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海洋科学进展 2022年第3期40卷 351-366页

作者：谢涛赵立南京信息工程大学遥感与测绘工程学院江苏南京210044 青岛海洋科学与技术试点国家实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室山东青岛266237 南京信息工程大学海洋科学学院江苏南京210044

海冰密集度是海冰的重要参数之一,在冰区导航、海上作业、海冰模式验证和气候模型改进等方面具有重要意义。卫星遥感具有覆盖范围广、重访周期短、成本相对低等优势,已成为获取海冰密集度的主要观测手段。本文从主被动微波遥感和光学遥... 详细信息

海冰密集度是海冰的重要参数之一,在冰区导航、海上作业、海冰模式验证和气候模型改进等方面具有重要意义。卫星遥感具有覆盖范围广、重访周期短、成本相对低等优势,已成为获取海冰密集度的主要观测手段。本文从主被动微波遥感和光学遥感的角度,回顾了现阶段海冰密集度卫星遥感反演研究进展情况,包括海冰监测传感器、海冰密集度反演算法和海冰密集度产品等。结果表明,被动微波遥感是目前获取海冰密集度的主要方式,已发展出许多成熟的业务化算法;主动微波遥感数据已成为制作冰情图的主要数据源,海冰密集度反演算法由合成孔径雷达SAR(Synthetic Aperture Radar)图像分类向深度学习算法发展;光学遥感海冰密集度算法较为成熟,但受限于云层和夜晚限制,其反演结果多用于其他海冰密集度产品的验证。受传感器硬件限制,3种观测手段各有其长处与不足。为获得高精度、高时空分辨率的海冰密集度数据,开展多源数据融合研究是解决传感器性能瓶颈的有效手段。大数据时代,基于深度学习的海冰密集度卫星遥感反演技术快速发展,需要深度融入海冰密集度卫星遥感领域知识。海冰密集度卫星遥感反演应着力于海冰预报服务,致力于提高我国的海冰预报能力。

关键词：海冰密集度卫星遥感微波遥感光学遥感

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区域气候模式对长江中下游梅雨的数值模拟:积云对流参数化方案和水平分辨率的影响

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大气科学 2024年第6期48卷 2178-2200页

作者：李昊谦王璐陈林孙明葛子安程一峰张荣华南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心/气候与环境变化国际合作联合实验室南京210044 青岛海洋科学与技术试点国家实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室山东青岛266237 南京信息工程大学海洋科学学院南京210044

本文研究了区域气候模式RegCM4.7对长江中下游梅雨期降水的模拟技巧,聚焦不同积云对流参数化方案、水平分辨率、微物理方案和陆面模式对梅雨降水模拟的影响及可能原因。基于区域模式中积云对流参数化方案、水平分辨率、微物理方案和陆... 详细信息

本文研究了区域气候模式RegCM4.7对长江中下游梅雨期降水的模拟技巧,聚焦不同积云对流参数化方案、水平分辨率、微物理方案和陆面模式对梅雨降水模拟的影响及可能原因。基于区域模式中积云对流参数化方案、水平分辨率、微物理方案和陆面模式的不同配置组合,本研究共开展了96组成员试验,分析了不同模式配置方案下2020年超强梅雨个例以及1990~2020多年长江中下游梅雨期降水的模拟性能。结果发现:RegCM4.7模式在长江中下游梅雨期降水模拟方面具有一定技巧,其中积云对流参数化方案的选取对模拟结果影响较大,Tiedtke方案对梅雨降水的模拟技巧相对较高,而Grell方案相对较低。分析发现Tiedtke方案能够更合理地再现对流降水以及对流降水与层状云降水的比率,这可能是导致该方案对梅雨降水整体模拟效果较好的原因。进一步地,水平分辨率对梅雨期降水模拟的影响与地形因素有关,低水平分辨率(60 km)试验在复杂地形区域表现出显著的降水湿偏差,随着水平分辨率的提高,复杂地形带来的降水湿偏差可以明显减小。研究发现,在低分辨率试验中,中尺度对流系统(MCS)降水被长时间地锢囚在山区陡峭地形处,这将导致长时间尺度上的平均降水表现出湿偏差;而高分辨率试验能够更好地刻画复杂地形区域MCS从午后生成并逐渐向东传播的日变化特征,进而合理地再现梅雨期平均降水。最后,RegCM4.7中的微物理方案和陆面模式的选取对降水的模拟影响不大。综上,一系列数值试验结果表明区域气候模式RegCM4.7对包括2020年超强梅雨个例在内的长江中下游梅雨期降水具有较好的模拟技巧,相较而言,当RegCM4.7模式采用Tiedtke积云对流参数化时梅雨降水整体模拟技巧相对最佳,若更关注复杂地形区域的降水可考虑采用高水平分辨率配置。

