Extraction of internal wave amplitude from nautical X-Band radar observations

One of the most important parameters for oceanic internal waves (IWs) is their amplitude. We have developed a method to retrieve the IW amplitude from nautical X-Band radar images based on the KdV equation for continuous stratified finite depth system. We have also tested the method of measuring the amplitude of IWs from X-Band radar backscatter image sequences acquired on June 2009 in the northeastern South China Sea. The method was applied in several radar images. Experiments show that the retrieval amplitudes are consistent with the in-situ observational amplitudes of IWs by using the towed thermistor chain and conductivity-temperature-depth (CTD) profile. The uncertainty of the method is also discussed.     

东海原甲藻赤潮的垂向发展过程:生物-物理耦合数值模拟

近年来,东海原甲藻赤潮在我国东海近岸海域频繁发生。本研究利用生物-物理耦合模型对发生于2005年的东海原甲藻赤潮进行后报模拟,并对控制其起始与发展的因素展开研究。该模型由东海原甲藻种群动力学模型与多层嵌套的水动力模型组合。通过对比模拟结果与室内实验结果,证实种群动力学模型能够很好地重现东海原甲藻在不同光照与磷营养限制条件下的生长过程,同时能够再现藻细胞内部磷含量及藻类对外部营养盐浓度的影响。耦合模型能够较好地再现模拟海域水动力（见Sun et al.,2016）与东海原甲藻赤潮的时空分布。模拟的赤潮发展过程与此前研究中的观测结果一致,且模拟结果表明模型能够捕捉到赤潮初期种群的次表层孕育现象。随后模拟结果被用于诊断决定赤潮垂直分布的决定性因素,结果表明磷酸盐是控制这一现象的关键因素。同时,表层风场在决定赤潮的分布中扮演着重要角色。模拟结果强调了营养盐限制在东海原甲藻次表层孕育及消散过程中的作用,本文所建立的耦合模型需要进一步优化并应用于其它条件下东海原甲藻赤潮的研究中。     

X-波段雷达近海海浪频谱反演的神经网络模型

X-波段雷达作为国内海浪观测的一种新工具,在海浪频谱获取和有效波高反演方面仍存在较多问题.本文利用非线性回归方法,将现场实测浮标数据频谱和雷达一维图像谱分别与标准频谱模型进行拟合,发现浮标频谱和一维图像谱具有标准频谱的特征,能够较准确地获取相应的谱参数.提出了建立由雷达一维图像谱参数反演海浪频谱参数的神经网络模型,同时在模型中加入影像序列信噪比,进而反演有效波高,并将反演结果与现场实测数据和传统算法(建立影像序列信噪比与有效波高之间的线性回归方程)进行了对比,结果表明,获取谱参数的误差和反演有效波高的平均误差在20％以内,而传统算法计算有效波高平均误差在20％以上.     

TESTING DRAG COEFFICIENT APPROACHES BY USING THE BUOY DATA COLLECTED IN MODERATE TO HIGH WIND UNDER FOLLOWING, CROSSING AND OPPOSING SWELL CONDITIONS

Hurricane intensity and track are strongly affected by air-sea interactions. Classified as following swells, crossing swells, and opposing swells, the observed wave height was parameterized by using the 10-m wind speed collected on 5 buoys by the National Buoy Data Center during 13 hurricane events. The path information of these 13 hurricanes was obtained from the National Hurricane Center Best Track (NHC-BT). Results show that the wave height increases exponentially with the 10-m wind speed, and the wave height reaches the maximum value, 11.2 m (8.1 m), when 10-m wind speed is 40 m s-1 under the following and crossing (opposing) swell conditions. We find that the wave steepness (the ratio of wave height to wave length) is proportional to the -2/3 power of the wave age (the ratio of wave phase velocity to 10-m wind speed). The parameterizations of friction velocity and drag coefficient are tested using the buoy data collected in moderate to high wind under following, crossing and opposing swell conditions. A wave age dependent equation for drag coefficient is found more accurate and suggested for future usage in numerical models. Further, these algorithms also suggest that wind-swell orientation needs to be considered to retrieve accurate surface drag under high winds and strong swells.     

