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基于多层感知器和SAR参数的海浪有效波高反演方法

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中国海洋大学学报（自然科学版） 2024年第2期54卷 121-133页

作者：高亚飞王运华张彦敏姜文正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

本文在分析雷达海面图像的多个参数与海浪有效波高相关性的基础上,应用哨兵1A卫星Level-2 SAR数据中的后向散射系数、图像强度归一化方差、截止波长、主波波长、主波波向、图像偏度和峰度参数提出了基于多层感知器(MLP)的海浪有效波高... 详细信息

本文在分析雷达海面图像的多个参数与海浪有效波高相关性的基础上,应用哨兵1A卫星Level-2 SAR数据中的后向散射系数、图像强度归一化方差、截止波长、主波波长、主波波向、图像偏度和峰度参数提出了基于多层感知器(MLP)的海浪有效波高反演方法。详细讨论了输入参数组合不同时,MLP模型反演的整体海浪有效波高(SWH)、风浪有效波高(SWH_(WW))和涌浪有效波高(SWH_(S))的精度。针对极端海况下数据较少导致模型产生的系统偏差,文中采用校正函数减小该误差,从而增强了模型的适用性。与欧洲中期天气预报中心(ECMWF)和Jason3卫星提供的整体海浪有效波高数据进行对比,本文方法所得结果的均方根误差分别为0.471和0.535 m,相关系数为0.923和0.922。与ECMWF提供的风浪和涌浪有效波高相比,本文方法反演所得风浪和涌浪有效波高的均方根误差分别为0.534和0.512 m,相关系数分别为0.898和0.815。

关键词：哨兵1A SAR数据多层感知器海浪有效波高校正函数

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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

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北极区域的FY-3C/VIRR热红外通道定标精度评估

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海洋湖沼通报 2024年第1期46卷 38-46页

作者：李卓敏管磊中国海洋大学信息科学与工程学院山东青岛266100 中国海洋大学三亚海洋研究院海南三亚572024 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

北极区域的海表温度(Sea Surface Temperature,SST)可以控制海冰增长、冰雪消融和表面大气能量交换,全球的温度变化及趋势在北极存在放大现象,因此北极海温的监测对于全球气候变化监测十分重要。卫星传感器热红外通道亮温数据可用于反... 详细信息

北极区域的海表温度(Sea Surface Temperature,SST)可以控制海冰增长、冰雪消融和表面大气能量交换,全球的温度变化及趋势在北极存在放大现象,因此北极海温的监测对于全球气候变化监测十分重要。卫星传感器热红外通道亮温数据可用于反演海表温度,其精度对于海表温度的精度有着至关重要的作用。本文以北极为研究区域,对搭载在FY-3C卫星上的可见光红外扫描辐射计(Visible and Infrared Scanning Radiometer,VIRR)热红外通道(11μm、12μm通道)定标精度进行评估,参考传感器为中分辨率成像光谱仪(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS)。由于VIRR与MODIS的光谱响应有所不同,本文使用大气辐射传递模型MODTRAN(MODerate resolution atmospheric TRANsmission)进行VIRR和MODIS模拟亮温的计算,将海表参数和大气参数、海表发射率、卫星天顶角、VIRR和MODIS两通道对应的光谱响应曲线分别输入MODTRAN得到VIRR和MODIS两通道的模拟亮温,进而得到VIRR和MODIS 11μm、12μm通道光谱差异。根据VIRR和MODIS两通道观测亮温之差和光谱差异计算两者的实际差值,即二重差分值,得到白天11μm通道平均偏差为-0.41 K,标准偏差为0.26 K,12μm通道平均偏差为-0.47 K,标准偏差为0.30 K;夜间11μm通道平均偏差为-0.35 K,标准偏差为0.21 K,12μm通道平均偏差为-0.44 K,标准偏差为0.22 K。表明在北极区域VIRR热红外通道的定标精度较高。

关键词： VIRR MODIS 热红外通道大气辐射传递模拟

全球涡旋经向偏转的遥感研究:物理机制与海洋学应用

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中国科学：地球科学 2024年第3期54卷 830-844页

作者：陈戈陈笑炎中国海洋大学深海圈层与地球系统前沿科学中心海洋技术学院青岛266100 崂山实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室青岛266237

研究普遍认为海洋涡旋的经向运动遵循气旋涡向极地偏转、反气旋涡向赤道偏转的规律,然而,这一极性主导的传统认知在全球和区域上均存在一定的偏差和误导性.本文深入探索了涡旋经向运动的本质规律,发现涡旋的时空地转性、海表温度的热衰... 详细信息

