渤海海冰外缘线候平均离岸距离的变化及其关键影响因子

以渤海海冰为研究对象,基于MODIS遥感数据,构建了辽东湾、渤海湾和莱州湾2001—2011年11个冬季的海冰外缘线离岸距离候平均时间序列,并对其年际和季节内变化特征进行了分析。研究表明,每年的海冰候平均离岸距离最大值通常发生在1和2月上旬,辽东湾最大值出现的时间比渤海湾和莱州湾晚,且具有发生时间越晚,该年度冬季冰情越重的特点。基于海冰离岸距离候平均时间序列,从季节内变化角度分析了影响渤海海冰的关键因子。结果指出,小的海区(渤海湾和莱州湾)的海冰对气温的响应更快,每候负积温是1个比候平均气温更好的预报因子;而大的海区(辽东湾)与1个月左右的前期气温因子相关更好;对3个海湾整体而言,前期副高面积、强度和脊线位置均与渤海海冰离岸距离呈明显负相关,海冰对副高面积的响应比其他副高指数更强、更快;500hPa位势高度的西风环流带上存在2个与渤海海冰距离呈明显负相关的关键区(东亚和西太),关键区的平均位势高度可以作为新的海冰预报因子。本文对这2个因子影响渤海海冰的机制进行了分析和解释。

基于雷达高度计的辽东湾海冰外缘线提取及其变动规律

为了分析利用雷达高度计资料提取海冰外缘线的精度,推进高度计在中国海冰遥感监测中的应用进展,本研究中基于Jason-2高度计沿岸和水文专用产品(PISTACH),提取了2008—2016年间辽东湾海冰外缘线,并与高分一号(GF-1)观测结果进行了对比验证,最后分析了辽东湾外缘线变动与国家海洋局葫芦岛海洋站气温观测数据的关系。结果表明:2013年末至2016年初3个冰期内的验证试验显示,基于Jason-2高度计判定的海冰外缘线延伸范围与基于GF-1遥感影像提取的结果符合良好,两者提取的海冰外缘线延伸距离均方差为2.81 n mile,并且海冰外缘线变动规律与气温数据变动规律一致;对2008年6月—2016年10月期间共8个冰期的辽东湾海冰外缘线的变动规律分析显示,2010年冰情最为严重,辽东湾海冰外缘线自海岸起沿Jason-2高度计轨道往南延伸约90 n mile,2014年和2015年的冰情较轻,延伸距离均小于40 n mile,另外,延伸距离的变动与葫芦岛的10日滑动平均气温呈明显的滞后响应关系,当滞后4 d时,两者的相关性最强,相关系数为-0.56。研究表明,基于雷达高度计资料可以准确地提取辽东湾海冰外缘线,本研究结果对于中国海冰数据产品的开发和数值模拟的改进与验证具有重要参考。

凝聚层次聚类的MODIS海冰外缘线提取算法与应用

本文论述了海冰外缘线在我国海冰监测和预报中的重要作用,分析了常规的海冰外缘线提取方法存在的不足。同时,结合MODIS遥感影像和渤海悬浮泥沙分布的特点,讨论了凝聚层次聚类的MODIS影像分割算法[1]。该算法以影像光谱特性和形状特性作为判定规则,通过加入影像网格化、碎斑和噪声去除等分析,在优化冰水识别参数及分割结果提取海冰外缘线的基础上,将该算法提取的结果进行了分析。实验表明,该算法能够较好地去除碎斑和噪声。同时对MODIS遥感影像的分割,得到理想的结果。

