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。

2006年冬季南海北部浮游植物生物量和初级生产力及其环境调控

通过2006年2月在南海北部现场调查所获得的数据分析研究了海域的浮游植物现存量和生产力,结果表明冬季浮游植物的分布特征与东北季风引起的环流场的变化关系密切。调查海域水柱平均Chla浓度的变化范围为0.03～1.21mg·m-3(平均(0.33±0.33)mg·m-3),高值区出现在广东沿岸及海南岛东部附近海域;初级生产力的分布范围为41.3～1040.0mgC·m-·2d-1。由于东北季风引起近岸水体混合剧烈,不利于浮游植物生长,因此虽然沿岸带Chla浓度((0.53±0.50)mg·m-3)较高,但初级生产力却是最低的,只有41.3mgC·m-·2d-1,同时冬季反气旋涡强度下降和底层富营养水的涌升,营养盐充足,因此开阔海的Chla浓度((0.31±0.30)mg·m-3)和初级生产力((631.3±578.0)mgC·m-·2d-1)均高。浮游植物粒度级份测定表明,Pico级份对冬季南海北部浮游植物现存量和生产力的贡献很大,特别是在开阔海区,分别占47%和66%。

Argo大洋观测资料的同化及其在短期气候预测和海洋分析中的应用

国际Argo(Array for Real-time Geostrophic Oceanography)计划的实施,提供了前所未有的全球深海大洋0～2000m水深范围内的海水温度和盐度观测资料,在大气和海洋科研业务中应用这一全新的资料,是深入认识大气和海洋变异、提高我国气候预测、海洋监测分析和预报能力的一个关键所在。通过开发非线性温-盐协调同化方案和利用同化高度计资料来调整模式的温度和盐度场,建立了可同化包括Argo等多种海洋观测资料的全球海洋资料变分同化系统,提高了对全球海洋的监测分析能力。实现了海洋资料同化系统与全球海气耦合模式的耦合,显著提高了短期气候预测水平。利用Argo资料改进了海洋动力模式中的物理过程参数化方案,有效提高了海洋模式对真实大洋的模拟能力和对厄尔尼诺/拉尼娜的预测能力。开发了利用Argo浮标漂流轨迹推算全球海洋表层和中层流的方法,提高了推算的全球表层流、中层流资料质量,有效弥补了洋流观测的匮乏。

三门湾沿海声层析潮流观测实验

2009年9月6日至9日在三门湾进行了沿海声层析(Coastal Acoustic Tomography,CAT)潮流观测实验.实验由7台沿海声层析仪组网进行,并分别由渔船定点抛锚于7个站位.实验期间,还进行了定点ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler)观测.通过建立逆模式对声传播时间差进行解析,引入权重因子,用L-curve法确定阻尼因子的最佳值,继而根据阻尼最小二乘法得到流速的最佳解.根据逆模式得到的流速分布可知该海区的潮流以半日潮(M2)为主,M2潮流椭圆呈东南-西北走向,潮流基本都是顺着水道,即涨潮为西北流向,退潮为东南流向.西北向与东南向最大流速分别为1.03m·s-1和1.09m·s-1.实验期间该区域的余流是从湾外流入湾内,平均流速约为0.05m·s-1.CAT与定点ADCP流速的东分量和北分量的均方差均小于0.18m·s-1.这样大面积的潮流和余流水平分布的同步观测,用传统观测手段很难实现.通过以上结果可以得出,沿海声层析技术可以作为一种新的测流方法对强潮海区进行大面积潮流观测,可在我国沿海的海洋环境监测等方面发挥重要作用.

