基于SOM的海表温度遥感数据集的EOF算法重构

针对海表温度数据集的数据缺失,提出了一种基于自组织映射算法(SOM)和经验正交函数算法(EOF)有机结合的重构缺失值的新方法。该方法应用了SOM的非线性估计,能够很好的反映数据集的非线性结构,并把SOM估计的结果用于EOF算法的初始化,克服了EOF对数据集初始化敏感的问题。在处理过程中,对奇异值分解使用了lanczos算子分解矩阵,提高了程序运行效率。此外,该方法还引入蒙特卡罗交叉校正集,确定最佳重构的EOF模态数,最终高精度计算出重构误差。使用AQUA遥感卫星海表温度数据进行实验,结果表明该方法能够很好地重构出缺失率高达83.23%的数据集,且重构精度高。

基于卫星观测的南海表层温度气候学特征及长期变化

利用高分辨率AVHRR Pathfinder卫星海表温度资料,分析了1982—2012年南海及其毗邻海区海表温度(SST)的变化趋势,并给出了近30年该海域SST的气候学特征。结果表明:南海年平均SST随纬度的增加而降低,且越靠近陆地海温梯度越大,等温线呈西南-东北向分布;南海最高、最低SST分别出现在夏季和冬季;夏季中南半岛和海南岛东侧存在相对低温区,应与西南季风和地转偏向力共同作用引起的深层冷水涌升有关;近30年南海及毗邻海区年平均SST增温趋势为0.100℃/10a,20世纪90年代末到21世纪初年平均SST处于高值期,最高值出现在1998年;南海海区四季均存在变暖趋势,冬季增温趋势最大,为0.194℃/10a,夏、春季次之,分别为0.121℃/10a和0.107℃/10a,秋季最小,为0.086℃/10a;近30年台湾海峡和中国大陆东南沿海增温最显著,最大增温值达到0.7℃/10a以上。

利用中红外数据反演海表温度的单通道算法

基于中红外波段受大气水汽影响小的特点，从大气辐射传输的角度，提出了利用中红外数据反演海表温度的单通道算法。该算法适用于单通道的中红外数据，时空变化适应性强，对大气温湿廓线等辅助信息的精度要求较低。为了验证该算法的可行性和准确性，将此算法反演的海表温度产品与美国国家数据浮标中心提供的浮标数据及MODISSST标准产品进行了比对验证。结果表明，此单通道算法反演的海表温度达到了较高的精度，能够满足海洋锋面、上升流、海洋涡旋等短周期海洋现象的观测需求。

海表温度对台风“梅花”影响的数值试验分析

使用中尺度大气模式WRF(Weather Research and Forecasting Model),采用TRMM/TMI海温观测资料,进行不同时间分辨率海温对台风"梅花"过程的影响试验;同时,通过HadISST1资料分析得到东中国海近50年海温变化分布情况;根据温度变化率计算了SST分布整体变化后的"梅花"过程响应情况;定量计算了水文要素受影响情况。数值试验显示,与使用NCEP/NCAR的SST试验相比,使用日平均SST试验结果的台风路径偏差减少6.7%,台风强度偏差减少55.1%,后报精度明显提高。SST整体增加后,海面向大气辐射通量显著增加,海面气压与风速在台风衰减不同阶段对下垫面SST变化的敏感性不同,台风波浪能和风暴潮由于SST增加造成的台风影响,也有不同程度的增加。

