基于VMD对SAR海洋内波参数的自动反演

经验模态分解(empirical mode decomposition,简称EMD)是反演海洋内波参数的有效方法之一,但由于EMD存在模态混叠等问题,对海洋内波进行参数反演时会产生一定误差。相比较于EMD,变分模态分解(variational mode decomposition,简称VMD)能够有效地抑制模态混叠现象。为了更好地对海洋内波进行参数反演,提出了一种基于VMD对合成孔径雷达(synthetic aperture radar,简称SAR)遥感图像中的内波参数进行自动反演的方法。该方法先对SAR图像进行Canny处理,获取图像中的内波条纹信息,再根据内波传播方向自动选取灰度剖面;然后利用集合经验模态分解(ensemble empirical mode decomposition,简称EEMD)信号特征自适应分解模态函数的特点,再将分解得到的有效模态数作为VMD中参数K的参考值;最后利用VMD分解后的数据进行内波参数反演。试验结果表明:通过对Canny预处理后的条纹信息进行灰度剖面自动选取,解决了人为选取剖面所可能导致的误差;通过对剖面信号进行VMD处理不仅解决了EMD模态混叠的问题,成功地反演出内波的前导波振幅,而且所反演的结果与EEMD反演参数以及实测资料数据吻合得很好。     

基于变分模态分解和注意力机制的浪高预测

针对海洋中的海浪高度数据存在非线性和非平稳性的特点,海浪高度的预测就变得相对复杂.基于变分模态分解(VMD),在引入注意力机制(AM)的基础上,对传统长短期记忆(LSTM)神经网络算法进行了改进,提出了一种基于混合模型的海浪高度预测算法.算法通过预处理、预测和重构3个主要步骤,对海浪高度的时间序列进行预测.为了比较和说...     

基于动态极值理论和Copula函数的极端海平面高度预测建模

全球气候变化背景下,海平面上升是一个潜在的重大风险,为防范气候灾害,应对极端气象海洋事件,需客观、定量地对未来极端海平面变化进行科学预测。为此,基于Copula函数和动态极值分析理论,综合考虑平均海平面变化(包括垂直陆地运动和基准的局地变化)与潮、涌、浪等其他气候变化的增水对极端海平面高度的影响,采用DREAM方法改进Bayes推断对动态极值模型的参数空间估计问题,提出一种新的模型对未来极端海平面高度变化进行预测,旨在改进传统模型存在的不确定性问题,并运用该模型对气候变化背景下厦门地区未来35年的海平面变化情景进行了模型应用和实验模拟。     

改进的WOA-VMD算法在水声信号去噪中的应用

本文提出一种针对非平稳水声信号的改进WOA-VMD小波阈值去噪方法,首先,引入余弦收敛因子和自适应权值提升鲸鱼优化算法(WOA)的精度,然后利用WOA选取水声信号变分模态分解(VMD)的最佳参数组合。引入一种可调阈值函数克服传统阈值函数量化过程的缺陷,考虑到不同分解尺度下噪声小波系数的衰减特性,采用分层阈值法对有效信号分量进行去噪处理。通过仿真实验和实测数据的降噪分析,证明了该方法的有效性和应用价值,新方法的去噪性能优于其他方法。     

同化QuikSCAT海面风场和海平面气压场对台风“Wukong”的模拟影响

为评估由散射计资料反演的海面风场和海平面气压场对台风模拟的影响,使用中尺度天气研究与预报(Weather Research and Forecasting,WRF)模式和WRF三维变分同化系统,以2006年强热带风暴“Wukong”为例,把QuikSCAT风场资料代入华盛顿大学行星边界层(The University ...     

