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一种机器学习海面风场快速融合的方法

海洋学报 2022年第11期44卷 144-158页

作者：张巍杜超凡郭安博宇宋晓姜沈世莹国家海洋环境预报中心北京100081 中国海洋大学计算机科学与技术学院山东青岛266100

基于多源资料进行海面风场的同化融合或插值融合,目前受到计算能力的较大制约。本文提出在多源卫星数据和ERA-5再分析数据重叠区域,训练基于XGboost的机器学习ERA-5数据修正融合模型。然后基于该模型快速修正ERA-5数据(机器学习推理)。... 详细信息

基于多源资料进行海面风场的同化融合或插值融合,目前受到计算能力的较大制约。本文提出在多源卫星数据和ERA-5再分析数据重叠区域,训练基于XGboost的机器学习ERA-5数据修正融合模型。然后基于该模型快速修正ERA-5数据(机器学习推理)。由于机器学习推理的快速性,ERA-5全区域修正融合的时间仅需2 s左右,可以较小计算代价构建整个海面融合风场。本文以10 m风速、10 m风向、U10分量和V10分量等典型风场变量展开,考虑了海陆分布差异使用陆地掩膜消除陆地区域,分别构建D_S_A_XGboost、D_S_O_XGboost、U_V_A_XGboost、U_V_O_XGboost 4个ERA-5修正模型,并最终生成海面融合风场。通过修正前后的ERA-5再分析数据与卫星数据进行比较,上述4个模型均减小了ERA-5再分析数据与卫星数据的差距。特别是在风速方面,不论是均方根误差(RMSE)还是绝对误差(MAE)都得到有效降低。在风向方面上,RMSE以及MAE也呈现降低趋势。在利用热带大气海洋观测计划(Tropical Atmosphere Ocean Array,TAO)浮标数据对4种XGboost模型进行评价发现,U_V_O_XGboost模型对于ERA-5数据的修正结果最好,其相关性达到0.893,提高了约0.011,结果表明本文在保证风场精度的情况下较大地提高了融合速度。

关键词： XGboost hy-2b CFOSAT MetOp-b ERA-5 海面风场

三种海冰密集度产品的北极海冰监测能力比较分析

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极地研究 2022年第4期34卷 471-484页

作者：黄睿王常颖李劲华隋毅青岛大学计算机科学技术学院山东青岛266071

选取国家海洋卫星应用中心提供的海洋二号b星扫描辐射计数据采用NASA TEAM算法反演的海冰密集度产品(简称hy2数据集),中国海洋大学提供的风云三号D星微波成像仪采用DT-ASI算法得到的海冰密集度产品(简称OUC数据集),以及美国冰雪中心提... 详细信息

选取国家海洋卫星应用中心提供的海洋二号b星扫描辐射计数据采用NASA TEAM算法反演的海冰密集度产品(简称hy2数据集),中国海洋大学提供的风云三号D星微波成像仪采用DT-ASI算法得到的海冰密集度产品(简称OUC数据集),以及美国冰雪中心提供的海冰密集度产品(简称NSIDC数据集)三种数据源对北极海冰监测能力进行比较分析。通过与德国不莱梅大学发布的海冰密集度数据产品(简称bRM数据集)和MODIS数据提取的海冰信息的比较发现:在低纬度区域(≤70°N),hy2与bRM数据集最为接近;在中纬度区域(70°N—80°N),OUC与bRM数据集的数据吻合程度最高;在高纬度区域(80°N—87°N),NSIDC数据集与bRM数据集最接近。在北极东北航道区域,hy2数据集适用于通航窗口期第一和第四航段内的海冰监测;NSIDC数据集适用于东西伯利亚海域以及临近窗口期时段的海冰监测;而OUC数据集则适用于北极东北航道大部分航段的海冰监测需求。

关键词：北极海冰海冰密集度适用性北极东北航道 hy-2b FY-3D

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大地测量与测高资料的垂线偏差解算与分析

测绘科学 2020年第7期45卷 70-74,99页

作者：杨冯莲张胜军李航孔祥雪王万宁东北大学资源与土木工程学院沈阳110819 辽宁省地震局沈阳110031

针对卫星测高资料是海洋大地水准面、垂线偏差、重力异常等重力场参量反演的主要数据源。该文联合使用新近补充的Jason-2大地测量任务与hy-2b卫星测高资料,选取中国海及邻近海域(0°~40°N、100°~140°E)以及3个纬度带的10°×10°海... 详细信息

