基于模拟退火和区域划分的海表流场反演算法研究

经典的海洋表面流场迭代反演算法采用固定的校正系数对探测区域进行整体分析和计算,因此耗时较长且反演精度也受到了一定程度的限制。本文提出利用模拟退火算法对反演过程中的校正系数进行优化,使其能根据每一次反演的结果进行自适应的调整和改变,从而减少迭代次数;同时根据流场分布的特点,提出划分探测区域的反演方法,最终,在经典算法的基础上给出了改进的海表流场反演算法。仿真反演实验结果表明,改进后的反演算法,其时效性和精度都有了明显提高。     

海表地转流差商计算试验分析

基于卫星高度计海面异常高度资料反演的海表地转流场在海洋学研究中应用广泛。针对Arbic等(2012)提出的海表地转流差商计算改进算法,以南海为试验海区,通过涡动能和中尺度涡自动识别计算试验对差商改进方法进行有效性检验。结果表明,七点中差法计算的海表地转流场比其他常用差商方法更利于中尺度涡旋外边界确定,得出的涡动能分布规律和数值大小也更符合实际。     

黄海潮波系统下的GOCI反演及OSU模式海表流场数据适用性研究

黄海呈现独有的地形条件,且该海域的潮波运动独具特征。本文利用静止海洋水色成像仪（Geostationary Ocean Color Imager, GOCI）遥感反演和俄勒冈州立大学（Oregon State University,OSU）潮流模式分别获取了黄海海域的海表流场,基于该海域独特的潮波系统提出并识别潮波干涉区,进而对GOCI反演的流场做潮流提取,并对两种潮流数据作分区可用性评价,通过实测的漂流浮标数据验证评估。结果表明：利用GOCI反演和OSU潮流模式获取的海表流场具有一定程度的可靠性,GOCI反演的海表流场的流速平均相对大小误差值为0.77,OSU潮流模式获取的海表流场流速平均相对大小误差值为0.49;在靠近潮波干涉区的黄海中部海域,GOCI潮流数据与实测数据在方向上的一致性要优于OSU潮流数据,两者平均角度误差值分别为48.45°和63.10°;在远离潮波干涉区的黄海近岸海域,OSU潮流数据与实测数据在速度大小和方向上的一致性要优于GOCI潮流数据。     

机载多普勒散射计海风海流联合反演研究

多普勒散射计能够获取海面后向散射系数和多普勒频移,从而实现海面风场和海表流场的同步观测。本文基于机载多普勒散射计的观测数据,对多普勒散射计海面风场和海表流场联合反演模型进行研究,并与风场流场独立反演结果进行对比。结果表明,联合反演的流场精度显著优于独立反演结果;然而以欧洲中期天气预报中心的海面风场为参考时,联合反演风场的精度略低于独立反演结果。这说明多普勒频移信息对海面风场反演的贡献不太显著,但雷达后向散射系数信息（即风场）对流场反演有积极的作用,通过联合反演算法能够更有效地消除海面风场对流场反演的影响。研究结果有助于进一步理解海面风场和海表流场反演时的相互影响,并为星载多普勒散射计的数据处理提供了参考。     

常规信息对遥感海表流场的修正方法

从美国NOAA系列卫星AVHRR资料得到海表温度(SST)图能大面积同步地反映出某一时刻海表面温度分布实况,而海表温度结构反映出一定的海流信息.因此,从有时间序列的SST图的变化规律可定性地看出水团的移动情况.如果借助计算机技术,利用连续SST图就可反演海表流场,得到大面积同步的海表流场图.     

基于星载微波辐射计的海洋大气参数反演算法研究

利用3个辐射传输模式对无冰无降水情况下的星载微波辐射计亮温测量进行仿真研究,通过模拟计算结果与同步卫星数据之间的比较分析,确定了用于反演算法研究的前向模式;利用该模式,提出了基于物理的星载微波辐射计海洋大气参数(包括海面风速、海表温度、大气垂直积分水汽量以及积分液态水量)多重线性回归算法。     

基于鲁棒光流算法的海表流场遥感观测研究

海洋表面流场是海洋科学研究中需要着重考虑的环境参数,近实时的海洋表面流场精细化测量对海洋学研究有着重要意义,但是目前大多数海洋表面流场观测技术难以同步实现大范围近实时的海洋表面流场观测。文中在简要对比各类海洋表面流场测量方法的基础上,重点介绍了基于水色遥感图像观测反演海洋表面流场的鲁棒光流算法,该算法在流场计算过程中,能很好地保留流场细节信息。为直观验证本文测量方法的可靠性,文中提供了海洋表面流场的分析实例,同时给出了美国国家航空航天局(NASA)提供的OSCAR流场数据,对文中算法的可靠性进行了验证。     

