多源星载微波散射计海面风场信息融合研究

风场数据融合技术以更小的代价、更短的时间来获取更丰富的风场信息,为海洋风场业务化预报提供高空间分辨率的数据源。为了有效发挥卫星遥感数据在海洋风场监测中的作用,基于变分估计方法,利用HY-2A/SCAT、METOP-A/ASCAT和Oceansat-2/SCAT的星载微波散射计数据,开展了融合技术研究,并以中国近海为例给出了卫星遥感海面风场的数据融合结果。海面风场数据融合结果表明,多源风场的融合结果明显优于单一卫星的观测结果,如果采用三颗卫星的观测进行融合,得到的融合结果与实际风场将更加相符,特征更加明显。     

一种高效的船舶活动热点海域探测算法

针对传统数据处理工具处理海洋船舶位置大数据效率低、空间特征不敏感的问题,引入Spatial Hadoop空间大数据处理平台,提出一种基于Spatial Hadoop的船舶活动热点海域探测算法。该算法结合空间索引和MapReduce分布式处理框架实现了基于区域统计的热点海域探测方法。从理论上分析,该方法能够高效地探测船舶活动热点海域。利用真实AIS数据进行实验,并从不同海域和算法运行效率两个方面对实验结果进行了对比分析,结果表明该算法具有有效的探测结果和较高的处理效率,验证了理论分析的正确性。     

SAR插补CCD缺失数据算法及其应用检验

提出了一种利用SAR插补因云遮挡导致CCD数据缺失的算法。通过分析云及其阴影的光谱特征,设计出云及其阴影的提取模型,并运用CCD和SAR之间匹配转化算法和有云影响像元的替换运算,得到插补后的新CCD数据。利用高光谱数据反演海面盐度算法所得海面盐度与实测海面盐度做相关性比较分析对本缺失数据插补算法进行检验。结果表明:研究海域中缺失数据区域的海盐反演精度为R²=0.8441,RMSE=0.7031,即SAR插补CCD缺失数据算法具有较强的可靠性和多源遥感数据兼容性,一定程度上恢复了噪声下垫面的实际情况,可以用于融合多传感器生成时空完整、高精度的数据产品。     

一种针对Windsat极化辐射计的海面风场反演方法

星载极化微波辐射计(Windsat)是美国于2003年1月6日发射的全球第一颗星载极化微波辐射计卫星,目的是为了验证极化辐射计在卫星上遥感海面风场的能力。针对Windsat在轨运行期间的数据,研究了风场反演的海洋和大气算法,进行了全球海面风场的反演,同时反演出其它地球物理参数。最后利用同步的其它数据对反演结果进行了验证。本文在极化辐射计风场反演方法和算法研究方面做了初步的尝试。     

云计算环境下格陵兰海盐度数据提取算法研究

海洋盐度与海洋浮游植物和海洋温度具有紧密联系,是研究海洋环流和海洋对气候影响的重要参量。以美国NOAA全球海洋信息数据库为数据来源,以经度65°N-85°N、维度20°W-10°E之间的北极格陵兰海地区为研究区域,详细讨论盐度数据的提取,提出时间复杂度为O(n)的盐度数据分步归并算法。利用微软Azure公有云按需付费、动态扩展的特点,获取廉价、便捷的计算资源,大大提升了计算效率。该算法具有很强的可扩展性,可以根据实际计算需求动态调整所需的计算资源,从而能满足不同计算规模的需求。实验结果表明,该算法可以对海量原始盐度数据进行快速分析和归并,生成经纬度、时间、盐度三个维度上的数据。     

