尺寸效应B040606高分子表面与界面B040607高分子结构与性能关系B040608高分子测试及表征方法B040609高分子流变学B040610聚电解质与高分子凝胶B040611高分子塑性与黏弹性B040612高分子统计理论B040613高分子理论计算与模拟B0407??应用高分子化学与物理B040701高分子加工原理与新方法B040702高性能聚合物B040703高分子多相与多组分复合体系B040704聚合反应动力学及聚合反应过程控制B040705杂化高分子B050307???光声光谱B050308????共振光谱B0504?????波谱分析与成像分析B0505???????质谱分析B0506????分析仪器与试剂B050601??联用技术B050602?分析仪器关键部件、配件研制B050603分析仪器微型化B050604??极端条件下分析技术B0507????热分析与能谱分析B0508????放射分析B0509????生化分析及生物传感B050901???单分子、单细胞分析B050902???纳米生物化学分析方法B050903???药物与临床分析B050904细胞与病毒分析B050905?免疫分析化学B050906??生物分析芯片B0510?????活体与复杂样品分析B0511?????样品前处理方法与技术B060304吸附与离子交换B060305机械分离过程B060306膜分离B060307非常规分离技术B0604化学反应工程B060401化学反应动力学B060402反应器原理及传递特性B060403反应器的模型化和优化B060404流态化技术和多相流反应工程B060405固定床反应工程B060406聚合反应工程B060407电化学反应工程B060408生化反应工程B060409催化剂工程B0605化工系统工程B060501化学过程的控制与模拟B060502化工系统的优化B0606无机化工B060601基础无机化工B060602工业电化学B060603精细无机化工念B0612资源化工B061201资源有效利用与循环利用B061202材料制备的化工基础B07环境化学B0701环境分析化学B070101????无机污染物分离分析B070102有机污染物分离分析B070103污染物代谢产物分析B070104污染物形态分离分析B0702环境污染化学B070201大气污染化学B070202水污染化学B070203土壤污染化学B070204固体废弃物污染化学B070205放射污染化学B070206纳米材料污染化学B070207复合污染化学B0703污染控制化学B070301大气污染控制化学B070302水污染控制化学B070303土壤污染控制化学生命科学部C01微生物学C0101微生物资源与分类学C010101细菌资源、分类与系统发育C010102放线菌资源、分类与系统发育C010103真菌资源、分类与系统发育C010104病毒资源与分类C0102微生物生理与生物化学C010201微生物生理与代谢C010202微生物生物化学C0103微生物遗传育种学C010301微生物功能基因C010302微生物遗传育种C0104微生物学研究的新技术与新方法C0105环境微生物学C010501陆生环境微生物学C010502水生环境微生物学C010503其他环境微生物学C020203植物地理学C0203?植物进化生物学C020301植物系统发育C020302古植物学与孢粉学C020303植物进化与发育C0204?植物生理与生化C020401光合作用C020402生物固氮C020403呼吸作用C020404矿质元素与代谢C020405有机物质合成与运输C020406水分生理C020407抗性生理C020408植物激素与生长发育C020409植物次生代谢与调控C020410种子生理C0205?植物生殖生物学C020501植物配子体发生与受精C020502植物胚胎发生C0206?植物资源学C0306生态系统生态学C030601农田生态学C030602森林生态学C030603草地与荒漠生态C030604水域生态学C0307景观与区域生态学C030701景观生态学C030702区域生态学C0308全球变化生态学C030801陆地生态系统与全球变化C030802海洋生态系统与全球变化C0309微生物生态学C0310污染生态学C031001污染生态学C031002毒理生态学C0311土壤生态学C031101土壤生态系统水分、养分循环C031102土壤生物与土壤生态系统C0312保护生物学与恢复生态学C031201生物多样性C040402造纸与制浆C0405森林生物学C040501树木生长发育C040502树木抗逆生理学C040503树木繁殖生物学C0406森林土壤学C0407森林培育学C040701森林植被恢复与保持C040702人工林培育C040703种苗学C040704复合农林业C0408森林经理学C040801森林可持续发展C040802森林分类经营C0409森林健康C040901森林病理C040902森林害虫C040903森林防火C0410林木遗传育种学C041001林木种质资源C041002林木遗传改良C050201蛋白质与多肽生物化学C050202核酸生物化学C050203酶学C050204糖生物学C050205无机生物化学C0503蛋白质组学C0504膜生物化学与膜生物物理学C050401生物膜结构与功能C050402跨膜信号转导C050403物质跨膜转运C050404其他膜生物化学与膜生物物理学C0505系统生物学C0506环境生物物理C050601电磁辐射生物物理C050602声生