基于GIS空间分析的海底表层沉积物粒度分布特征插值研究

为了对比研究不同空间插值方法在沉积物粒度空间分布表述上的精度及适用性,在2004年11月荣成宁津小型海湾-黑泥湾综合调查的基础上,探讨了表层沉积物粒度参数的空间插值,比较了IDW(反距离加权法)、Kriging(克里金插值法)、Spline(样条插值法)与NN(自然邻域法)4种GIS空间分析方法的特征、差异及实效性,并对影响插值结果准确性的因素进行分析。结果显示,在黑泥湾表层沉积物粒度结果的空间插值计算中,从插值准确性和空间表达能力两方面考虑,IDW,Spline,Kriging和NN中以IDW法较为适宜,但要考虑到"牛眼效应"的出现会与局部实际情况存在差异;Kriging法和NN法的插值结果准确性较高,但其空间表达能力稍逊;Spline法在近岸带表层沉积物粒度特征插值中的应用性相对较差。海洋调查要素空间分布的内在规律性是控制插值结果的主要因素,表层沉积物分布以长期稳定的潮流、地形特征为主导因素,呈现由岸向海条带状分布的特征。数据均匀分布区域的插值结果要优于边界区和突变区;另外,在选取的3个观察尺度上,不同插值方法的误差均与野外取样网格间距呈显著线性正相关。     

卫星高度计波高数据同化对西北太平洋海浪数值预报的影响评估

通过数值试验验证卫星高度计波高数据同化对西北太平洋3 d海浪预报的改进效果。驱动海浪模式的强迫场采用国家海洋环境预报中心基于MM5模式预报的风场,波高数据同化使用的观测数据是Jason-1卫星高度计有效波高。用最优插值数据同化方法获得海浪有效波高的最优估计并重构相应的海浪方向谱,以此为初始场进行为期3 d的数值预报试验。与没有同化的预报进行了比较和分析,结果表明卫星高度计海浪数据同化对0~72 h预报有不同程度的明显改善,改进程度随预报时效的增加而减少。     

利用插值试验分析采样网格对粒度趋势分析的影响

利用地理信息系统软件ArcView3．2的空间分析功能,采用三次样条插值方法,对采自山东半岛月湖的表层沉积物的粒度参数进行插值。应用“粒度趋势分析”方法,选取一系列的特征距离值进行试验,从原始数据和插值后数据中提取净输运方向的信息。结果显示,原始的不规则采样点所得粒度趋势对于特征距离的选择很敏感,而插值后的规则格网在不同的特征距离下均表现出比较统一的粒度趋势信息。研究表明,规则格网较不规则格网采样点有许多优势,应用插值方法可有效地提高原始数据的信息含量及其质量。     

东海断面调查数据的最优插值同化试验

以World Ocean Atlas(WOA)气候态月平均资料作为数据同化的背景场,以断面调查数据作为数据同化的观测场,采用最优插值法,对WOA数据进行同化处理,得到分析场,并通过一维搜索方法获得最优相关距离尺度,对分析场进行优化。将调整得到的分析场作为现场观测数据的补充,然后对其网格化并绘制等值线图。两组试验结果表明,经过同化处理后绘制得到的等值线图既保留了区域的气候态特征,又体现了观测期间的特点,在一定程度上可以避免因数据空间分辨率不足所导致的插值结果异常,较单纯使用实测数据或将实测数据与WOA数据简单叠加得到的等值线分布更合理。最优相关距离尺度的大小依同化对象数据类型的不同而不同,一维搜索方法可以较便捷的获得最优相关距离尺度,提高数据同化的效果。     

海洋卫星遥感数据同化在海洋声场研究中的应用

卫星遥感数据同化技术已成为海洋学研究的一个有效手段。本文选取了日本以东黑潮流域作为研究海区,介绍了最优插值同化方法对海洋温度场和盐度场的分析,在此基础上对实验海区声场进行了研究。文中为了说明数据同化的优越性,利用WOA数据与其进行比较,体现了同化数据对真实场描述的可靠性。     

不同插值方法在海域气象参数估算中的可靠性评价

海域条件下的气象观测具有数据稀少、变化大且观测站点分布不均的特点,其插值精度受插值方法影响较大。首先对常规插值方法进行理论分析,进而选取了反距离加权法、克里金法和样条函数法三种插值方法进行了插值实验和精度分析。根据渤海湾某区域的气象历史数据,采用不同方法绘制了温度、压强和湿度的插值平面图,并基于交叉验证的方式对各插值方法进行了对比,给出了不同方法的插值估算可靠性评价。结果表明:温度、压强和湿度的插值精度均是基于反距离加权法的插值结果最优(MAE_(温度)=2.42,RMSE_(温度)=1.92,MAE_(压强)=2.05,RMSE_(压强)=1.30,MAE_(湿度)=11.394, RMSE_(压强)=6.43),同时基于反距离加权法的图形绘制可视化效果也要优于其他两种方法。研究结果可为海域气象参数估算提供理论和实践依据。     