高分三号卫星对海浪的首次定量遥感

高分三号(GF-3)是我国首颗C频段多极化高分辨率微波遥感卫星,于2016年8月10日在太原卫星发射中心成功发射。GF-3 SAR卫星入射角范围约为20°—50°,具备单极化、双极化和全极化等多极化工作能力,还是世界上成像模式最多的SAR卫星,具有12种成像模式。不仅涵盖了传统的条带、扫描成像模式,而且可在聚束、条带、扫描、波浪、全球观测、高低入射角等多种成像模式下实现自由切换,既可以探地,又可以观海,达到"一星多用"的效果。近日,国家海洋局第二海洋研究所卫星海洋环境动力学国家重点实验室利用首批GF-3合成孔径雷达(SAR)遥感数据(图1)对夏威夷西北部附近太平洋海域的海浪进行了首次定量分析和反演研究(图2)。图1为GF-3 SAR的灰度图像,成像时间为2016年9月2日8:30(GMT),卫星此时飞行速度约为7.6km,极化方式为VV极化,飞行方向为降轨,空间分辨率为8m×8m,中心入射角为28.32°。由图1可以看出,SAR图像上存在明显的黑白相间的海浪条纹,说明海浪在图像上能够顺利成像。通过提取灰度图像上的调制信息,并作傅里叶变换分析,可得到包含海浪信息的图像谱。进一步,基于经典的Hasselmann SAR海浪成像模型的准线性形式,同时估计倾斜调制、水动力调制和聚束调制等三种海浪调制函数(MTF),可以利用图像谱反演得到海浪谱,此时的海浪谱主要为较长波长的涌浪信息,至于较短波长的海浪信息提取,由于受到方位向截断效应的影响,则需要引入初猜谱加以补偿实现。图2为图1反演的海面涌浪参数。从图2可以看出,该海域海浪由西北向东南传播(即由外海向近岸传播),平均波长约200m,有效波高从2.5m到4.0m不等,能够反映浪场的分布差异。由于没有同步的现场观测资料和其他卫星遥感资料,本文将这些结果与欧洲中期天气预报中心(ECMWF)提供的ERA-Interim再分析数据进行了比对。初步反演与比对结果表明,两者有较好的一致性,但本文的反演结果反映了更多的细节,显示GF-3 SAR有能力对海面涌浪信息进行高分辨率的观测;同时,再次表明ERA-Interim再分析数据低估了有效波高,因此GF-3卫星的发射将有利于提高全球海浪的遥感观测水平。

星载SAR遥感图像反演海洋大气边界层高度

本研究将边界层相似理论与对流理论应用到具有海洋大气边界层(Marine Atmospheric Boundary Layer,MABL)对流特征的星载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)遥感图像,探讨了星载SAR遥感图像描述海气应力作用下水平扰动尺度变化的潜在可能性.针对具有三维对流涡旋Cell和二维水平滚轴涡旋Roll特征的星载SAR遥感图像,反演了中国海海域MABL高度,并与同步实验获取的MABL高度结果进行对比.结果表明,利用具有对流特征的星载SAR遥感图像反演MABL高度是可行的,展示了以高分辨率、大面积观测为特点的星载SAR遥感图像探测MABL的广阔前景.

星载SAR海洋内波遥感研究进展

星载SAR已成为海洋内波研究的重要技术手段之一.本文回顾了SAR海洋内波遥感研究进展,特别是有关国内外SAR海洋内波的遥感成像机理研究、遥感成像仿真研究和遥感探测研究的发展,同时针对目前SAR海洋内波遥感研究存在的问题和今后有待研究的方向进行了探讨.

钱塘江双向声传播测流实验研究

2009年4月和5月在钱塘江杭州段进行了双向声传播测流实验.两个声信号发送与接收站设置在钱塘江两岸,间距为3050 m.在声传播实验期间,沿着声传播路径还进行了 12次走航ADP(Acoustic Doppler Profiler)流速观测.根据双向声传播的顺逆流传播时间差计算得到沿声传播路径的平均流速,与ADP走航观测结果基本一致,两者的均方差为0.03 m/s.通过ADP走航期间双向声传播时间差的平均值和ADP走航观测所得断面流量之间的线性关系,得到了整个观测期间断面流量的时间序列.实验较好地捕捉到了因钱塘江涌潮而引起的流量变化,流量的最小值为-3406 m^3/s,最大为3509 m^3/s.第一和第二实验阶段钱塘江的净流量分别为1329 m^3/s和979 m^3/s.以上结果表明用双向声传播测流方法可实现对河道流速和流量连续的监测.