用TOPEX/POSEIDON高度计数据分析热带大西洋海面高度距平的低频变化

利用1992年10月~2002年7月的TOPEX/POSEIDON(T/P)卫星高度计月平均格点数据分析了热带大西洋(15°S~25°N,5°~50°W)海面高度距平的低频变化。由热带大西洋大约10 a海面高度距平变化的标准差分析得到:在赤道附近海区(2°~5°N,25°~45°W)、非洲沿岸海区(11°~16°N,16°~18°W)海面高度波动剧烈。对海面高度距平进行经验正交函数(EOF)分析,得到EOF的3个模态分别占有方差比例为51.5%,13.2%和7.9%。第一模态揭示的是热带辐合带(ITCZ)的季节性迁移导致海面高度距平沿着ITCZ平均位置经向倾斜的1 a周期变化,第一模态还显示了太阳辐射的季节差异引起南北两个海盆海面高度的整体升降。第二模态描述了中心分别位于(3°N,40°W)和(7°N,45°W)附近两个涡漩的变化。第三模态表征的是几内亚海湾上升流和赤道北部下降流在6~7月强度达到最大。对EOF时间系数曲线的经验模态分解(EMD),结果表明热带大西洋低频变化包含的成分主要有:0.5,1,2,4和6 a。其中1 a周期是热带大西洋海面高度变化最主要的周期成分,0.5 a周期和2 a周期也是热带大西洋海面高度变化的重要形式;而4 a和6 a周期所占的比例较小。另外EMD方法还分解出1997~1998年太平洋El Nino事件对热带大西洋海面高度的影响。     

基于灰度预测的变长度经验模态分解方法研究

经验模态分解是目前分解非线性非平稳信号的有效方法,但其在应用时存在容易导致信号分解失真的端点效应问题。通过对现有的压制方法所存在的不足进行改进,提出了基于灰度预测的变长度经验模态分解方法,在端点处向外对称延拓一部分原始信号使其变成新的信号,进而利用基于灰度预测的经验模态分解方法计算固有模态函数。每得到一个固有模态函数之后,在两端切掉一定长度的序列,即预测不准确序列,从而避免因该序列被代入下一个固有模态函数的求解而导致中间信号被污染;随后利用正弦叠加信号和非线性非平稳信号等仿真数据进行分解实验。实验结果表明:无论是正弦叠加信号还是非线性非平稳信号,基于灰度预测的变长度经验模态分解方法的计算结果误差均小于常规经验模态分解和基于灰度预测的经验模态分解方法,同时对端点处相位信息的处理也更准确。     

基于局域波分解的地震信号时频属性提取

局域波分解可以得到有意义的频率并可以抑制时频分布交叉项,是1种新的自适应信号分解方法.在局域波分解基本原理的基础上,研究基于局域波分解的地震信号分频谱及频率属性的提取方法.将局域波分解与传统时频分析结合,进行有效数值实现与对比分析,通过模型地震数据与实际2D地震数据试算验证方法的正确性和有效性.研究表明:基于局域波分解的Wigner时频分布分频谱,具有较高的时频分辨率,交叉项得到简单有效的抑制;基于局域波分解的时频分析方法计算提取的频率属性,避免无意义的负频率,物理意义明确,为在地震储层研究和油气检测中的正确应用奠定基础.     

基于EMD和短时拷贝相关分析方法的物体溅落声检测研究

采用经验模态分解(Empirical Mode Decomposition,简称EMD)和短时拷贝相关分析的方法,将经过EMD处理得到的溅落声信号作为拷贝信号,利用拷贝信号与海上实测信号的波形相关性实现溅落声检测研究。通过对海试实测的辐射噪声数据进行分析,表明利用EMD和短时相关分析方法可以在较低信噪比下检测出溅落声信号的存在,从而提高了信号检测的准确性。     

一种改进的VMD-XGBoost验潮站月海面高序列预测模型

海平面不断上升威胁人类的生命安全,高精度的海平面预测对人类预防水文灾害具有重要意义。现有的预测方法因验潮站数据为单一时间序列而难以进行高精度预测。针对此问题,提出一种融合变分模态分解(VMD)和极度梯度提升算法(XGBoost)的变分模态分解-极度梯度提升预测模型,简称VMD-XGBoost模型。与XGBoost模型、卷积神经网络与长短期记忆神经网络混合模型(CNN-LSTM)、变分模态-卷积神经网络与长短期记忆神经网络混合模型(VMD-CNN-LSTM)对比,对荷兰沿岸海平面验潮站时间序列进行预测。验潮站预测结果分析表明：相较于XGBoost模型,VMD-XGBoost模型预测结果的均方根误差平均降低65.43%,平均绝对误差平均降低63.79%,平均绝对百分比误差平均降低63.44%,且相较于VMD-CNN-LSTM模型,VMD-XGBoost模型在验潮站海面高序列预测上具有更高预测精度,可实现高精度验潮站时间序列预测。     

