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.     

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°.     

海面有效辐射的数值分析

本文基于大气辐射的基本概念和原理,对海面有效辐射进行分析讨论。首先,根据近海面大气边界层中的气温和湿度廓线跟风速廓线的相似性,采用海面粗糙参数z_0来定义海面。其次,由海面有效辐射的定义和大气辐射理论导出海面有效辐射的一般表达式。然后,对海洋大气的垂直结构作了分层描述,从而对海面有效辐射一般表达式进行具体运算,并且求得简化分析式。最后,利用海洋观测站资料,对本分析式和一些经验公式进行计算和对比。结果表明,晴天与阴天的海面有效辐射值相差较大,可是它们随海面风速的变化均甚小。     

机载SAR探测图像中归一化雷达截面随入射角变化规律应用

机载SAR对海探测时,探测范围小和时空匹配难等局限使其无法借助风条纹和辅助资料反演海面风矢量.本文在仿真研究CMOD5.N地球物理模型参数的函数关系,实例分析机载SAR探测图像中距离向均值曲线变化规律的基础上,发现相同风向、风速条件下,CMOD5.N模型构建的标准曲线和探测图像的距离向均值曲线遵循统一的归一化雷达截面随入射角变化规律,且两者具有良好的相关性.据此,本文提出将距离向均值曲线与标准曲线逐条匹配,采用相关系数判定两者的相关程度,选择使得相关系数绝对值最大的标准曲线作为最优匹配曲线,进而直接确定风向和风速的海面风矢量反演方法.机载SAR飞行探测实验结果表明,海面风矢量反演结果与浮标观测结果的均方根误差为风向11.3°,风速0.9m·s-1,高于反演精度指标要求,原因在于该方法既避免了机载SAR探测图像中斑点噪声的影响,又不会产生局部最优解,提高了海面风矢量反演精度.     

基于星载SAR数据的台风参数估计及风场构建

传统的星载SAR数据海面风场反演方法是利用海面风场与雷达后向散射系数之间的经验关系即CMOD5模式函数求解海面风场.但在台风条件下,由于降雨对雷达信号的影响及高风速条件下CMOD5模式函数的停滞效应,海面风场的反演精度迅速下降.针对降雨对雷达信号的影响,本文基于星载SAR卫星平台未搭载降雨测量载荷的特点,将多时次的静止气象卫星红外云图用于推导台风云系的运动矢量,并由该运动矢量及非同步观测降雨数据估算星载SAR数据过境时的降雨强度.最后,利用订正模型和降雨强度数据进行降雨订正.针对高风速条件下CMOD5模式函数的停滞效应,本文基于台风的SAR图像特征和改进的HOLLAND台风模型,提出了台风参数估计及风场构建方案.首先,利用基于小波分析的风向提取算法提取台风风场的海面风向信息,并通过地球物理模式函数和风向信息反演海面风速.然后,根据台风眼的SAR图像特征计算台风中心位置和最大风速半径,并将其代入改进的HOLLAND台风模型.最后,利用中低风速数据通过最小二乘法拟合台风中心气压和最大风速,并将台风风向、中心位置、最大风速半径、中心气压和最大风速等参量代入改进的HOLLAND模型构建台风海面风场.为了验证方案的精度,选择台风"艾利"、"卡努"和"奥菲利娅"的星载SAR数据进行试验,并利用美国联合台风预警中心和飓风研究中心的最佳路径数据和风场数据进行精度检验.结果表明,本文利用星载SAR数据估算的台风中心位置、中心气压、最大风速与最佳路径数据基本一致,构建的海面风场精度较高,其中,海面风速的均方差为1.4 m s-1,风向的均方差为2.1°,为台风监测提供了新的技术途径.     

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.     

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.     

海浪破碎对海面微波后向散射系数的影响

在海面波破碎区，假定随机粗糙的海面被两层不同散射性质的球形粒子覆盖，上层是由海面飞沫组成的球形Ｒａｙｌｅｉｇｈ粒子层，下层是由气泡组成的球形Ｍｉｅ粒子层，根据大量观测和实验的统计结果，确定了两层散射粒子的平均半径和单位体积的粒子数；并用迭代法求解随机粗糙海面上的两层粒子的矢量辐射传输方程．根据风波破碎时白冠覆盖率和海面飞沫、气泡的统计模型，给出了一个新的风驱海面的微波散射理论模型．利用这一模型定量地给出了海面后向散射系数和风速、视角、极化和白冠覆盖率等特征参量之间的函数关系，并研究了覆盖在波破碎区的散射粒子对海面后向散射系数影响程度．     