物物理C050603光生物物理C050604电离辐射生物物理与放射生物学C050605自由基生物学C0507空间生物学C0508生物物理、生物化学与分子生物学研究的新方法C060504染色体异常与疾病C060505肿瘤遗传C060506遗传病模型C0606基因组学C060601基因组结构与分析C060602比较基因组与进化C060603基因组信息学C0607基因表达调控与表观遗传学C060701组蛋白修饰及意义C060702DNA修饰及意义C060703染色体重塑及意义C060704非编码RNA调控与功能C060705转录与调控C0608生物信息学C060801生物数据分析C060802生物信息算法及工具C060803生物信息挖掘C060804生物系统网络模型C0609遗传学研究新方法C0610发育生物学C071102人体胚胎学C08免疫学C0801免疫生物学C080101分子免疫C080102细胞免疫C080103免疫应答C080104免疫耐受C080105免疫调节C0802免疫遗传学C0803免疫病理学C0804神经内分泌免疫学C0805生殖免疫学C0806黏膜免疫学C0807临床免疫学C080701自身免疫与自身免疫性疾病C080702超敏反应与超敏反应性疾病C080703免疫缺陷与免疫缺陷C0816免疫学新技术新方法C09神经科学与心理学C0901心理学C090101认知心理学C090102生理心理学C090103医学心理学C090104精神卫生学C090105工程心理学C090106发展心理学C090107教育心理学C090108社会心理学C090109应用心理学C0902神经生物学C090201分子神经生物学C090202细胞神经生物学C090203发育神经生物学C090204系统神经生物学C090205认知神经生物学C090206计算神经生物学C090207感觉系统神经生物学C0903神经和精神系统疾病C1007医学影像学C100701影像诊断学C100702生物医学超声C100703核医学C100704医学影像物理与工程C1008放射医学C100801放射治疗学C100802放射病理学C100803放射生物学C100804放射防护学C1009生物医学工程研究的新技术与新方法C11农学C1101农学基础C110101农业数学与农业物理C110102农业气象学C110103农业水土资源利用学C110104农业信息学C110105农业系统工程与调控C1104植物保护学C110401植物病虫害测报学C110402植物病理学的理论与方法C110403植物真菌病害与防治C110404植物细菌病害与防治C110405植物病毒病害与防治C110406植物其他病害与防治C110407农业昆虫与害虫防治C110408杂草防治C110409鼠害防治C110410农业有害生物检疫学C110411化学保护C110412植物病害生物防治C110413植物害虫生物防治C1105园艺学C110501果树学C110502蔬菜学C110503瓜果学C110504观赏园艺学C120203动物病理学C120204兽医免疫学C120205兽医寄生虫学C120206兽医传染病学C120207中兽医学C120208兽医药理学与毒理学C120209临床兽医学C1203水产学C120301水产生物生理学C120302水产生物遗传育种学C120303水产资源与保护学C120304水产生物营养学C120305水产养殖学C120306水产生物病害与控制C120307水产品加工与保鲜C120308水产品安全与质量控制C1204动物食品科学C120401动物产品的贮藏、保鲜C120402动物产品的品质与营养C120403动物产品的安全C140101循环生理学C140102血液及淋巴生理学C140103呼吸生理学C140104消化生理学C140105泌尿生理学C140106内分泌及代谢生理学C140107生殖生理学C1402人体病理学C140201心血管系统病理学C140202血液及淋巴系统病理学C140203呼吸系统病理学C140204消化系统病理学C140205泌尿系统病理学C140206内分泌及代谢系统病理学C140207生殖系统病理学C140208肿瘤病理学C140209实验病理学C1403病理生理学C140301疾病与离子通道C140302疾病与受体C150102职业卫生学C1502?营养与食品卫生学C150201营养学C150202食品卫生学C1503妇幼与儿童少年卫生学C150301妇幼卫生学C150302儿童少年卫生学C1504卫生毒理学C1505流行病学与卫生统计学C150501传染病流行病学C150502非传染病流行病学C150503流行病学方法学及卫生统计学C1506地方病学C1507传染病学C150701传染病媒介生物C150702寄生虫性传染病C150703病毒性传染病C150704细菌性传染病C150705其他病原体引起的传染病C1508?皮肤性病学C1605心胸外科学C160501??