多视图协同的海洋多要素环境数据关联关系分析方法

海洋事件离不开各要素环境数据的共同作用,获取要素之间的关联关系从而进行海洋事件的预报预测,是一个亟待解决的问题。为此,本文提出一种多视图协同的关联关系分析方法来度量海洋各要素数据间的关联关系。首先,在传统平行坐标技术的基础上增加刷技术、轴排序等功能对海洋多要素数据进行初步探索,同时引入散点矩阵图展示各要素的分布;其次,以平行坐标中数据线间的角度、面积以及散点图中要素分布的距离为差异度量方式,对计算得到的差异构建相似性矩阵;再次,采用多维标度法得到原始多要素数据在低维空间中的表达;最后,使用K-means算法对降维后的低维度数据进行聚类分析。本文提出的方法从视觉角度对数据进行分析和特征挖掘,并得到高维数据在低维空间上的可视化展示,实现了有效量化海洋数据不同要素间的相关关系。

HY-1C/D卫星中国海洋水色水温扫描仪几何定位方法

海洋一号C/D(HY-1C/D)卫星中国海洋水色水温扫描仪(Chinese Ocean Color and Temperature Scanner,COCTS)主要用于探测海洋水色、水温等要素,这些要素需要经过卫星资料处理才能获取,而几何定位是预处理的核心,直接影响这些要素的质量。COCTS具有114°视场角和四元逐点摆扫的特征,据此研究出一套完整的几何定位方法。从0级数据中提取卫星星历,利用插值法从中获取采样时间对应的卫星位置和速度,进而得到轨道(ORB)坐标系到地心旋转(ECR)坐标系的转换矩阵。基于四元逐点摆扫的特征,中心视矢量分别绕X轴、Y轴旋转相应角度,获得扫描行各采样点ORB视矢量,建立视矢量与地球交叉点关系模型,从而对根据波段数据绘制的遥感图像进行地理定位。本文使用插值法替代了传统需要6个轨道根数来计算卫星位置的复杂方法,同时直接计算ORB到ECR的转换矩阵,而不采用传统的两步转换方法。经过多组数据计算及定性定量验证,HY-1C/D COCTS几何定位结果一致;采样像元尺度效应导致从星下点到两侧边缘、从赤道到两极,误差逐渐增大,约在两个像元内。该方法满足一定的定位精度要求,可以用于COCTS的几何定位。

南海西北部上层海洋对台风“杜苏芮”的响应分析

基于锚碇观测资料,本文分析了南海西北部陆坡区上层海洋对台风“杜苏芮”的动力学和热力学响应特征。在动力学响应方面,台风“杜苏芮”期间上层流速显著增强,混合层纬向流速可达1.20m/s;“杜苏芮”经过后上层海水运动以近惯性振荡为主(流向顺时针旋转周期在36~40h之间)。近惯性能量在垂向分布上存在两个高值中心,分别位于混合层和温跃层深度上。近惯性能量耗散过程的e折时间尺度约为3.7d,我们认为能量的向下传播在局地近惯性能量衰减过程中起主要作用。对能量谱的分析表明,“杜苏芮”作用期间近惯性频率能量相对于其作用前增大了约29.4倍,而全日和半日频率(K1和M2)能量有所减弱。此外,能量谱显示近惯性频率存在明显的“蓝移”现象,即对于纬向和经向流速分量在400m以浅平均的近惯性振荡频率分别为1.167f0和1.170f0(f0为局地惯性频率)。蓝移与近惯性内波的向下传播及正的相对涡度的输入有关。在热力学响应方面,上层海洋在台风的搅拌作用下,40~250m深度均出现较小增温,最大增温幅度接近1℃;此外70m以浅盐度的降低可能与台风过境时的降水相关,而Ekman抽吸引起的上升流则可能对70~100m深度盐度的升高具有重要作用。