利用卫星遥感SST估算海表流场

介绍了利用遥感资料得到的海表温度图估算海表流场的最大相关系数和相关松弛法。比较二种方法在不同参数条例下的矢量图，相关松弛法明显地优于最大相关系数法。在用相关松弛法时，模板大小和搜索距离这二个参数对计算结果影响很大，选择１６×１６像元数的模板和１５像元数的搜索距离计算１９８９年１２月３月－１２月６日台湾海峡这一组资料时比较理想，结果表明用相关松弛法计算海表流场有一定的可靠性和实用性。     

台风背景下海浪对海表流场和海表温度的影响

海浪作为海-气界面中重要的物理过程,对海洋上混合层的近表面分布具有重要作用。本文以台风"威马逊"和"麦德姆"为背景,基于FVCOM耦合模式模拟了台风浪及上层海洋的响应过程,探讨了海浪对海表流场和海表温度的影响。结果表明耦合模式能够较准确地模拟出有效波高,台风过境后海表流场在海浪的作用下反映出与台风相对应的气旋性特性,改变的流场量级可达0.4 m/s;海表温度出现不同程度的下降,最大降温约4℃,最大降温中心与流场变化区域相对应,且降温区相对台风路径呈显著的"右偏性"。最大降温滞后台风中心过境2 d左右,恢复时间一般超过10 d,与实况相吻合。     

基于MODIS数据的多时相海表温度反演——以海南岛西南部近海海域为例

利用中分辨率成像光谱仪MODIS(moderate-resolution imaging spectroradiometer)遥感资料作为数据源,以海南岛西南部近海海域作为研究区,利用改进的分列窗算法对研究区海域2005—2014年多时相海表温度进行反演。利用海南岛西南部近海海域观测的12个观测点的实测海洋表面温度对反演温度结果进行精度验证,相关系数达到了0.9。选择一年内4个季度和10年内海表温度反演的结果,分别分析海表温度随季节与年度的时空变化分布。结果表明,利用MODIS多通道改进的分裂窗算法可以较精确地反演海南岛西南部近海海表温度,分析海表温度的时空变化可为海洋渔业、海洋环境变化及气象监测提供参考。     

基于卫星测高与卫星测温的表层流产品生成方法应用评估

提高海洋表层流的精度与分辨率对于相关应用领域至关重要.研究引入海表面温度(sea surface temperature,SST)信息对高度计导出流场的改进效果,计算了 2018年每日无间隔的全球海洋表层流速度.通过增加热量守恒方程约束,引入卫星测温产品,在地转流基础上生成表层流产品,并与现场漂流浮标速度比较,评估了使...     

渤海冰漂移对海面风场、潮流场的响应

在对海冰漂移动力学分析基础上,利用MODIS资料,采用MCC方法获取渤海大范围冰覆盖的海域冰速场,并利用NCEP风速资料和潮流资料进行回归分析,得到渤海冰漂移速度与风速和流速的关系.利用MODIS和NOAA/AVHRR资料获取的渤海冰速资料的综合分析显示:渤海海冰运动,除受盛行风控制外,还受到复杂的海岸地形、流和冰内应力的共同作用,所得到的大范围海冰运动规律和多年历史观测资料分析结果基本一致,并清楚地显示了冰边缘带海冰运动的特征,弥补了局地、单站海冰观测的局限性.     

高频地波雷达单站测量表层海流的原理

运用高频地波雷达测量表层海流矢量,一般均采用双站测量方案,因而,需要大量的人力和昂贵的设备投入。该项研究在分析双站测量原理的基础上,结合海洋学原理和合理的假设,推导并给出了利用单站地波雷达测量表层海流的原理和公式,从而使单站测量表层海流成为可能。可预期该方案虽然在一定程度上,适当降低了空间分辨率,但却可以大幅度降低观测成本,减少人力物力的投入,并显著提高现场观测效率。     

一种改进的基于逆Omega-K算法的海面场景SAR原始数据仿真方法

合成孔径雷达(SAR)海面场景原始数据仿真是研究海洋动力参数(表面波浪、风矢量和洋流)的有效工具。目前海面场景原始数据仿真方法已经基于逆Omega-K算法实现了海洋运动参数的空间变化。但是目前仅仅讨论了正侧视情况下的海面场景仿真,应用范围有限,同时没有考虑Stokes漂流以及Bragg相速度的影响,而这两者都是存在于真实海面的。通常情况下为了反演得到海面流场的二维速度矢量,雷达需要从两个不同的方位方向观察海面的同一个区域,因此这就需要考虑大斜视的雷达波束,同时Stokes漂流和Bragg相速度是SAR海表面流场观测不容忽视的两种运动。本文在不改变原有正侧视逆Omega-K算法的情况下,通过增加重新计算零方位时刻的斜视波束中心位置坐标,并据此确定SAR原始数据在多普勒域的位置来将其扩展到大斜侧视逆Omega-K算法,并通过时域Stokes漂流公式到频域内离散化Stokes漂流公式的推导来加入Stokes漂流,以及根据Bragg散射机制加入了Bragg相速度。仿真结果表明,经过聚焦成像后的SAR图像很好的体现了真实海面波浪场的形状,同时能够很好地反演出设定的雷达径向流场速度,且流速精度误差控制在6%以内。最后也证明了Bragg相速度以及Stokes漂流对于海面流场的影响不可忽视。     