针对卫星测高资料是海洋大地水准面、垂线偏差、重力异常等重力场参量反演的主要数据源。该文联合使用新近补充的Jason-2大地测量任务与hy-2b卫星测高资料,选取中国海及邻近海域(0°~40°N、100°~140°E)以及3个纬度带的10°×10°海域作为研究区域,根据交叉点处的观测时间、经纬度和大地水准面高计算垂线偏差方向分量,并采用XGM2019重力场模型进行检核分析。结果表明,Jason-2和hy-2b测高资料的垂线偏差解算精度可靠,其中hy-2b总体精度稍占优。由于低轨道倾角导致的地面轨迹分布方向及密度的差异,不同纬度带内Jason-2测高数据解算的垂线偏差东西分量精度随纬度的升高而显著提高。

关键词：卫星测高交叉点垂线偏差 Jason-2 hy-2b

基于自主星载微波辐射计的海冰密集度反演研究

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基于自主星载微波辐射计的海冰密集度反演研究

作者：武苏辉国家海洋环境预报中心

学位级别：硕士

海冰在全球气候系统中具有极其重要的作用,不仅影响着大气与海洋环流,也是气候变化的重要指示器。海冰密集度(Sea ice concentration)是描述极区海冰极为重要的地球物理参数之一。基于海冰密集度数据集获取的海冰范围(Sea ice extent,S... 详细信息

海冰在全球气候系统中具有极其重要的作用,不仅影响着大气与海洋环流,也是气候变化的重要指示器。海冰密集度(Sea ice concentration)是描述极区海冰极为重要的地球物理参数之一。基于海冰密集度数据集获取的海冰范围(Sea ice extent,SIE)和海冰面积(Sea ice area,SIA)参数在全球气候变化研究中发挥十分重要的作用。随着国内海洋动力环境系列卫星和风云系列卫星的不断发展,极大地拓展了我国在极地地区的观测能力,为研究极地海冰的长期变化研究提供重要的数据支撑。本论文主要分为基于FY-3C/D MWRI的北极海冰密集度反演研究和基于hy2b/SMR的极区海冰密集度反演研究两部分。基于风云三号卫星微波成像仪(MWRI)亮温数据开展北极海冰密集度反演研究,采用线性回归和阈值法确定了动态亮温系点值,利用天气滤波器和陆地污染修正法消除了天气和陆地对海冰密集度反演的影响,获取了 2019-2020年逐日25km空间分辨率的海冰密集度数据集。同时计算了 2019-2020年海冰范围和海冰面积并与同类产品进行了比对。结果表明,本研究获取的北极海冰密集度产品与NSIDC发布的海冰密集度产品有较高的相关性,海冰密集度的差异在冬季小于3%,夏季小于8%。利用SAR数据进行了不同产品的结果评估,结果表明本文算法的反演结果优于NASA Team算法,在冬季精度约有1%的提升,在夏季精度约有4%左右的提升。动态亮温系点值较好地反映了海冰辐射特性的季节变化。基于海洋二号微波辐射计(SMR)亮温数据,开展了南北极海冰密集度反演研究,利用改进的bootstrap(bT)算法获取了 2019-2021年南北极逐日海冰密集度产品。然后将结果与业务化海冰密集度产品和基于船载的观测数据进行比较。研究结果表明,改进的bootstrap算法对于准确获取极地地区的海冰密集度是十分有效的,与其他业务化海冰密集度产品具有高度的相关性。不同海冰密集度数据集的日平均海冰密集度在南北极均显示出相似的年际变化趋势。不同SIC产品的比较表明,北极的bT-SMR SIC略低于bT-SSMIS和bT-AMSR2 SIC产品,而南极SIC产品之间的差异更为明显。不论是在南极还是北极,bT-SSMIS SIC和bT-SMR SIC之间的MAE(平均绝对误差)最小,然而在北极NT-SMR和bT-SMR之间的MAE最大,在南极NT-SSMIS和bT-SMR之间的差异最大。其中,bT和NT分别表示bootstrap和NASA Team算法的缩写。SIE和SIA时间序列显示出一致的趋势,SIA的差异大于SIC。利用船载观测数据对不同SIC产品进行评估表明,bT-SMR SIC与船载SIC之间具有较高的相关性,在北极地区约为0.85,在南极地区约为0.88。本研究为我国自主海洋系列和风云系列卫星发布极区业务化海冰密集度产品奠定了基础,获取的海冰密集度产品可以保障未来近40年海冰观测记录的连续性,为全球气候变化的研究提供数据支撑。

