北极海冰薄冰厚度遥感反演模型的船测验证

利用美国科考船Sikuliaq在2015年10月至11月初在北极波弗特海区域获得的512处船测海冰数据,分别对三种不同雪厚参数的MODIS (Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer)热力学反演冰厚模型、德国汉堡大学和不莱梅大学发布的SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity mission)海冰厚度产品进行精度验证。结果表明,将船测雪厚作为反演模型中的雪厚参数,得到薄冰厚度与船测薄冰厚度的平均偏差为0.02m,均方根误差为0.12 m,两者均为三种模型中最低而被认为是最优模型。不考虑雪厚的裸冰冰厚模型得到的薄冰厚度与船测薄冰厚度的相关系数为0.72,相关性最高但只适用于冰上无雪盖的情况。以经验雪厚关系推算出的雪厚参数加入反演模型中,得到的冰厚结果在研究验证中精度最不理想。另外,两种SMOS产品与船测冰厚的相关性与均方根误差结果优于MODIS反演结果,且不莱梅大学的SMOS冰厚产品精度更优。因此研究认为现有的MODIS薄冰厚度反演算法的反演精度有待提高,暂不适合作为评定其他薄冰厚度产品精度的标准,只能作为比较数据。     

巴芬湾西部和格陵兰岛东部大气经向热量输送协同变化对夏季北极海冰的影响

利用欧洲中心气候再分析资料和美国国家冰雪数据中心北极海冰面积资料，分析了夏季北极海冰面积与前期大气经向热量输送年际变化的联系。结果表明：6月北半球中高纬大气的经向热量输送以瞬变热量形式为主，其中巴芬湾西部（B区）和格陵兰岛东部（G区）是瞬变热量向极区传输的两个通道，二者之间存在反位相的协同变化，且这种协同变化与夏季北极海冰面积变化密切相关。可能的机制为：6月，AD、AO和NAO三种北极大气环流型能够引起巴芬湾西部和格陵兰岛东部瞬变热量输送的协同变化，这种协同变化通过涡旋动力作用激发夏季极区大气表现为AD异常，同时影响途经区域的气温，从而通过热动力作用影响夏季北极海冰。将向极区输送的热量称为暖输送，从极区输出的热量为冷输送，则上述两个区域的瞬变热量协同输送可分为三种情况：B暖G冷、B冷G暖、B和G均冷，而B和G均暖的情况十分罕见。当B区向极区输入、G区输出热量时，有利于太平洋扇区和喀拉海的海冰偏少；当G区输入、B区输出热量时，利于喀拉海和拉普捷夫海海冰偏少；当B区和G区均输出热量时，利于波佛特海南部、喀拉海和拉普捷夫海海冰偏多，反之则相反。     

红沿河核电站取水口海冰堆积特性的离散元分析

在寒冷地区,海冰在核电站取水结构物前的堆积会对取水口造成阻塞和损坏,进而影响核电设备的正常运作。以红沿河核电站的取水设施为例,综合考虑该工程海域冰区特点及风和流的作用等因素。建立了海冰的离散元模型,用于模拟海冰在结构物前的堆积和破坏过程。该离散元模型由规则排列的球体颗粒构成,颗粒间采用平行黏结模型进行黏结。考虑了海冰的平均尺寸、密集度及流速三个因素对海冰堆积过程的影响,对海冰堆积高度进行预判。其中,堆积高度随海冰的密集度和流速的增大而增大,而海冰的平均尺寸对堆积高度没有明显影响。分析结果表明,离散元数值模拟可用于评估和预测取水工程中海冰堆积造成堵塞的风险。     

保持局域特征的多源海冰图像融合与分类

本文提出一种保持局域特征的多源海冰图像融合方法，并在此基础上进行海冰分类。本文提出的多源海冰图像融合方法包括保持空间局域融合和保持特征局域融合两方面。首先，通过学习得到投影矩阵和相似矩阵。投影矩阵将多源像素进行投影变换，得到保留像素空间局域特性的融合向量。相似矩阵度量像素特征间的相似性，通过拉普拉斯特征分解，得到保留像素特征局域相似性的融合向量。然后，将空间融合向量和特征融合向量进行像素综合，得到融合图像。在此基础上，本文设计一种滑动集成分类方法进行融合图像像素分类。提出的分类方法利用滑动集成的特点，在分类时增强刻画了海冰局域特性。由于本文的保持局域融合框架不仅刻画了海冰在物理空间中的邻接关系，而且考虑不同海冰类型的特征关系，因此其在多源图像（多光谱和合成孔径雷达（SAR）图像）的海冰分类任务中表现优异。实验结果表明本文提出的基于保持局域特征融合的多源海冰图像分类方法有效提升了海冰分类精度。     