关键词：梅雨模拟 RegCM4区域模式积云对流参数化方案模式分辨率 2020超强梅雨

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平衡悬沙剖面的新指数公式

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水科学进展 2015年第3期26卷 388-395页

作者：宋志尧程晨南京师范大学大规模复杂系统数值模拟江苏省重点实验室江苏南京210023 江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心江苏南京210023 南京信息工程大学海洋科学学院江苏南京210044

基于扩散理论,分析了国内外主要平衡悬沙剖面公式自由面边界条件内在的不合理性及其原因,并结合常数型和线性型悬沙扩散系数的分布特征,应用几何平均法建立了平方根型的悬沙扩散系数表达式,推得了平衡悬沙剖面的新指数公式。通过收集、... 详细信息

基于扩散理论,分析了国内外主要平衡悬沙剖面公式自由面边界条件内在的不合理性及其原因,并结合常数型和线性型悬沙扩散系数的分布特征,应用几何平均法建立了平方根型的悬沙扩散系数表达式,推得了平衡悬沙剖面的新指数公式。通过收集、整理与分析大量水槽与河流实测悬沙资料,对提出的悬沙扩散系数和平衡悬沙剖面公式与van Rijn公式、张红武公式进行了分析比较。研究结果表明,新指数公式不仅对平衡悬沙剖面的刻画精度较高,而且具有表达式特别简洁、床面含沙量为有限定值和可直接解析积分的特点,既利于理论分析,又便于工程应用。

关键词：水面边界条件扩散系数悬沙剖面指数函数

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基于机器学习订正模型的未来百年全球海表温度预估研究

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气候变化研究快报 2020年第4期9卷 270-284页

作者：匡志远宋振亚董昌明南京信息工程大学海洋科学学院江苏南京自然资源部第一海洋研究所山东青岛青岛海洋科学与技术国家实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室山东青岛自然资源部海洋环境科学与数值模拟重点实验室山东青岛南京信息工程大学海洋数值模拟与观测实验室江苏南京

经过半个多世纪的发展,气候模式已成为理解气候变化机理和预测预估未来气候不可或缺的工具,然而由于其对气候变化的模拟能力仍存在一定的不足,这影响了气候预测预估的精准性。基于机器学习的订正模型在天气预报和气候预测预估等方面的... 详细信息

经过半个多世纪的发展,气候模式已成为理解气候变化机理和预测预估未来气候不可或缺的工具,然而由于其对气候变化的模拟能力仍存在一定的不足,这影响了气候预测预估的精准性。基于机器学习的订正模型在天气预报和气候预测预估等方面的探索性研究中表现出了较好的应用潜力。本文基于集合经验模态分解(Ensemble Empirical Mode Decomposition, EEMD)和BP (Back Propagation)神经网络发展了气候模式全球月平均海表温度(Sea Surface Temperature, SST)的订正模型,基于历史观测数据和气候模式FIO-ESM v2.0参与第六次国际耦合模式比较计划(Coupled Model Intercom-parison Project 6, CMIP6)的历史试验结果确定了模型参数,进而对该模式三种排放情景(SSP1-2.6、SSP2-4.5和SSP5-8.5)的未来百年全球月平均SST开展了预估订正。结果表明:采用本文建立的机器学习订正模型,能够有效降低历史试验的模拟偏差,均方根误差由0.401℃降至0.096℃,平均绝对偏差由0.338℃降至0.077℃,相关系数由0.33提升到了0.95。经过订正后,未来三种排放情景下的全球平均SST增温趋势分别为0.424℃/100a、1.325℃/100a和3.185℃/100a,本世纪末20年(2081~2100)年平均的全球平均SST较最近20年(1995~2014)将分别升温0.608℃、1.183℃和2.409℃。