基于Triple-Collocation方法的微波遥感土壤水分产品不确定性分析及数据融合

微波遥感可以获取大范围的地表土壤水分信息,以及由此得到全球尺度的土壤水分产品。但由于传感器观测配置和反演方法等诸多因素的影响,使得不同的土壤水分产品在精度和可靠性方面存在差异。基于Triple-Collocation（TC）方法,在青藏高原那曲地区的0.25°×0.25°和1.0°×1.0°两个空间尺度上对AMSR2、SMAP和SMOS 3种土壤水分遥感产品进行不确定性分析,开展基于随机误差的数据融合算法研究。研究结果表明:不同遥感产品间的随机误差在空间分布上存在显著的不一致性,使得应用传统的算术平均方法进行数据融合不具有普适性。基于此不确定性,对3种产品配赋相应的权重进行融合,相比于3种土壤水分原始数据集,融合产品不仅具有更丰富的数据量,也会对数据精度有所改善。当遥感产品间的随机误差接近时,等权重和优化权重的融合结果非常接近;当遥感产品间的随机误差差异较大时,基于不确定性的数据融合方法相比等权重方法可以明显的提高融合数据的精度。     

北大西洋海表风速变化趋势

文章使用交叉校准的多平台(CCMP)风数据,采用变分分析法(VAN),计算北大西洋海表风速在32年(1987年7月至2019年4月)的逐年变化趋势,对北大西洋海域海表风场的季节特征、变化趋势进行研究,为全球气候变化分析,海上风能资源开发,海洋相互作用以及海面风速和风速发生的中长期预测提供参考帮助。     

基于Triple-Collocation方法的微波遥感土壤水分产品不确定性分析及数据融合

微波遥感可以获取大范围的地表土壤水分信息，以及由此得到全球尺度的土壤水分产品。但由于传感器观测配置和反演方法等诸多因素的影响，使得不同的土壤水分产品在精度和可靠性方面存在差异。基于Triple-Collocation（TC）方法，在青藏高原那曲地区的0.25°×0.25°和1.0°×1.0°两个空间尺度上对AMSR2、SMAP和SMOS 3种土壤水分遥感产品进行不确定性分析，开展基于随机误差的数据融合算法研究。研究结果表明:不同遥感产品间的随机误差在空间分布上存在显著的不一致性，使得应用传统的算术平均方法进行数据融合不具有普适性。基于此不确定性，对3种产品配赋相应的权重进行融合，相比于3种土壤水分原始数据集，融合产品不仅具有更丰富的数据量，也会对数据精度有所改善。当遥感产品间的随机误差接近时，等权重和优化权重的融合结果非常接近；当遥感产品间的随机误差差异较大时，基于不确定性的数据融合方法相比等权重方法可以明显的提高融合数据的精度。     

基于Triple-Collocation方法的微波遥感土壤水分产品不确定性分析及数据融合

微波遥感可以获取大范围的地表土壤水分信息,以及由此得到全球尺度的土壤水分产品。但由于传感器观测配置和反演方法等诸多因素的影响,使得不同的土壤水分产品在精度和可靠性方面存在差异。基于Triple-Collocation(TC)方法,在青藏高原那曲地区的0.25°×0.25°和1.0°×1.0°两个空间尺度上对AMSR2、SMAP和SMOS 3种土壤水分遥感产品进行不确定性分析,开展基于随机误差的数据融合算法研究。研究结果表明:不同遥感产品间的随机误差在空间分布上存在显著的不一致性,使得应用传统的算术平均方法进行数据融合不具有普适性。基于此不确定性,对3种产品配赋相应的权重进行融合,相比于3种土壤水分原始数据集,融合产品不仅具有更丰富的数据量,也会对数据精度有所改善。当遥感产品间的随机误差接近时,等权重和优化权重的融合结果非常接近;当遥感产品间的随机误差差异较大时,基于不确定性的数据融合方法相比等权重方法可以明显的提高融合数据的精度。     