南海北部内波作用下声散射层垂直迁移特征研究

利用深海潜标搭载的声学多普勒流速剖面仪得到的后向散射强度,研究了南海北部声散射层的昼夜垂直迁移和内孤立波对其的影响。观测结果表明:受浮游动物影响,声散射层主要表现为“昼沉夜浮”,日出前约1 h至日出期间向下移动,日落至日落后约1 h期间向上移动,平均迁移速度为4.7 cm/s(上移)和5.8 cm/s(下移)。此外,经过观测海域的内孤立波引起一对先向下后向上的垂向流,最大垂向流速超过50 cm/s,导致声散射层发生数十至上百米的起伏,海洋上层的声学后向散射强度在内孤立波波谷处达到极大值。进一步的研究显示日间出现内孤立波垂向流速与深度平均后向散射强度变化幅度相关性比夜间的内孤立波高。在两种类型波动引起的垂向流速相当时,日间的深度平均后向散射强度变化幅度通常大于夜间。

海洋混合层深度时空分布及其与风、浪参数的相关性分析

本文应用一个经验证的全球尺度FVCOM海浪模型,模拟了2012年全球海洋海浪场的分布和演变,分析了海表面风场、海浪场与混合层深度的全球尺度分布及相关性。综合观测资料和模型结果显示,海表面10 m风速、有效波高与混合层深度的全球尺度分布随季节发生显著的变化,并且其分布态势存在明显的相似性。从相关系数的全球分布来看,海表面10 m风速在印度洋低纬度海区(纬度0°～20°)与混合层深度间有较强的相关性,相关系数大于0.5;有效波高与混合层深度间相关系数大于0.5的网格分布在北半球高纬度海区和印度洋北部。谱峰周期与混合层深度间在部分海区存在负相关关系,这些网格主要分布在低纬度海区(纬度0°～30°)。统计结果显示,有效波高、海表面10 m风速和谱峰周期与混合层深度间的平均相关系数分别为0.31、0.25和0.12。综合以上结果表明,有效波高较谱峰周期能更有效地表征波浪能对海洋上层混合的影响;相比于海表面风速,有效波高与混合层深度间存在更强的相关关系,其变化对海洋上层混合有更显著的影响。

热带气旋“凤凰”(2014)的结构演变及其引起的海洋响应分析

利用日本多功能运输卫星(Multi-functional Transport Satellite,简称为MTSAT-2)逐小时云顶亮温资料、Climate Prediction Center Morphing Technique(CMORPH)逐3小时降水资料及南海北部的现场观测资料,对2014年第16号热带气旋“凤凰”的结构演变和远距离洋面上的海洋响应特征进行了研究。结果表明:高空环流形势场的变化主导了“凤凰”的移动方向,调整其云系结构;“凤凰”过境期间测站处气压和气温明显下降,风速和相对湿度有所增加,并伴随有多次阵性降雨过程,最大降雨量可达174 mm/h;“凤凰”引起的强混合的热泵作用导致测站处海洋混合层冷却加深,三个站位观测到的最大海表面降温分别为0.53℃(站位2)、0.50℃(站位4)、1.18℃(站位5);“凤凰”期间海表面盐度下降,且强降盐过程与降水时段具有较好的时间一致性,降水时段内,三个站位观测到的表层最大降盐量分别为0.557 psu(站位2)、0.407 psu(站位4)、0.773 psu(站位5)。

