基于遥感指数与深度学习的黄河冰凌遥感监测识别分析

黄河流域特殊的地理位置和环境因素造就了其复杂的凌情特征,及时准确掌握凌汛期间冰凌变化规律与特点是凌汛监测防治的关键任务。卫星遥感可实现黄河冰凌的大范围快速提取,目前常用的方法有遥感指数与深度学习两类,为验证和对比不同方法对黄河冰凌遥感监测识别的有效性,基于Sentinel-2遥感数据,利用归一化积雪指数及其改进形式和U^(2)-Net等三种方法对2023年黄河宁蒙段冰凌进行遥感提取。结果表明:NDSI、MNDSI、U^(2)-Net三种方法的结果分类精度分别为83.42%、87.98%和92.01%;Kappa系数分别为0.88、0.90和0.97;三种方法均对冰凌有较好的提取效果,但指数法对于流凌、清沟等其他类型的识别效果较差,浅滩处提取的边界较为杂乱,U^(2)-Net可以精确区分出清沟,提取冰凌边界的效果更好。

天然冰热扩散系数反演辨识的研究现状与思考

冰的热学参数是合理模拟冰物候、分布、厚度的关键,但它们一直属于冰研究领域的“弱势群体”。冰的热学性质参数的精确获取看似技术简单,但实际影响因子众多,研究过程要求苛刻。20世纪80年代探究现场和实验室冰热传导系数后,国内一直未再大力推进。21世纪引入数学方法后,利用现场原位测试的冰层垂直温度剖面时间序列数据进行反演辨识和分析,获得了不同天然冰的现场原位热扩散系数;部分冰样进行的实验室热传导系数测量,与反演辨识结果相互验证。结果发现,天然淡水冰和海冰都因冰晶间未冻水内含有杂质,表现出与目前数值模拟计算选用的纯冰热扩散系数的差异,但与少量实验室不同类型盐水冻结冰的测试结果趋势一致。本文依据典型淡水冰和海冰的反演辨识热扩散系数成果,回顾它们的现场环境、主要特点;分析制约这些热扩散系数的原因;说明在全球变暖趋势下,刻画冰相变区内的热扩散系数参数化的重要价值;并设计了天然冰热扩散系数物理机理和参数化方案的未来研究思路。

提升识别河道倾斜流凌图像准确度的理论基础与实践

针对黄河什四份子弯道远程监测视频中流凌图像存在倾斜变形问题,基于摄影测量学原理对倾斜变形图像进行校正,建立一种考虑相机安装高度、相机倾斜角度及河道水位变动影响的图像像点比例尺校正方法。以2021—2022年凌汛期什四份子弯道监测图像为例,结合现场测量数据与雷达数据,拟合水平比例尺和竖直比例尺表达式,根据图像信息和水位信息实时计算流凌真实位置信息,公式拟合图像比例尺的相对误差在±6%以内;采用比例尺表达式对图像进行校正,获得校正后流凌密集度、流速等参数,统计流凌密集度与流速关系,证明了倾斜流凌图像校正的必要性。

黑龙江上游开江期河道特征对流冰速度的影响

为探究黑龙江上游江段开江期流冰速度沿程变化规律和运移过程,通过抛投微型冰浮标定位器进行流冰追踪试验,分析黑龙江干流开江期流冰速度分布特征及河道形态对流冰速度的影响规律。结果表明:2019年开江期距黑龙江干流源头69~692 km河段流冰速度分布为0.79~3.56 m/s,平均速度为1.65 m/s,流冰速度与河道宽度、河道弯曲系数呈负相关关系;在弯曲河段、江心岛河段和弯曲分汊型河段流冰速度降低趋势明显,且河道特征对流冰速度的影响依次减弱。流冰速度沿程分布规律可为冰坝预测及预防凌汛灾害提供数据支持,研究成果对寒区河流治理具有十分重要的意义。

