一种用于微波辐射计遥感海表面盐度和温度的反演算法

海面的微波辐射除了与海表面温度和盐度有关外, 还受海面风的影响. 海面风的观测误差严重地影响了海表面温度和盐度的遥感精度. 通过研究海面风因子对海表面辐射影响, 建立了海面风(包括风速和风向)与海表面的微波亮温T以及风导致的亮温修正量DT之间的关系; 在此基础上, 提出了利用微波辐射计的单卫星、多角度观测数据反演海表面盐度和温度的算法. 在这个算法中, 风对海表面辐射影响已经被剔除, 风速和风向不再是反演算法的输入参数. 因此, 该算法不受制于海面风速和风向的影响导致的误差. 这样, 为利用单卫星、多角度微波辐射计遥感海表面盐度和温度提供了一个新途径.     

基于小振幅波方程的起伏海面构建及其对地震波场传播特性的影响

海面起伏状态对波场传播以及模型空间成像有着非常重要的影响,在常规海洋地震数据采集和处理中,都是将海面作为水平界面处理,实际海洋地震数据采集中,由于海水受风浪、洋流等的影响,海面呈现高低起伏状态,这样来自底层反射界面的反射波经过海水起伏界面反射后会引起波场的强烈散射,从而造成地震记录反射波同相轴抖动和畸变,最终影响成像效果.为了更加深入了解起伏海面存在对波场传播以及偏移成像的影响,本文首先基于流体力学小振幅波方程,从边界条件出发,给出包含海浪谱信息的动态边界条件,并在此基础上构建起伏海面速度模型;然后在构建的起伏海面速度模型上通过冻结不同时刻海面开展波场传播特征分析,研究起伏海面在不同冻结时刻下波场传播规律以及对反射地震记录和偏移成像的影响.研究结果表明,不管是对于简单的层状介质模型还是海底较为复杂的大水深模型,海面不同形态的起伏变化直接影响着波场记录以及波场快照形态,同时会对偏移成像结果造成较大影响,随着海水深度的增加,该影响对于简单模型影响逐渐变小,但对于复杂模型,影响依然很严重.     

成像雷达海浪成像机制

从海浪平衡方程出发推导出一般情况下海浪高频谱的解析表达式和变化流场引起海浪谱变化的表达式.利用海面微波散射理论导出了真实孔径雷达(RAR)海面成像公式,并描述了海面风场、流场及其变化对RAR的调制.另外,从合成孔径雷达(SAR)工作原理出发,推导出了由于海浪运动引起的相位调制的一般表达式,并讨论了成像雷达测量海流和海底地形的可能性,为成像雷达探测海浪、海面风场、海面流场、海底地形以及内波等海洋现象提供了理论基础.     

长江三角洲地区全新世以来海面变化与古洪水发生关系探讨

通过对长江三角洲地区埋藏古树、泥炭、以及海相贝壳测年资料以及地方志、历史文献当中关于研究区洪灾事件记录的搜集、整理,研究结果表明,由于长江三角洲地区地势低平这一地貌特点,使得海面变化对于研究区洪灾的发生有着重要的影响.在长江中下游地区,海面的上升是导致冰后期长江河谷泥沙加积的主要原因,随着海面的上升和河床的抬高,长江中下游的水位也随之上升,从而导致长江洪水期排泄不畅,加重了洪灾的影响,加上长江三角洲地势低平,使海面变化成为长江三角洲地区洪灾发生的一个重要影响因子.同时,海面上升对长江水流的顶托作用也是加剧洪灾危害的一个重要原因.本文对于未来研究区洪水发生的预测,加强海岸带地区自然灾害的预防工作,减少生命财产的损失,具有一定的理论与实践意义.     

由TOPEX/Poseidon和Jason-1/2探测的1993—2012中国海海平面时空变化

海平面变化是社会经济发展和科学研究的重要内容.利用1993年1月至2012年12月共20年的TOPEX/Poseidon、Jason-1和Jason-2卫星测高数据,研究中国海海平面的时空变化.首先通过三颗卫星伴飞阶段数据得到三颗卫星之间的逐点海面高系统偏差,进行逐点海面高改正,建立了20年的中国海海面高异常时间序列.分析了中国海海面高异常空间分布,给出了1月到12月月均平均海平面异常的空间变化规律.分析了中国海海面高异常的时变规律,分别给出了年、季度和月的海面上升速率.利用小波分析研究了中国海海面高异常周期变化规律,分别给出了渤海、黄海、东海和南海的海面高变化周期.讨论了ENSO对海面高异常的影响.     

