基于AUNet++的Sentinel-1 SAR辽东湾海冰检测方法研究

冬季海冰会极大影响辽东湾地区近岸工程建筑、石油平台、船舶航行等安全生产活动。星载合成孔径雷达不受天气影响且分辨率高,可用于辽东湾海冰灾害监测。本文在深度学习模型UNet++的基础上引入卷积注意力模块(CBAM),并使用交叉损失函数来优化模型,建立辽东湾Sentinel-1 SAR图像高精度海冰检测模型(AUNet++),并与PSPNet、Deeplabv3+、DAU-Net等多种深度学习方法进行对比。实验结果表明AUNet++海冰检测方法在OA、AA、MIoU、Kappa系数4种指标上分别达到了97.56%、97.53%、95.19%、95.07%,结果优于其他深度学习方法。该方法可以在高风速的干扰下对海冰边缘、光滑冰面完成精确海冰信息提取,能够为辽东湾地区的大范围、高精度海冰检测工作提供技术支撑。

基于大气海洋多变量与海冰时序特征的北极海冰范围预测研究

随着全球气候变暖加剧,北极地区的大气海洋环境剧烈变化,导致海冰变化更加不稳定,使得海冰预测的难度增大。本研究选择海表温度、2 m平均气温、二氧化碳浓度为大气海洋变量,海冰范围距平为时序特征参数,将上述参量作为北极海冰范围(Sea Ice Extent,SIE)的预测要素,建立了面向SIE的多变量长短期记忆(Long Short Term Memory,LSTM)神经网络模型,对比分析了2015-2021年不同时间序列预测模型的预测结果。结果显示:本研究所构建模型的RMSE、MAE、MAPE分别为0.353×106 km2、0.261×106 km2和3.191%。相比于其他预测模型,结合大气海洋变量和时序特征参数后的LSTM模型预测结果误差更小,拟合效果更好,可以消除夏季海冰剧烈变化对预测效果的影响,提高海冰范围的预测精度,对北极航道的通航安全保障工作具有重要的研究与应用价值。

渤海连续冰层关键力学参数预报模式

为反映海冰的物理和力学特性,利用实验室获取水平方向加载冰样的单轴压缩强度、三点弯曲强度和侧限剪切强度与孔隙率间的统计关系,把海冰温度、盐度和密度对强度的效应统一起来,建立了预报模式.之后,依据渤海海冰多年调查资料和近期研究成果,将冰层内的温度、盐度和密度表示成气温、水温和冰厚的函数,获得冰层的孔隙率剖面,进而得到冰层力学参数剖面.在选取冰层平均强度时还考虑了渤海冰层底部骨架部分有厚度无强度的特点,实现了利用已知冰厚、气温和水温预报冰层水平方向强度分布的目标.

基于质点-网格模式的海冰厚度变化过程数值模拟

根据渤海冰情,在海冰动力学和热力学研究基础上,应用一种质点-网格海冰模式于渤海海域.该模式采用了质点-网格法,有效地避免了传统模式的数值扩散问题.该模式采用了冰厚分布函数,用多种类型冰代替用于渤海业务预报的平整冰、堆积冰和开阔水3-level模式.进行理想场的数值试验,模拟冰厚变化动力过程.还使用该模式和业务预报模式对于实际渤海冰情进行了不同个例的预报试验,发现该模式在提高冰外缘线预报精度方面有一定的优势.

高分辨率全极化合成孔径雷达数据海冰二次分类方法研究

随着高分辨率全极化合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)影像的大量出现,传统分类方法因所得分类结果中包含斑点噪声,导致分类精度大大降低,因而利用基于伴生关系的二次分类方法对辽东湾RADARSAT-2卫星的海冰SAR影像进行分类,并将所得分类结果与专家解译分类结果和经典的基于H-α分解的Wishart监督分类结果进行对比,证明本方法可以消除斑点噪声的影响,同时具有较好的视觉效果和较高的分类精度。

定量计算渤海海冰参数的遥感方法

利用ＮＯＡＡ及ＦＹ－１卫星监测渤海海冰的亮度温度、反照率及其与海水的差异建立了冰、水识别判据，并根据海冰反照率与冰厚的关系，对海冰进行分类．在解决了混合象元内含冰信息提取的基础上，计算了海冰覆盖度和面积等参数．