研究普遍认为海洋涡旋的经向运动遵循气旋涡向极地偏转、反气旋涡向赤道偏转的规律,然而,这一极性主导的传统认知在全球和区域上均存在一定的偏差和误导性.本文深入探索了涡旋经向运动的本质规律,发现涡旋的时空地转性、海表温度的热衰减以及背景流场的拖曳作用是涡旋经向偏转的主要机制,并得到以下主要结论:(1)涡旋经向偏转由极性主导是一个伪命题,得出这一结论是由于涡旋轨迹的归一化拟合存在偏差和不对称性;相反,涡旋经向偏转更多是由地理位置决定的,且不受涡旋极性的影响;(2)地转调整效应对调制涡旋经向偏转起着关键作用,对于空间(时间)上的非地转涡旋,无论涡旋极性如何,均呈现出向极地(赤道)的偏转趋势;(3)影响涡旋经向偏转的物理机制与其运动方向相关,西向运动涡旋主要受到海表温度的热衰减影响,东向涡旋则主要受到背景流场的拖曳作用.深入理解涡旋的经向偏转规律及物理机制,对于实现涡旋轨迹高精度预测,以及海洋环境监测和保护具有重要意义.

关键词：海洋涡旋涡旋传播涡旋经向偏转卫星遥感观测地转调整

双向长短期记忆网络在激光雷达风廓线预测的应用

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光学学报 2024年

作者：廉文超宋小全郝朝阳姜萍中国海洋大学信息科学与工程学部海洋技术学院青岛海洋科技中心区域海洋动力学与数值模拟功能实验室

多普勒激光雷达进行测量时，由于断电、低云、降水等影响会产生风廓线数据的缺测。本研究主要使用双向长短期记忆网络(Bi-LSTM)对风廓线进行预测，以期对风廓线观测结果缺失时使用预测结果进行插补，以提升风场数据的获取率和连续性。2... 详细信息

多普勒激光雷达进行测量时，由于断电、低云、降水等影响会产生风廓线数据的缺测。本研究主要使用双向长短期记忆网络(Bi-LSTM)对风廓线进行预测，以期对风廓线观测结果缺失时使用预测结果进行插补，以提升风场数据的获取率和连续性。2021年4月多普勒激光雷达在辽宁省觉华岛地区开展大气风场探测实验，针对因断电和天气条件导致的风廓线数据缺测，使用4月18日-22日的十分钟平均风廓线集，探究基于时序的Bi-LSTM模型在风廓线预测方面的性能，并与非时序卷积神经网络(CNN)的预测性能对比。实验结果表明，Bi-LSTM模型具有良好的风廓线短期预测能力，基于连续完整的443条十分钟平均风廓线训练的Bi-LSTM模型，对未来15条十分钟平均的风廓线预测效果较好：u分量和v分量的决定系数高于0.6和0.5，均方根误差低于2 m·s-1和3 m·s-1，平均绝对误差低于2 m·s-1和3 m·s-1，其预测评估指标值均优于CNN模型。在本案例中，使用Bi-LSTM模型的预测结果对缺测风廓线插补，1000米高度以下的数据获取率平均提升8个百分点。

关键词：大气光学多普勒激光雷达深度学习双向长短期记忆网络风廓线预测

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基于平均声速测量的声速剖面实时重构方法

海洋科学进展 2024年第3期42卷 602-610页

作者：王旭刘宗伟甘忠良姜莹杨春梅吕连港自然资源部第一海洋研究所山东青岛266061 自然资源部海洋环境科学与数值模拟重点实验室山东青岛266061 山东省海洋海洋环境科学与数值模拟重点实验室山东青岛266061 崂山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 中国人民解放军92859部队天津300061

针对传统的声速剖面重构方法往往不具备实时性的问题,本文提出了一种基于平均声速测量的声速剖面实时重构方法。首先,基于历史数据进行特征分解并选择经验正交函数(Empirical Orthogonal Function, EOF)的阶次;其次,利用实测的水下某深... 详细信息

针对传统的声速剖面重构方法往往不具备实时性的问题,本文提出了一种基于平均声速测量的声速剖面实时重构方法。首先,基于历史数据进行特征分解并选择经验正交函数(Empirical Orthogonal Function, EOF)的阶次;其次,利用实测的水下某深度的声速和该深度至海面的平均声速,通过求二元一次方程组的最小范数解得到EOF重构系数;最后,结合历史声速剖面重构全海深声速剖面。使用西太平洋海域的再分析数据对该方法进行了仿真验证,结果表明:采用该方法重构的声速剖面与真实声速剖面拟合效果较好,平均均方根误差约为1.31 m·s-1。本文所提方法可为水下航行器实时重构声速剖面提供技术支撑。

关键词：实时重构经验正交函数平均声速最小范数解

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基于CALIOP双波长数据的海面测风信号筛选方法研究

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大气与环境光学学报 2024年第3期19卷 371-380页

作者：罗敦艺吴东贺岩中国海洋大学信息科学与工程学部海洋技术学院山东青岛266100 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 中国科学院上海光学精密机械研究所中国科学院空间激光信息传输与探测技术重点实验室上海201800

