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基于波谱仪观测和再分析数据的热带气旋海浪有效波高数据重构研究

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热带海洋学报 2024年

作者：任宇恒高源王运华孙建中国海洋大学信息科学与工程学部中国海洋大学海洋与大气学院

有效波高数据是研究热带气旋海浪预测方法和反演技术的前提,本文利用中法海洋卫星波谱仪（surface waves investigation and monitoring, SWIM）高精度有效波高观测数据,校正ERA5再分析数据在高海况下低估有效波高的误差,为构建高精度... 详细信息

有效波高数据是研究热带气旋海浪预测方法和反演技术的前提,本文利用中法海洋卫星波谱仪（surface waves investigation and monitoring, SWIM）高精度有效波高观测数据,校正ERA5再分析数据在高海况下低估有效波高的误差,为构建高精度、大样本量的热带气旋海浪有效波高数据集提供了一种可靠方法。首先,由于ERA5与SWIM数据存在时空分辨率差异,本文利用经纬度变换和反距离加权法空间插值对两种数据进行时空匹配。然后,通过数据对比得到了ERA5误差随SWIM有效波高增大而增大的相关关系,进而使用线性回归方法构建了从ERA5到SWIM的有效波高重构方程。最后,使用两处NDBC浮标数据对重构方程进行了验证,结果表明,对于5m以上海浪, ERA5有效波高数据的均方根误差分别从重构前的1.65m和1.08m降低到重构后的1.18m和0.71m,证明了重构方程的有效性。

关键词：波谱仪 ERA5 有效波高热带气旋

基于CNN-STLSTM-CNN模型的有效波高预测

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海洋环境科学 2024年第3期43卷 417-429页

作者：王丽娜齐致远张红春董昌明南京信息工程大学人工智能学院(未来技术学院) 江苏南京210044 南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海) 广东珠海519080 南京信息工程大学长望学院江苏南京210044 南京信息工程大学海洋科学学院江苏南京210044

有效波高(significant wave height,SWH)是海洋的重要参数之一,对其的精确预测对渔业发展、海上交通和海洋生态系统具有重要意义。为了提高有效波高的预测精度,本文提出了一种基于卷积神经网络-时空长短时记忆神经网络-卷积神经网络(con... 详细信息

有效波高(significant wave height,SWH)是海洋的重要参数之一,对其的精确预测对渔业发展、海上交通和海洋生态系统具有重要意义。为了提高有效波高的预测精度,本文提出了一种基于卷积神经网络-时空长短时记忆神经网络-卷积神经网络(convolutional neural network-spatiotemporal long short-term memory-convolutional neural network,CNN-STLSTM-CNN)的有效波高预测模型。该模型由编码器(Encoder)、解释器(Translator)和解码器(Decoder)构成。Encoder通过卷积神经网络提取SWH数据的空间特征,Translator通过时空长短时记忆神经网络(spatiotemporallongshort-term memory,STLSTM)提取SWH数据的空间特征在时间上的变化特性,Decoder通过卷积神经网络的转置卷积模块重建预测结果。对东海和南海海域的二维有效波高数据进行建模,实验结果表明CNNSTLSTM-CNN模型的均方根误差(root mean squared error,RMSE)、平均绝对误差(mean absolute error,MAE)、均方根误差均值(mean of root mean squared error,M_RMSE)和平均绝对误差均值(mean of mean absolute error,M_MAE)等指标值均低于已有的方法,验证了CNN-STLSTM-CNN模型的有效性。

关键词：有效波高卷积神经网络时空长短时记忆神经网络转置卷积

基于深度学习的近岸海浪图像反演有效波高算法研究

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中国海洋大学学报（自然科学版） 2024年第6期54卷 35-44页

作者：黄文华胡伟崔学荣曾强胜商杰王宁李锐国家海洋局北海预报中心山东青岛266061 中国石油大学(华东)海洋与空间信息学院山东青岛266555

海浪有效波高是近岸海洋观测的重要要素,近岸摄像头拍摄的图像可直观地反映波高大小,但目前基于图像的有效波高反演算法研究多处于室内实验阶段且方法缺乏普适性。本文基于深度学习技术,以山东青岛小麦岛近岸海浪为例,基于海浪图像和浮... 详细信息