格陵兰海海冰外缘线变化特征分析

格陵兰海作为北冰洋的边缘海之一,容纳了北极输出的海冰,其海冰外缘线的变化既受北极海冰输出量的影响,也受局地海冰融化和冻结过程的影响。利用2003年1月到2011年6月AMSR-E卫星亮温数据反演的海冰密集度产品,对格陵兰海海冰外缘线的变化特征进行了分析。结果表明,格陵兰海海冰外缘线不仅存在一年的变化周期,还存在比较显著的半年变化周期,与海冰在春秋两季向岸收缩有关。格陵兰海冬季的海冰外缘线极大值呈逐年下降的趋势,体现了北极增暖导致的冬季海冰范围减小;而夏季海冰外缘线离岸距离的极小值呈上升趋势,表明夏季来自北冰洋的海冰输出量增大。2003—2004年是格陵兰海夏季海冰融化最严重的2年。2007年北冰洋夏季海冰覆盖范围达到历史最小;而格陵兰海夏季的最小海冰范围最大,表明2007年北冰洋海冰的输出量大于其他年份。此外,夏季格陵兰岛冰雪融化形成的地表径流对海冰外缘线有一定的影响。对海冰外缘线影响最大的不是格陵兰海的局地风场,而是弗拉姆海峡(Fram Strait)区域的经向风,它直接驱动了北冰洋海冰向格陵兰海的输运,进而对格陵兰海海冰外缘线的分布产生滞后的影响。

基于形态学的海冰外缘线自动提取

海冰外缘线是一个描述北极海冰快速变化的重要指示参数，对近岸冰区航行保障和海冰灾害预警具有实际意义。本文首先基于形态学中的方法分别识别数据中的主体冰域、主体水域和碎冰区。其次利用可变图像闭运算方法将较大碎冰与主体冰区合并，最后再利用连通域方法提取海冰外缘线。该方法可适用于任何冰水二值数据集，包括海冰密集度产品数据、卫星图像、航拍图像以及其他冰水混合数据。本文基于AMSR—E海冰密集度数据，利用此方法提取了北冰洋10个区域的海冰外缘线，与15％海冰密集度等值线比较表明，本文方法能够保留较大面积的碎冰区域，并将其与主体冰域合并处理，因此所提取的海冰外缘线在衡量大尺度海冰范围方面更为合理。

基于变分水平集方法的海冰信息自动提取

针对目前海冰信息解译时对海冰外缘线及面积信息提取不精确、业务化应用不强问题,提出一种基于分裂Bregman算法的海冰外缘线自动提取方法,并通过遥感影像预处理、算法程序化等工作步骤,将该算法应用到业务化海冰信息解译工作中。方法:分别选取五景中、高空间分辨率的可见光卫星遥感影像,将影像上待提取海冰区域首先进行不规则图像裁剪、图像增强等预处理工作,然后基于变分水平集及快速分裂Bregman投影方法进行了海冰外缘线信息的提取,并对提取出的海冰面积进行量化,最后与传统人工提取海冰信息进行了比较。实验结果表明,基于变分水平集及其快速分裂Bregman算法提取的海冰信息,具有提取的海冰边缘精确、自动化程度高、提取结果稳定可靠等优点。

2015-2020年辽东湾海冰冰情时空特征及其影响因素

受冬季强寒潮侵袭,辽东湾会出现大范围结冰现象。为了分析2015-2020年辽东湾海冰冰情的变化规律与影响因素,本文选取Sentinel-1A/B数据开展辽东湾海冰监测。首先,采用巴氏距离选择最优纹理特征组合,再利用最大似然方法实现海冰分类;然后,根据上述海冰分类结果,分析海冰冰情等级、海冰外缘线、海冰面积、海冰类型和海冰结冰概率等冰情特征的变化规律;最后,研究海水深度、海温、气温和风速与海冰冰情的关系。主要结论如下:(1)采用不同纹理特征组合方法和本文方法对2020年2月1日Sentinel-1B影像进行实验,结果表明本文方法的总体分类精度和Kappa系数分别为93.16%和0.85,分类精度最高。(2) 11月末到12月海冰类型以初生冰为主,间有灰冰;1月到2月中上旬以灰冰为主,间有初生冰和白冰;2月下旬到3月上旬的海冰类型以灰冰和初生冰为主。辽东湾内部结冰概率存在差异,北部沿岸结冰概率高于南部,东部结冰概率高于西部。辽东湾海冰冰情受海水深度、海温和气温影响明显,受风速影响较小。