胸部外伤C160502成人心脏外科学C160503先天性心脏病学C160504胸部其他组织器官疾病C160505心肺移植和辅助循环学C1606泌尿外科学C160601结石C160602尿动力学C160603男科学C160604泌尿系统脏器移植C160605前列腺疾病C160606泌尿系统畸形、损伤、炎症等C1607骨外科学C160701脊柱外科C160702关节外科C160703手外科与外周神经修复C160704骨质疏松C160705骨创伤C160706骨与关节感染C170602眼底疾病C170603视神经及视路相关疾病C170604眼科其他疾病C1707耳鼻喉科学C170701鼻和前颅底疾病C170702咽喉及颈部疾病C170703耳和侧颅底疾病C1708口腔医学C170801口腔内科学C170802口腔颌面外科学C170803口腔修复学C170804口腔正畸学C1709法医学C1710肿瘤学C171001肿瘤研究体系与方法C171002肿瘤病因C171003肿瘤诊断C171004肿瘤预防C171005肿瘤化学药物治疗C171006肿瘤物理治疗C180205生物药物C180206药物分析学C180207海洋药物学C180208药物材料学C180209特种药物学C19中医学与中药学C1901中医基础理论C190101脏腑气血津液体质C190102病因病机C190103证候基础研究C190104治则与治法C190105中医方剂学C190106中医诊断学C190107经络学与腧穴学C1902中医临床基础C190201中医内科学C190202中医外科学C190203中医骨伤科学C190204中医妇科学C190205中医儿科学C190706抗病毒药理C190707消化与呼吸药理C190708泌尿与生殖药理C190709中药药代动力学C190710中药毒理学C1908中药药性与炮制学C190801中药炮制学C190802中药药性理论研究C1909中药制剂学C1910民族医药学C191001民族医学C191002民族药学C1911中医药学研究的新方法、新技术国家自然科学基金学科代码地球科学部D01地理学D0101自然地理学D0106遥感机理与方法D0107地理信息系统D010701空间数据组织与管理D010702遥感信息分析与应用D010703空间定位数据分析与应用D0108测量与地图学D0109污染物行为过程及其环境效应D010901污染物迁移、转化、归趋动力学D010902污染物生物有效性与生态毒理D010903污染物区域空间过程与生态风险D0110区域环境质量与安全D011001区域环境质量综合评估D011002自然灾害风险评估与公共安全D011003重大工程活动的影响D011004生态恢复及其环境效应D0111自然资源管理D011101可再生资源演化D011102自然资源评价D011103自然资源利用与规划D0112区域可持续发展D011201资源与可持续发展D0214工程地质学D0215数学地质学与遥感地质学D0216火山学D0217生物地质学D0218环境地质学和灾害地质学D03地球化学D0301同位素地球化学D0302微量元素地球化学D0303岩石地球化学D0304矿床地球化学和有机地球化学D0305同位素和化学年代学D0306实验地球化学和计算地球化学D0307宇宙化学与比较行星学D0308生物地球化学D0309环境地球化学D04地球物理学和空间物理学D0401大地测量学D040101物理大地测量学D040102动力大地测量学D040103卫星大地测量学(含导航学)D0504中层与行星大气物理学D0505天气学D0506大气动力学D0507气候学与气候系统D0508数值预报与数值模拟D0509应用气象学D0510大气化学D0511云雾物理化学与人工影响天气D0512大气环境与全球气候变化D0513气象观测原理、方法及数据分析D06海洋科学D0601物理海洋学D0602海洋物理学D0603海洋地质学D0604海洋化学D0605河口海岸学D0606工程海洋学D0607海洋监测、调查技术D0608海洋环境科学D0609生物海洋学与海洋生物资源E010502?金属智能材料E010503?新型金属功能材料E0106金属材料的合金相、相变及合金设计E010601金属材料的合金相图E010602金属材料的合金相变E010603金属材料的合金设计E0107金属材料的微观结构E010701金属的晶体结构与缺陷及其表征方法E010702金属材料的界面问题E0108金属材料的力学行为E010801?金属材料的形变与损伤E010802?金属材料的疲劳与断裂E010803金属材料的强化与韧化E0109金属材料的凝固与结晶学E010901?金属的非平衡凝固与结晶E010902?金属的凝固行为与结晶理论E0110金属材料表面科学与工程E011001?金属材料表面的组织、结构与性能E011002?金属材料表面改性及涂层E0206碳素材料与超硬材料E020601高性能碳素材料E020602金刚石及其他超硬材料E020603新型碳功能材料E0207无机非金属类光电信息与功能材料E020701微电子与光电子材料E020702发光及显示材料E020703特种无机涂层与薄膜E0208无机非金属基复合材料E020801复合材料的制备E020802强化与增韧理论E020803界面物理与界面化学E0209半导体材料E0210无机非金属类电介质与电解质材料E0211无机非金属类高温超导与磁性材料E021101高温超导材料E021102磁性材料及巨磁阻材料E0212古陶瓷与传统陶瓷E0213其他无机非金属材料E021301生态环境材料E0309有机高分子功能材料E030901光电磁信息功能材料E030902分离与吸附材料E030903感光材料E030904自组装有机材料与图形化E030905有机无机复合功能材料E030906纳米效应与纳米技术E0310生物医用高分子材料E031001组织工程材料E031002载体与缓释材料E031003植入材料E0311智能材料E0312仿生材料E0313高分子材料与环境E031301天然高分子材料E031302环境友好高分子材料E031303高分子材料的循环利用与资源化E031304高分子材料的稳定与老化E0314高分子材料结构与性能E041101工艺矿物学与粉碎工程学E041102?