海浪有效波高是近岸海洋观测的重要要素,近岸摄像头拍摄的图像可直观地反映波高大小,但目前基于图像的有效波高反演算法研究多处于室内实验阶段且方法缺乏普适性。本文基于深度学习技术,以山东青岛小麦岛近岸海浪为例,基于海浪图像和浮标实测数据,开展近岸海浪图像反演有效波高方法研究,给出一种利用图像反演海浪有效波高的方法,该方法利用卷积网络提取海浪图像的特征,利用全连接网络提取风速等气象特征,将特征融合后作为全连接层的输入,最后输出反演的有效波高。通过对比多种模型的反演结果和浮标观测数据,发现多参数DenseNET121模型有效波高反演能力优于其他神经网络模型,其平均绝对误差为8.97 cm。本文研究为近岸海浪观测提供了一种新的技术思路。

关键词：有效波高卷积网络全连接网络深度学习 DenseNet模型

基于ERA5的南大西洋风速和有效波高时空变化特征分析

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海洋湖沼通报 2024年第1期46卷 1-11页

作者：夏武松魏永亮陆恒星周楠上海海洋大学海洋科学学院上海201306 中国气象局上海台风研究所上海200030 上海能源科技发展有限公司上海200233 上海河口海洋测绘工程技术研究中心上海201306 上海海洋大学国际海洋研究中心上海201306

基于1979—2019年欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)ERA5逐月平均风速、有效波高,分析了风速和有效波高的时空变化特征。利用Mann-Kendall检验法分析其年际变化和经验正交函数分析方法(E... 详细信息

基于1979—2019年欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)ERA5逐月平均风速、有效波高,分析了风速和有效波高的时空变化特征。利用Mann-Kendall检验法分析其年际变化和经验正交函数分析方法(Empirical Orthogonal Function,EOF)研究空间分布特征。结果表明:(1)南大西洋风向以30°S,10°W为中心逆时针旋转,风速大值区以东南信风带和西风带控制区为主,低值区以副高和低压带控制区为主。冬季风速高于其他季节,且全年风速和风向分布天气系统的季节变化有关。(2)有效波高与风速之间有很强的相关性,且二者都呈纬向环状型空间分布特征。冬季有效波高整体最大,夏季整体偏小。(3)Mann-Kendall检验结果显示风速和有效波高年际变化均呈上升趋势,风速在2006和2009年附近出现突变,有效波高于1994年前后出现突变。(4)风速EOF第一模态显示,信风带-西风带与副高带-低压带反向型分布,前者风速呈显著上升趋势,后者呈下降趋势。有效波高EOF第一模态显示:60°S以北海域有效波高变率为正位相,以南为负位相,正位相区域有效波高增大趋势显著,负位相区域有效波高减小趋势显著。

关键词：南大西洋海表风速有效波高时空变化

浙江沿海基于浮标的有效波高分析和数值预报订正

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海洋预报 2024年第3期41卷 44-53页

作者：姚日升肖王星涂小萍朱佳敏周凯庞琦烨宁波市生态环境气象中心浙江宁波315012 浙江省气象台浙江杭州310057 宁波市气象台浙江宁波315012 宁波市北仑区气象局浙江宁波315826

基于2010年10月―2022年12月浙江沿海5个浮标站观测资料和2020—2022年欧洲中期天气预报中心细网格模式海浪和海面10 m风预报资料,对浮标站的风、浪相关性进行分析,对有效波高预报进行评估和订正方法研究。0~240 h预报偏差和均方根误差... 详细信息