Ocean surface current retrieval and imaging with a new shore-based X-band radar based on time-shifted up-and-down linear frequency modulated signal

This paper proposes a multifunction radar that can not only measure sea currents but also perform sea-surface imaging. The fundamental aspect of the proposed radar comprises transmitting time-shifted up-and-down continuous wave linear frequency modulated signals that allow for the offset of two one-dimensional range images of the sea surface that respectively correspond to the upward linear frequency modulated(LFM) signal and the downward LFM signal. Owing to the Doppler frequency shift from the sea surface, a range offset, which is proportional to the radial velocity of the sea surface, occurs between the upward and downward LFM signals. By using the least-squares linear fitting method in the transformed domain, the range offset can be measured and the current velocity can be retrieved. Finally, we verify the accuracy of current measurement with simulation results.     

Coupling winds to ocean surface currents over the global ocean

A Wind stress–Current Coupled System (WCCS) consisting of the HYbrid Coordinate Ocean Model (HYCOM) and an improved wind stress algorithm based on Donelan et al. [Donelan, W.M., Drennan, Katsaros, K.B., 1997. The air–sea momentum flux in mixed wind sea and swell conditions. J. Phys. Oceanogr. 27, 2087–2099] is developed by using the Earth System Modeling Framework (ESMF). The WCCS is applied to the global ocean to study the interactions between the wind stress and the ocean surface currents. In this study, the ocean surface current velocity is taken into consideration in the wind stress calculation and air–sea heat flux calculation. The wind stress that contains the effect of ocean surface current velocity will be used to force the HYCOM. The results indicate that the ocean surface velocity exerts an important influence on the wind stress, which, in turn, significantly affects the global ocean surface currents, air–sea heat fluxes, and the thickness of ocean surface boundary layer. Comparison with the TOGA TAO buoy data, the sea surface temperature from the wind–current coupled simulation showed noticeable improvement over the stand-alone HYCOM simulation.     

Use of nautical radar as a wave monitoring instrument

Common marine X-Band radars can be used as a sensor to survey ocean wave fields. The wave field images provided by the radars are sampled and analysed by a wave monitoring system (called WaMoS II) developed by the German research institute GKSS. This measuring system can be mounted on a ship, on offshore stations or at coastal locations. The measurement is based on the backscatter of microwaves from the ocean surface, which is visible as ‘sea clutter' on the radar screen. From this observable sea clutter, a numerical analysis is carried out. The unambiguous directional wave spectrum, the surface currents and sea state parameters such as wave periods, wave lengths, and wave directions can be derived. To provide absolute wave heights, the response of the nautical radar must be calibrated. Similar to the wave height estimations for Synthetic Aperture Radars, the so-called ‘Signal to Noise Ratio' leads to the determination of the significant wave height (H_S). In this paper, WaMoS II results are compared with directional buoy data to show the capabilities of nautical microwave radars for sea state measurements.     

Tidal Current Measurements Using VHF Radar and ADCP in the Normand Breton Gulf: Comparison of Observations and Numerical Model

Performance and operational feasibility of very high-frequency (VHF) Doppler radar have been demonstrated in a region dominated by strong tidal currents. An analysis of remote measurements of sea surface currents acquired by Courants de Surface MEsureacutes par Radar (COSMER)-pulsed Doppler radar during Evaluation et Preacutevision de l'Environnement Littoral (EPEL) experiment (supported by the French Navy) is presented in this paper. The VHF COSMER radar was deployed to provide continuous sea surface current measurements within an area of about 25 km times 25 km in the Normand Breton Gulf, France. This paper presents VHF measurement comparisons with observations such as acoustic Doppler current profiler (ADCP), as well as comparisons with numerical model TELEMAC 2-D. Results of tidal waves extraction, using harmonic analysis and residual currents, are shown in this paper. We also present a case where radar method is limited, due to the presence of additional peaks in the Doppler spectrum     

基于改进DBSCAN算法的ICESat-2海面点数据去噪处理及精度评估

ICESat-2卫星搭载先进的光子计数式激光雷达ATLAS,使用全新的测量方式获取海量的光子点云数据.光子计数激光点云由于受海洋表面噪声以及水中穿透性较强等因素影响,现有的去噪算法在浅海区域海面去噪上存在一定的局限性.针对上述问题,本文提出了一种基于改进DBSCAN参数的去噪算法,通过利用点云数据集自身分布特性生成候选...