东海海表温度持续增温的机制

本文依据第5次耦合模式比较计划(CMIP5)中的8个模式历史模拟与典型浓度(RCP4.5)试验的结果,探讨了1980—1999年东海海表温度(SST)持续增加的原因,预估了未来东海SST对温室气体持续增加的响应。研究表明:这8个模式都能模拟东海在1980—1999年有显著的SST持续增暖现象,集合平均后这20年增暖的速率为2.25℃/100a。而在RCP4.5试验中,8个模式集合平均后在2006—2055年这50年期间东海SST增暖的速率为2.32℃/100a。在历史模拟中,在1980—1999年期间东海SST持续增长的主要原因是海洋平流热输送加强,而大气调整导致的海面热通量影响比海洋平流热输送的影响小一个量级。在单纯温室气体增加的RCP4.5试验中,除了海洋平流热输送外,由于大气调整导致海面潜热、感热释放减少也是SST持续升温的主要原因之一,其贡献可以与海洋平流热输送加强同量级。对比分析模式对过去的模拟和未来单一强迫的情景试验结果,可以初步确定,在1980—1999年期间由于太平洋年代际变化导致的东海黑潮平流热输送增加是该阶段东海SST持续增加的主要机制。

基于BP神经网络的海表温度预测

海洋表面温度(SST)是全球气候重要的地理参量之一,掌握未来海表温度变化趋势有助于全球气候变化研究的开展。因此,本文提出一种基于海表温度历史数据的反向传播BP (Back Propagation) 预测模型,对南海部分海域海表面温度进行了分析,研究结果表明:训练后模型的平均绝对百分比误差MAPE为0.0183,平均误差为0.0573,误差回归直线的相关系数R达0.9767,预测值与真实的海表温度误差较小。由此可见,BP神经网络能有效地预测海表温度的总体变化趋势,为海表温度预测提供一种可行且有效方法。

利用遥感SST反演上层海洋三维温度场

通过统计相关分析验证了一个简单的温度参数模型在太平洋海域的较好适用性。基于Argo观测资料及WOA09气候态温度数据,采用最大角度法求得此模型的相关参数,并利用高分辨率卫星遥感海表温度反演了太平洋上层海域空间分辨率为1°×1°的气候态月平均三维温度场。与实测资料的比较分析表明反演结果是较为真实可靠的,并可作为海洋数值模式积分的初猜场,为实现现场观测(如:Argo)与卫星观测的优势互补,构建太平洋海域完整的三维温度分析场提供一种新途径。

中国东海海表温度时空演化分析

为掌握中国东海2003—2018年间海表温度(sea surface temperature,SST)变化规律,分析SST变化与气候异常现象之间的联系,利用遥感数据监测东海16 a来SST时空演化特征。以2003—2018年MODIS SST产品为数据源,先通过最邻近点值替代法对数据进行修复,并用实测数据进行精度验证,利用最小二乘法、皮尔逊相关系数分析SST变化趋势,通过互相关分析研究海表温度异常(sea surface temperature anomaly,SSTA)与南方涛动指数(southern oscillation index,SOI)的相关性。结果表明:①2003—2018年东海SST总体呈上升趋势,夏季升温趋势更加明显,长江口海域升温速度可达0.042℃/a以上;②东海SST呈SE—NW分布,同纬度地区的大陆附近SST通常比其东部海域低,但4—9月杭州湾海域SST比其东部要高;③SOI与滞后其15个月内的东海SSTA基本不相关,但与滞后其21~39个月的东海SSTA呈较强负相关,相关系数超过-0.2。研究结果可为掌握气候变化规律、预测极端天气提供参考依据。

近50年华南沿海SST热事件变化的时空特征

根据华南沿海10个海洋站1960—2009年实测海表温度(SST)资料统计分析了近50年华南沿海SST热事件时空变化特点,得出如下结论:华南沿海SST热事件主要出现在6—8月份,SST热事件出现的频率以北部湾东北部海域最高,粤东沿海最低;导致SST热事件海区差异的原因是上升流及热带气旋存在海区差异;受全球气候变暖的影响,华南沿海年均SST有上升趋势,近50年来气候变化可划分为冷、暖两个时期,其相对暖期SST热事件的年频数、累计天数、每次SST热事件持续天数较相对冷期均有增加趋势。

