"海洋一号"(HY-1)卫星数据的海面温度反演

“海洋一号”(HY-1)卫星是我国发射的第一颗探测海洋水色的卫星，星上载有10波段COCTS水色扫描仪和4波段CCD成像仪。本文介绍了利用“海洋一号”(HY-1)卫星数据反演海温的算法模型，对反演过程中用到的云检测方法进行了说明，给出了具体的反演处理过程，对利用本方法反演的海温结果进行了分析。     

海冰的热力过程及其与动力过程的耦合模拟

研究和讨论了海气相互作用过程中海冰演变的物理过程；大气和海洋对海冰的热力作用以及冰内物理过程；大气和海洋热力学参数对冰厚和密集度等冰情参数的影响和上述物理过程的数学处理。计算了冰面与水面能量收支，并分析海冰热力增长函数的特征；将热力模式与动力模式。对渤海１９８９－１９９０年度海冰进行数值模拟。结果表明，考虑热力过程的热动力模式，对类似于１９９０年２月１２－１８日海冰融化过程显示出明显的优越性，模拟     

南极气候和海冰的时空变化特征及其与太平洋海温场的关系

应用1973～1999年南极气温和海冰资料,分别对它们进行了统计分析,结果表明,南极的最低温度中心位于东南极大陆(东方站),这种分布特征是与南极地形相对应的.南极东方站的年平均地面气温是-55.3℃;地面最高气温出现在12月至翌1月,其温度为-32.1℃;地面最低气温出现在8月,其温度为-68.2℃.南极各地区的地面气温具有不同的变化特征.根据温度的变化特征,将南极的气候分为4种类型:南极大陆型、南极半岛型、东南极沿岸型和海湾型.近年来南极半岛的气温有明显升高的趋势,而东南极沿岸的气温有明显下降的趋势,它们的变化呈明显的反位相.南极海冰与南极气温变化有较好的对应关系,气温升高的南极半岛的海冰有减少的趋势,而气温下降的东南极的海冰有增加的趋势.这种结果很难用温室效应来解释南极与全球气候变化的差异.东南极海冰变化与南太平洋的海温场存在密切关系,其影响过程是通过南极海冰范围的异常增加或减少,直接影响南极绕极流的冷暖结构及其异常冷暖水的经向输送,从而导致热带和副热带太平洋上层海温场的异常变化.     

Anomalous change of the Antarctic sea ice and global sea level change

ＡｎｏｍａｌｏｕｓｃｈａｎｇｅｏｆｔｈｅＡｎｔａｒｃｔｉｃｓｅａｉｃｅａｎｄｇｌｏｂａｌｓｅａｌｅｖｅｌｃｈａｎｇｅ￥ＸｉｅＳｉｍｅｉ;ＺｏｕＢｉｎｇ;ＷａｎｇＹｉａｎｄＢａｏＣｈｅｎｇｌａｎ（１．ＮａｔｉｏｎａｌＭａｒｉｎｅＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＦ...     

走航式海面遥感参数自动观测系统

配合卫星遥感数据与实测数据之校验,研制了走航式海面遥感参数自动观测系统,既满足了改善遥感数据精度的需要,又可为传统海洋学研究(海面微结构,海面温度与各种海面气象因子之间的关系等)提供大量有价值的数据,独特的自校设计,保证了数据的精度和可靠性。     

基于Argo浮标的南极海冰范围变化分析

南极海冰的生消冻融与全球气候变化息息相关,多年以来受到国际社会的高度关注。目前已有诸多关于南极海冰范围变化的研究,但大部分是基于卫星遥感影像来展开分析。Argo观测网遍布全球各大洋,为海冰范围研究提供了一种新的思路,即根据浮标GPS点的南部边界推算南极海冰边界,由浮标的年、月累积数据得到南极海冰范围的年际、月际变化规律。对于这种研究思路提出了三种实现方法:(1)绘制专题图,可以清晰直观地看到南极海冰在2—9月间的生消变化情况;(2)利用南极附近浮标GPS点数量占全球比例的变化情况来分析海冰变化规律,在月际变化趋势上与影像数据一致,在年际变化上稍显不足;(3)使用点密度分析方法估计海冰边界,建立基于浮标GPS点密度的海冰-海水分界模型,可得到南极海冰范围变化规律的定量分析结果。浮标数据与影像数据互为补充,可为全球气候变化研究提供更多参考。     

Study on detection of coastal water environment of China by ocean color remote sensing

