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海洋科学进展 2023年第3期41卷 420-434页

作者：王泽宇江兴杰华锋杨永增自然资源部第一海洋研究所山东青岛266061 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266061 山东省海洋环境科学与数值模拟重点实验室山东青岛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 汕头大学理学院广东汕头515063

当前,基于第三代海浪模式的波-流相互作用研究,通常仅考虑背景流场对海浪群速度大小、方向的改变及其所引起的波浪折射效应,忽略了流场对波浪能谱的影响。本文以波-流相互作用源函数为切入点,利用MASNUM海浪模式进行理想实验,阐释了水... 详细信息

当前,基于第三代海浪模式的波-流相互作用研究,通常仅考虑背景流场对海浪群速度大小、方向的改变及其所引起的波浪折射效应,忽略了流场对波浪能谱的影响。本文以波-流相互作用源函数为切入点,利用MASNUM海浪模式进行理想实验,阐释了水平方向上的波-流相互作用对海浪能谱的改变以及对海浪模拟可能造成的影响。结果表明:水平流速梯度量级、水深、波浪成长状态以及流速梯度方向均可以影响波-流相互作用源函数的作用效果,使得有效波高、谱峰波向的模拟结果发生变化。在更符合实际的水平流速梯度量级下,波-流相互作用源函数对有效波高和谱峰波向模拟值的影响非常小;但考虑到涌浪的长距离传播,其对谱峰波向的影响仍可能明显改变涌浪的传播形态。

关键词：波-流相互作用源函数流速梯度海浪数值模拟 MASNUM海浪模式

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天文大潮对南海北部浮游动物生物量的影响

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海洋科学进展 2023年第1期41卷 123-134页

作者：刘明东杨光兵熊学军陈亮宫庆龙自然资源部第一海洋研究所山东青岛266061 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266061 山东省海洋环境科学与数值模拟重点实验室山东青岛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 中国海洋大学海洋与大气学院山东青岛266100

基于2020年8月至11月在南海北部获取的声学多普勒流速剖面仪观测数据,利用后向散射强度数据估算得到相对体积散射强度并用其表征浮游动物生物量的相对大小,对相对体积散射强度的半月变化与具有半月周期的潮流动能进行相关性分析,进而分... 详细信息

基于2020年8月至11月在南海北部获取的声学多普勒流速剖面仪观测数据,利用后向散射强度数据估算得到相对体积散射强度并用其表征浮游动物生物量的相对大小,对相对体积散射强度的半月变化与具有半月周期的潮流动能进行相关性分析,进而分析天文大潮对声学估算的浮游动物生物量的影响。结果表明:半月周期的相对体积散射强度与潮流动能之间呈负相关关系,即天文大潮时,潮流动能较强,水体相对体积散射强度较低,浮游动物生物量则较小,天文小潮时则情况相反。初步推测其原因为:天文大潮时,强潮流一方面导致浮游动物生存环境恶化,使其生物量下降,另一方面也改变了浮游动物垂直迁移特性,浮游动物迁移到近海底处使其难以被观测。

关键词：天文大潮南海北部浮游动物生物量半月变化昼夜垂直迁移

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应用Attention-LSTM算法预测赤道太平洋浮标观测站位海表温度的方法

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海洋科学进展 2023年第2期41卷 207-219页

作者：邱钰丁军航徐腾飞官晟青岛大学自动化学院山东青岛266071 自然资源部第一海洋研究所山东青岛266061 山东省工业控制技术重点实验室山东青岛266071 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266061 山东省海洋环境科学与数值模拟重点实验室山东青岛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

ENSO(El Nino/Southern Oscillation)是发生在赤道东太平洋海域重要的海气耦合现象,在全球气候变化中起着重要作用。当热带太平洋东部的海表温度(Sea Surface Temperature,SST)出现连续5个月以上的异常升温/降温现象,就会产生厄尔尼诺现... 详细信息

ENSO(El Nino/Southern Oscillation)是发生在赤道东太平洋海域重要的海气耦合现象,在全球气候变化中起着重要作用。当热带太平洋东部的海表温度(Sea Surface Temperature,SST)出现连续5个月以上的异常升温/降温现象,就会产生厄尔尼诺现象/拉尼娜现象。因此,研究和预测这一区域的SST动态具有重要的科学意义。本文采用输入层附加Attention机制的长短时记忆(Long Short-Term Memory,LSTM)神经网络(Attention-LSTM)模型,对多时段、多站位的热带太平洋观测浮标站位获取的厄尔尼诺年和拉尼娜年的SST数据进行一年的预测。研究发现:实验站位SST预测中,LSTM算法的均方误差在0.5℃左右,而Attention-LSTM算法的均方误差均不超过0.31℃,证明了Attention-LSTM算法的预测精度高于传统的LSTM模型;在发生ENSO现象年份的东太平洋海域不同站,Attention-LSTM算法对SST的春季预报障碍(Spring Predictability Barrier,SPB)现象也有一定的精度改善作用。