我国海洋学科研究生培养专业开设现状分析与展望

21世纪是海洋的世纪,海洋强国战略的实施需要海洋科学人才支撑。通过对我国已有的涉及海洋科学学科研究生培养的高校和研究所的全面调研和分析比较,总结我国海洋科学研究生学科专业开设院所、依托平台、专业开设的现状、取得的成果,指出目前我国海洋科学方向研究生教育学科专业开设与建设海洋强国战略人才需求之间的矛盾和存在的不足,提出相应的建议和展望,旨在为我国海洋科学学科的研究生教育和人才培养提供有益的借鉴和参考。

台风海域实时海洋监测及其应用研究综述

简要阐述了台风海域实时海洋监测及其对台风预测预报的重要意义,以及利用卫星跟踪的自动剖面浮标实时监测海洋环境要素的必要性和迫切性;同时也回顾了国内外学者利用少量来自海上的自动剖面浮标观测资料,在天气/气候领域的基础研究中所取得的初步成果,呈现了自动剖面浮标在台风海域组网实施实时海洋监测及其有望提高对台风强度和路径,乃至生成源地预测预报水平的广阔前景。

沿海双向声传播测流研究与实验

2009年3月10-11日,用沿海声层析仪在我国台州大陈岛近海进行了一次双方向声传播测流实验。采用5 kHz的10阶M序列信号,利用GPS时钟进行异地时间同步,完成了水下信号的发射和接收,实现了双向声传播时间的精确测量。2个声传播站位间距为11km,实验历时26h。与此同时,在2个声传播站位间还进行了6次温度、盐度和流速的断面走行观测。2个站接收到的信号的信噪比达到了180以上,由双向声传播时间差得到的测线间的平均流速显示了典型的半日潮的变化。声传播观测所得的平均流速与声学多普勒流速剖面仪(ADCP)断面走行观测结果基本一致,两者之差的平均值为0.04m/s。

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。

智慧海洋多平台数据管理规范研究

我国未来智慧海洋观测系统将集成多种观测平台,获取全球范围、长时间和准实时的海洋数据。为更加科学而高效地管理数据,文章结合我国智慧海洋发展趋势,分析存在的问题,借鉴相对先进的数据管理规范,为建设智慧海洋国际共享应用平台提供参考。研究结果表明:与观测平台、传感器和通信技术的快速发展相比,我国海洋数据管理的发展十分缓慢,缺乏数据质量控制和存储等规范,严重制约海洋观测数据的有效管理和共享应用,不利于海洋大数据的融合和信息挖掘技术的发展;为各类观测平台制定科学而合理的数据管理规范,对于智慧海洋建设至关重要,亟须尽快组织专业人员成立工作组,落实和保障该项工作的有序开展,从而提升我国在海洋大数据信息处理方面的能力。

智慧海洋国际共享应用平台发展趋势及其对策建议

当前,我国正在全面开展智慧海洋建设,各种新研发观测平台不断涌现,但是围绕智慧海洋的信息化建设仍显落后,在数据管理、质量控制方法和系统开发等方面与发达国家仍存在较大差距。文章通过分析国内外海洋共享应用平台的发展趋势及其特点,从数据管理方法、质量控制和系统设计开发等多个方面找出差距所在。研究表明,与国外相比,国内存在共享平台业务化运行不多的问题,为实现数据的规范化,并给出尽快制定针对不同观测平台数据管理规范、加强数据质量控制方法研究、加强具备专业知识的系统设计人才培养等建议。

FGOALS耦合模式两个版本的海洋热吸收与气候敏感度的关系研究

海洋在气候变暖过程中的重要性通常用海洋热吸收来衡量,热吸收的大小影响全球变暖的幅度。本文利用FGOALS-g2、FGOALS-s2(以下分别缩写为g2、s2)两个耦合模式的CO_2浓度以每年1%速率增长(1pctCO_2)试验,评估和分析海洋热吸收与气候敏感度的关系。结果表明:进入海洋净热通量(s2模式大于g2模式)会使得s2模式的海洋热吸收总体比g2模式大;更为重要的是,由于s2模式中的海洋热吸收主要集中在上层,使得耦合模式s2中的瞬态气候响应(TCR,或称气候敏感度)比g2大。当CO_2浓度加倍时,在两个耦合模式中,海洋热吸收的空间分布呈现显著性的差异,s2模式中上层热吸收明显比深层大,上层热吸收主要位于太平洋和印度洋,而g2模式中上层和深层热吸收差别较小,深层主要位于大西洋和北冰洋。进一步研究表明,海洋热吸收分布特征与两个耦合模式海洋环流变化有关。在g2模式中北大西洋经圈翻转环流(AMOC)强度强且深度大,在CO_2浓度加倍时,AMOC减弱小,这样AMOC可将热量带到海洋的深层,增加海洋深层热吸收。而在s2模式中,平均AMOC弱且浅,在CO_2浓度加倍时,AMOC减弱明显,热量不易到达深层,主要集中在海洋上层,对气候敏感度影响更快且更强。海洋环流导致热吸收及其空间差异同时影响到气候敏感度的差异。因此,探讨海洋热吸收与气候敏感度之间的关系,利于明确气候敏感度不确定性的来源。

