基于改进U-Net网络的海洋中尺度涡自动检测模型

海洋中尺度涡对浮游生物的分布、能量和盐分的输送具有非常重要的影响,海洋中尺度涡的自动检测是监测、分析中尺度涡时空变化的重要基础。针对传统基于物理特征检测海洋中尺度涡的方法存在受限于人工设计参数导致精度不高的问题,本文依据海洋卫星反演的海表面高度图,提出了一种基于改进U-Net网络的海洋中尺度涡自动检测模型。该模型在海洋中尺度涡的特征提取阶段嵌入了卷积注意力机制,使得模型能够关注于海表面高度图中最具有类别区分度的区域,同时引入了残差学习机制解决了网络过深导致模型难以训练的问题。本文以南大西洋的卫星海表面高度数据集为例开展实验验证,结果表明,本文提出的模型海洋中尺度涡检测准确率达到了93.28%,显著优于EddyNet等现有模型。模型可为海洋学家通过海表面高度探测中尺度涡提供可靠技术方法。     

印度洋中尺度涡遥感调查和验证

海洋湍流的基本结构之一是各种尺度的涡旋,既有构成背景场流的随机小尺度涡旋,又有在统计意义上存在拟序结构的中尺度涡。针对印度洋广泛存在的中尺度涡,研究使用长时间序列、空间分布均匀的卫星测高数据,开展了印度洋中尺度涡遥感调查和结果验证。结果显示,印度洋中尺度涡主要分布在南印度洋南极绕极流区域、澳大利亚西部海域、莫桑比克海峡以及北印度洋的阿拉伯海以及孟加拉湾。北印度洋由于空间区域所限,其中尺度涡生命周期和移动距离均较小;而南印度洋存在大量长生命周期的中尺度涡,部分涡旋可以横跨整个南印度洋运动。基于ARGO现场观测数据以及多源海洋三维再处理数据,对中尺度涡遥感调查结果进行了验证,中尺度涡表层遥感信号与水下温度信号显示了较好的一致性。     

基于遥感的南海北部中尺度涡对内孤立波传播的影响

海洋内孤立波和中尺度涡是南海北部常见的中尺度动力过程。本文利用2010−2015年的Terra/Aqua-MODIS、ENVISAT ASAR和多源卫星高度计资料开展了南海海洋内孤立波和中尺度涡遥感探测研究,分析了中尺度涡对内孤立波传播方向的影响。结果表明,中尺度涡和内孤立波主要在南海东北部海域共存,当二者共存时,气旋（冷涡）促使内孤立波偏离原来的传播方向,向西偏南方向传播;反气旋（暖涡）促使内孤立波向西偏北方向传播,气旋与反气旋改变的内孤立波传播方向刚好相反。内孤立波和中尺度涡共存时间主要集中在3−9月,其中,3月受气旋和反气旋的共同作用,内孤立波传播方向几乎无变化;4月和5月,主要受气旋影响,内孤立波偏离原来传播方向向南传播;6−9月,主要受反气旋影响,内孤立波偏离原来的传播方向向北传播。本文利用遥感手段探索了海洋中尺度涡对内孤立波传播方向的影响,结果与现场观测结果一致。     

基于YOLO算法的海洋中尺度涡三维结构构建

海洋中尺度涡是一种常见的中尺度海洋现象,研究海洋中尺度涡的分布及运动特性对航运、气候、军事等具有重要作用,海洋中尺度涡的识别是海洋学和计算机科学领域的一个热门研究课题。运用深度学习的方法和框架,对中尺度涡的二维识别和三维结构构建展开研究分析。首先,获取全球海洋再分析数据并进行流线可视化,构建涡旋流线数据集;其次,利用YOLO v5s卷积神经网络对涡旋流线数据集进行训练,并对南海区域中尺度涡进行有效检测。实验结果表明,YOLO v5s训练后得到最优模型经过测试,平均检测精度均值达到了86.10%;最后,根据涡旋检测结果,对检测出的同时刻不同深度的涡旋判断是否属于同一涡旋,确定后进行该涡旋的三维结构构建。     

涡分辨率模式模拟的南海中尺度涡旋

Mesoscale eddies(MEs) in the South China Sea(SCS) simulated by a quasi-global eddy-resolving ocean general circulation model are evaluated against satellite data during 1993–2007. The modeled ocean data show more activity than shown by the satellite data and reproduces more eddies in the SCS. A total of 345(428) cyclonic eddies(CEs) and 330(371) anti-cyclonic eddies(AEs) generated for satellite(model) data are identified during the study period, showing increase of ~24% and ~12% for the model data, respectively. Compared with eddies in satellite, the simulated eddies tend to have smaller radii, larger amplitudes, a slightly longer lifetime, faster movement and rotation speed, a slightly larger nonlinear properties(U/c) in the model. However, the spatial distribution of generated eddies appears to be inhomogeneous, with more CEs in the northern part of SCS and fewer AEs in the southern part. This is attributed to the exaggerated Kuroshio intrusion in the model because the small islands in the Luzon Strait are still not well resolved although the horizontal resolution reaches(1/10)°. The seasonal variability in the number and the amplitude of eddies generated is also investigated.     

