基于DINEOF方法重构台湾海峡叶绿素a遥感缺失数据的初步研究

卫星遥感观测是研究海洋环境变化的一种重要方法,但由于观测周期和天气影响等原因,观测数据经常存在一定的缺失,这使得遥感数据在海洋环境连续变化的应用研究中受到一定的限制.为解决此问题,本文采用了经验正交函数分解插值方法(DINEOF)重建缺失的遥感观测数据.首先,基于Sea Wi FS(1998年1月至2010年12月)、MODIS-Aqua(2002年7月至2014年12月)和MODIS-Terra(2000年2月至2014年12月)三级叶绿素a月平均数据产品,按像素点平均的方法组合成原始资料集;其次,利用DINEOF方法重构该资料集的缺失部分,从而得到完整的1998~2014年台湾海峡及邻近海域叶绿素a浓度的月平均数据集;再通过分析重构影像与原始资料的时空误差和验证重构影像的时空变化特征等方法,评价了所用算法和重构数据集的合理性.结果表明:基于遥感组合数据,采用DINEOF方法重构的叶绿素a遥感影像,能够有效地反映研究海域叶绿素a浓度的时空变化规律.研究还表明,该方法操作简便,无需先验信息,且重构精度高,能有效重构大面积缺失的影像数据资料,为探索海洋环境和生态的长期变化规律提供了较好的基础.     

基于DINEOF的风云极轨气象卫星海表温度重构方法研究

海表温度是表征海洋表层热力状况的重要海洋参数,日均全天候覆盖的海温观测数据可为服务台风监测及其他海洋灾害时空演变的精细化预报提供数据支撑。可见光红外扫描辐射计和中分辨率光谱成像仪反演的海温产品具有较高的空间分辨率,但是红外遥感反演的海温产品受到云、雾和霾的影响,在云下存在大面积、无规律的缺值;微波辐射计反演的海温产品空间分辨率低,但可穿透云层,实现全天候海温观测。本文基于风云三号B、C、D三颗极轨气象卫星红外和微波遥感仪器反演的海温资料,利用经验正交函数插值法(DINEOF)重构得到全球海表温度产品。与全球分析场日平均海温OISST数据进行比较可知：原始海温资料的均方根误差为0.59~0.70℃,DINEOF重构后海温资料均方根误差降至0.10~0.34℃;相关系数从0.33~0.48提升到0.78~0.98。多传感器重构海温数据空间分布上连续可信,能够监测不同季节的海温变化特征及暖池空间模态。风云三号气象卫星微波遥感的加入显著提升了重构海温的空间连续覆盖率和时间分辨率。     

世界首颗静止轨道海洋水色卫星应用研究进展

海洋环境参数和赤潮、绿潮等海洋灾害在一天之内会有明显的变化,需要高频率的观测才能满足监测的需求,极轨水色卫星观测频率低,而静止轨道水色卫星在观测频率方面具有绝对优势。2010年韩国发射了世界上第一颗静止轨道海洋水色卫星GOCI(Geostationary Ocean Color Imager),使小时级时间分辨率的水色遥感成为现实,各国科学家围绕该数据迅速开展了大量研究工作。本文首先介绍了GOCI遥感器的主要参数信息及其数据处理软件,然后综述了GOCI自问世至2016年的主要研究进展,涉及卫星数据处理、产品质量评价、海洋环境探测、海洋灾害监测、海洋动力过程探测、大气探测等方面,以期对我国水色遥感特别是静止轨道水色遥感应用研究提供参考。     

利用DINEOF方法重构缺测的卫星遥感海温数据

针对海温数据补缺问题提出一种基于经验正交函数(EOF)分解的缺测数据重构方法--经验正交函数插值法(DINEOF).此方法是一种自适应的EOF分解方法,不需要任何先验信息,并且能估算出重构数据的误差大小.奇异值(SVD)分解时采用了Lanczos算子以提高计算速度,并利用了交叉验证的算法以确定出重构时所需最优的EOF阶数.实测数据处理结果表明,DINEOF方法能很好地重构大面积的缺测数据,具有较高精度及实际可操作性.     