矿物加工工程E041103?物理方法分离E041104?化学方法分离E041105?矿物材料与应用E0412?冶金物理化学与冶金原理E041201火法冶金E041202湿法冶金E041203电(化学)冶金与电池电化学E041204冶金熔体(溶液)E041205冶金物理化学研究方法与测试技术E0413冶金化工与冶金反应工程学E0414钢铁冶金E0415?有色金属冶金E041501轻金属E041502重金属E041503稀有金属E041504贵金属等分离提取E0416材料冶金过程工程E042206?冶金燃烧与节能工程E042207冶金史及古代矿物科学E05机械工程E0501机构学与机器人E050101机构学与机器组成原理E050102机构运动学与动力学E050103机器人机械学E0502传动机械学E050201机械传动E050202流体传动E050203复合传动E0503机械动力学E050301振动/噪声测试、分析与控制E050302机械系统动态监测、诊断与维护E050303机械结构与系统动力学E0504机械结构强度学E050401机械结构损伤、疲劳与断裂E050402机械结构强度理论与可靠性设计E050403机械结构安全评定E0505机械摩擦学与表面技术装备E050902非传统加工工艺与装备E050903超精密加工工艺与装备E050904高能束加工工艺与装备E0510制造系统与自动化E051001数控技术与装备E051002数字化制造与智能制造E051003可重构制造系统E051004可持续设计与制造E051005制造系统调度、规划与管理E0511机械测试理论与技术E051101机械计量标准、理论与方法E051102机械测试理论、方法与技术E051103机械传感器技术与测试仪器E051104机械制造过程监测与控制E0512微/纳机械系统E051201微/纳机械驱动器与执行器件E051202微/纳机械传感与控制E051203微/纳制造过程检测与控制E060403?煤与其他固体燃料的燃烧E060404?气体、液体燃料燃烧E060405?动力装置中的燃烧E060406?特殊环境与条件下燃烧E060407?燃烧污染物生成和防治E060408?火灾E0605?多相流热物理学E060501?离散相动力学E060502?多相流流动E060503?多相流传热传质E060504?气固两相流E0606??热物性与热物理测试技术E060601流体热物性E060602?固体材料热物性E060603?单相与多相流动测试技术E060604?传热传质测试技术E060605燃烧测试技术E0607?可再生与替代能源利用中的工程热物理问题E060701?太阳能利用中的工程热物理问题E060702?生物质能利用中的工程热物理问E070402?电力系统控制E070403?电力系统保护E0705?高电压与绝缘E070501?高电压与大电流E070502?电气设备绝缘E070503?过电压及其防护E0706?电力电子学E070601?电力电子器件及其应用E070602?电力电子系统及其控制E0707?脉冲功率技术E0708?气体放电与放电等离子体技术E0709?电磁环境与电磁兼容E0710?超导电工学E0711?生物电磁技术E0712?电能储存与节电技术E08建筑环境与结构工程学科E0801建筑学E080101建筑设计与理论E080102建筑历史与理论E0802城乡规划E080509结构健康监测E080510既有结构性能评价与修复E080511混凝土结构材料E080512土木工程施工与管理E0806?岩土与基础工程E080601地基与基础工程E080602岩土工程减灾E080603环境岩土工程E0807交通工程E080701交通规划理论与方法E080702交通环境工程E080703道路工程E080704铁道工程E0808?防灾工程E080801地震工程E080802风工程E080803结构振动控制E080804工程防火E080805城市与生命线工程防灾E09?水利科学与海洋工程E0901?水文、水资源E090503?地表与河道水力学E090504?水信息学与数字流域E0906水力机械及其系统E090601水力机械的流动理论E090602?空蚀和磨损及多相流E090603?电站和泵站系统E090604?监测和诊断及控制E0907?岩土力学与岩土工程E090701岩土体本构关系与数值模拟E090702岩土体试验、现场观测与分析E090703?软基与岩土体加固和处理E090704岩土体渗流及环境效应E090705岩土体应力变形及灾害E0908水工结构和材料及施工E090801?水工结构动静力分析与控制E090802?水工结构实验、观测与分析E090803? E090804水工和海工材料水工施工及管理E0909?海岸工程术F010105信息系统建模与仿真F010106认知无线电F0102通信理论与系统F010201网络通信理论与技术F010202无线通信理论与技术F010203空天通信理论与技术F010204多媒体通信理论与技术F010205光、量子通信理论与系统F010206计算机通信理论与系统F0103信号理论与信号处理F010301多维信号处理F010302声信号分析与处理与技术F010503电路网络理论F010504高性能电路F010505非线性电路系统理论与应用F010506功能集成电路与系统F010507功率电子技术与系统F010508射频技术与系统F010509电路与系统可靠性。