基于2010年10月―2022年12月浙江沿海5个浮标站观测资料和2020—2022年欧洲中期天气预报中心细网格模式海浪和海面10 m风预报资料,对浮标站的风、浪相关性进行分析,对有效波高预报进行评估和订正方法研究。0~240 h预报偏差和均方根误差表明:模式对远岸浮标的预报比实况稍偏大,对近岸浮标预报则略偏小,预报不稳定性随预报时效的延长而增大。远离海岸的浮标站24 h预报与实况的相关性高于近岸站,两者的相关系数分别约为0.94和0.85。有效波高预报存在一定系统偏差,且是预报误差的主要来源。近岸浮标有效波高预报值小于观测值,远岸浮标的预报值偏差则随着有效波高的增大由正转负,负偏差的绝对值逐渐增大。对于远岸浮标,仅针对有效波高进行预报和实况的一元一次回归就有很好的订正效果,但近岸浮标受地形影响大,海浪预报的误差更大,同时引入有效波高和10 m风速作为预报因子,进行二元一次回归的订正效果更好。订正方程应用到同类型的周边海区浮标站仍然有很好的订正效果,可推广到浙江沿海同类型海区。

关键词：有效波高海面10 m风数值预报订正浙江沿海

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预测有效波高的深度学习模型研究

海洋通报 2024年第3期43卷 382-390页

作者：秦易凡罗锋张杰汪忆张义丰河海大学港口海岸与近海工程学院江苏南京210098 南通河海大学海洋与近海工程研究院江苏南通226000 河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室江苏南京210098

研究基于RNN、LSTM、GRU深度学习模型,针对NOAA浮标数据集中的44013、44014、44017浮标的数据,通过斯皮尔曼相关性分析提高模型预测效果。实验结果表明,在进行相关性分析后,S-RNN、S-LSTM、S-GRU的预测效果均比原始RNN、LSTM、GRU模型... 详细信息

研究基于RNN、LSTM、GRU深度学习模型,针对NOAA浮标数据集中的44013、44014、44017浮标的数据,通过斯皮尔曼相关性分析提高模型预测效果。实验结果表明,在进行相关性分析后,S-RNN、S-LSTM、S-GRU的预测效果均比原始RNN、LSTM、GRU模型预测效果好。此外,提出一种基于LSTM的LSTM-Attention波高预测模型,并进行相关实验,量化LSTM-Attention模型的预测效果,实验结果表明LSTM-Attention模型有更好的预测效果。为评估模型的泛化能力,研究还提出了一种采用邻近浮标数据进行学习,预测浮标缺失数据的方法。实验结果表明,该方法的预测精度可以达到97.93%。本研究为海浪预测提供了新的方法和思路,也为未来深度学习模型在海浪预测中的应用提供了参考。

关键词：深度学习海浪有效波高 LSTM-Attention

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中国近海中法海洋卫星波谱仪有效波高评估

数字海洋与水下攻防 2024年第1期7卷 98-104页

作者：潘彦希王际朝中国石油大学(华东)理学院中国石油大学(华东)理学院

研究有效波高（Significant Wave Height,SWH）的特征对海洋灾害预警和海洋生产安全具有重要意义。中法海洋卫星（China-France Oceanography SATellite,CFOSAT）上搭载的世界领先的SWIM波谱仪能够测量全球范围内的海浪参数。已有大量... 详细信息

研究有效波高（Significant Wave Height,SWH）的特征对海洋灾害预警和海洋生产安全具有重要意义。中法海洋卫星（China-France Oceanography SATellite,CFOSAT）上搭载的世界领先的SWIM波谱仪能够测量全球范围内的海浪参数。已有大量研究对CFOSAT海浪产品在全球范围内进行评估，然而对区域的研究相对较少。本研究采用中国近海39个浮标的海浪数据来评估2020年SWIM二级产品的数据质量，空间和时间匹配窗口分别为100km和5min。结果表明：经过对陆地干扰施加不同程度的控制，SWIM有效波高产品具有较高的精度。在完全去除陆地干扰后，星下点SWH与浮标观测的一致性较高，均方根误差为0.346 m，相关系数为0.943，散射因子为0.182。SWIM数据与浮标观测数据之间的总体差异随着SWH的增加而增大。6°、8°、10°入射角波束和合成波束SWH与浮标观测一致性良好，但精度略低于星下点SWH。这些发现都有力地证明SWIM二级产品在中国近海具有很高的可信度。