Nudging资料同化对北极海冰密集度预报的改进

北极夏季海冰的快速减少使得北极航道提前开通成为可能。为了给北极冰区船运活动提供及时可靠有效的海冰预报保障,急需提高海冰预报水平。本文基于麻省理工大学通用环流模式（MITgcm）,使用牛顿松弛逼近（Nudging）资料同化方法将德国不莱梅大学的第二代先进微波辐射成像仪（AMSR2）海冰密集度资料同化到模式中,建立了北极海冰数值预报系统。设计试验对比3种不同Nudging系数计算方案的改进效果,结果表明选择合适参数后,不同方案均能显著改进海冰密集度初始场。通过设计有无Nudging同化的两组预报试验,结合卫星遥感海冰密集度及中国第五次北极科学考察期间＂雪龙＂船的走航海冰密集度观测数据,定量分析了Nudging同化方案对北极海冰密集度的24~120h预报结果的改进效果。结果表明,Nudging同化对120h内全北极海冰密集度的空间分布和移动单点目标的海冰密集度预报结果均有显著改善;但在海冰变化很小的情况下,Nudging同化试验的24~120h预报结果均劣于惯性预报结果,说明基于Nudging同化的数值预报系统还需进一步提高预报技巧。

CICE5.0与BCC_CSM2.0模式的耦合及对北极海冰的模拟评估

本文将美国Los Alamos国家实验室发展的最新海冰模式CICE5.0引入国家气候中心气候系统模式BCC_CSM2.0,替代原有的海冰模式SIS,形成一个新的耦合模式。在此基础上,评估新耦合模式对1985-2009年北极海冰的模拟性能,检验引入CICE5.0后对耦合模式中北极海冰、海洋和大气模拟结果的改进。结果表明,引入CICE5.0后,模式能较好地模拟出北极海冰的空间分布、季节以及年际变化特征。相比于旧版本耦合模式,新耦合模式模拟的北极多年冰增多、一年冰减少,同时,海冰增厚、海冰流速减慢,模拟效果得到显著改进,对波弗特涡流模拟的改善尤为明显。进一步分析发现,相比于SIS,CICE5.0对北极海冰特别是海冰厚度模拟性能的提升,在耦合进入BCC_CSM2.0后,会触发冰-温的正反馈机制,改进了模式对海平面气压场、表层气温和海表温度的模拟,由此进一步提高了模式对北极海冰的模拟能力。

拉布拉多海一年平整冰厚度SAR反演算法

在利用实测一年平整冰厚数据和同步全极化RADARSAT-2 SAR影像、全面分析不同SAR极化参数对海冰厚度敏感度的基础上,发现Alpha角最高;从理论上证实利用两者相关性反演冰厚的可行性,将所得经验方程用于冰厚反演,其结果与实测数据吻合较好;与现有常用方法的反演结果进行对比表明,新方法误差较小;Alpha角可以用于一年平整冰厚度反演,证明全极化SAR海冰信息反演冰厚确有优势。

EOS/MODIS卫星对渤海海冰的观测研究

本文对MODIS数据进行了处理和分析,探讨了利用MODIS数据提取渤海海冰信息的方法,得到三个不同时相的海冰分布情况。研究结果表明,利用MODIS提取的海冰纹理很清楚,可以很好的刻画出海冰的外缘线及冰块之间的缝隙。因此,利用MODIS准确监测海冰的分布及其面积变化是十分可行的。

风浪和涌浪分离方法的比较

海浪通常以风浪和涌浪混合的形式存在。文中利用模型试验和实测资料,对目前提出的一种二维谱风涌浪分离方法(2D法)和3种一维谱风涌浪分离方法(PM法、WH法、JP法)进行了检验,分析发现:2D法给出的结果整体而言最为可靠,与2D法相比,PM法明显高估了风浪成分,WH法低风速时高估了风浪,高风速时跟2D法比较接近,而JP法在整体上高估了风浪成分。通过调整分割频率的比例系数,改进了PM法,改进后的PM法给出的分离结果与2D法最为一致。

门限自回归模型在海洋冰情预测中的应用

给出了建立门限自回归模型（ＴＡＲ） 的一套实用方法， 用作者提出的改进遗传算法可同时优化门限值和自回归系数，成功地解决了ＴＡＲ建模过程所涉及的大量复杂寻优工作这一难题。实例计算的结果说明了， 这套方法在海洋冰情预测中是可行的和有效的， 在各种自然灾害非线性时序动态预测中具有重要的理论意义和广泛的实用价值。

海冰热力模式的辐射参数化方案在渤海和波罗的海应用的比较

研究了海冰热力模式中的各种辐射参数化方案,对比了模式计算的太阳短波辐射、大气长波辐射以及海冰热力变化,并利用渤海和波罗的海观测资料进行比较和误差分析.冬季大部分时间太阳短波辐射对海冰热力过程的作用有限.简单计算方案一般满足海冰模式要求.误差主要受云和冰雪表面与大气之间的多重反射影响.长波辐射对表面热平衡和海冰质量变化起重要作用.长波辐射参数化方案的计算结果受环境因素影响.云量参数化有待进一步改进.海冰模式计算结果的精度与长波辐射计算精度有一致性.