ＳＡＴＥＬＬＩＴＥＰＲＯＧＲＡＭＳＦＯＲＣＯＡＳＴＡＬＷＡＴＥＲＤＥＴＥＣＴＩＯＮＳｉｎｃｅｔｈｅ 1 980ｓ,ｇｒｅａｔａｔｔｅｎｔｉｏｎｈａｓｂｅｅｎｐａｉｄｔｏｔｈｅａｄｖａｎｃｅｄｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅｉｎＣｈｉｎａ ,ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｔｏｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｓａｔｅｌｌｉｔｅｐｒｏｇｒａｍｓｆｏｒｃｏａｓｔａｌｗａｔｅｒｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ.Ｔｗｏｏｃｅａｎｃｏｌｏｒｃｈａｎｎｅｌｓａｄｄｅｄｔｏｔｈｅｆｉｒｓｔｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｓａｔｅｌｌｉｔ…     

气候模式中海洋数据同化对热带降水偏差的影响

本文采用海洋卫星观测海表温度(SST)和海面高度异常(SLA)数据,对国家海洋局第一海洋研究所地球系统模式FIO-ESM(First Institute of Oceanography Earth System Model version 1.0)中海洋模式分量进行了集合调整卡尔曼滤波(EAKF)同化,对比分析了大气环流、湿度和云量对海洋数据同化的响应,探讨了海洋同化对热带降水模拟偏差的影响。结果表明:海洋数据同化能有效改善海表温度和上层海洋热含量的模拟,30°S~30°N纬度带内年平均SST的绝均差降低60%。同化后大气模式模拟的赤道两侧信风得到明显改善,上升气流在赤道以北热带地区增强而在赤道以南热带地区减弱,热带降水模拟的动力结构更为合理,水汽和云量分布也更切合实际。热带年平均降水的空间分布和强度在同化后均得到改善,赤道以南的纬向年平均降水峰值显著降低,降水偏差明显减小,同化后30°S~30°N纬度带内年平均降水绝均差降低35%。     

Validation and Improvement of Satellite-Derived Surface Solar Radiation over the Northwestern Pacific Ocean

The purpose of this study is to validate and improve satellite-derived downward surface shortwave radiation (DSSR) over the northwestern Pacific Ocean using abundant in situ data. The DSSR derivation model used here assumes that the reduction of solar radiation by clouds is proportional to the product of satellite-measured albedo and a cloud attenuation coefficient. DSSR is calculated from Geostationary Meteorological Satellite-5/Visible Infrared Spin-Scan Radiometer data in 0.05° × 0.05° grids. The authors first compare the satellite DSSR derived with a cloud attenuation coefficient table determined in past research with in situ values. Although the hourly satellite DSSR agrees well with land in situ values in Japan, it has a bias of +13∼+34 W/m² over the ocean and the bias is especially large in the low latitudes. The authors then improve the coefficient table using the ocean in situ data. Usage of the new table successfully reduces the bias of the satellite DSSR over the ocean. The cloud attenuation coefficient for low-albedo cases over the ocean needs to be larger in the low latitudes than past research has indicated. Daily and hourly DSSR can be evaluated from the satellite data with RMS errors of 11–14% and 30–33%, respectively, over a wide region of the ocean by this model. It is also shown that the cloud attenuation coefficient over land needs to be smaller than over the ocean because the effect of the radiation reflected by the land surface cannot be ignored.     

卫星遥感业务系统海表温度误差控制方法

提高卫星遥感海表温度的反演精度是各种反演模型追求的目标,也是遥感系统业务化应用的关键.据相关文献报道,在晴空无云的条件下遥感海表温度的精度达到了0.5℃,但考虑到影响海表温度反演精度的多种因素,在遥感业务系统真正实现SST精度在1℃以内是非常困难的.在北太平洋渔场速报制作系统中,对遥感海表温度与船测温度误差统计显示均方根误差达到5.71℃,匹配点误差分布显示存在大量较大的负误差值,最大的为-17.2℃,遥感温度图也反映出存在片状温度低值区,这些区域很可能被错误地当作冷涡或冷锋区,严重干扰渔情分析,这些异常的温度误差很难通过海表温度反演模式和云检测技术来消除.采用一种标准海表温度参考图用于温度误差控制技术,可有效地检测温度反演异常值,将均方根值从5.71℃降低到1.75℃,如果采用2℃阈值控制计算均方根值,则海表温度精度达到0.785℃.该方法基本消除了遥感海表温度的低值现象,明显提高了遥感海表温度的精度,并已成功地应用于北太平洋渔区的海况速报产品制作中.     