关键词：海冰密集度 bootstrap算法北极南极 hy-2b FY-3C/D

自主海洋卫星数据精度验证及台风浪数值模拟中的运用

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自主海洋卫星数据精度验证及台风浪数值模拟中的运用

作者：江涛上海海洋大学

学位级别：硕士

海洋占地球表面积的71%,蕴藏着丰富的能量和资源,并对地球的气候和环境调节方面起着重要影响。一直以来,人类一直在努力探索了解海洋,特别是20世纪以来,开始了海洋研究的热潮。我国作为一个海洋大国,拥有近1万平方公里的海洋,同时海岸... 详细信息

海洋占地球表面积的71%,蕴藏着丰富的能量和资源,并对地球的气候和环境调节方面起着重要影响。一直以来,人类一直在努力探索了解海洋,特别是20世纪以来,开始了海洋研究的热潮。我国作为一个海洋大国,拥有近1万平方公里的海洋,同时海岸线长达1万公里,海岸线在全世界第四长。绵长的海岸线也同时意味着受海洋灾害发生时影响的区域广泛,特别是在每年5-8月份,即太平洋台风季(Pacific typhoon season),其影响地区包括中国、日本、韩国等。台风从一方面来说可以为全球气候调节带来重要推动作用,同时对周边国家特别是沿海经济相对发达城市带来不小的经济损失。近些年来,随着遥感卫星和海浪数值模拟技术的发展和完善,针对海洋的研究正在迈入一个新的高度。本文主要从两个方面,分别对自主海洋卫星和目前应用比较广泛的第三代海浪数值模型WAVEWATCH-III展开研究,对自主卫星的精度验证及极端海洋动力过程中海浪数值模拟的适用性探究。第一部分介绍我国自主海洋卫星hy-2b的数据精度探究。第二部分,以中法星(CFOSAT)测量的风速和海浪谱信息为基础,在台风过程中,对WW3海浪模型拖曳系数重新拟合,找到一组适配性更好的拖曳系数参数化方案,提升了模型的台风过程适用性。文章第一部分对于hy-2b卫星数据的精度验证研究中,主要研究了hy-2b高度计和散射计数据的准确性。通过获取2019-2020年中国近海范围内20次台风过程的hy-2b数据,分别对通常海况和极端海况下的hy-2b数据的准确性进行探讨与评估。为了对比数据精度,将hy-2b散射计与ASCAT风场,以及hy-2b高度计与Jason3高度计数据,WW3海浪模型模拟的海浪数据进行数据匹配。hy-2b散射计与ASCAT风场的对比结果显示,风速均方根误差(RMSE)为0.78 m/s,数据之间相关性(COR)达到0.97。由于hy-2b高度计也有关于海面风数据,将ASCAT风场与hy-2b高度计观测的海面风场数据进行数据匹配,结果显示风速均方根误差(RMSE)为1.2m/s,同时相关性(COR)为0.93,hy-2b散射计数据观测的海面风场精度更高。第二部分,主要是采用了中法星海面风场以及海浪谱数据对WW3海浪模型的台风过程拖曳系数进行优化。收集了2019-2020年的中法星观测20个台风过程观测数据,采用了海面粗糙度相关公式,通过数据拟合得出的一组新的台风过程拖曳系数参数化方案。利用WW3模型模拟的有效波高参数(Hs)与三次台风活动期间(2014年台风凤凰,2015年台风灿宏及2019年台风利奇玛)的几个停泊锚定浮标的观测有效波高结果进行了对比,验证了新的拖曳方案的准确性。对比结果表明,通过拟合得到的新的拖曳系数参数化方法显著提高WW3模型模拟台风浪精度。从对比结果图可以看出,新拟合公式在海浪模型运用过程中有效波高的均方根误差为0.49m,散射系数(SI)为0.35,新拟合公式的效果在运用到模型模拟过程中效果更好。在这个结果上看,采用了中法星数据新拟合的参数化拖曳系数方程在WW3模拟海浪过程中效果更好,特别是对于在有效波高小于7m的海况下。此外,使用所提出的参数化方案,模拟海浪的精度并没有随着风速和海况的增加而降低。然而,所提出的新参数化的适用性需要在风速大于30m/s时需要进行新的研究和讨论。

关键词： hy-2b 中法星 WAVEWATCH-Ⅲ 台风浪数值模拟拖曳系数