通信原理实验报告

通信原理实验报告

通信原理实验教程(北京邮电大学出版社出版图书):《通信原理实验教程》是2009年北京邮电大学出版社出版的图书,作者是杨鸿文、桑林、徐春秀、庞沁华。

内容简介:《通信原理实验教程》是通信原理实验课程的教材,内容涵盖三大方面:通信系统的Matlab仿真;模拟通信和数字通信实验;高斯最小移频键控调制器实验。

通过实验,使学生受到科学实验的基本训练,并掌握通信系统仿真和数字处理的硬件实现新方法。

《通信原理实验教程》适用于高等院校本科通信工程、信息工程、电子工程等专业。

也可供工程科技人员参考。

图书目录:第1章通信系统的Matlab仿真实验1.1引言1.2信号与系统在仿真中的表示1.2.1仿真建模1.2.2时域采样及频域采样1.2.3傅里叶变换1.2.4功率谱密度1.2.5线性系统1.2.6冲激脉冲的仿真1.2.7实验1.2.8思考题1.3高斯噪声与随机数据的产生1.3.1白高斯噪声1.3.2随机二进制序列1.3.3多进制随机数1.3.4实验1.3.5思考题1.4调制1.4.1 SSB调制1.4.2 FM调制1.4.3等效基带仿真1.4.4数字调制1.4.5实验1.4.6思考题1.5数字基带信号1.5.1 PAM信号1.5.2升余弦滚降PAM信号1.5.3眼图1.5.4 NRZ及RZ信号1.5.5 AMI码1.5.6实验1.5.7思考题1.6误码率仿真1.6.1误码率1.6.2二进制系统的误码率1.6.3高阶调制的误码率1.6.4 ISI信道的误码率1.6.5实验1.6.6思考题1.7信道编码1.7.1线性分组码1.7.2循环码1.7.3实验1.7.4思考题第2章通信系统实验2.1引言2.2实验一:双边带抑制载波调幅(DSB-SC AM)2.2.1实验目的2.2.2 DSB-SC AM信号的产生及相干解调原理2.2.3 DSB-SC AM信号的产生2.2.4 DSB-SC AM信号的相干解调及载波提取2.3实验二:具有离散大载波的双边带调幅(AM)2.3.1实验目的2.3.2 AM信号的产生及解调原理2.3.3 AM信号的产生2.3.4 AM信号的非相干解调2.4实验三:调频(FM)2.4.1实验目的2.4.2 FM信号的产生及锁相环解调原理2.4.3 FM信号的产生2.4.4 FM信号的锁相环解调2.5实验四:线路码的编码与解码2.5.1实验目的2.5.2各线路码的信号波形2.5.3实验2.6实验五:时钟恢复2.6.1实验目的2.6.2时钟提取的原理2.6.3从RZ-AMI码恢复时钟2.6.4从BIP-RZ码或者UNI-RZ码恢复时钟2.7实验六:眼图2.7.1实验目的2.7.2观察眼图的作用2.7.3眼图实验2.8实验七:采样、判决2.8.1实验目的2.8.2采样、判决的原理2.8.3实验2.9实验八:二进制通断键控(OOK)2.9.1实验目的2.9.2 OOK信号的产生及其解调原理2.9.3 OOK信号的产生2.9.4 00K信号的非相干解调2.10实验九:二进制移频键控(2FSK)2.10.1实验目的2.10.2 2FSK信号的产生及解调原理2.10.3连续相位2FSK信号的产生2.10.4连续相位2FSK信号的锁相环解调2.11实验十:二进制移相键控(2PSK)及差分移相键控(DPSK)2.11.1实验目的2.11.2 2PSK及DPSK2.11.3 DPSK信号的产生2.11.4 DPSK信号的相干解调2.12实验十一:信号星座2.12.1实验目的2.12.2 MPSK及MQAM信号的矢量表示及其信号星座图2.12.3信号星座图实验2.13实验十二:低通信号的采样与重建2.13.1实验目的2.13.2低通信号的采样与重建的原理2.13.3采样与重建2.14实验十三:脉冲幅度调制与时分复用2.14.1实验目的2.14.2 PAM与TDM的原理2.14.3 PAM/TDM信号的产生2.14.4 PAM/TDM信号的分路2.15通信系统实验报告要求第3章高斯最小移频键控调制器实验3.1实验目的3.2实验内容3.3实验原理3.3.1 GMSK调制器工作原理及相位路径的计算3.3.2数字信号处理方法实现GMSK调制器3.4实验步骤3.4.1设计相位路径的余弦表与正弦表3.4.2仿真眼图的编程及其检验3.4.3设计地址逻辑3.5实验结果观察3.5.1实验仪器3.5.2观察实验结果3.6实验报告3.7 GMSK调制器实验箱介绍3.7.1 GMSK调制器实验连接框图3.7.2实验箱组成3.7.3实验箱电路图及工作原理附录TIMS实验系统部分模块说明一、频率计数器(FREQUENCY/EVENTC()UNTER)二、主信号发生器(MASTERSIGNALS)三、耳机放大器和低通滤波器(HEADPHONEAMPUFIERANDLPF)四、缓冲放大器(BUFFERAMPLIFIER)五、可变直流电源(VARIABLEDC)六、示波器显示选择器(SCOPESELECTOR)七、干线汇聚板(TRUNKSPANEL)八、加法器(ADDER)九、音频振荡器(AUDIOOSCILLATOR)十、双模拟开关(DUALANALOGSWITCH)十一、乘法器(MULTIPLIER)十二、移相器(PHASESHIFTER)十三、正交分相器(QUADRATUREPHASESPLITTER)十四、公用模块(UTILITIESMODULE)十五、序列码发生器(SEQUENCEGENERATOR)十六、双脉冲发生器(TWINPULSEGENERATOR)十七、多电平编码器(M-LEVELENCODER)十八、多电平译码器(M-LEVELDECODER)十九、压控振荡器(VCO)二十、可调低通滤波器(TUNEABLELPF)二十一、判决模块(DECISIONMAKER)二十二、基带信道滤波器(BASEBANDCHANNLEFLITTER)二十三、误码计数(ERRORCOUNTINGUTILITIES)二十四、线路码与部分响应编码器(LINECODE&PARTIALRESPONSEENCODE)二十五、线路码与部分响应解码器(LINECODE&PARTIALRESPONSEDECODE)二十六、噪声发生器(NOISEGENERATOR)二十七、100kHz带通信道滤波器(100kHzPASSBANDCANNELFILTER)二十八、频谱分析器(SPECTRUMANALYSERUTILITIES)二十九、积分和清零(INTEGRATE&DUMP)三十、比特时钟重建器(BITCLOCKREGENERATl0N)三十一、正交功能模块(QUADRATUREUTILITIES)。