4DVAR data assimilation in the Intra-Americas Sea with the Regional Ocean Modeling System (ROMS)

We present the background, development, and preparation of a state-of-the-art 4D variational (4DVAR) data assimilation system in the Regional Ocean Modeling System (ROMS) with an application in the Intra-Americas Sea (IAS). This initial application with a coarse model shows the efficacy of the 4DVAR methodology for use within complex ocean environments, and serves as preparation for deploying an operational, real-time assimilation system onboard the Royal Caribbean Cruise Lines ship Explorer of the Seas. Assimilating satellite sea surface height and temperature observations with in situ data from the ship in 14 day cycles over 2 years from January 2005 through March 2007, reduces the observation-model misfit by over 75%. Using measures of the Loop Current dynamics, we show that the assimilated solution is consistent with observed statistics.     

基于HY-2A散射计数据的极区海冰范围反演方法及其评估

A sea ice extent retrieval algorithm over the polar area based on scatterometer data of HY-2A satellite has been established.Four parameters are used for distinguishing between sea ice and ocean with Fisher's linear discriminant analysis method.The method is used to generate polar sea ice extent maps of the Arctic and Antarctic regions of the full 2013–2014 from the scatterometer aboard HY-2A(HY-2A-SCAT) backscatter data.The time series of the ice mapped imagery shows ice edge evolution and indicates a similar seasonal change trend with total ice area from DMSP-F17 Special Sensor Microwave Imager/Sounder(SSMIS) sea ice concentration data.For both hemispheres,the HY-2A-SCAT extent correlates very well with SSMIS 15% extent for the whole year period.Compared with Synthetic Aperture Radar(SAR) imagery,the HY-2A-SCAT ice extent shows good correlation with the Sentinel-1 SAR ice edge.Over some ice edge area,the difference is very evident because sea ice edges can be very dynamic and move several kilometers in a single day.     

Altimetric Algorithm and Errors of Ocean Altimetry Using GNSS Reflection Signals

As a new remote sensing technology, the global navigation satellite system (GNSS) reflection signals can be used to collect the information of ocean surface wind, surface roughness and sea surface height. Ocean altimetry based on GNSS reflection technique is of low cost and it is easy to obtain large amounts of data thanks to the global navigation satellite constellation. We can estimate the sea surface height as well as the position of the specular reflection point. This paper focuses on the study of the algorithm to determine the specular reflection point and altimetry equations to estimate the sea surface height over the reflection region. We derive the error equation of sea surface height based on the error propagation theory. Effects of the Doppler shift and the size of the glistening zone on the altimetry are discussed and analyzed at the same time. Finally, we calculate the sea surface height based on the simulated GNSS data within the whole day and verify the sea surface height errors according to the satellite elevation angles. The results show that the sea surface height can reach the precision of 6 cm for elevation angles of 55° to 90°, and the theoretical error and the calculated error are in good agreement.     

4DVAR data assimilation in the Intra-Americas Sea with the Regional Ocean Modeling System (ROMS)

We present the background, development, and preparation of a state-of-the-art 4D variational (4DVAR) data assimilation system in the Regional Ocean Modeling System (ROMS) with an application in the Intra-Americas Sea (IAS). This initial application with a coarse model shows the efficacy of the 4DVAR methodology for use within complex ocean environments, and serves as preparation for deploying an operational, real-time assimilation system onboard the Royal Caribbean Cruise Lines ship Explorer of the Seas. Assimilating satellite sea surface height and temperature observations with in situ data from the ship in 14 day cycles over 2 years from January 2005 through March 2007, reduces the observation-model misfit by over 75%. Using measures of the Loop Current dynamics, we show that the assimilated solution is consistent with observed statistics.     

北极和南极表面温度对中低纬度海洋热强迫的响应

利用耦合了平板海洋模型的全球气候模式进行了大量的格林函数实验,以探究两极地区对于施加在中低纬度海域的热强迫的气候响应。结果表明,北极地区的气候不仅受到距离较近的北太平洋与北大西洋的影响,远离北极的热带太平洋以及南太平洋也对其气候有显著的影响,南极地区的气候则主要是受到邻近的南大洋的影响。通过经验正交函数法的进一步分析发现,北极响应最显著的区域包括波弗特海(Beaufort Sea)、拉普捷夫海(Laptev Sea)以及北极中心区附近;南极地区的响应主要集中在别林斯高晋海(Bellinsgauzen Sea)区域。另外,利用温度归因法对辐射反馈过程和大气能量输运分解发现,北极地区表面温度的响应主要是受到了反照率反馈以及垂直递减率反馈的影响,而南极地区的响应则主要是反照率反馈发挥了作用。     