关键词：机器学习订正模型海表面温度 FIO-ESM v2.0 未来预估

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基于地球系统模式FIO-ESM v2.0对1850~2014年大西洋经向翻转环流变化的研究

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海洋与湖沼 2022年第3期53卷 538-556页

作者：曹茜董昌明夏长水南京信息工程大学海洋科学学院江苏南京210044 南方海洋科学与工程广东省实验室广东珠海519000 自然资源部第一海洋研究所山东青岛266061 青岛海洋科学与技术试点国家实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室山东青岛266237

大西洋经向翻转环流(Atlantic meridional overturning circulation,AMOC)作为全球大洋的极向热量输送带,对大西洋附近区域的天气及全球气候变化都存在至关重要的影响。采用自然资源部第一海洋研究所研发的地球系统模式FIO-ESM v2.0(Fir... 详细信息

大西洋经向翻转环流(Atlantic meridional overturning circulation,AMOC)作为全球大洋的极向热量输送带,对大西洋附近区域的天气及全球气候变化都存在至关重要的影响。采用自然资源部第一海洋研究所研发的地球系统模式FIO-ESM v2.0(First Institute of Oceanography-earth system model version 2.0)分析了1850~2014年AMOC的空间分布特征及时间变化规律,并进一步讨论造成该变化的可能因素。研究结果表明:1850~2014年AMOC最大值出现在40°N、1000 m深度附近,其时间序列总体呈现-0.0791×10^(6)m^(3)/(s·a)的减弱趋势,该期间伴随着Labrador、Irminger海域冬季混合层深度的变浅。通过将模式计算的AMOC强度与RAPID(rapid climate change programme)和OSNAP(overturning in the subpolar North Atlantic program)观测资料进行对比,结合模式间并行比较结果显示该模式能较好地再现观测数据期间的AMOC变化规律。FIO-ESM v2.0模式模拟的AMOC具有55 a左右的年代际周期,Labrador、Irminger海域冬季混合层深度变化揭示的对流变化以及Labrador、GIN海域表层海水密度变化造成的海水下沉对AMOC强度的周期性振荡贡献较明显,其周期性变化与海表盐度(sea surface salinity,SSS)、海表温度(sea surface temperature,SST)、蒸发与降水的差值、北大西洋涛动(North Atlantic oscillation,NAO)等要素的变化密切相关。

关键词：大西洋经向翻转环流(Atlantic meridional overturning circulation,AMOC) FIO-ESM v2.0模式 AMOC指数

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影响江南春雨年际变化的前期海洋信号及可能机理

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大气科学 2017年第2期41卷 395-408页

作者：胡雅君刘屹岷吴琼王晓春中国科学院大气物理研究所大气科学与地球流体力学数值模拟国家重点实验室北京100029 中国科学院大学北京100049 南京信息工程大学海洋科学学院南京210044

基于诊断,本文计算了1982~2014年江南春雨的开始时间、结束时间和总降水量,分析了江南春雨的气候特征和年际变化,探讨了前冬Nino3.4区域海温异常与江南春雨的联系及可能机理。结果表明,江南春雨的起止时间和总降水量都具有显著的年际变... 详细信息

基于诊断,本文计算了1982~2014年江南春雨的开始时间、结束时间和总降水量,分析了江南春雨的气候特征和年际变化,探讨了前冬Nino3.4区域海温异常与江南春雨的联系及可能机理。结果表明,江南春雨的起止时间和总降水量都具有显著的年际变化,前冬赤道东太平洋海温与江南春雨总量存在显著的正相关。前冬Nino3.4指数为正时,一方面通过Walker环流在赤道120°E附近区域激发出异常下沉运动以及低层异常反气旋,增强了南海地区低层西南气流以及水汽输送,另一方面与东太平洋海温变化相联系的印度洋增暖在赤道印度洋引发低层东风和孟加拉湾北部反气旋环流异常,进一步增强了江南地区的水汽输送;高层南亚地区则存在西风异常,对应江南上空辐散和抽吸作用加强,导致上升运动进一步增强,使得江南春雨总量增加;前冬Nino3.4指数为负时则次年春雨偏少;并且前冬El Ni?o事件的强度对春雨异常也有影响,前冬El Ni?o强(弱)的年份,海温异常的信号能(不能)持续到春季,江南春雨总量通常偏多(偏少)。另外,加入了前冬南极涛动指数和印度洋海盆一致模所建立的江南春雨总量的多元线性回归方程,其回归结果比基于单独的Nino3.4指数能更好地反映江南春雨的异常,可用于季节预测。