2010-2018年北极夏季中国北极科学考察航行期间被动微波遥感海冰密集度与船基目视观测资料的比较

为了更有效地将卫星数据应用于北极航行导航，被动微波（PM）产品的海冰密集度（SIC）与从中国北极科学考察中收集到的船基目视观测（OBS）资料进行了比较。在2010、2012、2014、2016和2018年的北极夏季总共收集了3667组目测数据。PM SIC取自基于SSMIS传感器的NASA-Team（NT）、Bootstrap（BT）以及Climate Data Record（CDR）算法和基于AMSR-E/AMSR-2传感器的BT、enhanced NT（NT2）以及ARTIST Sea Ice（ASI）算法。使用PM SIC的日算术平均值和OBS SIC的日加权平均值进行比较。比较了PM SIC和OBS SIC之间的相关系数，偏差和均方根偏差，包括总体趋势以及在轻度/普通/严重冰况下的情况。使用OBS数据，浮冰尺寸和冰厚对不同PM产品SIC反演的影响可以通过计算浮冰尺寸编码和冰厚的日加权平均值来评估。我们的结果显示相关系数的范围为0.89（AMSR-E/AMSR-2 NT2）到0.95（SSMIS NT），偏差的范围为-3.96%（SSMIS NT）到12.05%（AMSR-E/AMSR-2），均方根偏差的范围为10.81%（SSMIS NT）到20.15%（AMSR-E/AMSR-2 NT2）。浮冰尺寸对PM产品的SIC反演有显著的影响，大多数PM产品倾向于在小浮冰尺寸情况下低估SIC，而在大浮冰尺寸情况下高估SIC。超过30 cm的冰厚对于PM产品的SIC反演没有明显影响。总体来看，在北极夏季，SSMIS NT SIC与OBS SIC之间有着最好的一致性，而AMSR-E/AMSR-2 NT2 SIC与OBS SIC的一致性最差。     

辽东湾海洋工程可靠性设计的海冰参数选取

海冰参数的合理取值是海洋工程海冰灾害风险评估的重要内容。利用1950—2018年的冰情等级(5个等级)数据,进行了1950—2018、1950—1990、1991—2018三种情景下的回归分析,确定了不同时期的冰情等级概率分布密度函数。利用鲅鱼圈雷达观测站2002—2017年的海冰现场实测资料,分别对鲅鱼圈附近海域一般冰厚、最大冰厚、最小冰厚进行概率分布拟合。基于上述概率分布结果,给出不同冰情等级的重现期,进而对海冰作业条件给出的设计参考值进行评价。结果表明:1990年以后2级、3级冰情重现期相对1990年之前变小,4级、5级冰情重现期相对1990年之前变大,规范给出重现期范围已不能代表辽东湾冬季海冰情况。本研究成果可为辽东湾海洋工程可靠性设计提供重要数据支撑。     

蓝镜头

鲎的血液是什么颜色？多金属结核大多分布在哪里？南北极海冰面积的变化趋势是怎样的？11月5日，第四届全国大学生海洋知识竞赛电视总决赛在厦门广电中心演播大厅举办。作为2011年世界海洋日暨全国海洋宣传日系列活动的重要组成部分，本届大学生海洋知识竞赛由国家海洋局、教育部、共青团中央和中国人民解放军海军共同主办。电视总决赛分为快速抢答、纵横填字、我选谁来答、微型辩论4个环节，内容涵盖海洋科学领域的多方面知识。选手们的精彩表现，赢得了台下观众阵阵热烈的掌声。     

2012/2013年冬季中国气温异常成因分析

2012/2013年冬季,我国平均气温为-3.8℃,较常年同期(-3.4℃)偏低0.4℃,就空间分布来看,我国东北、华北、黄淮、江淮和新疆北部气温较常年同期偏低。利用1951-2013年国家气候中心整理的全国160站月平均气温资料、英国Hadley中心全球海温资料、NCEP/NCAR再分析大气环流资料、德国不莱梅大学提供的海冰卫星遥感资料,通过EOF分析、回归分析、合成分析、相关分析方法研究了引起2012/2013年冬季我国气温异常的东亚中高纬大气环流异常,并从海洋环境要素异常的角度分析造成这种环流异常的原因。分析结果表明:2012/2013年冬季我国气温异常分布主要是由于北极涛动(AO,Arctic Oscillation)呈负位相,西伯利亚地区高度场异常偏高,东亚大槽明显偏深的环流形式引起的。而太平洋年代际振荡(PDO,Pacific Decadal Oscillation)负位相是引起西伯利亚高压强度偏强和东亚冬季风强度偏强的年代际海洋背景,前期9月海冰范围异常偏小是导致2012/2013年冬季AO呈现负位相及我国东北和新疆北部呈现异常低温的主要原因。     

结合投影变换和相位相关的海冰运动监测

为提高对渤海海冰旋转和平移运动的监测精度,提出一种基于投影变换的相位相关跟踪方法。选取连续8景静止水色成像仪(GOCI)图像序列,根据特征图像窗口的投影变换构造辅助函数,通过寻求函数最优解得到旋转角度集合,选择修正相关系数确定最佳旋转角度,同时根据相位信息实现海冰样本间亚像素级别的平移跟踪,消除传统相位相关法中因忽略图像相频特性所造成的匹配误差。实验结果表明,以手动测量的旋转角度为基准,该方法和传统相位相关法的旋转监测均方根误差的最大值/平均值分别为0.59/0.50与1.41/0.94,跟踪速度提高了50.6%;海冰平移运动的速度矢量与辽东湾的现场实测数据及历史资料记录数据基本一致。该方法对渤海海冰旋转和平移运动具有较好的跟踪效果。