利用海面全极化微波辐射获取毛细重力波谱的研究

通常利用双尺度模型计算海面微波辐射的原则是, 先计算大波斜率密度函数对电磁扰动权函数的影响, 再引入海面毛细重力波谱的效应. 电磁扰动权函数与海面毛细重力波谱无关, 而且海浪长波谱和毛细重力波谱可以根据分界波数分开计算; 依据这一点, 推导并获得了一个简单的计算海面微波辐射的新模型. 依据该模型, 海面微波辐射可以表示为电磁扰动权函数对海面曲率谱的积分, 其优点是电磁扰动权函数和海面曲率谱对亮温的作用可以进行分解研究. 基于该模型, 进一步讨论了利用多频全极化辐射计反演海面毛细重力波谱的可行性.     

利用全极化微波辐射计资料反演台风境内海面风场

作为一种新兴的被动遥感技术,全极化微波辐射计不仅可以提供海面风速产品,还可以提供海面风向产品.以往利用全极化微波辐射计观测亮温进行海面风场反演仅在晴空条件下进行,本文通过对观测亮温结合台风区域海面风场的分布特征进行分析,验证了全极化微波辐射计具有在台风等恶劣天气条件下进行海面风场观测的能力.基于敏感性分析实验,确定使用6.8 GHz和10.7 GHz等低频通道组合可进行台风区域内海面风场反演.其中,海面风速反演使用基于统计的多元线性回归算法,同时对海面温度、大气水汽含量、云中液态水含量及降水强度等物理量进行反演计算,为海面风向反演做准备.海面风向反演使用物理统计法进行,借鉴散射计风向反演使用的最大似然估计法.通过在全极化辐射传输前向模型中加入降水对大气透过率的影响、设计第三和第四Stokes通道亮温环境影响修正函数,在实现台风区域内海面风向反演的同时减小了反演误差.通过对“云娜”台风境内海面风场进行数值计算,验证了本文反演算法的可行性,并对反演误差的空间分布特征进行了分析.将2004年各台风过程的海面风场反演结果与散射计风场产品进行对比,海面风速和海面风向反演的均方根误差分别为1.64 m·s^-1和18.02°.     

南海海面高度和输运流函数: 全球 变网格模式结果

为了研究南海环流结构和变异及其与外部水域的关系, 我们建立了一个嵌套于全球大洋环流模式中的高分辨率中国近海环流数值模式. 给出模拟所得南海月平均以及年平均的海面高度和流函数分布, 与TOPEX/POSEIDON资料比较表明, 所得海面高度距平与观测十分一致. 基于这些结果, 讨论了南海的环流结构, 尤其是上层环流结构. 结果表明: 对于表层海水来说, 黑潮在冬、春和秋季均通过吕宋海峡入侵南海, 夏季则表层没有入侵. 但对于整个海水而言, 全年均有海水从太平洋通过吕宋海峡进入南海. 这一差异表明, 在夏季, 太平洋的海水是在次表层和中层入侵南海的.南海北部陆坡附近全年受气旋式环流控制. 夏季的南海南部反气旋流圈、越南东南离岸流和冬季的南海南部气旋流圈都得到了很好的再现. 南海海面高度和海面高度距平之间的差异明显. 表明, 在利用卫星高度计资料研究南海的上层环流时, 长期平均海面高度的空间分布有重要意义.     

含破碎海浪海面起伏统计的理论模型

在常动量通量海面风漂流层内, 基于所导出的海浪能量和涡度变化首次积分与破碎的运动学判据和数学合理性判据, 推演出一致的破碎海面起伏表示和海浪破碎发生条件, 从而用Heaviside函数组合的方法给出破碎海浪海面起伏的函数表达式. 基于所导出的破碎海浪海面起伏函数表达式和海浪总是小波陡的事实, 提出一种包括基底海浪、弱非线性海浪和破碎海浪的海浪海面起伏三重复合函数表示. 海浪的三重复合函数表示和基底海浪的正态分布律的总合, 就是所提出的海浪海面起伏统计数学物理模型.     

利用卫星测量技术和小波滤波方法探测表层地转流

根据海面地形的空域频谱特征, 提出用小波滤波器对海面地形进行滤波降噪的方法. 通过对全球及黑潮流系区域的海面地形进行小波滤波和高斯低通滤波降噪后所确定的地转流的比较, 显示前者较之后者更能表现地转流的局部特征. 依据CG01C卫星重力场模型和EGM96重力场模型, 分别联合由卫星测高确定的KMSS04平均海面高模型构造海面地形. 将据小波滤波降噪后所推算出的全球平均地转流、黑潮和热带太平洋区域地转流与海洋学结果的比较, 以及据此两不同重力场模型推算的大地水准面误差对计算地转流流速精度的对比都表明: 重力卫星确定的地球重力场模型较之以前存在的重力场模型在长波部分精度有较大提高. 联合现有卫星重力和卫星测高数据探测的全球平均地转流, 在大、中尺度上与海洋学结果相一致, 这表明从大地测量(空间)角度来研究洋流已达到较高的精度.     