海洋中尺度涡的机械能及其源汇研究*

由于观测手段的限制,海洋中尺度涡的能量输送及生成与耗散动力过程一直是世界大洋能量循环中悬而未决的一个问题,而中尺度涡在海洋中又广泛存在,它不仅占据海洋表层动能的绝大部分,而且是能量级串中连接大尺度和小尺度的中间环节,在大洋能量传输中扮演着重要的角色。文章以中尺度涡场机械能的大小、分布、源汇为主线,结合作者在这方面的最新研究成果,综述当前对中尺度涡机械能及其源汇的研究进展。     

基于无人船的大洋中尺度涡观测系统展望

中尺度涡在大洋中普遍存在,研究发现其能量比大尺度海洋环流的能量大一个量级,在海洋物质能量输运和全球气候变化中起着重要的作用。受观测条件限制,目前对中尺度涡的观测主要通过卫星高度计实现,只能从海面高度来推算中尺度涡大小、分布、强度及其伴随的水体和能量输送,而卫星高度计对中尺度涡垂直结构特征认识不足,也导致了对中尺度涡所引起的上层海洋能量、热量输送估计误差偏大。目前对中尺度涡三维结构观测认识不足,展望未来将会出现基于无人船平台的大洋中尺度涡三维结构自动观测系统,该平台将集成自动水下剖面观测功能等先进技术,以便观测中尺度涡的垂直结构特征及其时空变化特征,进而可对中尺度涡带来的物质和能量输送进行系统认识。     

基于卫星测高数据的海洋中尺度涡流动态特征检测

为了最终实现对海洋中尺度涡流(简称中尺度涡)的自动采样,首先应该发展中尺度涡动态特征识别技术。本文基于SLA(Sea Level Anomaly)数据,实现了对中尺度涡动态特征的检测算法。主要内容是制定了一个判别相邻两组SLA数据中的涡流,是否为同一涡流子在不同时刻的状态的标准,即判别下一时刻SLA数据中是否存在涡流是由上一时刻确定的被检测涡流演化而来的。通过确定这种进化关系,可以得到被检测涡流的一系列动态状态信息,例如:面积变化速率、中心移动情况以及其他情况。本算法的计算量不大,从而可以应用到实时涡流跟踪的环境中。值得注意的是,本文中的算法不仅仅局限于应用SLA数据,SSH(Sea Surface Height)等大部分反映海洋高度的数据也可以使用。     

南海中尺度海洋现象研究概述

南海是一个地形复杂的半封闭海盆，受季风，黑潮等因素的作用南海呈现独特的中尺度变异特征，一些中尺度信号的强度可以和南海定常环流的强度相比拟，甚至更强，本文回顾了近20a来南海中尺度海洋现象研究的进展，并就南海的黑潮入侵，黑潮涡环，次海盆尺度多涡环流，浅海亚潮波动，近岸陷波，海洋锋等中尺度现象做若干探讨。     

中尺度涡冷暖特征的推导

为了从理论上解释中尺度涡旋冷暖性质与涡旋旋转方向的关系,本文基于中尺度涡的几何特征,做出如下假设：中尺度涡具有对称的几何形态,涡旋中海洋要素沿径向具有线性化变化的特征。从原始方程组出发,利用柱坐标系和上述假设条件,略去耗散力,推导出了中尺度涡的一些冷暖特征,论证气旋式中尺度涡对应冷涡和反气旋式中尺度涡对应暖涡的涡旋冷暖特征与部分涡旋的观测不符的现象。结果表明,中心对称的形式可以作为对中尺度涡的几何特征的一个理想的形态近似,在考虑上述假设条件的理想环境下,柱坐标系在研究中尺度涡的几何性质上具有一定的优势。     

一类海洋遥感反演问题的迭代格式

对于海洋遥感反演中常见的一类非线性反演问题,构造迭代格式进行近似求解。通过给出适当的条件,对格式产生迭代解的收敛性进行证明,并给出迭代的终止原则和步骤。结果表明格式产生的迭代解在适当的光滑性条件下,收敛于原问题的精确解,并且迭代格式在终止原则下是一种正则化的方法。     

