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.

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。

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。

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。

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.

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.

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。

海洋与台风相互作用研究进展

台风灾害是全球最主要的气象灾害之一.到目前为止,人们已经从大气科学的角度对台风进行了长期系统并且卓有成效的研究.但人们对台风过程中海洋的剧烈变化及其对台风的反馈仍然缺乏足够的认识,这也成为限制台风研究和预报水平的一个瓶颈问题.因此,海洋与台风在各种时空尺度上的相互作用机理及其对台风预报和短期气候趋势预测的贡献是当前国际海洋与大气科学研究的重大前沿课题.本文基于国家重点基础研究发展计划,总结了海洋与台风相互作用的最新研究成果,重点梳理了海洋中尺度过程对台风的影响与反馈、海洋与台风的低频相互作用及其对短期气候变化趋势的影响、台风过程中的海洋多源资料同化及利用海气耦合模式进行台风预报等若干方面的研究进展.最后,提出了今后在海洋与台风相互作用研究中需要关注和重点解决的若干关键科学问题.

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。

深远海浮游动物生态学研究进展

深远海浮游生态系统依据水深的差别可以被划分为几个子系统,包括上层、中层、深层和深渊层等。目前大量的研究结果表明在海洋上层,由于光照、温度、海冰和营养盐补充等因素的影响,浮游生物群落往往呈现出显著的时空变化。但在海洋中层及更深的区域,传统观点认为随着水深的增加,海洋的理化环境趋向于稳定,在这一区域生态系统的时空变化要弱于海洋上层。同时受调查技术和经费的限制,人们对于这一广阔区域内浮游生态系统时空变化规律的认识要局限的多。随着我国海洋科学的发展和海洋强国战略的实施,海洋科学研究也逐渐由过去的以近海研究为主发展到当前的近海、边缘海和深远海研究协同发展。但与我国近海浮游生态学过去数十年间积累的大量研究成果相比,我国科学家对深远海,特别是中层、深层和深渊层浮游生态学方面的研究极为缺乏。从大洋浮游动物群落的垂直分布及其变化、种间关系与生态位分化、深海浮游动物群落在碳沉降和生物地球化学循环中的作用等多个角度全面总结了当前国内外深海浮游生态学的研究进展,同时介绍过去十余年来深海浮游生态学研究技术手段上的巨大进步,以期为今后国内同行的研究提供参考和借鉴。

基于BP ANN和B算法的黄河口水深遥感比较研究

基于Landsat8 OLI传感器数据,用BP人工神经网络模拟水深法和底部反照率独立水深测量算法(bottom albedo-independent bathymetry algorithm,简称B算法)来反演黄河口水深,并与实测水深数据进行比较;然后,基于两种水深反演方法的结果进行了对比分析和适用性评价.发现,用BP神经网络模拟方法提取的水深在近岸水深小于15m的区域和水深大于15m的区域,反演结果与实测水深误差较大,变化趋势不一致,实测值与模拟水深值相关系数低;以B算法提取的水深与实测水深误差较小,在趋势上一致,相关系数为0.899;并基于该算法的表现,通过水深遥感制图进一步在实际应用中验证了该水深反演方法.结果表明,底部反照率独立测深算法精度高、效果好,比较适用于黄河口水深探测.

热带MJO和ENSO对西北太平洋热带气旋影响研究综述

对西北太平洋热带气旋的活动规律作了综合评述,简单回顾了热带季节内振荡(MJO)特征和厄尔尼诺/南方涛动(ENSO)特征以及两者间关系,较系统地总结了近年来国内外学者关于MJO和ENSO对西北太平洋海域热带气旋活动影响和机理等方面的研究成果。讨论的热带气旋活动特征包括源地、频数、路径、强度、生命期和登陆等几个方面,并简单讨论了目前该领域存在的科学问题和未来可能的研究方向。