基于OLCI数据的杭州湾悬浮物浓度估算及其产品适用性分析

悬浮物含量及其时空分布是河口海岸环境中关心的热点问题。2016年2月16日,欧洲航天局发射了新一代海洋水色传感器(OLCI),该传感器具有良好的时空及光谱分辨率。本研究结合2017年7月杭州湾同步采样数据,对比了6种大气校正算法和8种悬浮物浓度(TSM)估算模型,遴选和分析了适宜于杭州湾和OLCI数据的大气校正方法和TSM估算模型,验证了OLCI数据二级产品精度和适用性。结果表明:(1)基于紫外光谱的大气校正算法(UVAC)精度最高,同步4个采样点的大气校正平均相对误差(MAPE)分别为34.21%、13.11%、5.92%和20.28%。在除Oa1以外的14个波段的MAPE均值为15.23%,Oa4至Oa10波段的MAPE低于8%;(2)基于Oa16/Oa5的波段比值模型,具有良好的建模(MAPE为16.49%,RMSE为50.92 mg/L)和验证(MAPE为19.08%,RMSE为19.29 mg/L)精度及模型稳健性;(3)基于C2RCC算法的固有光学量和TSM含量产品及OLCI二级TSM含量产品在杭州湾精度较差,不适用于杭州湾TSM和固有光学量遥感监测应用;(4)空间上,TSM在杭州湾中部区域含量较低,在杭州湾南岸和湾口区域含量较高。     

海洋水色卫星数据在南海海域的应用

海洋水色卫星作为一种光学传感器,可以实现对南海海域的海温、叶绿素ａ浓度等多个海洋环境参数的监测,并且在此基础上实现对初级生产力、海气界面二氧化碳通量等参量的测量。南海海域作为台风多发海域,海洋环境变化受台风影响较大。文章通过比较台风过境前、过境期间及过境后的海温、叶绿素ａ浓度及初级生产力的变化,结果表明,台风过境期间,海温下降,叶绿素ａ浓度和初级生产力由于海水的垂直泵吸作用而上升,这一增加有利于海洋生物的生长,从而有利于改善生态环境。     

基于GF-4卫星的杭州湾悬浮泥沙浓度遥感监测研究

悬浮泥沙作为重要水质参数,其分布和动态变化对河口及近岸的生态、环境、物质循环等都具有深远的影响。我国静止轨道高分四号(GF-4)卫星数据具有高时间和高空间分辨率的观测优势,在水色遥感上具有重大应用潜力。为探究GF-4卫星对悬浮泥沙浓度的监测能力,本文以杭州湾为研究区,构建反演模型,利用静止海洋水色成像仪进行交叉验证。结果表明,以GF-4卫星第5和第4波段遥感反射率的比值作为遥感因子建立的反演模型精度较高,决定系数为0.92,均方根误差为223.2 mg/L,平均相对误差为17.2%。交叉验证结果显示,GF-4卫星作为一种新的遥感数据源,在低浓度区与静止海洋水色成像仪反演悬浮泥沙浓度分布相似,但在高浓度区的差异随浓度增高而增大,总体可满足中国大部分海区的监测需求。     

基于GOCI数据黄海气溶胶光学厚度反演方法研究

气溶胶是研究大气辐射收支的重要参数,确定气溶胶光学特性对于研究气候变化和实现卫星定量遥感有重要意义。针对黄海上空气溶胶反演时存在下垫面背景受到内陆河流巨大影响及吸收性气溶胶干扰的问题,本文提出了一种基于GOCI数据的气溶胶光学厚度反演新算法,利用AERONET数据对比分析了黄海上空气溶胶光学厚度的反演精度,结果表明该算法能较好地反演气溶胶光学厚度,相比业务化算法具有较高的反演精度。     