合成孔径雷达风场反演变分方案评估

利用合成孔径雷达获取高空间分辨率的海面风场,对于研究沿岸海域大气海洋过程具有重要意义.应用CMOD地球物理模型直接反演风速受先验风向误差影响较大,30°的风向误差可导致高达40％的风速误差.变分方法考虑了雷达观测值及背景风场的不确定性,能够较好地降低先验风向对反演风速的影响.但不同的观测误差或地球物理模型选择会形成不同的变分方案,使得反演风场存在差异.本文基于Sentinel-1合成孔径雷达数据及NDBC浮标数据,对不同变分方案进行了系统评估.试验结果表明,当观测误差选取常值0.1 dB、地球物理模型选取CMOD7时,反演风速均方根误差为1.11 m·s-1,总体最小;但在特定风速区间内,其他变分方案能获得相对更好的反演精度;各变分方案反演风速精度均显著高于背景风速及CMOD直接反演风速精度,但反演风向相对背景风向没有明显改善.试验结果可为变分方法在不同应用需求下的选择提供参考依据.     

2002年南海季风爆发前后西沙海区海-气通量交换及其变化

利用2002年4月24日至6月20日在西沙海区进行的第三次南海海-气通量观测试验资料,采用涡相关法和TOGA COARE25b版本通量计算方案,计算了西南季风爆发前后海洋-大气间的通量交换,讨论了辐射、动量、感热通量、潜热通量、海洋热量净收支的时间变化特征及其与气象要素变化的关系.结果表明：西南季风爆发前后,太阳短波辐射、海面净辐射、潜热通量和海洋热量净收支变化特别强烈;通量变化受不同环境要素的影响：感热通量与海-气温差呈正相关关系,与气温呈明显的负相关关系.潜热通量与风速、海-气温差及海面水温均有正相关关系,其中与风速的关系最密切.动量通量（τ）主要随风速变化,它与风速（V）的关系可以表示为τ=000185V2-000559V+001248.     

我国大陆地区和近海海域能量收支分布及其季节变化的数值模拟研究

应用美国宇航局Goddard地球观测系统四维资料同化系统、计算了我国大陆地区和近海海域1998年各月月平均能量收支各项和10m气温、比湿及风矢量的地理分布特征. 模式计算结果表明,地表短波净辐射最强出现在夏季(7月)新疆和西藏中部地区,高值中心区可达275W/m2,在黄海东海海域春季(4月)最大,其值为250W/m2左右. 地表长波净辐射最强出现在夏季(7月)我国西北地区,中心区值为125W/m2,我国近海海域在冬季(1月)最强,其值为75-100W/m2. 我国近海海面,冬季(1月)潜热通量值高于一般月份,中心区值可达250W/m2,夏季我国大陆西南、华北和东北一带为潜热通量高值区,其值为125W/m2. 月平均能量收支计算结果显示,在黄海、东海海域冬季(1月)净通量为海洋向大气输送,夏季(7月)则反之,新疆和西藏高原中部夏季为净通量正值区. 综合温度、湿度和风矢量场分布发现,夏季从南海向华东地区,孟加拉湾向印度次大陆有明显的水汽平流输送,西藏西南部也有来自西南方向的水汽输送.     

从板块构造观点论南海的成因

南海是亚洲东部的一个边缘海。从板块构造观点看来,南海及其周围整个东南亚大陆边缘恰好位于欧亚板块、太平洋板块和印度洋-澳大利亚板块交汇处,即处于一板块“三叉点”上。 根据此区域内已有的地球物理及地质资料,作者认为南海海盆是新生的边缘海板块而不是沉没的古老地台。 南海的形成是由于新生代早期在其两侧存在一背离式的板块“三叉点”所致,此“三叉点”的位置在海南岛南侧和印支半岛东侧。“三叉点”以东的地壳因局部海底扩张而被推向东,至菲律宾群岛一线,导致南海深海盆（所谓“中国盆地”）的张开和上地幔物质的上涌。 根据资料分析,作者认为南海海底扩张轴是北东向平行于大陆边缘的,扩张的时代是从渐新世晚期至中新世。     