SST产品误差在海-气CO_2通量计算中的传递及贡献分析

海-气界面CO2通量的估算对于碳的生物地球化学循环和全球气候变化等研究具有重要的意义,利用遥感手段是进行全球尺度海表面碳通量估算的唯一手段,但是由于不确定性的存在限制了海-气界面CO2通量遥感估算产品在决策应用上的可靠性。本文通过建立海-气界面CO2通量直接控制参量(气体交换速率k、海表面CO2溶解度S和海表面CO2分压pCO2sw)误差结构图,以通量估算的主要影响因子——海表温度(SST)为例,建立了SST在通量计算中的误差传递流程图,并采用Monte Carlo方法模拟了SST误差在通量计算中的传递规律和对最终误差的贡献。结果表明在遥感SST误差为±0.5°C并为正态分布的假设下,误差在k、S计算中的传递为指数分布和近似指数分布,而在pCO2sw模型计算中为正态分布,最终在通量FC O中的传递为指数分布;在大气CO22分压为固定值370μatm的情况下,SST对最终的通量结果带来的误差为±1.2mmol/(m2·d)左右。本文以SST为例,提供了一种通量计算中遥感参数误差传递和贡献的计算方法,可以为其它遥感获取的参量提供分析依据和参考。

基于IPCC-CMIP5的中国东部近海表层水温未来预估分析

近海海表温度(sea surface temperature,SST)的变化对我国沿岸海洋生态环境和渔业资源具有重要影响,研究其变化规律尤其是预估其未来变化一直是物理海洋学的重要研究课题。政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)第五次评估报告(The fifth Assessment Report,AR5)对全球及部分典型区域的未来气候变化进行了预估,已成为全球公认的研究气候变化的科学依据。本文利用IPCC第五次评估报告的模式比较计划(Coupled Model Intercomparison Project phase 5,CMIP5)中五个具有代表性的模式(ACCESS1.3、BCC-CSM1.1、CCSM4、GFDL-ESM2G、MPI-ESM-MR),对未来80年(2030、2060、2090年)相对于2010年中国东部近海(渤海、黄海、东海)表层水温的年代际及季节性变化规律在RCP4.5气候情景下进行了预估分析。通过分析发现中国东部近海表层水温在未来80年内有明显升温趋势:从年代际上看,到2090年表层水温升温幅度达1.18—1.71℃,其中2030—2060年升温最快,2060—2090年升温速度减缓;从季节上看,不同海域不同季节表层水温升温幅度达1.16—2.04℃,中国东部近海各海区在夏季升温幅度较大,冬季较小。

卫星遥感南海海表面日增温的时空变化特征

利用搭载在Aqua和Terra卫星上的MODIS(moderate resolution imaging spectroradiometer)、AMSR-E(advanced microwave scanning radiometer for the earth observing system)传感器测量反演的昼夜海表温度(SST),计算海表面日增温(sea surface diurnal warming),分析南海海表面日增温的短期和年变动特征。受观测平台过境时间、传感器测量SST方式、反演算法等影响,MODIS/Aqua计算的日增温幅度略大于AMSR-E/Aqua和MODIS/Terra,但在表征南海海表面日增温的时空分布特征以及变化趋势上三者并未见显著性差异。南海海表面日增温在时间分布上以冬季为最小,春季为最大;在空间分布上则是南部海域大于中部和北部海域,东部海域大于西部海域。春夏之交的吕宋海峡西北部尤其容易发生日增温事件。海表面日增温与太阳辐射、风速、云量等影响有关,其中风速与海表面日增温显著负相关。