一种利用SMOS卫星观测的海表面盐度反演海水盐度廓线的方法

This paper proposes a new method to retrieve salinity profiles from the sea surface salinity(SSS) observed by the Soil Moisture and Ocean Salinity(SMOS) satellite. The main vertical patterns of the salinity profiles are firstly extracted from the salinity profiles measured by Argo using the empirical orthogonal function. To determine the time coefficients for each vertical pattern, two statistical models are developed. In the linear model, a transfer function is proposed to relate the SSS observed by SMOS(SMOS_SSS) with that measured by Argo, and then a linear relationship between the SMOS_SSS and the time coefficient is established. In the nonlinear model, the neural network is utilized to estimate the time coefficients from SMOS_SSS, months and positions of the salinity profiles. The two models are validated by comparing the salinity profiles retrieved from SMOS with those measured by Argo and the climatological salinities. The root-mean-square error(RMSE) of the linear and nonlinear model are 0.08–0.16 and 0.08–0.14 for the upper 400 m, which are 0.01–0.07 and 0.01–0.09 smaller than the RMSE of climatology. The error sources of the method are also discussed.     

非线性随机表面Kirchhoff散射模式

自从Longuet-Higgins(1963)根据非线性作用导出较正态分布为准确的波面高度分布以来,高阶矩在军事、高科技等很多方面得到了应用。Huang等(1980)曾检验了高阶非线性分布,他们发现当波高概率分布中包含直至四阶项时与观测结果相符,但如果考虑更高阶不但效果不好,反而更差。尽管非线性随机过程在海浪理论中获得了广泛的应用,但对海面雷达散射研究仅讨论到三阶矩的影响(Fung et al.,1991;Chen et al.,1992)。电磁随机表面散射理论有适应大尺度随机起伏的粗糙面的Kirchhoff散射模式、轻度粗糙表面的微扰散射模式、大小尺度独立叠加的双尺度散射模式、全波散射模式(Bahar,1987)和积分方程散射模式(Chen et al.,1992)等。对随机粗糙Kirchhoff表面电磁波散射问题,尽管几十年来许多科学家已经进行了大量研究(Fung et al.,1991; Ulaby et al.,1982;Wu et al.,1988),Eom等(1983)曾对Gaussian面和非 Gaussian面的散射特性进行了比较研究,Fung等(1991)将Kirchhoff散射模式推广应用到三阶粗糙随机表面,然而更高阶矩对散射截面的影响还未见报道。本文在Fung等(1991)的基础上将Kirchhoff散射模式推广应用到四阶项,并对模式的应用进行了分析和讨论。     

卫星双向共视法时间比对计算模型及其精度评估

时间同步技术是卫星导航定位系统设计的关键技术之一。根据卫星双向共视法时间比对的基本原理,详细推导了该时间同步方法在地心惯性系中精确到卫星和地面站速度的二次幂以及加速度的一次幂的计算模型,并以GEO卫星和GPS卫星为例,分析了该计算模型中的距离改正项时延对地面站间相对钟差的影响量级。结果表明：对于GEO卫星、GPS卫星与地面站之间的比对,当要求 的计算精度时,距离改正项时延只需要考虑到卫星速度项、地面站速度项的影响;当要求 的计算精度时,还需要考虑到卫星速度二次幂项、卫星加速度项、地面站与卫星相对钟差对卫星速度项、地面站间相对钟差对地面站速度项的影响。     

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.     

Babin模式特征分析及应用

讨论了气象条件对Babin模式的影响,对比分析了Babin模式模拟结果与典型的P—J模式模拟结果,前者一般小于后者;还计算了南海海区的蒸发波导高度,平均结果与现有文献上的此海区统计结果基本一致,这为Babin模式用于研究蒸发波导气候变化提供了基础。     

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。