基于自适应加权平均的水色遥感数据融合

水色遥感数据在海洋生产力评估、海洋污染监测等领域中应用广泛,但是受云雨天气、太阳耀斑、纬度位置、轨道间隙的影响,单一的水色遥感数据日均覆盖率只能达到10%～15%甚至更少,导致水色遥感技术在海洋领域的应用受到限制。水色遥感数据融合通过对不同水色传感器数据进行整合,使融合数据比单一传感器数据具有更好的空间覆盖和时间覆盖。选择中国东海为研究区域,首先对不同水色传感器的叶绿素浓度数据进行比较,证明同一天不同传感器数据一致性良好,在空间覆盖上既互相重叠又形成互补关系,保证了数据融合的可行性。在业务化运行的加权平均算法的基础上,提出了利用窗口中各数据源有效像元所占的比例来确定其对应权值的自适应加权平均融合算法。目视判别和统计分析结果表明,该算法能够较好地保持源数据细节特征,保证不同数据覆盖区域间的数据连续性,降低数据源噪声,提高数据空间覆盖率和置信度。     

基于XGBoost-PredRNN++的海表面温度预测

准确预测海表面温度对于海洋渔业生产、海洋动力环境信息预测预报等至关重要.传统数值预报方法计算代价大、时效差,而现有基于数据驱动的海表温预测方法大都针对单个观测点进行海表温预测,不适合预测由多个观测点构成的某个区域的海表面温度,而现有的区域海表温预测方法的预测精度仍然有待提高.为此,本文提出了一种基于XGBoost结合PredRNN++的区域海表温预测方法 (XGBoost-PredRNN++),该方法首先将海表面温数据处理成灰度图片,然后利用XGBoost模型来提取每个点的时间特征;在此基础上,采用CNN网络将时间特征融合到原始海表温数据中,同时提取出海表温数据之间的空间依赖关系;最后利用PredRNN++时间序列预测模型提取整个海表温序列之间的时空关联关系,从而实现了区域海表温度的高精度预测.一系列实验结果表明,本文提出的方法具有较高预测精度和效率,明显优于现有预测方法.     

三维海面计算机仿真

为海洋微波遥感器提供预研阶段的海面仿真数据,本文首先从经验的涌浪谱和风浪谱出发,利用傅立叶变换仿真了三维海面。结果表明,用这种方法可以模拟真实的海面。     

卫星遥感海面风场的进展

空间技术的发展使得卫星遥感成为获取海面风速信息的重要手段。对卫星微波遥感海面风场的各种传感器的性能、特点等作了较全面地评述,并指出了卫星微波遥感信息的复合分析和数值同化将是获取海面风场的两个主要方法。     

基于现场观测数据的卫星雷达高度计海面风速和有效波高真实性检验方法研究

卫星遥感产品定量化应用前需通过真实性检验。卫星雷达高度计可观测海面风速大小和有效波高等海洋动力环境参数,而对其进行真实性检验存在不同的时空匹配方法。使用3种不同的时空匹配方法,利用美国国家浮标数据中心(NDBC)现场观测数据对2011年的Jason2海面风速和有效波高产品进行了检验。Jason2海面风速大小和有效波高的均方根误差分别为1.28 m/s和0.28 m,同时结果表明:采用卫星高度计海面风速大小(有效波高)和同步的现场观测数据在一定时间(1 h)和空间(50 km)限制条件下进行对比检验,可以得到合理的高度计海面风速大小和有效波高精度评价结果。 Jason2卫星高度计海面风速大小和有效波高的精度与探测海域有关,其精度在墨西哥湾与西大西洋海域相对较高。     

Remote-sensing observations of Typhoon Soulik (2013) forced upwelling and sediment transport enhancement in the northern Taiwan Strait