GNSS-R观测下的海面飓风风速反演

利用全球导航卫星系统在地球表面的反射信号（GNSS-R）进行海面风速反演已经被广泛研究并作为一种重要的遥感手段。目前,该L波段微波信号的相关功率已可以在多普勒频率和时延码片空间进行多普勒时延图像的成像。由于该图像的图像特征与海面粗糙度有较高的相关性,因此能够用来进行海面风场反演。然而,对于该遥感手段而言,其双基雷达前向散射截面（BRCS）理论上与海面粗糙度有更高的相关性,如同目前合成孔径雷达使用后向雷达散射截面而非相关功率。所以,本文通过改进已有的GNSS-R的双基雷达散射截面方程,代替相关功率在多普勒时延空间进行成像,得出了与海面粗糙度相关的双基雷达散射截面图像（BRCS map）。基于该图像,本文提出了三种与其形状特征相关的观测量,通过2005年Dennis飓风GNSS-R机载数据生成的16000多幅图像进行地球物理模式函数建模并与经典的一维时延波形匹配方法得出结果进行对比分析,得出更为精确的风速反演结果。     

基于模型优化的广义自由表面多次波压制技术在印度洋深水海域的应用

印度洋深水海域海底地形整体较为平坦,存在的多次波主要是海底相关多次波,能量强,频带宽,利用常规的广义自由表面多次波预测技术很难去除干净。本文首先利用广义自由表面多次波预测技术预测出多次波模型,然后将原始数据和多次波模型分为低频数据和高频数据,低频数据利用常规的自适应减得到低频多次波模型,高频数据转成曲波域对多次波模型进行优化,最终得到优化后的多次波模型,再利用原始数据直接减多次波模型,达到压制多次波的目的。该技术在印度洋深水海域的应用效果较好,海底相关多次波得到了较好的压制,有效信号得到了凸显,剖面的信噪比明显提高,剖面质量得以提升。     

X-波段船用雷达观测海洋动力环境要素仿真研究

为了评估X-波段船载雷达观测海浪和海流参数的能力.基于随机海浪理论和雷达几何成像原理模拟了不同调制影响的X-波段船用雷达图像序列,介绍了估算海浪参数和海流参数的算法,对影响雷达观测海流和海浪有关因素进行了分析.同时在雷达图像中加入了随机高斯白噪声,并通过数值方法验证了雷达图像的信噪比开方和有效波高之间的线性关系.数值模拟结果说明X-波段船用雷达能够有效地估算海浪和海流参数,且带有不同噪声水平的雷达系统应具有不同的定标系数.     

基于海面高度数据的全球海洋多核涡旋探测和统计

This study produced a statistical analysis of multicore eddy structures based on 23 years' altimetry data in global oceans. Multicore structures were identified using a threshold-free closed-contour algorithm of sea surface height, which was improved for this study in respect of certain technical details. Meanwhile a more accurate definition of eddy boundary was used to estimate eddy scale. Generally, multicore structures, which have two or more closed eddies of the same polarity within their boundaries, represent an important transitional stage in their lives during which the component eddies might experience splitting or merging. In comparison with global eddies, the lifetimes and propagation distances of multicore eddies were found to be much smaller because of their inherent structural instability. However, at the same latitude, the spatial scale of multicore eddies was found larger than that of single-core eddies, i.e., the eddy area could be at least twice as large. Multicore eddies were found to exhibit some features similar to global eddies. For example, multicore eddies tend to occur in the Antarctic Circumpolar Current, some western boundary currents, and mid-latitude regions around 25°N/S, the majority(70%) of eddies propagate westward while only 30% propagate eastward, and large-amplitude eddies are restricted mainly to reasonably confined regions of highly unstable currents.     

南海海平面长期变化及其趋势研究

On the basis of the satellite maps of sea level anomaly(MSLA) data and in situ tidal gauge sea level data,correlation analysis and empirical mode decomposition(EMD) are employed to investigate the applicability of MSLA data,sea level correlation,long-term sea level variability(SLV) trend,sea level rise(SLR) rate and its geographic distribution in the South China Sea(SCS).The findings show that for Dongfang Station,Haikou Station,Shanwei Station and Zhapo Station,the minimum correlation coefficient between the closest MSLA grid point and tidal station is 0.61.This suggests that the satellite altimeter MSLA data are effective to observe the coastal SLV in the SCS.On the monthly scale,coastal SLV in the western and northern part of SCS are highly associated with coastal currents.On the seasonal scale,SLV of the coastal area in the western part of the SCS is still strongly influenced by the coastal current system in summer and winter.The Pacific change can affect the SCS mainly in winter rather than summer and the affected area mostly concentrated in the northeastern and eastern parts of the SCS.Overall,the average SLR in the SCS is 90.8 mm with a rising rate of(5.0±0.4) mm/a during1993–2010.The SLR rate from the southern Luzon Strait through the Huangyan Seamount area to the Xisha Islands area is higher than that of other areas of the SCS.     