通信原理实验 HDB3码型变换 实验报告

通信原理实验 HDB3码型变换 实验报告

姓名:学号:班级:第周星期第大节实验名称:HDB3码型变换一、实验目的1.掌握AMI编码规则,编码和解码原理。

2.掌握HDB3编码规则,编码和解码原理。

3.了解锁相环的工作原理和定时提取原理。

4.了解输入信号对定时提取的影响。

5.了解信号的传输时延。

6.了解AMI/HDB3编译码集成芯片CD22103。

二、实验仪器1.ZH5001A通信原理综合实验系统2.20MHz双踪示波器三、实验内容1.HDB3码变换规则验证(1)通过KX02的设置,产生7位周期m序列。

用示波器观测如下数据:(3)拔除KD01,输入数据为全1码。

用示波器观测如下数据:(4)KD01跳线中间接地,输入数据为全0码。

用示波器观测如下数据:♦输入数据(TPD01),HDB3输出单极性码数据(TPD08)2.HDB3码译码和时延测试(2)KD01设置为M;通过KX02的设置,产生7位周期m序列;KP02设置在HDB3位置。

用示波器观测如下数据:输入数据(TPD01),HDB3译码输出数据(TPD07)8个时钟周期3.HDB3编码信号中同步时钟分量定性观测(1)通过KX02的设置,产生7位周期m序列;KP02设置在HDB3位置;KD01设置为输入m序列;KD02分别设置为单极性码输出和双极性码输出。

用示波器观测如下数据:♦M序列,单极性码时同步时钟分量(TPP01)♦M序列,双极性码时同步时钟分量(TPP01)♦M序列,双极性码时放大后同步时钟分量(TPP02)(2)KD01设置为输入全1序列。

用示波器观测如下数据:♦全1序列时单极性码时同步时钟分量(TPP01)(3)KD01设置为输入全0序列。

用示波器观测如下数据:得到了正弦信号。

结论:●HDB3单极性码含有时钟分量;双极性码不含有时钟分量或是较少的时钟分量。

●HDB3码是否含有时钟分量与发送的序列无关,无论是M序列,全0码,全1码4.HDB3译码位定时恢复测量(1)通过KX02的设置,产生7位周期m序列;KP02设置在HDB3位置。

幅频算术对称无源带通滤波器的优化设计

幅频算术对称无源带通滤波器的优化设计

幅频算术对称无源带通滤波器的优化设计
李鹏;马红梅
【期刊名称】《电讯技术》
【年(卷),期】2010(50)6
【摘要】为解决无源带通滤波器幅频算术对称问题,提出一种基于极点放置技术的优化设计方法,即在网络综合法设计的滤波器电路基础上,将并臂电感换成串臂电感,在此电感上并联电容增加衰减极点,并利用电路优化技术,使得幅频特性算术对称.实例结果表明,该方法能够使滤波器幅频特性算术对称,而且带内波动小,电路结构简单,阶数少,插入损耗低.
【总页数】4页(P105-108)
【作者】李鹏;马红梅
【作者单位】华北科技学院,电信系,北京,101601;华北科技学院,电信系,北
京,101601
【正文语种】中文
【中图分类】TN713
【相关文献】
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4.试析形态、素质对速度滑冰滑频、滑幅的影响——兼谈当前我国速滑运动员改善
滑频、滑幅的若干问题 [J], 姜允哲;金鹤山;梅雪雄
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航空发动机气路静电监测信号特征值提取方法

航空发动机气路静电监测信号特征值提取方法

航空发动机气路静电监测信号特征值提取方法
李超役;孙见忠;关天阳;姜衡;刘鹏鹏
【期刊名称】《四川兵工学报》
【年(卷),期】2017(038)006
【摘要】采用符号化时间序列分析法对某型发动机尾气的静电监测信号进行分析,研究其特征值提取方法,并以此为依据判断发动机气路健康状态.利用气路静电传感器及相关系统采集发动机尾气静电信号,使用Matlab工具对采集到的实验数据进行符号化分析,研究了符号化序列的标准差、香农熵或范数等特征值的提取方法,据此来判断发动机气路的健康状态.
【总页数】5页(P112-116)
【作者】李超役;孙见忠;关天阳;姜衡;刘鹏鹏
【作者单位】南京航空航天大学民航学院,南京211106;南京航空航天大学民航学院,南京211106;南昌航空大学,南昌330063;南京航空航天大学民航学院,南京211106;中国船舶工业系统工程研究院,北京100036
【正文语种】中文
【中图分类】V231.25;TJ06
【相关文献】
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5.航空发动机气路静电监测传感器特性 [J], 文振华;左洪福;王华;李耀华
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一种新型可变半径的球形译码算法