北太平洋大气沉降的时空特征及其对副极区海洋生态系统的影响

北太平洋副极地海区作为全球海洋三个高营养盐低叶绿素(high nutrient and low chlorophyll, HNLC)海区之一,其浮游植物生长受到微量元素铁的限制。对于开阔大洋,大气沉降是海洋表层铁的一个重要来源,铁元素沉降进入海洋后能够促进浮游植物生长,进而引起海洋初级生产力和生物泵的响应。本文利用SPRINTARS(Spectral Radiation-Transport Model for Aerosol Species)模式的时长为20a的日均大气沉降数据,对北太平洋海区大气沉降的时空特征进行了分析。结果表明,进入北太平洋海区的大气沉降量为26.81Tg·a–1,并且存在显著的季节变化:春季最高,冬季最低,5月份进入海洋的沉降量达到峰值。大气沉降主要来源于陆地区域,在风场的驱动下向海洋传输,因此大气沉降量的空间分布呈现出西高东低的特征。本文以2010年8月中旬卫星观测到的一次强沙尘(即高大气沉降量)事件为例,研究了大气沙尘的传播路径。进一步结合2001年4月9-12日及2008年4月20-22日的沙尘事件,分析了西北太平洋K2站位(47°N,160°E)附近海域海洋初级生产力对大气沉降--沙尘事件的响应。结果表明,三次沙尘事件后, K2站位的颗粒有机碳通量、叶绿素浓度均有明显增加,即沙尘事件对北太平洋副极区海洋初级生产力存在促进作用。

越南以东偶极子的动力特性及演变机制研究进展

夏季,越南以东海域经常出现一对气旋涡和反气旋涡,被称为越东偶极子(dipole off eastern Vietnam,DEV)。在DEV之间有一支东向离岸急流(eastward offshore jet,EOJ)。DEV-EOJ能显著提高该海域叶绿素浓度并改变浮游植物结构分布。DEV一般于夏季产生,秋季消亡,其气旋涡中心低温高盐,反气旋涡中心高温低盐。DEV-EOJ的生消机制与西南季风密切相关,同时也受到厄尔尼诺-南方涛动(El Niño-Southern oscillation,ENSO)等大洋尺度大气变化影响。目前,虽然对DEV-EOJ已取得一定认识,但仍有下述问题亟待解决:1) DEV对南海中层动力和生态环境的影响;2) DEV对南海西南部深层环流的作用;3)大尺度海气现象影响DEV-EOJ的过程及动力机制。建议开展长期的大面积同步阵列观测解决以上悬而未决的科学问题。

基于机器学习的长江口表层水体溶解有机碳遥感反演研究

溶解有机碳(dissolved organic carbon,DOC)是海洋中最大的活跃有机碳库.精确刻画大河河口及其近海水体表层DOC浓度的时空分布,有助于更好地理解河流输送的有机碳在河口近海经历的生物地化过程及在该区域的归宿.本研究采用机器学习方法,通过反演水体溶解态有机碳库中的有色溶解有机物(colored dissolved organic matter,CDOM)的吸收光谱信息,并基于其与水体DOC浓度的相关关系,发展了基于地球静止轨道水色成像仪(geostationary ocean color imager,GOCI)的DOC遥感反演模型.结果表明,Nu支持向量回归(nu-supporting vector regression,NuSVR)方法可准确反演CDOM光谱吸收特性(如验证集CDOM在300 nm处的吸收系数aCDOM(300)和275~295 nm处的光谱斜率S275–295的平均绝对误差(mean absolute percent differences,MAPD)分别为32%和8.6%).分别基于该区域表层水体CDOM光谱吸收特性与DOC浓度之间表现的3种不同的相关关系进行DOC算法构建,结果表明,基于aCDOM(300)与DOC浓度之间的线性相关,并考虑这一相关关系的季节性差异所构建的DOC反演算法可较为准确地反演水体DOC浓度,DOC反演现场数据验证集和卫星验证集的MAPD分别为11%和14%.将构建的DOC算法模型应用到GOCI卫星图像上,结果显示,受长江径流影响,季节尺度上,长江口夏季水体表层DOC浓度显著高于冬季;而受潮汐、风场等因素的影响,小时尺度上河口近岸海域DOC分布呈现逐时高动态变化.本研究利用卫星遥感反演河口近海水体DOC浓度,为进一步在不同时间尺度上研究该区域水体DOC动态变化及驱动因素提供了有效手段.