渤海、北黄海冰情与太平洋副热带高压的统计关系

对1975—2006年逐月太平洋副热带高压面积和强度指数序列与渤海、北黄海冰情等级序列进行了统计分析,计算结果表明,8月和12月太平洋副热带高压面积和强度指数与冰情等级具有良好的相关关系。利用回归方法得到它们之间的统计关系,回归结果表明,太平洋副热带高压面积和强度指数越大,当年冬季冰情越轻,该统计关系对中国冰情预报具有一定的参考意义。

辽东湾冰季太阳辐射分析

利用渤海辽东湾JZ2 0 - 2石油平台上的气象和海冰观测数据 ,研究了冰季大气层和云层对太阳辐射的影响。结果表明 ,辽东湾冰季大气光学质量可取为 0 .83,碧空、少云、多云、阴天、雾天和雨雪等不同天气条件下的云量系数可分别取为 0、3、6、8、9和 1 0。分析了冰水混合情况下海面对太阳辐射的反射情况 ;讨论了太阳辐射对冰面长波辐射和对流传热的影响 ;利用冰面太阳辐射的实测值和计算结果 ,对整个冰季内太阳辐射的规律进行了分析 ,发现其对海冰厚度的变化趋势起到一定的控制作用。将冰季太阳辐射的计算方法引入到渤海海冰数值模式中 ,可提高海冰数值模拟和预测结果的精度。

分形分析方法在海冰趋势预测中的应用

根据渤海北部 1966—2001 海冰冰级年际变化的实际资料，利用 R/S 分析的原理和方法计算了 H 指数，建立了 R（i）/S（i） 与 i 的关系式，对渤海北部海冰趋势进行了预测分析。结果表明，利用分形分析方法进行海冰趋势预测不仅方法简便，而且结论具有客观性，可以将其作为海冰趋势预测中较为有效的一种方法。

船载雷达海冰监测及预报技术在辽东湾冰区油轮外输作业中的应用

渤海的辽东湾是世界上典型的海湾结冰区,位于冰区中的石油平台油轮外输作业中,流冰连续不断地漂移、聚集形成堆积冰,给海上油轮的外输作业安全带来严重危害。本文概述了在国内首次利用船载雷达,在该湾冰区石油平台上,现场采用雷达海冰监测预报技术系统,进行遥感海冰数据源的获取,图像的解译和数值化处理,得到流冰类型、冰厚度、流冰密集度、流冰速度、方向、流冰漂移轨迹等要素。同时首次现场实时计算出雷达冰漂流场矢量图,并开展了雷达海冰数值跟踪预报,在冰区油轮外输作业中得到很好应用,为雷达技术对水体和海冰监测和预报、遥感应用新领域提供科学依据。

遗传双线性模型在海洋冰情预测中的应用

提出了一套建立双线性模型 (BM )的简便方案。用作者研制的加速遗传算法可同时估计BM模型各参数 ,成功地解决了BM建模这一难题 ,为BM模型的广泛应用提供了强有力的工具。实例的计算结果说明 ,这套方法在海洋冰情预测中是可行而有效的 ,通过利用预测过程中产生的残差信息进行反馈矫正 ,保证了BM模型高的拟合精度和稳健的预测性能 ,增强了BM对复杂非线性动态系统的适应性。该方案具有一般性 。

渤海海冰业务数值预报系统

海冰业务数值预报经过二年不断改进、完善和提高，目前已经建立了包括大气、海洋和海冰模式在内的数值预报系统及资料管理、业务预报和微机通信一体化的预报服务系统。海冰数值预报作为一种新的预报手段将产生显显的社会和经济效益。本文分别介绍海冰数值预报系统，业务运行，预报产品通信传输，资料管理和预报产品检验方案。

冰情、灾害、监测、预报、减灾

本文概述渤海和黄海北部海域冰情及其产生的灾害，概述海冰监测和预报，讨论防灾减灾有关问题。