高度计波高数据同化对印度洋海域海浪模式预报影响研究

为提高海浪模式预报的精度,改善初始场是途径之一。研制了基于最优插值(OI)方法的海浪数据同化并行程序模块,并将其植入第三代海浪模式WAVEWATCH IIITM,建立了印度洋海域海浪同化预报方法,使用卫星高度计波高数据进行了同化预报试验。OI模块的并行设计使得植入同化模块的海浪模式仍能以并行方式运行。文中5°S以北印度洋海域为目标区域,嵌套在WAVE-WATCH IIITM的全球网格中,使得目标区域开边界条件得到较好解决。同化数据使用Jason-2高度计测量有效波高(SWH)沿轨数据。海浪同化预报模式由大气模式WRF(Weather Research andForecasting)输出的1小时一次的海面10 m风场驱动。将同化的模式结果(SWH)、无同化的模式结果(SWH)分别与高度计沿轨数据(SWH)进行比较,表明同化改善模式预报初始场的效果是明显的。以同化初始场出发进行海浪预报试验,结果表明,高度计波高数据同化在一定程度上可改进海浪短期预报的精度。     

最优插值法在海温数据同化中的应用研究

海洋声场环境是决定海军作战行动成败的重要组成要素之一,海洋的垂直温度结构作为影响声速场的最重要因素,为了更精确更为实际的反映其分布特点,对其各种数据进行同化研究是十分必要的。文中针对海温数据来源的特点,提出了一种海温数据同化的最优插值方法,较好地完成了各种观测数据与背景数据的同化,并用各种数据进行了检验,其结果表明,利用最优插值法对海温数据进行同化处理是可行的,且同化效果比较理想。     

Envisat ASAR海浪谱资料的最优插值同化试验

基于第三代海浪数值模式LAGFD-WAM,分别利用4种不同形式的各向同性背景误差相关函数进行了Envisat高级合成孔径雷达(ASAR)海浪谱资料的最优插值同化试验.与4个浮标实测数据的比较验证表明,ASAR海浪谱资料的最优插值能够有效地改进海浪模式有效波高的模拟.4种不同形式的各向同性背景误差相关函数的同化结果相差不大,决定同化效果好坏的关键是对相关距离尺度的选取.针对自回归形式的背景误差相关函数的试验结果表明,相关距离尺度的量级在400-500km时同化效果最好,此时同化后的模式有效波高均方根误差比未同化时相对减小了26%.     

基于海图数据的水下岸坡插值精度分析对比研究

数字高程模型是研究水下岸坡冲淤变化的一种重要手段。不同的插值方法和像元大小都会对数字高程模型的精度产生影响,从而导致冲淤分析结果的变化。本研究使用了六种常用的插值方法 (ANUDEM、反距离函数法、克里金法、自然邻域法、样条函数法、不规则三角网转栅格法)对莱州湾和烟台港不同年份和尺度的水深数据进行了插值,计算了均方根预测误差、源数据残差均方根误差、残差均值、残差最大值和残差最小值等精度计算指标。结果表明ANUDEM和自然邻域法的均方根预测误差和源数据残差均方根误差均小于1 m。ANUDEM和自然邻域法对不同尺度的水下岸坡数据插值有着较好的适用性。     

海洋资料整理中一种单调分段插值方法的应用

以三次Hermite插值函数和另二类初等形式的函数为基础所构造的一种混合型分段插值函数进行海洋资料整理中的插值和绘线处理，结果更加合理。特别对具有累加或统计性质的数据，不但给出光滑的插值函数及其图形，而且还能给出大部分光滑的导函数图形。本文同时介绍了上述方法在不同专业领域中的一些应用实例。     

基于最优插值法的Argo数据网格化实验

利用最优插值数据同化方法对Argo资料进行了网格化实验,得到了与WOA05较为一致的结果,验证了最优插值法对Argo资料网格化的有效性,并为加快开发制作适用于海洋模式和数据分析的Argo网格化数据集打下了很好的基础。     

多波束海底地形数据空值区域的插值填补方法分析

由于边界误差剔除、测线布设过于稀疏等因素影响,利用多波束数据生成高分辨率DEM时,常常会存在一些水深空值单元或区域。为了对这些数据空值区域进行可靠填补,在考虑地形特征及空值单元大小的情况下,利用IDW、Spline、Kriging、TIN四种插值方法对某区域多波束海底DEM空值区域进行直接内插填补试验,结果表明插值算法的选取不仅受地形类型限制,而且与空值区域的大小也密切相关。     

Reconstruction of eddies by assimilating satellite altimeter data into Princeton Ocean Model