晚更新世末期陆架沙漠化环境演化模式的探讨

在对中国陆架古环境研究的基础上,提出晚更新世末期陆架沙漠化的定义、形成的环境背景及其演化过程.通过对海底浅地层剖面仪的测量记录以及钻孔分析资料的研究表明,低海面时出露的陆架平原以干冷的风砂沉积为主,在强劲的古冬季风的作用下,部分出露的海相地层发生解体,发育成沙丘,出现沙漠化环境;细颗粒被吹扬,并在下风头形成衍生沉积。     

时变海面与其上方导体平板的复合电磁散射研究

应用当前的数值方法求解动态海面与目标的复合电磁散射,由于海面的变化,在不同时刻需要对阻抗矩阵各元素及海面表面电流重新求解,因而要耗费大量内存和运算量.为了克服这一问题,本文应用物理光学(PO)近似求解了导体海面表面电流及导体平板的一阶散射场,应用基尔霍夫近似给出了海面的后向散射场,同时借助互易性定理降低了求解平板和海面之间二次耦合散射场的难度,讨论了平板尺寸、风速等对后向复合散射场的影响.另外,本文还推导出了耦合散射场多普勒谱频移的理论公式,详细分析了复合后向散射场的Doppler 频谱特性.     

由ERS-1波形重构确定我国近海平均海平面

近海岸区域平均海面高在大地测量学、物理海洋学以及地球物理学研究中具有非常重要的意义.受各种条件的制约和限制，目前卫星测高技术主要应用于深海区域，在近海区域尤其是海岸线附近区域的应用几乎为空白.本文根据ERS-1测高卫星回波波形特征，采用五参数线性模型，由最小二乘拟合方法，对近海区域尤其是靠近海岸线附近的ERS-1测高波形数据进行波形重构.比较波形重构前、后解算平均海面高，表明波形重构技术不仅明显改善了解算近海海面高的精度，而且增加了近海测高海平面的分辨率，并使卫星测高有效观测延伸至海岸线附近.随后，本文利用波形重构后海面高数据构造了近海多年平均海平面，并对我国近海海平面特征进行了初步分析.     

中国黑河下游荒漠河岸林植物群落水分利用策略研究

以中国黑河下游额济纳荒漠河岸林为研究对象,结合对典型植物群落内地下水埋深、土壤含水率、植物水势、叶片相对含水率和水分利用效率的野外实地监测和调查,研究了群落土壤水分和植物生态对地下水埋深的响应,揭示了不同植物群落的水分利用策略.结果发现:(1)随着地下水埋深的增大,除了红砂外,植物黎明前和午间水势均无显著降低,说明在地下水埋深3 m以内时,距河道4 km范围内的植物群落未遭受或遭受较轻的水分胁迫.(2)0~3 m内土层土壤含水率较大值所在位置与植物吸水根系分布深度相一致,说明在与过熟胡杨或柽柳共存的群落中,过熟胡杨或柽柳具有供给水分的作用,当与其共存的其他灌木或草本植物缺水时,过熟胡杨或柽柳可将体内多余的水分释放到该土层,供给这些浅根系植物生长所需;而红砂可借助其深根系特征,吸收利用深层土壤水分维持自身生存,苦豆子、花花柴、柽柳和过熟胡杨是恢复黑河下游受损生态环境的最佳植物种组合方式.(3)植物叶片相对含水率由高到低排序为:花花柴苦豆子幼龄胡杨过熟胡杨成熟胡杨=与其他物种共存的柽柳单一红砂单一柽柳.水分利用效率由高到低排序为:单一柽柳单一红砂与其他物种共生的柽柳苦豆子=幼龄胡杨成熟胡杨过熟胡杨花花柴.由此可知,当土壤水分较充足时,该区植物群落趋向于促进水分含量较小的柽柳、幼龄胡杨和红砂的快速生长,它们不具有储水以备水分亏缺时使用的功能,抗旱性较强;而减缓水分条件较好的苦豆子和花花柴的生长,它们具有储水功能,抗旱性较差.总体来看,黑河下游荒漠河岸林植物群落趋向于促进水分利用效率较高物种的生存.     