影响剑鱼分布和延绳钓 CPUE 的主要因素研究进展

掌握剑鱼(Xiphias gladius)的分布特征,可为剑鱼的栖息生态、资源养护以及延绳钓渔具改进等研究提供科学依据。本文重点介绍了国内外关于影响剑鱼分布和延绳钓单位捕捞努力量渔获量(CPUE)因素等的研究成果,同时指出存在的问题,并提出今后进一步研究应采取的对策。结果表明:1)剑鱼进行昼夜垂直移动,根据水层含氧量变化呈“U”形移动模式,白天一般分布在8.5~13.3°C相对应的水层,夜间分布在23.6~26.2°C相对应的水层;2)剑鱼洄游到热带水域产卵和越冬,洄游到温带水域索饵;3)剑鱼聚集在锋面区和涡流场;4)月光照度影响剑鱼的垂直运动,月相也可能与剑鱼产卵行为有关;5)单丝延绳钓的剑鱼捕获率比复丝延绳钓高,浸泡时间与剑鱼CPUE呈正相关;6)使用荧光棒可提高剑鱼CPUE,荧光棒的浸泡时间与剑鱼CPUE也呈正相关。研究中存在的主要不足有:1)气侯变化与剑鱼栖息环境的关系研究不足;2)月光照度对剑鱼活动影响的定量研究较少,结论不充分;3)不同钩型、钓钩偏角与饵料对剑鱼CPUE的影响研究不足。建议今后对下列几个方面进行研究:1)增加TDR、CTD的测试实验,研究不同水层的温度、盐度、叶绿素a、溶解氧浓度等因素对剑鱼分布的影响;2)利用历史渔获统计数据、卫星遥感数据,结合海洋季风、信风的变化研究剑鱼分布与海洋环境之间的关系,找出气候变化对剑鱼分布的具体影响;3)运用照度计,定量研究月光照度对剑鱼及其饵料生物垂直运动和剑鱼产卵行为的影响;4)进一步研究不同钩型、钓钩偏角和不同饵料对剑鱼CPUE的影响。

台湾以东黑潮经向热输送变异及可能的气候效应

基于日本气象厅长序列水文再分析资料,通过估算台湾以东黑潮24°N断面热输送量,分析了该断面黑潮热输送的低频变异特征,并探讨了热输送变异与我国近海海表温度异常变化以及前期(前秋、前冬和春季)和同期(夏季)热输送变异与我国夏季降水异常变化的关联性。小波分析显示,台湾以东黑潮(24°N断面)热输送异常存在着显著的准2a周期振荡和约16a的年代际变化,且以上显著周期主要存在于20世纪60年代中期以后,另外,台湾以东黑潮(24°N断面)热输送变异的季节差异明显;50多年来,台湾以东黑潮(24°N断面)热输送呈现出长期增强趋势,但变化幅度不大,且各季节长期趋势也有所不同。相关分析表明,台湾以东黑潮(24°N断面)热输送低频变异可能是我国东部近海SST变化的一个重要因素。另外,回归分析发现,前期及同期台湾以东黑潮(24°N断面)热输送变异对我国东部夏季降水异常变化有显著指示性,可能存在较大影响。

中国极端强降水日数与ENSO的关系

利用Γ分布函数对中国1951—2004年地面台站逐日降水观测资料进行雨日降水量概率分布拟合并定义极端降水事件,在此基础上对极端降水日数与ENSO的关系进行分析研究。结果表明,ENSO对同期的极端降水发生频率在不同地区和不同季节表现出不同的影响作用。总体而言,中国极端降水事件更易发生在厄尔尼诺年的冬春季和拉尼娜年的夏秋季。极端降水在对ENSO强信号的滞后响应上,其发生频率在时空上发生了变化,主要表现为,多数地方更易在ENSO暖位相出现后的半年左右发生极端降水事件。研究表明,ENSO冷暖信号对我国极端降水事件多寡的影响具有不对称性。

中高纬度印度洋海温与西北太平洋夏季台风生成数的相关性

从独立性、显著性和滞后性角度分析西北太平洋夏季台风生成数(WNPTYF)与前期中高纬度印度洋海表温度(SST)的关系,结果表明:前期中高纬度印度洋SST与WNPTYF相关显著,且独立于热带东太平洋SST(或ENSO)对WNPTYF影响;中高纬度印度洋SST年际变化对WNPTYF年际变化的指示能力相当或超过热带东太平洋,综合两者的影响预测夏季西北太平洋台风生成数的变化有非常重要的现实意义。进一步的分析表明,中高纬度印度洋SST对WNPTYF影响有明显的滞后性,前期相关显著而同期相关不显著。这种滞后性意味着其前期中高纬度印度洋SST对WNPTYF的影响并不是通过SST的持续性,而很可能是通过南半球大气活动的持续性及异常信号在大气中的传播而影响到夏季的环流,最终影响WNPTYF异常。这种影响机制有待进一步研究。