基于改进DBSCAN的星载激光雷达数据多尺度滤波研究

星载激光雷达数据滤波过程易受复杂背景、粗差点、噪声点等问题的干扰,导致滤波效果大幅度下降,所以研究基于改进DBSCAN的星载激光雷达数据多尺度滤波方法。采用改进DBSCAN算法对星载激光雷达数据做聚类处理,并标记噪声点,通过半球形邻域算法提取点云数据特征。根据提取到的点云数据特征构建规则格网,通过格网的多路径效应剔除点云数据中的粗差点与噪声点,完成星载激光雷达数据多尺度滤波。实验结果表明,所提方法的星载激光雷达数据多尺度滤波误差较低、滤波效果好,实际应用价值较高。

基于激光数据的北极海水二氧化碳分压研究

星载激光雷达作为一种新型的主动遥感技术,为全球海洋昼夜以及极地冬季海水二氧化碳分压的研究提供了可能。研究通过使用云-气溶胶激光雷达与红外探路者卫星(CALIPSO)数据,对全球海表面叶绿素a(Chla)浓度进行了反演,并构建了基于激光数据的前向神经网络模型(FNN-LID),重构了北冰洋海水二氧化碳分压(pCO_(2))昼/夜长时序数据集。在此基础上,对基于主动遥感的极地海水Chla浓度和海水pCO_(2)数据进行了验证与分析。结果显示,基于该算法的反演产品,具有较高的数据质量,不论是和其他被动遥感的产品还是独立浮标观测数据集都有较好的一致性,且能够有效“填充”极地冬季的数据空白。在北冰洋海区,受陆源强烈影响的边缘海都表现为较高的海表Chla浓度。北冰洋海水pCO_(2)的空间格局表现出经向的差异,且pCO_(2)的季节变化十分剧烈,甚至超过80μatm。近20年来,北冰洋稳定地表现为大气二氧化碳的汇,而在东西伯利亚海和喀拉海等海冰显著衰退的地区,海面pCO_(2)的增长率非常显著。

基于星载合成孔径雷达图像交叉谱的全球海浪特征研究

星载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)因其全天时、全天候的观测能力,为全球海洋动力环境要素研究提供了重要数据支撑。然而,SAR海浪成像是非线性过程,现有理论中的近似求解会导致海浪谱反演的信息缺失。SAR图像交叉谱技术的提出一定程度上突破了这一限制,能够很好地量化海浪谱特性及海浪传播方向。本研究延续前人系列成果,利用最新提出的面向径向海浪的图像谱强度,开展不同尺度海浪随局地风速的变化趋势分析,并基于雷达视向图像谱强度提取了谱峰波数,进而结合欧洲空间局环境遥感卫星先进合成孔径雷达波模式在开阔大洋获取的近400万景SAR图像,分析了谱峰波数的全球分布特征,为量化全球风浪耦合过程提供新视角,揭示了海浪与风速耦合关系的空间分布与季节变化规律。

基于红(R)绿(G)蓝(B)三波段的典型港湾透明度反演研究

基于卫星遥感的透明度(Secchi depth,SD)反演方法已经在大洋、近海、湖泊等不同水体开展了广泛应用。富营养化河口港湾等水体具有水域面积小且受陆地影响大等特点,并且在此类水体开展环境监测具有时效性要求。受时间空间分辨率以及云层覆盖、大气校正等影响,基于卫星遥感方法在河口港湾等小水域进行透明度反演会受到一定的应用限制,因此在此类特征水体建立一种高效便捷的透明度反演方法作为卫星遥感方法的有益补充就十分迫切。本研究尝试通过无人机和智能手机应用程序HydroColor APP搭载的普通光学相机构建基于红(red,R)绿(green,G)蓝(blue,B)三波段的象山港透明度反演方法。结果表明,无人机和HydroColor的红蓝波段比值(R/B)和红绿波段比值(R/G)与透明度具有显著负相关,相关系数R为–0.88~–0.93(n=16,P<0.001)。根据相关性分析结果构建透明度反演模型并基于独立数据库对模型进行精度评估。结果显示,(1)指数反演模型要优于线性经验模型,(2)基于R/G反演模型要优于R/B模型,(3)HydroColor反演模型要优于无人机反演模型。通过以上结果分别构建基于无人机DJI-R/G和HydroColor-R/G最优透明度指数反演模型。DJI-R/G模型平均相对误差和均方根误差为29%和0.3 m,HydroColor-R/G模型为21.9%和0.27 m。以上结果表明,通过无人机和手机获取RGB信息均可用于对象山港透明度进行反演。该方法的建立为快速便捷开展河流港湾等水体的水质监测和赤潮防控提供了新的技术支持。