基于海面后向散射模型,提出了一种利用CALIOP双波长海面信号进行数据质量控制的星载激光雷达数据筛选方法。选取CALIOP 2018年1―9月Version 4.1.0 level 1数据进行全球海面风速反演,为提高数据可利用率,在无云海域探测海面风速的条件... 详细信息

基于海面后向散射模型,提出了一种利用CALIOP双波长海面信号进行数据质量控制的星载激光雷达数据筛选方法。选取CALIOP 2018年1―9月Version 4.1.0 level 1数据进行全球海面风速反演,为提高数据可利用率,在无云海域探测海面风速的条件下增加了可穿透云CALIOP数据,经过大气校正和双波长信号质量控制后进行风速反演,以准同步AMSR-2风速数据作为参考值进行检验。分别采用Cox-Munk和Hu模型的经验关系反演风速,对于1―3月数据,前者标准偏差分别为1.14、1.18、1.16 m/s,相关系数分别为0.90、0.91、0.91;后者标准偏差分别为1.17、1.19、1.17 m/s,相关系数分别为0.91、0.91、0.91。而相较于无云海域的反演研究,可利用数据量提高约45.5%,表明利用该方法既能保证反演精度同时又能有效提高数据可利用率,可为海面风场研究提供更多的数据源。

关键词：遥感星载激光雷达海面后向散射海面风速信号提取

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基于客观λ方法的海洋三维涡旋核心线提取

海洋通报 2024年

作者：田丰林李博涵田万林唐蓦然马颖中国海洋大学信息科学与工程学部自然资源部城市国土资源监测与仿真重点实验室深圳市海洋发展研究促进中心崂山实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室

涡旋核心线是海洋中尺度涡旋结构的重要组成要素，涡旋核心线提取和可视化对于切入中尺度涡三维结构研究、开展海洋垂直物质能量运输分析具有重要意义。本文基于客观参考框架和λ2准则，提出了使用客观化的流场参数得到λ2区域，并提取... 详细信息

涡旋核心线是海洋中尺度涡旋结构的重要组成要素，涡旋核心线提取和可视化对于切入中尺度涡三维结构研究、开展海洋垂直物质能量运输分析具有重要意义。本文基于客观参考框架和λ2准则，提出了使用客观化的流场参数得到λ2区域，并提取其山谷线作为涡旋核心线的方法，实现了对海洋三维结构中尺度涡旋核心线的提取和可视化。首先，引入了最优局部参考系，使得速度、速度梯度等测度成为在变化的参考系下保持不变的客观量，提升了在海洋科学实践中的可靠性和实用性；其次，针对含有垂向速度的海洋三维流场数据，计算其空间雅可比矩阵，展示了涡旋核心区域的三维结构，实现了海洋涡旋研究从二维到三维的提升；最后，分别在多个半径大小播撒流线种子点，分析不同旋转方向的涡旋，对已提取的涡旋核心线实验结果进行验证，证明了客观λ2海洋三维涡旋核心线提取方法的有效性及可行性。

关键词：海洋流场涡旋核心线客观性三维结构

龙目和翁拜海峡海流季节内变化特征与机制分析

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海洋科学进展 2024年第1期42卷 21-37页

作者：赵海峰徐腾飞官晟王冠琳滕飞李淑江曹国娇自然资源部第一海洋研究所山东青岛266061 崂山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 江苏海事职业技术学院航海技术学院江苏南京211100

基于INSTANT(International Nusantara Stratification And Transport)观测资料的分析,龙目和翁拜海峡不同深度流量的季节内变化具有不同的显著周期。根据这一特征,龙目海峡水体输送可分为150 m以浅和150~300 m两层,其显著周期分别为30~... 详细信息

基于INSTANT(International Nusantara Stratification And Transport)观测资料的分析,龙目和翁拜海峡不同深度流量的季节内变化具有不同的显著周期。根据这一特征,龙目海峡水体输送可分为150 m以浅和150~300 m两层,其显著周期分别为30~70 d和30~40 d,前者由第二斜压模Kelvin波引起,而后者受第一斜压模Kelvin波影响;翁拜海峡水体输送可分为4层,300 m以浅为准40 d和50~75 d振荡,300~600 m为30~45 d和55~75 d振荡,600~1 000 m为30~40 d、准50 d、60~75 d振荡,1 000~1 200 m为30~40 d振荡以及较弱的20 d以下高频振荡。起源于赤道中印度洋的季节内Kelvin波的传播过程是引起龙目和翁拜海峡海洋季节内变化的重要因素,它在水平向东传播的同时,在垂直方向也会引起位相的传播,且率先抵达深层。据估算,海洋季节内变化从赤道中印度洋传播至龙目和翁拜海峡的速度约为1.59~2.95 m/s,由第一和第二斜压模Kelvin波构成。苏门答腊-爪哇岛沿岸风对季节内Kelvin波的传播也有重要影响。

关键词：印度尼西亚贯穿流 INSTANT 季节内变化 Kelvin波