冬季东中国海环流中的中尺度涡旋数值模拟

采用高精度的POM模式 ,考虑了海底地形、外来流、长江径流、海面风应力、海面热通量等多方面因素的影响 ,模拟了冬季东中国海环流结构。模拟结果显示 :在黄海东部很可能存在两个涡 ,中心分别在124°37′E ,37°N ,124°E ,35°30′N ;东海北部存在一个大型的气旋式涡旋 ,其中心位置在125.1°E ,30.5°N附近 ,该涡旋是由东北向的台湾暖流、西北向的黄海暖流及南下的沿岸流组成的封闭结构 ;日本九州以西黑潮入侵分支形成一涡旋 ,黑潮分支是形成此涡旋的直接动力因素 ,另外地形和冬季盛行的偏北风也对该涡旋的形成有一定正面影响。     

利用卫星遥感进行海上透明云薄云的检测

海上透明云、薄云的存在,会在一定程度上影响利用卫星遥感进行定量化的水色(泥沙含量、叶绿素、海水透明度等)反演的精度,也会影响海温定量化产品的精度[1].因此,在卫星遥感中深入研究海上透明云薄云是进行水色质量控制的一个很重要的内容.本文针对目前的海洋一号卫星水色扫描仪(HY-1 COCTS)、EOS卫星中分辨率成像光谱仪(MODIS)和神舟三号飞船中分辨率成像光谱仪(SZ3-CMODIS)的遥感云检测方法进行了分析,提出了一种实用的海上透明云薄云检测算法,检测有效率在80%以上,最后给出了检测结果图例.     

高光谱遥感技术在海洋研究的应用及展望

在分析高光谱遥感特点的基础上,从其在海洋应用的基础研究和在海洋与海岸带资源环境监测研究2个方面,论述了高光谱遥感在海水叶绿素浓度、悬浮泥沙含量、污染物和表层水温、海冰、海岸带探测的应用和研究进展,最后本文提出了高光谱遥感在海洋研究中着重发展的几个问题:(1)建设海洋及海岸带要素的地物光谱数据库;(2)开展海洋遥感信息系统建设;(3)开展基于高光谱遥感数据的海洋系统光学特性提取模型的研究;(4)开展基于高光谱遥感数据的海陆系统交互作用的环境效应研究.     

海洋遥感的应用与展望

海洋遥感利用电磁波与大气和海洋的相互作用原理观测和研究海洋，以海洋及海岸事作为监测、研究对象，具有快速、多波段、周期性、大面积覆盖等观测能力的空间遥感技术，回顾了海洋遥感发展的4个阶段，介绍了海洋遥感在海洋资源环境调查、动态监测以及海洋污染等方面的应用，最后，提出了海岸带遥感动态监测技术的精确化和定量化研究、海洋遥感地理信息系统建设以及海洋小卫星遥感的应用是未来海洋遥感研究和应用的重点。     

遥感技术在江苏省大比例尺海洋功能区划中的应用

以江苏省大比例尺海洋功能区划为例，介绍了遥感影像数据的采集原则，并着重阐述了遥感技术在功能区划中的应用。研究结果表明遥感技术能够高兴，准确地进行功能区地物识别分类，制作出高精度的区划底图，促进大比例尺海洋功能区划快速，高效，准确地完成。     

海口港沉积参量遥感研究

利用卫星遥感对同一地区重复成像的特点，采用从港湾不同时相的影像中提取不同潮位的水域面积的方法，建立潮位面积算式和采用分层求和的方法，建立沉 积参量算式。利用沉积参量算式和潮位面算式计算了海口港两个同时段的０ｍ以浅的沉积参量；１９６５－１９８４年时段沉积总量为４．５９×１０＾８ｍ＾３，沉积速率为２．４×１０＾５ｍ＾３／ａ；１９８４－１９９０年时段，沉积总量为－８．４×１０＾５ｍ＾３，沉积速率为－１．     

海口港纳潮量及其变化遥感研究

通过对遥感影像中提取的水域面积，结合潮汐资料建立的纳潮量算式的方法，得到海口港１９９０年纳潮量为２．５７×１０＾７ｍ＾３，１９８４年为２．９４×１０＾７ｍ＾３，１９６５的为２．６２×１０＾ｕ７     

扬子鳄栖息地类型的遥感图象分析

扬子鳄是一种珍稀动物,它已经被联合国列为“临危种”之一。对扬子鳄的保护已经被提到日程上来。利用遥感图象分析对扬子鳄栖息地类型的研究,为有关部门选择最佳放养地提供科学依据,以利于扬子鳄的自然生存和繁育达到保护与增殖这一珍稀动物的目的。     

走航式海面遥感参数自动观测系统

配合卫星遥感数据与实测数据之校验,研制了走航式海面遥感参数自动观测系统,既满足了改善遥感数据精度的需要,又可为传统海洋学研究(海面微结构,海面温度与各种海面气象因子之间的关系等)提供大量有价值的数据,独特的自校设计,保证了数据的精度和可靠性。