基于GOCI静止水色卫星数据的长江口及邻近海域（490）遥感反演及其在机载激光测深预评估中的应用

长江口水下三角洲地形地貌对于长江口航道安全、生态环境、海岸带工程等均具有重要意义,本次研究拟采用世界上第一颗静止水色卫星GOCI(Geostationary Ocean Color Imager)开展长江口(490)的季节和潮汐变化规律研究,以期为采用机载激光测深提供预评估信息。研究得到结论如下：长江口及邻近海域水体为典型的二类水体,悬浮泥沙含量最高可由杭州湾内几千mg/L迅速降低至10 mg/L以下,因此,分段式的漫衰减系数反演算法适用于研究区域;(490)反演结果表明长江口及邻近海域的(490)值的季节变化特征表现为冬高夏低,春秋居中,长江冲淡水流量和季风是影响其季节变化的主要因素,而在一个潮周期内,(490)值总体表现为低潮期低于高潮期,悬浮泥沙浓度和潮水的潮位是长江口及邻近海域的值的重要影响因素;研究指出,长江口及杭州湾内激光可探测深度约在5 m以下至22 m范围内,夏季退潮低潮位最适合激光雷达观测。由此可见,GOCI每日景每小时景的分辨率可以实现(490)的动态变化监控,而且可以实现在相同潮位下更为合理地描述(490)值的季节变化,为机载激光雷达探测的进一步开展提供了技术支持。     

基于GOCI静止水色卫星数据的长江口及邻近海域Kd(490)遥感反演及其在机载激光测深预评估中的应用

长江口水下三角洲地形地貌对于长江口航道安全、生态环境、海岸带工程等均具有重要意义,本次研究拟采用世界上第一颗静止水色卫星GOCI(Geostationary Ocean Color Imager)开展长江口Kd(490)的季节和潮汐变化规律研究,以期为采用机载激光测深提供预评估信息。研究得到结论如下:长江口及邻近海域水体为典型的二类水体,悬浮泥沙含量最高可由杭州湾内几千mg/L迅速降低至10 mg/L以下,因此,分段式的漫衰减系数反演算法适用于研究区域;Kd(490)反演结果表明长江口及邻近海域的Kd(490)值的季节变化特征表现为冬高夏低,春秋居中,长江冲淡水流量和季风是影响其季节变化的主要因素,而在一个潮周期内,Kd(490)值总体表现为低潮期低于高潮期,悬浮泥沙浓度和潮水的潮位是长江口及邻近海域的Kd(490)值的重要影响因素;研究指出,长江口及杭州湾内激光可探测深度约在5~22 m范围内,夏季退潮低潮位最适合激光雷达观测。由此可见,GOCI 8景/d,1景/h的分辨率可以实现Kd(490)的动态变化监控,而且可以实现在相同潮位下更为合理地描述Kd(490)值的季节变化,为机载激光雷达探测的进一步开展提供了技术支持。     

基于GF-WFV的厦门海域水体悬浮物浓度反演

为利用遥感技术快速、及时的掌握厦门近岸海域水体中悬浮颗粒物的总体分布情况,现场测量了厦门海域水体的下行入射辐射、天空光以及经过水气界面后反射回的辐射,计算了该海域水体表面的离水辐射获得了水体表面以上遥感反射率;同时采集了与光谱信息同步的水体样品,并分析了水体中的悬浮颗粒物质量浓度,获取了对应站位的水体反射波谱曲线和采集样品的浓度数据.通过研究不同站位水体的反射光谱数据,依据GF-WFV波段设置,对现场实测的光谱数据进行了拟合,并创建了基于GF-WFV拟合波段的悬浮颗粒物浓度经验反演算法.通过研究发现拟合(Rrs3+Rrs4)/Rrs2(其中Rrs1、Rrs2、Rrs3、Rrs4分别是GF-WFV第1、2、3、4波段的遥感反射率)同实测水体悬浮颗粒物质量浓度之间的决定系数为0.655,依据研究得出的反演算法反演该海域水体悬浮颗粒物质量浓度,其均方根误差为11.03 mg/dm3,相对误差为8.40 mg/dm3.利用同步的GF-WFV遥感数据对厦门近岸水体中总悬浮颗粒物质量浓度进行了研究,获取了研究区水体悬浮颗粒物的空间分布情况,结果表明GF-WFV遥感数据能很好的反映厦门近岸水体悬浮颗粒物浓度分布状况.     