The Taiwan Strait plays an important role in water and sediment exchange between the East China Sea and the South China Sea. On 13 July 2013, Typhoon Soulik crossed the Taiwan Strait, causing a significant impact on the strait’s marine system. In this article, we document the use of remote-sensing data to study this impact by comparing sea surface temperature (SST), spatial distributions and concentrations of chlorophyll (Chl-a), and total suspended matter (TSM) in the strait over different time periods. During and after the typhoon, the TSM of the waters near the Minjiang estuary dramatically increased, while Chl-a and SST significantly decreased. To the southeast of Pingtan Island, the SST decreased and Chl-a significantly increased, causing strong upwelling that lasted eight to ten days. To the northwest of Taiwan Island, Chl-a and the TSM of the coastal waters dramatically increased. The strong cyclonic wind-stress of the typhoon enhanced heat exchange between the water and the atmosphere, and a large amount of rainfall and run-off significantly decreased the SST. During the typhoon, the increased sediment discharged into the strait by rivers, and the re-suspension of seafloor sediment, increased the concentration of TSM in the coastal waters. Seawater with relatively high sediment concentration was transported to the middle of the strait after being carried by wind-induced flows. In the waters near the typhoon’s path, especially in the upwelling area, nutrient-rich bottom water stirred by the typhoon promoted an outbreak of aquatic organisms and significantly increased the probability of a red tide occurrence.     

Typhoon eye extraction with an automatic SAR image segmentation method

Spaceborne microwave synthetic aperture radar (SAR), with its high spatial resolution (10–100 m), large area coverage, and day/night imaging capability, has been used as an important tool for typhoon monitoring. Since the microwave signal can penetrate through clouds, SAR images reveal typhoon morphology at the sea surface. Within the region of a typhoon eye, wind speed and the associated sea surface roughness are usually low. Therefore, the typhoon eye can be well distinguished as dark areas in SAR images. However, automatic typhoon eye extraction from SAR images is hampered by SAR image speckle noise and other false-alarm dark features contained in an image. In this study, we propose an image processing approach to extract typhoon eyes from SAR images. The three-step image processing includes: (1) applying an extended non-local means image denoizing algorithm to reduce image speckle noise; (2) applying a top-hat transform to denoized imagery to enhance the contrast; and (3) using a labelled watershed to segment the typhoon eye. Experimental results from analysing three Environmental Satellite SAR typhoon images show that our approach provides fast and efficient SAR image segmentation for typhoon eye extraction. Typhoon eyes are segmented correctly, and their edges are well detected. Our experimental results are comparable to manually extracted typhoon eye information. Fine-tuning of this approach will provide an automatic tool for typhoon eye information extraction from SAR images.     

同化FY-3C/MWHTS观测资料反演的海面气压场对台风数值预报的影响

由中国风云三号C星（FY-3C）搭载的微波温湿探测仪（MWHTS）的亮温观测资料能够实时反演得到高分辨率、高精度的海面气压场。基于三维变分同化方法将FY-3C/MWHTS观测资料反演的海面气压场同化进入中尺度天气研究与预报（Weather Research and Forecasting, WRF）模式,以台风“Maria”和“Noru”为例,通过控制实验和同化试验的对比分析,探讨了同化反演的海面气压场对台风数值预报的影响。初始化敏感性试验结果表明,同化海面气压场使初始时刻台风中心气压与位置更接近实况,并且调整了台风初始温度场和风场的结构和分布。台风的数值预报结果表明:同化反演的海面气压场能够改进台风的路径和强度预报精度。     

Influence of Assimilating the Sea Surface Pressure Fields Retrieved from FY-3C/MWHTS Data on Typhoon Forecasting

Using measurements with the Microwave Temperature and Humidity Sounder (MWHTS) onboard the Chinese Fengyun-3C satellite, real-time and high resolution sea surface pressure information can be retrived. Based on the three-dimensional variational assimilation (3DVAR) method, the retrieved sea pressure fields from FY-3C/MWHTS observations are assimilated into the Weather Research and Forecasting (WRF) model. The influence of the retrieved pressure fields on typhoon forecasting is discussed through the comparison between control experiment and assimilation experiment. Sensitivity experiments of typhoon Maria and Noru show that the assimilation of sea surface pressure fields makes the central pressure and central location closer to the actual value, and adjusts the structure and distribution of initial temperature fields and wind fields. The numerical prediction results show that the assimilation of the sea surface pressure fields can improve the accuracy of typhoon track and intensity prediction.