有效介质近似理论在海浪破碎遥感中的应用

利用有效介质近似理论, 在Pandey和Kakar的经验模式基础上提出了一个改进的研究强风驱动下白冠覆盖的海面有效发射率模式. 该模式讨论了白冠层中球形气泡、水滴、海-气温差对海面发射率的影响, 研究表明海面发射率随着海气温差的增加而增大. 同时, 通过引入白冠层的有效介电常数, 该模式考虑了白冠层的有效粒子的气泡结构、泡沫层厚度等物理参量对海面发射率的影响. 模式经Rose等人在完全泡沫情况下的实测数据验证, 得到了很好的一致性结果.     

二万年来长江中下游自然环境变迁及其发展趋向探讨

20000－15000a.B.P.间气个性候最冷，生长喜冷的针叶林和干旱草原植被。在14780±700a.B.P.出现了最低海面（－154m）；15000－13500a.B.P.,气倏较暖温，涨面上升，生长阔叶混交林；13500－10500a.B.P.，气候有2次温暖和3次较次，在暖期生长针阔叶混交林，较冷期则出现林林草原和草原。最低的温度比现在低5－7℃；一万多年来的冰后期，气候变化分为5个新冰期（包括小冰期）和5个新高温期（包括小气候最宜期0。最高气温比现在主同2－3℃，出现在5000－4000a.B.P.之间；最低温度比现在低3－5℃最高海面在6500－6300a.B.P.，高出现在海面4－5m。在温暖期中生长常绿－落叶阔叶林中亚热带针阔混交林；在较冷期间，生长落叶阔叶林，针叶林或草原草地。在人类影响或自然发展这这结果，未来环境变化有可能向干暖气候和高海面演变，或向干冷气候和海面下降转变，这些变化将对长江中下游带来意外的灾难。     

末次冰消期东亚和挪威海气候事件的对比

通过对黄土-古土壤和泥炭剖面的高分辨率~14C年代学以及有机质的δ~(13)C值和有机碳百分含量的研究,揭示了末次冰消期百年尺度温暖-寒冷的东亚季风气候颤动事件及其反映的有意义的降水变率.它们由波令(Bolling13～12.5ka BP),老仙女木(Older Dryas 12.5～11.75ka BP),阿勒鲁德(Allerod 11.75～11.2 ka BP)和新仙女木(Younger Dryas 11.2～10 ka BP)事件构成.其地层结构表现出多种沉积相的变化,反映了气候的不稳定性.这些高频、快速的气候事件可与挪威海海面温度记录的气候事件—一对比.反映了东亚季风气候通过西风带及与其相关的气压系统与极地.高纬地区古气候的遥相关.     

正声速梯度浅海远程海面混响的平均强度

木文导出了具有随机起伏表面的正声速梯度浅海远程海面混响的平均强度的表达式.结果指出,远程海面混响的平均强度随距离的下降速度大于“一次方规律”下降的速度;当海面起伏所引起声传播的附加衰减可以忽略时,远程海面混响的平均强度随距离按“一次万规律”下降.文末,我们就一个具体例子作了数值计算.     

Fresnel反射率的一个新公式及其在海洋遥感中的应用

基于对介质的复折射率以及在两种介质分界面上电磁波传播的连续性条件的理解, 推导出一个计算Fresnel反射率的新公式. 在推导时把复折射率的实部与虚部的物理意义分开考虑, 得到的新公式与传统的表达有所不同. 新公式可以用来计算海面的发射率, 从而可以应用于海面温度及盐度微波遥感模式的计算. 作为对电磁波基本理论的发展, 所提出的Fresnel反射率计算公式对微波遥感理论也具有重要意义.     

ERS-2 SAR反演海洋风矢量的研究

SAR(Synthetic Aperture Radar)反演海洋风矢量是当今微波遥感领域非常有意义的前沿课题. 本文首先介绍了星载SAR估算海面风向、风速的基本原理和三种主流反演算法，接着给出反演的流程图以及重要步骤. 然后，以2002年5月7日香港地区ERS-2 SAR海洋图像为例，对经典的SWDA (SAR Wind Direction Algorithm)－谱分析方法加以改进，求得具有180°模糊度的风向，并用香港天文台气象浮标实测数据消除了风向不确定性. 最后，利用CMOD4 GMF（Geophysical Model Function，地球物理模式函数）计算得到海面上10m高的风速. 与气象浮标站实测资料相比，利用ERS-2 SAR图像获取的海面风向、风速的精度均较高. 这一结果表明：如果对SAR预先进行ADC(Analog to Digital Converter)改正以及精确校准，结合改进的SWDA和CMOD4，可以获得高精度的风矢量.