冰厚变化的现场监测现状和研究进展

根据湖河海冰、冰川冰资源与环境中的自然科学问题及冬季冰区结构物安全运行管理中的工程科学问题对冰厚度时空变化资料的要求,总结了现行冰厚度变化过程监测方法的适用范围和优缺点。强调目前所获数据因连续监测时间短,精度达不到毫米级,对建立和检验冰物质平衡同环境条件的预报模式提供不了强有力的支持。为此发展了新的冰厚度变化过程监测方法,它们包括直接探测冰层界面位置的接触式和利用气、冰、水电导率差异的标尺式高精度冰、雪层生消过程自动监测设备。详细描述了它们的工作原理、研究进展、适用范围和在极地海冰以及国内河冰实践获得的初步结果。

我国不同时间尺度的大气降水氧同位素与气温的相关性分析

大气降水中的同位素组分与年平均气温之间的相关关系为古气候研究提供了独特的方法,其中,区域多年平均δ18O与平均气温之间相关关系以及特定地区年平均δ18O与气温之间相关关系是古气候重建研究的一种独特方法。本文以我国大气降水同位素监测数据(1985-2002)为基础,对单个站点、多个站点进行月尺度和年际尺度的δ18O与气温相关分析。研究结果表明:大致以34°~36°N以北降水δ18O与气温呈正相关关系,在季节性时间尺度上,中国北方大气降水δ18O的温梯度约为0.34‰℃-1;在年际或更长时间尺度上,δ18O温度梯度为0.52‰℃-1。

河冰生消演变及其运动规律的研究进展

河冰是在特定的气象条件、地形河势和水力作用下产生的自然现象。研究河冰生消演变及其运动规律 ,从而根据气象、水文、冰情历史资料、现时信息和河道特征 ,应用热力学和水力学原理 ,对各种冰情要素进行预报 ,防治冰凌危害 ,是寒冷地区国家发展中必须考虑的一个重要问题。本文对河道中冰的形成、演变发展、输移、积聚堆积、消融和破碎冲蚀等各种冰情现象及其研究现状进行了分析总结 ,着重介绍国外最近的研究成果。

冰盖下水流垂线流速分布规律研究

河道中冰盖显著改变了水流流动结构。采用k-ε紊流模型建立了冰盖下水流流动垂向二维数值模型;根据量纲分析理论提出了流速分布规律的影响因素;针对各种因素的不同组合进行了数值计算,并对其流动特性如最大流速点位置、冰区及床面区平均流速等进行了分析研究;对冬季封冻河道的二点测流法精度进行了理论分析。研究结果表明,冰盖下水流的纵向流速在流动核心区并不遵循对数分布规律,同时揭示了冰盖底部与河床的相对粗糙比、河床相对粗糙度及雷诺数对流速分布规律的影响。

2003年夏季北冰洋海冰动力学特征参数

以2003年的中国第2次北极科学考察的海冰物理过程调查数据为依据，分析了海冰动力学特征并给出体现动力学特征的定量参数。这些参数指出：现场调查的海冰密集度同NOAA冰图上的密集度相比低2—3成．而厚度比1999年的中国首次北极考察结果减少2m；冰层底面起伏方差约是冰层表面积雪起伏方差的3．8倍；浮冰最快以1300m／h速度运动并伴随振荡旋转。实测浮冰向东北运动时，旋转角度增加，最大达到37．8°，东南方向旋转时，角度减小；浮冰运动的振荡周期为12.45h，同该纬度惯性流振荡周期一致，体现出惯性流对浮冰运动的贡献。