Climate and extrema of ocean waves in the East China Sea

Wave climate plays an important role in the air-sea interaction over marginal seas. Extreme wave height provides fundamental information for various ocean engineering practices, such as hazard mitigation, coastal structure design, and risk assessment. In this paper, we implement a third generation wave model and conduct a high-resolution wave hindcast over the East China Sea to reconstruct a 15-year wave field from 1988 to 2002 for derivation of monthly mean wave parameters and analysis of extreme wave conditions. The numerical results of the wave field are validated through comparison with satellite altimetry measurements, low-resolution reanalysis, and the ocean wave buoy record. The monthly averaged wave height and wave period show seasonal variation and refined spatial patterns of surface waves in the East China Sea. The climatological significant wave height and mean wave period decrease from the open ocean in the southeast toward the continental area in the northwest, with the pattern generally following the bathymetry. Extreme analysis on the significant wave height at the buoy station indicates the hindcast data underestimate the extreme values relative to the observations. The spatial pattern of extreme wave height shows single peak emerges at the southwest of Ryukyu Island although a wind forcing with multi-core structure at the extreme is applied.     

Coastal upwelling observed by multi-satellite sensors

Coastal upwelling phenomenon along the China coast in the Yellow Sea during August 2007 is studied using ENVISAT Advanced Synthetic Aperture Radar (ASAR) data, NOAA Advanced AVHRR series Sea Surface Temperature (SST) data, and NASA QuikSCAT Scatterometer ocean surface wind data. A dark pattern in an ASAR image is interpreted as coastal upwelling. This is because the natural biogenic slicks associated with coastal upwelling damp the Bragg waves on the sea surface and thus make the surface smoother. Most of the incoming radar energy is reflected in the forward direction. As a result, the radar backscatter signal is very weak. Analyzing the concurrent AVHRR SST image, we find that the dark pattern in the ASAR image is indeed corresponding to the low SST area. The wind retrieval in the slicks dominant region is biased due to the low Normalised Radar Cross Section (NRCS) associated with the coastal upwelling. We applied a SST correction to the NRCS values to improve the accuracy of wind retrieval from ASAR data.     

A new inverse method and application to ocean data

A new method is proposed to inverse normalization data of hidden variables in a dynamical system by embedding a time series in multidimensional spaces and applying a normalization analysis to the conditional probability density of points in the reconstructed phase spaces. The method is robust in the application to Lorenz system and 4-dimensional R?ssler system by testing quantitatively and qualitatively the correlation coefficient between inverse data and original data in time domain and in frequency domain, respectively. By applying the method to analyzing the South China Sea data, the normalization data of wind speed is extracted from the sea surface temperature time series.     

南海地震研究的基本思路与构想

南海有丰富的海洋资源和矿藏资源，开发南海是２１世纪的战略目标之一．开展南海地震研究有重大的现实意义和深远意义．阐明了南海地震研究的基本任务和科学问题，进而提出了若干具体构想和措施．     

利用多年卫星测高资料研究南海上层环流季节特征

利用10年高精度卫星测高海面高异常网格资料,联合EGM96稳态海面地形模型,构成南海海域合成海面地形的时间序列,并计算了各个时期的南海表层地转流场. 利用卫星跟踪漂流浮标观测结果与相应时期南海地转流场进行对比验证,结果显示本文结果可以很好地反映南海海域一些中小尺度的环流特征. 根据南海各季节多年平均表层环流场结构,对南海环流周年变化规律和季节特征进行了初步的探讨. 研究结果表明,南海表层环流始终处在不断演变过程之中,在时间和空间上都表现出明显的多尺度特征.     

青藏高原春季积雪在南海夏季风爆发过程中的作用

本文应用欧洲中期预报中心（ECMWF,European Centre for Medium\|Range Weather Forecasts—ERA\|40）资料和美国国家环境预测中心和国家大气研究中心(NCEP/NCAR, National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research)资料,研究了青藏高原雪深变化对南海夏季风爆发的影响和ENSO对青藏高原降雪的影响.结果表明：（1）ECMWF的雪深资料是可信的,可以用来研究青藏高原雪深变化对南海夏季风爆发的影响;（2）青藏高原的积雪异常影响到500 hPa以上的温度异常和印度洋与大陆间的气温对比,一方面使上层的南亚高压移动速度发生变化,另一方面也影响到低层大气的运动和东西向风异常,在青藏高原少雪年,东印度洋产生西风异常和一个气旋对,而在青藏高原多雪年,东印度洋产生东风异常和一个反气旋对;（3）ENSO与青藏高原春季积雪关系密切.东太平洋SST正异常时,东印度洋和南海气压偏高,从而导致该区海陆经向压强梯度增强和西风异常.另外,此时青藏高原北部气压偏高,北风偏强,副热带锋面增强,同时,印度洋的SST偏高,为青藏高原降雪提供了水汽保障,这些都有利于青藏高原的降雪.