基于Bayes算法的Abel积分反演折射指数的研究

本文将Bayes算法应用到Abel积分方程中,利用End-to-End Generic Occultation Performance Simulation and Processing System(EGOPS)软件仿真出的弯角数据来反演大气折射指数,并与Tikhonov正则化的反演结果进行对比.当直接利用仿真所得的弯角数据(认为它是不含误差的)时,Bayes算法与Tikhonov正则化的反演结果具有很好的一致性,二者的均方根误差均为2.5470×10-8;但在实际观测过程中,由于电离层以及水汽等方面的影响,所得到的弯角数据不可避免地会含有误差,可能产生高频成分,甚至存在间断的现象,因此我们在仿真的弯角数据中加入了满足高斯型分布的随机噪声,然后进行折射指数的反演试验.结果表明,相比于Tikhonov正则化技术,Bayes算法具有更高的反演精度.

Argo浮标温盐剖面观测资料的质量控制技术

Argo浮标可用来监测全球大洋从海表到2000m深层的变化,鉴于Argo浮标的剖面观测数据存在位置错误、可疑剖面、异常数据以及盐度漂移等诸多问题,必须对Argo浮标资料进行有效的质量控制.本文基于Argo观测剖面资料与法国海洋开发研究院(IFREMER)提供的可靠历史观测数据集,提出了一种Argo资料质量控制的新途径.该方法通过寻找Argo浮标不同剖面位置与其"最佳匹配"历史剖面资料对比判别的途径,可以有效地识别Argo观测误差,特别是能够将由于Argo位置环境变化引起和由Argo浮标自身漂移引起的两类Argo浮标盐度偏移现象进行有效甄别,减少了对Argo浮标盐度剖面偏移的误判,有效节约了Argo浮标质量控制时间.本文还提出基于"三倍标准差"的异常数据检测方法,并将其与传统异常数据检测法相结合进行剖面异常数据剔除,有效实现了对异常数据的剔除.基于本文提出的Argo资料质量控制方法,对中国Argo实时资料中心网站提供的全球Argo浮标剖面进行了质量控制再分析,进一步剔除和订正了其中的一些数据误差,生成了经新的质量再控制后的全球Argo浮标剖面资料集.通过将质量再控制处理前后的数据与Ishii资料进行比较发现,处理后的数据比处理前的数据误差减小,表明本文提出的方法合理有效.

基于土地利用空间格局的区域生态系统健康评价——以舟山岛为例

土地利用空间格局是影响区域生态系统健康状态的重要因素。构建适用于舟山岛生态系统健康诊断的"活力-组织结构-恢复力-生态系统服务功能"评价指标体系,其活力以植被相对密度指数表征、组织结构以蔓延度等4个景观格局指数表征。选择镇、乡或街道等行政区作为评价单元,以遥感数据和土地利用调查数据为基础,采用G IS和RS技术,提取舟山岛17个乡镇1970-2005年间5个时期的土地利用空间格局和指标信息,采用综合参数评价模型对研究区生态系统健康进行时空动态评价。研究结果表明:(1)35 a来舟山岛生态系统健康整体状况呈下降趋势,相对较好的区域面积下降了18%,相对一般的下降了8%,而相对较差的上升了26%;(2)城市化、滩涂围垦与沿海工业的发展是舟山岛生态系统健康状态下降的主要原因。

应用PCR-DGGE技术分析黄海冷水团海域的细菌群落组成

利用PCR-DGGE技术对2个季节（2006-04和2006-10）的黄海冷水团海域的细菌群落组成和优势菌群进行了分析.通过软件Glyko Bandscan分析DGGE图谱,4月份所有站位的条带数相近（约17条）,多样性丰富;10月份,在冷水团范围以内站位的条带约16条,其多样性也较丰富;而在冷水团范围以外站位的条带少（约12条）,其多样性较低.细菌16S rDNA V3区特征片段经DGGE分离、条带切割,共得到24条条带,克隆、测序后,进行系统进化分析,结果显示这24条带分别归属于2个细菌类群：变形细菌门（Proteobacteria）和拟杆菌门（Bacteroides）.在24条序列中有16条分别与变形细菌亚群的γ-和δ-Proteobacteria相似,有5条与拟杆菌门相似.时空分析发现,4月份所有站位水体（海水温度为7-12℃）的细菌群落组成和10月份（冷水团存在期）冷水团内部水体（海水温度低于10℃）的细菌群落组成相同（都包括γ-Proteobacteria、δ-Proteobacteria和Bacteroides）,与10月份冷水团外部水体（海水温度大于19℃）的（包括γ-Proteobacteria和Bacteroides）不同.优势菌群也存在同样的分布特点,4月份所有站位水体的优势菌群与10月份冷水团内部水体的优势菌群也相同（都是γ-Proteobacteria）,而10月份冷水团外部水体不同的站位优势菌群不同.该海域细菌群落组成和优势菌群的分布特点,可能与冷水团的形成有一定的相关性.