关键词：江南春雨年际变化 Nino3.4指数 El Nino强度季节预测

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两个大气环流模式SAMIL和BCC_AGCM对北半球冬季极涡振荡的模拟对比

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大气科学 2012年第6期36卷 1191-1206页

作者：刘玉镇任荣彩何编中国海洋大学海洋环境学院青岛266100 中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室北京100029 南京信息工程大学南京210044

基于与NCEP再分析资料的比较,本文利用大气环流模式SAMIL和北京气候中心大气环流模式BCC_AGCM的1950～1999年的AMIP试验模拟数据,对北半球冬季环流及平流层极涡振荡的模拟性能进行了评估分析。结果表明两个模式都可以再现北半球环流基... 详细信息

基于与NCEP再分析资料的比较,本文利用大气环流模式SAMIL和北京气候中心大气环流模式BCC_AGCM的1950～1999年的AMIP试验模拟数据,对北半球冬季环流及平流层极涡振荡的模拟性能进行了评估分析。结果表明两个模式都可以再现北半球环流基本型以及环流振荡的主导模态。对冬季气候平均态的模拟,两个模式模拟的热带—热带外温度梯度均偏大,极夜急流偏强,极涡偏冷偏强;100～20hPa平均位势高度场谐波分析表明两个模式模拟的行星波偏弱;气候平均的10hPa极夜急流均存在1个月的季节漂移,200hPa副热带西风急流较NCEP偏弱。两个模式模拟的环流变化的主导模态均代表极涡振荡,SAMIL极涡振荡的强度大于BCC_AGCM,BCC_AGCM极涡振荡的频率要高于SAMIL。连续功率谱分析表明,NCEP资料中极涡振荡存在4.6个月的显著周期,相应地,SAMIL中为5.5个月的显著周期,BCC_AGCM中为4.8个月。NCEP资料中的极涡振荡主要发生在12～3月,SAMIL模拟的极涡振荡主要发生在2～3月,BCC_AGCM模拟的极涡振荡主要发生在2～4月。

关键词： SAMIL BCC_AGCM 平流层极涡振荡

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一种用于观测北极海冰侧边界融化的水下超声波测距系统

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仪表技术与传感器 2018年第9期 45-50页

作者：方贺谢涛杜路遥赵立南京信息工程大学海洋科学学院江苏南京210044 南京信息工程大学遥感与测绘工程学院江苏南京210044 青岛海洋科学与技术国家实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室山东青岛266000 武汉理工大学自动化学院湖北武汉430000

为了获取北极海冰融化速率以及侧向剖面的声-光反射特征,文中设计了一种基于超声波传感器的水下测距系统。该系统通过RS485总线与水下超声波传感器传递数据,利用SD卡存储数据并通过SBD数传终端上传数据至绑定邮箱。文中首先了介绍了仪... 详细信息

为了获取北极海冰融化速率以及侧向剖面的声-光反射特征,文中设计了一种基于超声波传感器的水下测距系统。该系统通过RS485总线与水下超声波传感器传递数据,利用SD卡存储数据并通过SBD数传终端上传数据至绑定邮箱。文中首先了介绍了仪器的设计原理、硬件设备以及软件系统,随后在封闭实验室环境下进行了水下测距实验,其最大误差为5 mm,与实际测量值相比具有良好的一致性。为了验证系统的性能,在融冰期的乌梁素海区域进行了水下测距实验,并与人工实测距数据比较,实验结果表明,超声波水下测距平均绝对误差为14 mm,符合实际应用要求。

关键词：超声波测距监测海冰融化

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基于C-2PO模型和CMOD5.N地球物理模式函数的SAR风速反演性能评估

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海洋学报 2018年第9期40卷 103-112页

作者：方贺谢涛周育锋杨劲松赵立何宜军 William.Perrie 南京信息工程大学海洋科学学院江苏南京210044 青岛海洋科学与技术试点国家实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室山东青岛266237 南京信息工程大学遥感与测绘工程学院江苏南京210044 北京应用气象研究所北京100029 国家海洋局第二海洋研究所卫星海洋环境动力学国家重点实验室浙江杭州310012 Fisheries&Oceans Canada Bedford Institute of OceanographyDartmouthNova ScotiaB2Y 4A2Canada