An optimal interpolation assimilation model for satellite altimetry data is developed based on Princeton Ocean Model (POM), which is applied in a quasi-global domain, by the method of isotropic correlation between sea level anomaly (SLA) and sea temperature anomaly. The perfor- mance of this assimilation model is validated by the modeled results of SLA and the current patterns. Comparisons between modeling and satellite data show that both the magnitudes and distribution patterns of the simulated SLA are improved by assimilation. The most signiˉcant improvement is that meso-scale systems, e.g., eddies, are well reconstructed. The evolution of an eddy located in the northwest Paciˉc Ocean is traced by using the assimilation model. Model results show that during three months the eddy migrated southwestward for about 6 degrees before merging into the Kuroshio. The three dimensional structure of this eddy on 12 August 2001 is further analyzed. The strength of this warm, cyclonic eddy decreases with the increase of depth. The eddy shows di?erent horizontal patterns at di?erent layers, and the SLA and temperature ˉelds agree with each other well. This study suggests that this kind of data assimilation is economic and reliable for eddy reconstruction, and can be used as a promising technique in further studies of ocean eddies as well as other ˉne circulation structures.     

变分资料同化中不同的变分求解方法

在应用变分资料同化方法时面临着两方面的难题:一是背景场误差协方差矩阵的求逆问题;二是与背景场误差协方差矩阵相关的计算与存储问题。为了解决这两方面的问题,不同的求解方法便被提出来了。对主要的变分求解方法,包括增量法、运用空间滤波算子的变分分析法、预处理化法、物理空间统计分析法、谱统计插值法等进行了系统的回顾,对它们的优缺点进行了分析与讨论,并指出了变分资料同化中各种求解方法的适用条件。     

ArcGIS不同插值方法在镇海湾海水无机氮评价中的应用

为充分发挥监测数据的作用,进而科学评价海洋环境和促进生态修复,文章分别采用ArcGIS的普通克里金法、反距离权重法和含障碍的样条函数3种插值方法,对2017年11月镇海湾海水无机氮监测数据进行插值分析,并通过插值结果比对选出最优方案。研究结果表明:通过对照点监测数据的验证,含障碍的样条函数的插值结果相对误差较小,比普通克里金法和反距离权重法更适用于海岸线复杂和岛屿众多的监测区域;根据含障碍的样条函数的插值结果制作镇海湾海水无机氮浓度空间分布图,并应用属性数据计算海水无机氮各类水质面积,与相关公报结论相符;合理采用ArcGIS插值方法对监测数据进行制图和计算,水质评价结果直观、可靠且具有应用价值。     

A theoretical study of the multigrid three-dimensional variational data assimilation scheme using a simple bilinear interpolation algorithm

In order to solve the so-called "bull-eye" problem caused by using a simple bilinear interpolation as an observational mapping operator in the cost function in the multigrid three-dimensional variational(3DVAR) data assimilation scheme,a smoothing term,equivalent to a penalty term,is introduced into the cost function to serve as a means of troubleshooting.A theoretical analysis is first performed to figure out what on earth results in the issue of "bull-eye",and then the meaning of such smoothing term is elucidated and the uniqueness of solution of the multigrid 3DVAR with the smoothing term added is discussed through the theoretical deduction for one-dimensional(1D) case,and two idealized data assimilation experiments(one-and two-dimensional(2D) cases).By exploring the relationship between the smoothing term and the recursive filter theoretically and practically,it is revealed why satisfied analysis results can be achieved by using such proposed solution for the issue of the multigrid 3DVAR.     

南海沉积物图解法和矩值法粒度参数计算及对比

粒度参数是海洋沉积物的基本特征,其计算方法的选择导致粒度参数的差异成为制约沉积物粒度数据同化的主要因素之一.基于传统图解法的基本原理,发展了分段低次线性插值方法用于图解法的粒度参数快速计算,使用该方法和矩法分别计算了南海172个表层沉积物粒级参数,并对2种不同方法计算的结果进行相关性验证.结果表明:2种方法得到的平均粒径、分选系数、偏态和峰态分别呈显著相关,且相关性依次降低.通过与前人的研究结果对比,发现2种方法计算的平均粒径和分选系数相关性较为稳定,基本不受沉积物类型的影响;而偏态和峰态值与沉积物物质组成密切相关,物质组成单一稳定,则相关性较高,反之表现为不相关.因此,在资料整合同化处理过程中应充分考虑2种参数计算结果的差异.     

地磁日变数据幅值关系分析与应用

基于多项式模型的地磁日变改正值幅值关系分析,旨在提供一种站间日变数据互补方法,通过数据的内插和外推,采用加权平均值算法求取插补时段的最优改正数。算例分析表明,利用站间幅值关系重建日变改正值可以达到相当高的精度。