基于核函数NPSSB模型的HY-2A卫星雷达高度计海况偏差研究

利用机器学习的方法,对14个周期HY-2A卫星高度计数据:风速、有效波高和海面高度差值进行训练,探究海况偏差和风速、有效波高之间的关系,创建海况偏差核函数非参数模型(NPSSB),并与参数模型中具有代表性的BM3、BM4模型进行对比。研究表明:(1)核函数NPSSB模型能够很好的反映SSB与U、SWH之间的关系,SSB与U呈二次函数关系,SSB与SWH呈反比例函数关系;(2)核函数NPSSB模型对SSB的模拟能力与训练数据集相关,数据量越多,模拟能力越好;(3)核函数NPSSB模型与BM3、BM4模型都存在0～-0.03 m的差值,随着风速和有效波高的增加,差值的绝对值越大。     

海冰与直立结构相互作用的破坏模式研究

海冰在结构前的破坏模式以及产生的冰载荷与结构尺度和海冰厚度密切相关。采用海冰离散元方法（DEM）模拟平整冰与直立结构相互作用过程中的海冰破坏模式及整体冰载荷。该离散元方法的计算参数通过与Norstr?msgrund灯塔的现场实测数据对比进行了可靠性验证。在此基础上,对不同宽厚比（结构宽度与海冰厚度的比值）工况下平整冰与直立结构作用过程中的海冰破坏模式和整体冰压力进行了离散元分析。模拟结果表明：当宽厚比＜10时,海冰破坏模式主要为挤压破坏;当10≤宽厚比＜30时,海冰混合破坏发生;当宽厚比≥30时,海冰屈曲破坏发生。从海冰断裂长度与平均冰压力两个方面进一步说明了海冰破坏模式的转变过程。最后,构建了直立结构极值冰压力计算公式。研究成果可为寒区直立结构的整体设计提供参考。     

基于现场观测资料的卫星海表盐度网格化产品误差分析与质量评估

自欧洲土壤湿度和盐度卫星SMOS和美国宝瓶座盐度卫星Aquarius相继发射之后,多个数据中心发布了两颗卫星的海表盐度网格化产品,其中包括法国海洋研究院SMOS卫星数据小组发布SMOS Locean L3盐度产品、西班牙巴塞罗那专家中心发布SMOS BEC L4盐度产品和美国宇航局喷气动力实验室发布AquariusV3.0 CAP L3盐度产品。本文利用精确盐度现场观测资料从产品精度和模拟海洋现象能力两个方面对以上3种产品质量进行了评估。研究表明:(1) 在精度方面,与盐度现场资料相比,Aquarius CAP 产品质量最高,产品盐度偏差和均方根误差全年稳定且偏差较小,部分海域达到了设计精度;SMOS两种卫星产品在全球海域偏差较不稳定,个别月份出现异常偏差值;SMOS产品在低纬和开阔海域的数据质量相对较高,但在高纬海域仍存在较大误差,需要进一步提升;(2) 在刻画海洋现象方面,Aquarius产品在热带太平洋较好刻画了淡池东缘盐度锋,SMOS BEC产品的刻画能力次之,SMOS Locean产品在热带太平洋充满了小尺度噪音,描述物理现象方面表现偏差。     

相位降噪与矢径分解组合的矢量序列分解方法

基于矢量序列相位与矢径的统计分布差异,本文提出一种TV (Total Variation)相位降噪和EMD (EmpiricalMode Decomposition)矢径分解组合的矢量序列降噪、分解方法。利用TV细致的演化特点进行相位降噪,其中引入最大信杂比准则,以优化选择调整参数和迭代次数;利用EMD适用于非线性非平稳分解的特点,将矢径分解为多个IMFS(Intrin-sic Mode Function),其中加入了非负判别,以保证重构矢量的相位不会发生跳变。然后,将降噪相位和分解的IMFS一一对应,重构矢量。考虑到历史继承性,该方法称为VEMD(Vector Empirical Mode Decomposition)方法。以高斯噪声污染的2个人工信号(线性调频信号、正弦+线性调频信号)和实测海杂波数据验证了本文所提出方法的性能。