基于CCSM3气候模式的同化模拟试验

基于美国NCAR及其他科学家合作发展的共同气候系统模式CCSM3,利用nudging方法开展了把15 m到465 m的次表层海温同化到该模式的研究。1980—2000年的同化试验结果表明,经过同化得到的模拟结果与实际较为一致,较好的再现了中低纬太平洋海洋和大气的平均特征和随时间演变的规律,但仍存在如海表温度偏高、降水偏强等问题。尤其是在大洋的东边界,陆地地形比较陡峭的地区,通常出现较大的偏差。     

船载表层水温观测研究

通过研究国家相关海洋观测标准对海水温度观测的规约,结合当前船载水温观测的现状,提出了基于总线的船载磁吸附温度链式观测方法,并对其在结构设计、理论模型、算法等多方面进行了阐述。本方法通过多个竖直分布的温度传感器实时观测,采用自适应参数化算法,有效减少了风浪、海流、热辐射等方面的影响,具有观测层深相对固定、精度高等特点,可实现船载全航次的自动观测。同时,设计制造了相关的模拟实验装置进行现场实验,验证了船载磁吸附温度链式观测方法的可行性和有效性。     

南极海冰变化及其气候效应研究述评

南极海冰是全球气候系统的重要组成部分。不同于北极海冰的快速减少,近40年来,南极海冰范围在2014年前是缓慢增加、后是突变减少。单一的大尺度大气环流因素无法解释南极海冰的长期变化趋势,海洋?大气相互作用对海冰的耦合影响还未得到充分研究。受南极海冰厚度遥感观测和数值模拟能力所限,现有数据仍无法准确量化全球变化背景下南极海冰的厚度和体积变化;目前南极海冰变化的气候效应还未充分明确。当前国内外对南极海冰研究的不足迫切要求发展长期可靠的南极海冰厚度数据,以突破南极海冰体积变化研究的难题,同时应综合考虑多气候模态和海气系统耦合的作用,研究南极海冰变化的机制及其气候效应。     

利用卫星测高、GRACE和GOCE资料估计全球海洋表面地转流

重力恢复和气候试验GRACE(gravity recovery and climate experiment)卫星极大地提高了地球重力场的精度和分辨率,特别是中长波分量,联合卫星测高数据可获得全球海洋表面大尺度洋流循环。另外,新一代地球重力和海洋环流探测卫星GOCE(gravity field and steady-state ocean circulation explorer)于2009年3月成功发射,采用卫星重力梯度测量原理,对重力场的高频部分非常敏感,使其高分辨率监测全球海洋循环成为可能。本文利用1~7年GRACE观测数据确定的重力场模型和18个月GOCE观测数据确定的地球重力场模型GO_CONS_GCF_2_TIM_R3,联合卫星测高确定的平均海面高模型MSS_CNES_CLS_11,分别估计全球海洋表面地转流,并且与实测浮标数据结果进行比较。分析表明GOCE重力卫星确定的重力场模型具有更高的空间分辨率,能够确定高精度和高空间分辨率的全球海洋地转流,如墨西哥湾暖流的细节和特征,并且与实测浮标结果基本一致。而基于1~4年GRACE观测资料的模型不能很好估计全球地转流特征,基于7年GRACE观测资料的重力场模型ITG-Grace2010s确定的全球地转流的精度仍低于18个月GOCE观测数据确定的地球重力场模型GO_CONS_GCF_2_TIM_R3的结果,估计的全球地转流仍含有较大的噪声,不能很好地反应中小尺度地转流细节特征。并计算ITG_Grace2010s和GOCE_TIM3的稳态海面地形和全球平均地转流的内符合精度,结果显示,在全球范围内,GOCE_TIM3的稳态海面地形和全球平均地转流的精度都比ITG_Grace2010s结果的精度有着很大的改善,其中ITG_Grace2010s的稳态海面地形的精度为21.6cm,而GOCE_TIM3的结果则为7.45cm,ITG_Grace2010s的全球平均地转流的精度为40.7cm/s,而GOCE_TIM3的结果则为19.6cm/s。     

Interaction between two polar cold source and tropical ocean heat source effecting global climate change

Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｗｏ　ｐｏｌａｒ　ｃｏｌｄ　ｓｏｕｒｃｅ　ａｎｄ　ｔｒｏｐｉｃａｌ　ｏｃｅａｎ　ｈｅａｔ　ｓｏｕｒｃｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｎｇ　ｇｌｏｂａｌ　ｃｌｉｍａｔｅ　ｃｈａｎｇｅＸｉｅＳｉｍｅｉ，ＢａｏＣｈｅｎｇｌａｎａ...