2006年秋季东海陆架浮游植物群集

根据2006年11月19日—12月24日在东海陆架海域(24.0°—32.0°N,120.0°—127.0°E)进行的综合采样调查,对调查海域浮游植物的群集特征进行了研究.本次调查共发现浮游植物4门64属145种(包括未定名种),其中硅藻是该调查海区浮游植物的主要功能群,其次为甲藻.主要的优势种为菱形海线藻、圆海链藻、丹麦细柱藻、斯氏几内亚藻、尖刺伪菱形藻和铁氏束毛藻等.浮游植物细胞丰度为0.09～5.11cells.ml-1,平均值为4.92cells.ml-1,秋季东海陆架浮游植物细胞丰度的平面分布主要由浮游硅藻刻画,其高值出现在调查区的北、东部离岸海域,细胞丰度大于30cells.ml-1.浮游植物及硅藻和甲藻的细胞丰度垂直变化趋势基本上都是随着水深增加,丰度逐渐减小.各个断面细胞丰度密集区主要集中在表层,个别站位的中层和底层也出现浮游植物密集区.调查区浮游植物的多样性指数平均值为2.80,其高值位于调查区东北和东南部,物种均匀度指数平均值为0.81,其高值位于调查区中部,生物多样性的分布与细胞丰度的分布一致.从Pearson相关性指数来看,亚硝酸盐、溶解态有机氮(DON)和温度显著影响调查区浮游植物的生长.

二维Otsu自适应阈值选取算法的快速实现

Otsu自适应阈值算法作为图像阈值分割的经典算法,在图像领域得到了广泛的应用,在此基础上发展起来的二维阈值法因为计算时间长而制约了其应用.针对一维Otsu自适应阈值算法计算复杂度高的缺点,通过消除二维自适应阈值算法中的冗余计算,用迭代的方式得到查询表,从而大大提高了二维阈值算法的计算速度.实验结果表明,该算法不仅计算时间远远小于原始二维Otsu算法,并且求得的阈值跟原始的算法一样.

东海陆架典型断面颗粒态氨基酸的分布及控制因素分析

采用高效液相色谱法,通过现场调查对东海典型PN断面(文中为C断面)的颗粒态氨基酸(Particulate Amino Acids,PAA)进行了分析,并结合叶绿素a(Chla)、颗粒有机碳(POC)、颗粒有机氮(PON)及颗粒态氨基酸的构型特征(D和L型)等参数探讨了该区颗粒有机氮的来源和降解情况。结果表明,在长江口最大浑浊带,受咸淡水混合和生物现场生产双重作用影响,POC、PON以及PAA的总浓度均达到了极大值,其中,受再悬浮作用影响,底层水体中的有机物呈现高度降解的状态;近岸水华区域的颗粒态氨基酸则更多来源于现场生产,而且POC/Chla质量比值与降解因子DI值的负相关特征表明冲淡水向海洋输送的过程中,现场生产力对颗粒有机碳的贡献比重逐渐增大,悬浮颗粒物也变得越来越新鲜。值得关注的是,一些D型氨基酸[如D型天冬氨酸(D-Asp),D型丙氨酸(D-Ala)]与细菌生物量之间存在良好的正相关性,暗示颗粒态氨基酸在受到物理水团和生物现场生产作用控制的同时,还受控于微微型浮游生物以及异养细菌。