水库淡水冰的晶体和气泡及密度特征分析

对黑龙江红旗泡水库的淡水冰生消过程实施现场观测。分别在冰快速生长期、稳定生长期和融冰期取样,观测其冰晶体、冰内气泡形态及尺寸,并测试冰表观密度,获得了3个冰阶段冰样由表至底的冰晶类型、晶体等效直径、冰内气泡宏观形态、气泡尺寸及百分含量和冰密度。结果表明,冰上层为粒状晶体,中下层为柱状晶体,平均粒径随冰深度增加而增大,但冰晶体不随时间变化;冰生长时冰内上层气泡呈球体,百分含量较高,中下层呈圆柱体,百分含量较低;伴随冰的生长和消融,冰内气泡的尺寸和百分含量呈"变化"势态,而冰密度随冰内气泡百分含量的增加而降低。

静水条件下淡水冰有效导温系数的优化辨识

依据天然河冰垂直温度剖面数据,构造了以拟合函数的系数为参变量的分布参数系统优化辨识模型,并分别用指数函数和线性函数拟合了河冰导温系数。对目标函数的优化采用Newton-Raphson算法,对热传导方程和灵敏度方程采用半隐式差分格式迭代求解。利用太原汾河二库天然冰垂直温度剖面数据进行了参数辨识和数值模拟,模拟结果与实测数据相吻合,表明所构造的参数辨识模型和优化算法是有效的。

黄河冰凌近期研究简述与展望

黄河冰凌问题在历史上以危害严重、易致决口、难以防治而闻名于世。黄河凌灾因孕灾环境复杂、突发链发性强、防御困难而成为我国冬春季节大江大河中极为突出的自然灾害。简述几十年来黄河河冰的基础理论、冰凌原型观测、凌情预报和防凌减灾技术等方面的部分研究成果,在此基础上探讨了目前黄河冰凌研究需要解决的若干科学和技术问题,初步展望了黄河冰凌研究的趋势。

开河期冰盖横向冰缝形成机理

春季随着流量或水位增加,冰盖底部受水流上举力作用发生弯曲,首先在岸壁附近形成纵向冰缝,破坏冰盖与岸壁的冻结,导致冰盖体中间部分与岸壁脱落分离。采用弹性基础梁的理论及计算方法,通过对冰盖体弯矩及弯曲应力分析,针对平面弯曲和垂直弯曲两种弯曲形式导致冰盖体横向冰缝形成机理进行了研究,并提出了横向冰缝间距的计算表达式。计算结果得到了实测资料的验证。研究结果表明,横向冰缝间距与开河初期冰盖宽度、厚度、冰的抗弯强度及地貌特征有关。

冰层厚度传感器及其检测方法

水结冰和冰融化过程中的电阻、电容、温度物理参数与被检测冰表面以上的空气层或冰下水层的电阻、电容、温度有一定的差异,有些差异在数值上比较明显。基于这一特点,笔者提出了利用空气、冰与水的物理特性差异实现对冰层厚度及冰下水位接触式检测的新思路,对含有导电杂质的冰、冰-水混合物、水、空气的电阻、电容特性随温度的变化规律进行了初步分析,并得到冰的弱导电性质和冰与水的电容区间单调特性,据此提出了冰层厚度传感器结构及其冰厚检测原理,介绍了新型冰层厚度传感器在实践中的应用。

基于空气、冰与水相对介电常数差异的电容感应式冰厚传感器

基于空气、冰与水的物理特性差异实现冰生消过程的实时检测是一种新的冰情检测方法,基于这一思路,本文介绍了电容感应式冰层厚度传感器结构,并将研制成功的电容感应式冰层厚度传感器在黄河内蒙河道进行了冰层厚度连续监测应用试验,结果验证了利用电容感应技术测量冰层厚度方法的可行性。新型传感器具有结构简单,灵敏度高等特点,可以应用于冬季结冰河道冰层厚度及冰下水位的连续自动监测。