HY-1 C/D卫星海岸带成像仪在轨地理定位方法

“海洋一号”C/D(HY-1 C/D)卫星搭载的海岸带成像仪采用高分辨率线阵CCD推扫成像,可获取50 m分辨率的遥感数据。实现其影像的在轨几何定位,获得标准影像产品,是后续遥感数据应用的基础。文章根据该仪器的物理结构及成像机理,构建了海岸带成像仪遥感影像的严格几何成像模型,在理想状态下创建了观察矢量在焦平面系下的坐标,并对传统的地理坐标转换流程进行了优化。采用地面站实时接收到的0级数据进行地面预处理试验,并利用湖泊拐点误差进行系统误差补偿,结果发现按文章提出的方法求得的定位结果平均精度不超一个像元,在中低纬度地区的定位表现稍优于高纬度地区,说明该方法可以满足基本定位精度需求,能够实现HY-1 C/D海岸带成像仪影像在无控制地区的对地目标定位。

深度学习在印度洋偶极子预报中的应用研究

印度洋偶极子(IOD)是热带印度洋秋季最强的年际变率,它会通过大气遥相关来影响世界许多地区的气候。目前耦合气候模式对IOD预报技巧仍非常有限,远低于热带太平洋的厄尔尼诺事件的预报技巧。鉴于深度学习具备高效的数据处理能力,本文使用深度学习中的卷积神经网络(CNN)与人工神经网络中的多层感知机(MLP)处理再分析观测资料,从而进行IOD预报。由于当预报初始时刻为北半球冬春季时,对IOD事件的预报技巧较低。因此,为探索CNN的预报能力,本文仅使用三种(1~3月、2~4月、3~5月)初始时刻的海表温度异常(SSTA)作为CNN的输入数据,来预报其后续七个月的印度洋偶极子指数(DMI)、东极子指数(EIOI)和西极子指数(WIOI)。结果表明:CNN对DMI、EIOI和WIOI的有效预测时效均超过了6个月。与现在耦合动力模式相比,CNN模型能够显著提升DMI和EIOI的预报技巧,但对WIOI的预报技巧提升有限。当预报提前时间为7个月时,CNN模型能够比较准确地预报1994、1997与2019年的IOD事件。由于CNN模型能够更好地抓住印度洋海温的空间结构特征,它对IOD事件的预报技巧比传统神经网络MLP高。

近海海洋边界层大气污染综合立体探测技术研究进展

近海海洋大气边界层是陆海气相互作用的特殊区域,发展近海海洋边界层大气污染立体探测技术、获取海洋大气边界层内主要污染成分及关键气象参数的高精度垂直探测信息,对于提高陆地、海洋和大气中的污染来源、化学机制和传输过程认识、提高沿海地区大气环境与气象预报的准确性具有重要意义。针对近海海洋边界层大气污染综合立体探测技术,总结了近年来在国家重点研发计划支持下我国在近海海洋大气探测设备研发、关键技术发展和近海大气污染形成机制研究等方面的进展。当前我国已发展了包括海洋大气廓线激光雷达、湍流交换测量、海气通量观测、海洋气溶胶探测设备等一系列近海海洋边界层探测技术,解决了沿海海洋地区恶劣环境条件造成的技术瓶颈,并基于这些探测设备与技术开展了大量近海海洋大气污染研究。技术与设备的发展完善了我国近海海洋地区边界层大气污染立体监测技术体系与能力,对我国东部沿海区域大气污染防治有积极支撑作用。