近海海温对再入海台风数值模拟影响的研究

以WRF(weather research forecasting)模式模拟了登陆后再入海0713号台风韦帕,同时考虑了中纬度过程不变与过程时变的各类SST海温场对模拟效果的作用。试验中重点分析热力影响因子[即模式的两种微物理方案LIN(Purdue Lin scheme)、WSM6(WRF single-moment 6-class scheme)]以及动力影响因子(即模式的台风BOGUS模型)对各类SST海温场的反应。分别并综合研究了热力、动力、及海温因子对再入海台风的路径及强度模拟所产生的影响。多项成组试验显示,台风过程时变的SST场的使用能够更好地诊断和模拟台风区海气相互作用并改善对再入海台风路径与强度的预测。对0713号台风模拟而言,微物理过程WSM6方案给出的结果(包括路径、气压、风力、以及感热和潜热等要素)比LIN方案更好。采用BOGUS模型对再入海台风的路径模拟有较明显改善。在台风再入海阶段,模拟的海气界面感热通量与潜热通量分布显示,正的感热通量高值区为台风生存提供能量,并对台风移动有较好的指示性;台风潜热通量高值区位于台风风力辐合增强区,此处潜热高值区与台风结构配合,对入海台风活动的持续有正贡献。而过程时变的SST场的使用对台风预测是有利的,其中6h时变的SST较日平均SST效果更显著。

川渝地区雨季降水特征及海温背景场分析

利用川渝地区34测站1960~2010年共51年逐日降水量资料和同期逐月海表温度（SST）再分析资料,采用点相关、合成分析等现代气候诊断分析方法,研究了川渝地区雨季降水特征及海温背景场特征。结果表明：（1）川渝地区多年平均逐候降水量呈单峰型,川渝地区雨季确定为5~10月。（2）川渝地区雨季降水量时空分布不均,雨季降水量高值中心出现在雅安、乐山一线。（3）点相关分析表明,与川渝地区雨季降水量变化呈显著负相关的关键海区分别是：赤道东太平洋海域、北太平洋、赤道印度洋海域、南印度洋海域、北大西洋海域和赤道东大西洋海域,且通过信度0.1的显著性检验,合成分析的结果与点相关分析相吻合。

索马里流系区域海温的年际变化

利用SODA资料对索马里流系区域海表温度(SST)的年际变化及其影响原因进行了研究。结果表明,春、秋季和冬季的索马里流系区SST呈现全区一致型的变化,但是夏季除了有全区一致型的变化外,还存在南北反位相的变化。夏季海温的这2种变化类型与ENSO、印度洋偶极子及印度季风存在密切关系。通过合成分析发现,在夏季全区一致型时,6月份热带西南印度洋、索马里沿岸的风应力旋度和大小与阿拉伯海均呈现相反的变化特点,夏季索马里流系区域海温变化主要受上升流和蒸发共同影响;在南北反位相型时,5月份的风应力变化信号最明显,且显著区域的位置和大小与全区一致型时的6月份不完全对应;夏季索马里流系南区SST异常可以利用上升流和蒸发异常进行解释,但北区的SST异常并非如此,其它因素应该起主导作用。

保留结构细节的遥感海表温度图像的采样与重构

为了用较小的数据量重构出保留细节结构的高分辨率海表温度(SST)图像,对海表温度脊线和谷线、温度梯度脊线以及残差图像脊线进行采样,与陆地边界以及矩形域的边缘一起作为边界条件,利用Laplace方程的9点差分形式,对海域中所有的节点迭代计算,重构出海表温度场。选取了2012年5月份东海以及西太平洋海域的MODIS 3级产品的月平均海表温度进行采样与重构实验,结果表明,复原图像与原图像误差最大绝对值为0.396 0℃,回放等值线与原等值线叠合吻合较好,说明用该方法进行海表温度场重构具有可行性。