黄河内蒙古段头道拐断面冰期水流特征及其对气候变化与人类活动的响应

利用最新冰凌观测数据,分析了1960年以来黄河内蒙古段头道拐断面冰期流量特点及其影响因素.结果表明:头道拐断面小流量持续时间的年际变化具有明显的阶段性特征,1960-1967年、1968-1985年和1986-2010年小流量平均持续天数分别为68 d、17 d和37 d.气候变化和人类活动是影响小流量过程的主要因素,气候变化通过影响冰盖厚度和冰花堆积来影响封冻河段流量过程;河道冲淤演变则是冰期流量过程和槽蓄水增量长期变化的重要原因;刘家峡水库调度直接影响着内蒙古河段的流量过程.最近10 a来,凌汛期气温变化剧烈,上游来水有所减少,河道淤积更加严重,河道工程增多是黄河头道拐断面小流量持续天数延长的主要原因.

实测冰-水侧向界面热力学融化速率

在融冰期的乌梁素海人工挖凿开敞水域以模拟浮冰-水道系统,连续观测冰-水侧向界面的热力学侧向融化。根据实测数据,分析冰-水侧向界面的形状变化和影响融化速率的因素。结果显示,冰-水侧面中部形状近似直线,下部呈圆弧状,上部受气温影响向内或向外倾斜。气温是影响融化速率的主要因素,平均气温越高,融化速率越大。风速越大融化速率越低,既表现在高风速与低气温往往同时出现,又表现在风速加速了水体蒸发而降低水温。风拖曳表层水体运动,加速迎风侧水体的热量对流,降低水温,降低融化速率;通过二元回归分析建立融化速率、气温和风速之间的关系的相关关系。

黄河封河期冰凌预警地电测试技术研究

黄河流域地形地貌相差悬殊,受西伯利亚和蒙古一带冷空气的影响,冬春季干、支流有不同程度的冰情出现。由于黄河凌情来势迅猛,水位急剧壅高,易决口成灾,开展冰凌预警研究是十分必要的。黄河封河期冰盖下流凌量及冰塞体的生长状况是黄河冰凌预警的关键要素,采用地电测试技术,对冰水两相流进行视电阻率测量,绘制电测深曲线,数字化模拟冰凌参数,评估冰塞体的生长及冰块堆积状况,为防凌减灾提供预警服务。测试结果表明,平稳流凌时,测深曲线经子波分解后阈值为10Ω.m左右,当出现局部冰塞时阈值达到100Ω.m左右,数值易于区分,基于电测深曲线的差异性进行冰凌预警的方法是可行的,可为防凌减灾提供预警服务。

青藏高原北麓河地区热融湖塘冰晶体和气泡特征分析

青藏高原的季节性冰盖不仅改变局部大气下垫面和气-水-地热交换形式;同时也是交通、水利工程建设不可忽略的因素。作者首次开展青藏高原北麓河地区热融湖塘冰的生消过程和冰内部晶体及气泡特征的现场观测。结果发现热融湖塘冰盖层内存在两类典型气泡,并分为大气泡区和小气泡区,气泡含量随冰的生长而减少。整个冰层为柱状晶体,粒径随深度增加而增大。冰密度随气泡含量的不同而变化较大。本文综合气象和地质因素来分析其形成机理。

基于遥感数据的河冰过程解译及分析

鉴于河冰的野外观测受观测技术、条件及方法的限制而无法获得大尺度、长序列的河冰过程数据,而遥感技术可有效完成复杂时空尺度海量信息的收集处理,以Landsat8遥感影像为数据源,通过单波段信息量比较及相关系数、信息熵和最佳指数的联合分析,得到最佳波段组合;采用监督分类的最大似然法对黄河内蒙古段三湖河口河段2013—2014年冬季不同时期遥感卫片数据进行解译,并对解译结果进行分析,从而获得该河段不同时期河冰的生消演变过程及特性。结果表明:应用7、4、3波段组合获得了较高的河冰解译精度,解译影像可以反映大尺度下冬季河冰的生消演变及输移过程,结合气象、水文等数据可以解释典型河冰现象,为河冰的理论分析及机理研究提供数据支撑。