HY-1 CCD宽波段水色要素反演算法

利用2003年春季黄海、东海区现场实测数据,建立了HY1卫星4波段CCD成像仪水色要素反演算法.由于HY1CCD的宽波段特性阻碍了黄色物质的反演,因此反演的水色要素仅包括水体表层的总悬浮物、悬浮泥沙(SS)以及叶绿素a的浓度.现场遥感反射率光谱由ASD地物波谱仪测量,对于叶绿素a的浓度利用现场萃取荧光法测量,总悬浮物、悬浮泥沙由实验室滤膜称重法获得.反演算法的拟合相关系数均大于0.88,平均相对误差在40%以下.对反演算法进行了误差灵敏度分析,结果表明对于总悬浮物、悬浮泥沙和低浊度水体中的叶绿素a的浓度反演算法能够满足日常的业务运行要求,但是对于高浊度水体中叶绿素a的浓度反演算法对某个波段组合比较敏感,仍需要进一步探讨.     

利用卫星观测海面信息反演三维温度场

基于历史观测的温盐剖面资料,采用回归分析方法统计出海面温度异常、海面动力高度异常与温度剖面异常之间的相关关系;然后利用高分辨率的卫星遥感海表面温度(SST)和卫星观测海面高度(SSH)信息重构了三维海洋温度场。在台湾岛周边海域建立了时间分辨率为天、空间分辨率为0.25°×0.25°的三维温度分析场。通过与实测资料的比较分析,文章所构建的分析场能够较好地描述海洋三维温度场的结构特征,能够较为真实地反映海洋的中尺度变化过程。该分析场可以作为海洋数值模式的初始场,也可以作为伪观测同化到海洋数值再分析和预报系统中,进而改善三维温、盐、流的数值再分析和预报。     

Reconstruction of incomplete satellite SST data sets based on EOF method

As for the satellite remote sensing data obtained by the visible and infrared bands inversion, the clouds coverage in the sky over the ocean often results in missing data of inversion products on a large scale, and thin clouds di?cult to be detected would cause the data of the inversion products to be abnormal. Alvera et al.(2005) proposed a method for the reconstruction of missing data based on an Empirical Orthogonal Functions (EOF) decomposition, but his method couldn’t process these images presenting ex...     

基于距平分析的Argo海表温度场重构

提出基于距平分析的Argo海表温度场(SST)重构方法,即在Argo浮标观测点提取温度距平值序列进行Kriging插值生成距平场,并叠加气候态SST的方法重构Argo海温场。以Argo数据相对稀少的2003年8月份和Argo数据相对较多的2012年8月份印度洋海域(60°S—30°N,25°—125oE)为例,重构水平分辨率为1°×1°的海表温度场。分析表明:(1)这种基于距平分析方法重构的海温场与对Argo数据直接Kriging插值获得的结果相比在精度上有大幅提高;(2)重构的温度场与最优插值海表温度场(OISSTV 2.0)的等温线具有高度的一致性,并且在Argo浮标附近海域有更好的细节表现;(3)即使在Argo数据相对稀少的海域,基于距平分析方法重构的海温场也能保持较高的精度要求,包括边缘海域和南大洋极锋附近均有较好表现。     

Indication of bottom transport in shallow marine regions based on the data of satellite ocean color scanners

By example of a testing area in the northern Caspian Sea, a case study has been conducted to examine the feasibility of indication of near-bottom water transport from the data of ocean color scanners (OCS) for the basins whose bottom is shallower than the lower limit of the water-leaving radiance origination layer. The testing area has provided the desirable diversity of radiance origination conditions owing to an isolated underwater ridge. Based on the archived materials of the OCS SeaWiFS for 2000–2004, statistics of spectral normalized water-leaving radiances of the testing area have been computed. Hypothetically, the displacements of a radiance maximum in reference to the ridge were due to different mechanisms of interaction of water motions with bottom relief and bottom sediments. The correspondence between the patterns of radiance maximum displacements and the current notions of general water transport in the vicinity of the testing area has been established. Hopefully, the archived data of OCSs can be useful for revealing the patterns of seasonal and interannual variability of the near-bottom water transport at shallows with favorable bottom properties.