北部湾海域微型、微微型浮游植物类群季节变化及其与棕囊藻赤潮的关系初探

近年来,北部湾海域连年暴发球形棕囊藻(Phaeocystis globosa)赤潮,对近海生态环境构成了潜在威胁。为了解北部湾海域球形棕囊藻赤潮生消过程及其与其他浮游植物类群的关系,自2016年9月至2017年8月期间,在北部湾海域开展了9个航次的调查,并应用流式细胞仪分析了微型真核藻类、微微型真核藻类、原绿球藻(Prochlorococcus spp.)和聚球藻(Synechococcus spp.)等4类浮游植物类群的变化情况。结果表明,北部湾海域各浮游植物类群主要分布在调查区北部钦州湾外侧海域和雷州半岛西侧近岸海域,其丰度有明显的季节变化。微微型真核藻类在春、秋两季丰度较高,而冬、夏季较低。微型真核藻类、聚球藻和原绿球藻的丰度均呈现夏季高、冬季低的特点,其中聚球藻丰度的季节变化最为显著,与水温变化密切相关。结合对球形棕囊藻赤潮生消过程以及调查海域水文条件的分析可以看出,北部湾海域球形棕囊藻赤潮发生过程中,海水温度下降至20℃左右,并且聚球藻和原绿球藻丰度具有明显变化,有望作为棕囊藻赤潮的预警指标,为该海域棕囊藻赤潮的预测和防控提供依据。

南海中尺度涡的形转、内转及平移运动研究

中尺度涡旋的运动整体可分为两部分:平移及转动。平移指涡旋在整个生命周期内的水平移动,而转动除了包括内转(海表地转流引起的涡旋自身水体转动)外,还包括形转(涡旋实际边界最佳拟合椭圆的转动)。本文基于1993—2018年共计26年间的卫星高度计涡旋识别与追踪数据,首次对南海中尺度涡旋的完整运动形式,即形转、内转、平移展开了系统的研究。其中,对内转及平移的分析,可通过涡旋的识别追踪数据集直接进行;为研究涡旋形转,提出了一种基于涡旋识别追踪数据自动提取涡旋形转信息的算法,以此得到涡旋形转方向、每天形转的角度以及形转圈数等信息,获得涡旋形转数据集。通过对涡旋识别追踪数据以及形转数据集的统计分析发现:南海涡旋的平移方向多为西向,且其速率呈偏态分布,主要以南海南部偏高。同样,涡旋的内转速率也呈偏态分布,高速率内转的涡旋主要分布在吕宋海峡附近。涡旋的形转主要以南海南部速率偏高,且与涡旋的寿命及长轴有一定的关系,倾向于随着涡旋寿命的增长、涡旋长轴的增大而变慢。同时南海涡旋的这三种不同运动形式之间也存在一定的相关性。

基于极限学习机的浅海水深遥感反演研究

以Sentinel-2A遥感影像为数据源,在数据预处理基础上,使用极限学习机建立水深反演非线性回归模型,并与双波段回归模型、神经网络BP模型进行了比较。结果表明,总体上,支持极限学习机反演精度比较高,在水深5~20m处,极限学习机模型具有较高的反演精度和良好的效果,适用于研究区的水深反演。

印度洋偶极子预报技巧在多模式中的对比研究

本文采用北美多模式集合产品数据,分析了印度洋偶极子指数在不同模式中实际预报技巧和潜在可预报性的差异,并进一步探究其可能的原因。结果表明,印度洋偶极子的有效预报时效在不同模式中差别较大,从2个月到4个月不等。其中东极子海温异常在不同模式中预报技巧的差别较西极子海表面温度异常更明显,表明模式误差和初始误差对东极子海表面温度异常演变的影响更为显著。另外,印度洋偶极子的实际预报技巧和潜在预报技巧存在明显的线性关系,潜在预报技巧高的模式,其实际预报技巧也高。最后,本文诊断、分析了厄尔尼诺对印度洋偶极子预报技巧的影响,发现在厄尔尼诺和印度洋偶极子相关性较高的气候模式中,印度洋偶极子实际预报技巧也较高。