关键词： SWIM波谱仪评估有效波高中国近海

2022汤加海底火山活动的测高海面观测异常分析

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测绘学报 2024年第2期53卷 263-273页

作者：李倩倩鲍李峰王勇中国科学院精密测量科学与技术创新研究院大地测量与地球动力学国家重点实验室湖北武汉430077 中国科学院大学北京100049

2022年1月14日—2022年1月15日,汤加海底火山发生剧烈喷发并造成全球性海啸,引起了国际广泛关注。针对汤加火山喷发引起的海洋环境异常综合观测,本文提出了利用Jason-3测高卫星数据研究火山喷发对海洋环境的短期和长期影响。针对短期影... 详细信息

2022年1月14日—2022年1月15日,汤加海底火山发生剧烈喷发并造成全球性海啸,引起了国际广泛关注。针对汤加火山喷发引起的海洋环境异常综合观测,本文提出了利用Jason-3测高卫星数据研究火山喷发对海洋环境的短期和长期影响。针对短期影响,利用距离火山最近的弧段186的重复轨道,对比不同时间观测值,分析火山喷发时期海平面变化、有效波高和电离层总电子含量(TEC)异常。结果表明:卫星测高可观测到火山喷发引起的海面异常。火山喷发期间:海平面产生短期变化,原因可能与火山活动引起的波浪、海洋环境变化和海底地形变化有关;火山喷发引起部分海域有效波高显著增加,弧段186区域电离层TEC明显降低。针对长期影响,构建了研究区域内2016年2月—2023年2月共7年区域平均海面观测时间序列,并采用小波变换、奇异谱分析方法探测时间序列中的异常扰动,分析其与火山活动的关系,从而推断火山喷发活动对海洋环境的长期影响。结果表明:火山喷发可能会对海平面变化产生长期影响,海平面变化分布与俯冲带位置相关,其影响还与EI Nino和La Nina事件产生的影响耦合,需要更多资料进一步分析;另外,汤加火山喷发对研究海域内的平均有效波高和电离层TEC分布长期影响较小。

关键词：汤加火山卫星测高海平面变化电离层异常有效波高

基于准线性近似方法的SAR图像海浪参数反演研究

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中国海洋大学学报（自然科学版） 2024年第1期54卷 144-155页

作者：袁超文张彦敏姜文正王运华中国海洋大学信息科学与工程学部山东青岛266100 自然资源部第一海洋研究所山东青岛266061 青岛海洋科学与技术试点国家实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室山东青岛266237

本文根据相干斑噪声的时间快变特征和非海浪纹理现象的时间缓变特征,基于交叉谱提出了一种对相干斑噪声和大尺度非海浪纹理的抑制的方法,进而结合SAR图像谱和海浪谱之间的准线性映射关系,基于SAR数据对海浪参数进行了反演。在反演过程中... 详细信息

本文根据相干斑噪声的时间快变特征和非海浪纹理现象的时间缓变特征,基于交叉谱提出了一种对相干斑噪声和大尺度非海浪纹理的抑制的方法,进而结合SAR图像谱和海浪谱之间的准线性映射关系,基于SAR数据对海浪参数进行了反演。在反演过程中,首先仿真分析了不同海况下准线性近似法的海浪反演能力,结果表明:风浪引起的方位向截断效应会显著影响反演精度,因此该方法在低风速时的涌浪反演精度更高。通过将基于Sentinel-1卫星2020年的波模式SAR数据的反演结果与欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)提供的再分析数据进行对比,发现高海况海浪有效波高反演结果明显偏低,而且该反演误差与风速、方位向截断波长之间存在显著相关性。为了提高有效波高的反演精度,本文进一步给出了海浪有效波高反演误差与风速、方位向截断波长之间的经验校正函数模型,结果显示,通过该模型修正后的海浪有效波高反演结果与ECMWF数据和浮标测量数据具有良好一致性。

关键词：海浪合成孔径雷达准线性近似法有效波高非海浪纹理