一种新型可变半径的球形译码算法

一种新型可变半径的球形译码算法
汤一彬;侯晓赟;郑宝玉
【期刊名称】《重庆邮电大学学报(自然科学版)》
【年(卷),期】2006(000)0z1
【摘要】在MIMO系统的信号检测算法中,球形译码算法的性能最接近最大似然检测算法,但传统的球形译码算法复杂度较高.详细分析了球形译码算法原理的基础上对传统算法进行改进,提出了一种新型可变半径的球形译码算法.仿真结果表明,新算法可以在保持译码性能的同时有效地降低运算复杂度,从而更适合现代无线通信实时性的要求.
【总页数】4页(P51-54)
【作者】汤一彬;侯晓赟;郑宝玉
【作者单位】南京邮电大学,通信与信息工程学院,江苏,南京,210003;南京邮电大学,通信与信息工程学院,江苏,南京,210003;南京邮电大学,通信与信息工程学院,江苏,南京,210003
【正文语种】中文
【中图分类】TN911.22
【相关文献】
1.球形译码算法中不均匀半径分配方案及性能分析
2.一种MIMO系统中改进型球形译码算法
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5.一种极化码联合SC球形列表译码算法
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《通信原理》课程教学大纲
课程代码:110232201
课程英文名称:Communication Theory
课程总学时:32 讲课:32 实验:0 上机:0
适用专业:探测制导与控制技术
大纲编写(修订)时间:2017.11
一、大纲使用说明
(一)课程的地位及教学目标
本课程是探测制导与控制专业的选修课程。

主要讲述现代通信系统的基本组成、基本性能指标和基本分析方法,以当前广泛应用的通信系统和不断发展的新技术为背景,在强调信号的数学表达和推导的同时,以各种调制技术的分析作为主线,紧紧围绕通信系统的有效性和可靠性这对矛盾进行分析,对各种通信系统的性能指标进行评价与比较。

通过本课程的学习,学生将达到以下要求:
1.掌握掌握现代通信系统的基本原理和关键技术;
2.熟悉通信系统设计的基本原理和基本方法,学会分析和处理设计过程中存在的问题;
3. 了解国内外通信领域的最新发展动向;
4. 了解探测与识别系统通信子系统的设计方法,为探测与识别系统的设计与开发打下初步理论基础。

(二)知识、能力及技能方面的基本要求
1.掌握通信基本知识,具备分析设计简单通信系统的基本能力和技能;
2. 掌握信息传输原理和技术,主要是各种调制方式和编码方式的基本原理和性能分析方法;
3. 掌握探测与识别系统通信子系统的设计方法。

(三)实施说明
以通信基本概念和数字通信原理为重点,系统讲述通信系统从信源到信宿的通信系统原理。

注重原理的实际应用,尽量减少繁琐理论推导。

课程内容可根据现代通信新技术和探测与识别系统通信子系统的设计进行适当调整,以适应社会需求。

(四)对先修课的要求
本课程先修课为信号与系统等。

(五)对习题课、实践环节的要求
1.在课堂知识要点讲授基础上,适当增加习题练习进行巩固。

2.根据现代通信技术和探测与识别系统通信子系统的设计要求安排课外设计和综合通信系统设计。

(六)课程考核方式
1.考核方式:考查
2.考核目标:使学生了解当前通信状况及通信系统的发展方向,掌握现代通信中的基本概念、理论及分析方法,为进一步学习研究各种现代通信技术和探测与识别系统通信子系统的设计打下必要的基础,同时提高够综合运用所学知识进行分析问题和解决问题的能力。

3.成绩构成:
课程成绩为出勤情况、课堂表现、课外设计作业及综合设计大作业等成绩的总和。

4.成绩评定
(1)出勤情况按旷课次数扣分,端正学生学习态度(分值10,每旷课一次扣3-5分)。

(2)课堂表现鼓励学生走上讲台,提高其表达能力和沟通能力(分值20,基本考核分10,每上台表现一次增加3-5分)。

基本考核分包括课堂纪律、听讲情况、课堂发言、配合老师教学等课堂基本表现。

上台表现分为学生由原来的被动听课、老师提问,变为老师首先根据本节内容提出一系列问题,给学生一部分时间,查找相关资料、系统分析设计等,然后让学生走上讲台,按其自己所理解和设计的内容给同学们进行讲解。

(3)课外设计作业(分值30,基本保证每个单元一个设计作业,每个5-10分)。

(4)综合设计成绩为综合设计期间的平时考核、系统设计质量、设计论文的正确性、最终答辩等成绩的总和。

(分值40)。

(七)参考书目
《通信原理教程》,孙会楠主编,人民邮电出版社,2014
《现代通信原理》,黄小虎主编,北京理工大学出版社,2008
《通信系统仿真、设计与实训》,代永红等编著,国防工业出版社,2011
二、中文摘要
本课程是理论性和实践性较强的一门课。

本课程要求学生掌握模拟通信系统的基本知识、分析方法和噪声性能。

通过学习使学生了解当前通信状况及通信系统的发展方向,掌握现代通信中的基本概念、理论及分析方法,为进一步学习研究各种现代通信技术和探测与识别系统通信子系统的设计打下必要的基础,同时提高够综合运用所学知识进行分析问题和解决问题的能力。