本文选取142幅RADARSAT-2全极化合成孔径雷达(SAR)影像,在没有入射角输入的情况下,首先利用C-2PO模型进行海面风速反演。随后,将同一时空下的ASCAT散射计风向作为初始风向,提取相应雷达入射角,利用地球物理模式函数(GMF)CMOD5.N对142幅... 详细信息

本文选取142幅RADARSAT-2全极化合成孔径雷达(SAR)影像,在没有入射角输入的情况下,首先利用C-2PO模型进行海面风速反演。随后,将同一时空下的ASCAT散射计风向作为初始风向,提取相应雷达入射角,利用地球物理模式函数(GMF)CMOD5.N对142幅SAR影像进行风速计算。反演结果与美国国家资料浮标中心海洋浮标风速数据对比,结果显示:CMOD5.N GMF和C-2PO模型均可反演出较高精确度的海面风速,其均方根误差分别为1.68 m/s和1.74 m/s。此外,研究发现,在低风速段,CMOD5.N GMF的风速反演精度要明显优于C-2PO模型。针对这一现象,本文以SAR系统成像机理为基础,以低风速SAR图像为具体案例,给出了3种造成这一现象的原因。

关键词：全极化合成孔径雷达海面风速交叉极化地球物理模式函数反演

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基于自组织映射的日本南部黑潮与黑潮延伸体的典型时空模态及其因果关系研究

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海洋学报 2022年第9期44卷 38-54页

作者：吴友婷杨洋梁湘三自然资源部第一海洋研究所海洋环境科学与数值模拟重点实验室山东青岛266061 南京信息工程大学海洋科学学院江苏南京210044 厦门大学海洋与地球学院福建厦门361102 复旦大学大气与海洋科学系上海200438 复旦大学IRDR极端天气气候与健康风险互联和治理国际卓越中心上海200438

过去的研究认为,黑潮延伸体的年代际振荡受来自其下游的太平洋年代际振荡(PDO)相关联的信号主导,但最近的观测表明这种调控机制在2017年9月之后不再成立。与此同时,黑潮延伸体的上游即日本南部黑潮正在发生一次大弯曲事件。利用26年(199... 详细信息

过去的研究认为,黑潮延伸体的年代际振荡受来自其下游的太平洋年代际振荡(PDO)相关联的信号主导,但最近的观测表明这种调控机制在2017年9月之后不再成立。与此同时,黑潮延伸体的上游即日本南部黑潮正在发生一次大弯曲事件。利用26年(1993–2018年)的卫星高度计提供的海表高度距平数据和自组织映射(SOM)方法,本文研究了日本南部黑潮与黑潮延伸体的时空模态及其因果关系。结果表明,SOM能有效地提取两个海区的典型空间模态,且它们的演变轨迹表明当日本南部黑潮处于大弯曲(离岸型非大弯曲)路径时,黑潮延伸体趋于稳定(不稳定)态。基于SOM识别得到的海表面高度距平(SLA)特征区及特征时间模态,我们进一步利用一种最近发展的定量因果分析方法研究了两个流系之间的因果关系。研究发现,当黑潮大弯曲发生时,日本南部黑潮和黑潮延伸体之间存在双向因果,但因果关键区不同。前者对后者的影响集中在纪伊半岛东南侧及黑潮延伸体“两脊一槽”区域,而后者对前者的影响则集中在黑潮延伸体“两脊一槽”区域及黑潮再循环流区域。这说明黑潮大弯曲的发展对黑潮延伸体的稳定性有重要作用,同时黑潮延伸体通过调制南部再循环流影响日本南部黑潮的路径。不同的是,当离岸型非大弯曲路径发生时,只有从日本南部黑潮向黑潮延伸体的单向因果关系,且因果性主要集中在伊豆海脊及再循环流区域。这与该时期海表高度负异常沿日本南岸不断向位于下游的黑潮延伸体再循环流的传播有关,它使得黑潮延伸体变得不稳定。

关键词：黑潮大弯曲黑潮延伸体自组织映射因果分析信息流

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