确定大气边界层顶高度的新方法及数值实验

提出了一种确定大气边界层顶高度的数值微分新方法,该方法使用了正则化技术,把对弯角廓线求导数的数值微分问题转化为求目标泛函极小值的问题,采用双参数模型函数方法来选择正则化参数,最后利用最大梯度法确定边界层顶高度.首先通过两个数值实验验证了新方法的有效性,实验结果显示,随着掩星资料噪音的增多,由差分法和结合L曲线方案的数值微分方法得到的边界层顶高度波动增大,而通过双参数模型函数方法得到的高度很稳定,这说明新方法能够很好地过滤噪音,从而保留廓线的主要信息.随后基于2007-2011年1,4,7,10月的COSMIC弯角数据,利用新方法分析了全球海洋大气边界层顶高度的季节特征,并与用掩星资料自带的大气边界层顶高度数据zbalmax得到的季节分布进行对比.结果表明,两者的季节分布特征十分一致:海温相对周围海域高的区域,边界层顶高度较高,反之,边界层顶高度较低;在暖流经过的海域,边界层顶高度较高,在寒流经过的海域,边界层顶的高度相对较低.

深海热液羽流动力学特性的数值模拟研究:以卡尔斯伯格脊大糦热液区为例

建立了基于雷诺平均方法的计算流体动力学模型以模拟深海层化环境下高温热液羽流的上升、扩散和湍流混合过程,并应用于研究西北印度洋卡尔斯伯格脊大糦热液区羽流的特性.根据现场测量数据,分析了模型的参数敏感性,重点讨论了喷口流量、环境浮力频率等因素对羽流运动过程的影响.计算得到了层化海洋环境中热液羽流的三层流场结构形态以及最大上升高度、中性浮力高度等关键环境参数.结果表明,经典卷吸假设仅适用于0.6倍最大上升高度以下的羽干区域,而中性层水平输运和羽帽区循环等作用使得羽流上部具有复杂的结构;湍流动能和湍流耗散率均在热液口附近达到最大值,而湍流黏度的最大值却出现在羽帽区,说明羽帽区存在强烈的湍流混合.通过所建立的模型对大糦热液区所探测到的热液羽状流进行了定量模拟,其结果得到了现场观测数据的验证,并估计了高温热液喷口的热通量约为39.38 MW.研究结果对海底热液喷口的示踪、海洋物质能量循环过程研究和海底多金属硫化物资源勘查与环境评价具有支撑价值.

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。

主被动遥感融合辐射传输卷积神经网络水深反演方法

新一代的冰、云和陆地高程卫星2号ICESat-2的星载激光雷达系统能够提供参考测深数据,采用机器学习方法能够与被动光学遥感图像结合实现高效的水深估算。提出一种结合物理辐射传输信息和卷积神经网络的模型。物理辐射传输数据突显了浅水区域的光谱特征,而卷积神经网络结构则很好地考虑了水深测量点像素的周边信息。实验结果表明,自适应椭圆密度分割算法相较于标准的基于固定参数的密度聚类算法能够更好地追踪水深信息。在圣克罗伊岛使用包含物理辐射传输信息的结果的平均均方根差比未使用的结果低0.1 m,平均精度提高了约10%。物理辐射传输卷积神经网络模型反演的水深结果的精确度均超过95%,误差小于1.6 m,验证了它在水深反演中的性能,具备在大规模水深反演中应用的潜力。