三、课程学时分配表
四、教学内容及基本要求
第1部分绪论
总学时(单位:学时):2 讲课:2 实验:0 上机:0
具体内容:
通信系统的组成、分类及通信方式、信息及其度量,通信系统主要性能指标
重点:
通信系统模型,通信系统分类,通信系统组成和主要性能指标,信息度量
难点:
常见的调制方式,信息度量
习题:
通信系统组成,通信系统主要性能指标,信息度量
第2部分信道
总学时(单位:学时):2 讲课:2 实验:0 上机:0
具体内容:
信道的定义、分类和模型。

恒参信道,随参信道,信道的加性噪声,信道容量重点:
随参信道,加性噪声,信道容量
难点:
随参信道和信道容量
习题:
信道容量
第3部分模拟调制系统
总学时(单位:学时):4 讲课:4 实验:0 上机:0
第3.1部分线性调制(讲课2学时)
具体内容:
基本概念,调幅AM,双边带调制DSB,单边带调制SSB,残留边带调制VSB 重点:
各种调制方式的表达式,频谱图,调制原理框图和解调的原理框图
难点:
各种调制方式的表达式和频谱图
习题:
AM、DSB、SSB系统的分析和设计
第3.2部分非线性调制(讲课2学时)
具体内容:
角度调制的基本概念,频率调制FM,频分复用(FDM)
重点:
频率调制FM
难点:
频率调制FM
习题:
FM调制系统的分析与设计
第4部分数字基带传输系统
总学时(单位:学时):4 讲课:4 实验:0 上机:0
第4.1部分数字基带信号(讲课2学时)
具体内容:
数字基带信号波形,数字基带信号的功率谱,基带传输的常用码形
重点:
基带传输的常用码形
难点:
数字基带信号的功率谱
习题:
AMI码和HDB码的编码和译码
第4.2部分数字基带传输系统(讲课2学时)
具体内容:
基带脉冲传输与码间干扰,无码间干扰的基带传输特性,部分响应系统,基带传输系统的抗噪声性能,眼图,时域均衡
重点:
基带脉冲传输与码间干扰,无码间干扰的基带传输特性
难点:
部分响应系统
习题:
奈奎斯特第一准则,部分响应系统
第5部分数字带通传输系统
总学时(单位:学时):4 讲课:4 实验:0 上机:0
第5.1部分二进制数字调制原理(讲课2学时)
具体内容:
二进制数字调制原理-2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK,二进制数字调制系统的抗噪声性能,二进制数字调制系统的性能比较
重点:
二进制数字调制原理
难点:
二进制数字调制系统的抗噪声性能
习题:
二进制数字调制系统分析和设计
第5.2部分多进制数字调制原理(讲课2学时)
具体内容:
多进制数字调制系统-MASK和MFSK、QPSK和QDPSK。

重点:
QPSK和QDPSK
难点:
QDPSK
习题:
QPSK数字调制系统设计
第6部分模拟信号的数字传输
总学时(单位:学时):4 讲课:4 实验:0 上机:0
第6.1部分模拟信号的抽样和量化(讲课2学时)
具体内容:
抽样定理,脉冲振幅调制(PAM),模拟信号的量化
重点:
抽样定理,模拟信号的量化
难点:
模拟信号的量化
习题:
抽样定理
第6.2部分模拟信号的编码(讲课2学时)
具体内容:
脉冲编码调制(PCM),差分脉冲编码调制(DPCM),增量调制(△M),时分复用
重点:
PCM、DPCM、△M调制
难点:
PCM和DPCM
习题:
PCM编码和解码、时分复用
第7部分信道复用及多址技术
总学时(单位:学时):2 讲课:2 实验:0 上机:0
具体内容:
频分多路复用、频分多路复用、多址复用技术
重点:
频分多路复用、频分多路复用、
难点:
频分多路复用、频分多路复用、
习题:
多址复用技术的应用
第8部分同步原理
总学时(单位:学时):2 讲课:2 实验:0 上机:0
具体内容:
载波同步、位同步、群同步
重点:
载波同步、位同步、群同步
难点:
载波同步、位同步、群同步
习题:
载波同步、位同步、群同步
第9部分差错控制编码
总学时(单位:学时):2 讲课:2 实验:0 上机:0
具体内容:
差错控制编码概述,码的一些基本概念,纠错编码的基本原理,码距与检错和纠错能力的关系,纠错编码的性能,常用检错码,线性分组码,循环码,卷积码,Turbo码
重点:
纠错编码的基本原理,码距与检错和纠错能力的关系,线性分组码,循环码
难点:
纠错编码的基本原理,线性分组码,循环码
习题:
线性分组码和编码和解码,循环码编码和解码
第10部分综合通信系统
总学时(单位:学时):6 讲课:6 实验:0 上机:0 第10.1部分通信系统的组成(讲课2学时)
具体内容:
数字通信系统的组成,通信系统的分类与主要性能重点:
数字通信系统的组成,通信系统的主要性能
难点:
数字通信系统的组成,通信系统的主要性能
习题:
综合通信系统的分析
第10.2部分综合通信系统的设计(讲课4学时)
具体内容:
综合通信系统的设计
重点:
综合通信系统的设计
难点:
综合通信系统的设计
习题:
综合通信系统的设计。

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