关键词：海表温度厄尔尼诺拉尼娜长短时记忆(LSTM) Attention机制春季预报障碍(SPB)

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基于相干多普勒激光雷达的斜程湍流参数反演方法研究

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大气与环境光学学报 2023年第1期18卷 1-13页

作者：陈晓敏张洪玮孙康闻吴松华中国海洋大学信息科学与工程学部海洋技术学院山东青岛266100 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

大气湍流广泛存在于大气中,其中斜程湍流对航空航天、天文观测等会产生不可忽视的影响。一方面利用相干多普勒测风激光雷达获得的高时空分辨风场探测数据,另一方面基于Kolmogorov局地均匀各项同性理论,即在惯性子区内湍流的特征只与湍... 详细信息

大气湍流广泛存在于大气中,其中斜程湍流对航空航天、天文观测等会产生不可忽视的影响。一方面利用相干多普勒测风激光雷达获得的高时空分辨风场探测数据,另一方面基于Kolmogorov局地均匀各项同性理论,即在惯性子区内湍流的特征只与湍能耗散率ε有关,将速度结构函数法应用到飞机着陆阶段下滑道扫描模式中,通过实测数据的速度结构函数与模型速度结构函数最小二乘法拟合,从而估算激光雷达扫描范围内的大气湍流参数(径向风速方差、湍流积分尺度和ε等)。根据下滑道扫描区域数据的时空分布特征,给出大气湍流参数的斜程空间分布图,并与同步观测的飞机下滑道风切变强度数据进行了对比分析,发现两者具有较好的一致性,证实了斜程湍流参数反演方法的可靠性。

关键词：相干多普勒测风激光雷达斜程大气湍流速度结构函数

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FY-3B/MWRI北极海冰密集度ASI算法反演研究

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遥感学报 2022年第11期26卷 2121-2135页

作者：李乐乐王晓雨陈海花苏洁管磊中国海洋大学信息科学与工程学部青岛266100 中国高校极地联合研究中心北京100875 中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室青岛266100 区域海洋动力学与数值模拟功能实验室青岛海洋科学与技术国家实验室青岛266071

近年来,由于“北极放大”的气候效应,使得北极海冰变化受到了越来越多的关注。而作为海冰被动微波遥感的主要参数,海冰密集度SIC(Sea Ice Concentration)能够表征海冰的主要状态,可用于指导极区走航以及进行不同尺度的海冰变化研究。通... 详细信息

近年来,由于“北极放大”的气候效应,使得北极海冰变化受到了越来越多的关注。而作为海冰被动微波遥感的主要参数,海冰密集度SIC(Sea Ice Concentration)能够表征海冰的主要状态,可用于指导极区走航以及进行不同尺度的海冰变化研究。通过该参数还可以计算出海冰面积、海冰范围等信息,对极区冰情预测以及气候变化研究具有重要意义。本研究探讨了如何利用FY-3B/MWRI(FY-3B/MicroWave Radiometer Imager)较高分辨率通道数据来反演北极地区海冰密集度。基于ASI(ARTIST(Arctic Radiation and Turbulence Interaction STudy)Sea Ice)算法,本研究通过改进算法系点值的方法反演了北极地区海冰密集度,并将反演结果与MWRI海冰密集度产品进行了对比。首先利用Aqua/MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)反射率数据获得的海冰密集度对二者进行了验证。结果表明,本研究选用的新系点值ASI算法在全部数据集范围内的平均偏差与MWRI海冰密集度产品相当,但标准偏差和均方根误差均较之明显降低,且在海冰密集度低于95%时精度远高于MWRI产品;然后将二者与不莱梅大学的SIC_UB(Sea Ice Concentration from University of Bremen)海冰密集度产品进行了对比,其中本研究反演海冰密集度与SIC_UB产品的平均偏差和标准偏差分别为3.3%和10.6%,低于MWRI产品与SIC_UB产品之间的5.9%和16.4%;最后,对本研究反演结果、MWRI产品、NSIDC/AMSR-E(National Snow and Ice Data Center/Advanced Microwave Scanning Radiometer-EOS)产品以及SIC_UB产品的日均海冰密集度和海冰面积、海冰范围进行了时间序列对比,结果表明本研究反演海冰密集度的数值在3种统计方式下均显著低于MWRI产品,且较之更接近NSIDC/AMSR-E和SIC_UB产品。本研究利用国产卫星亮温数据反演的北极地区海冰密集度具有较高空间分辨率和较高精度,有利于北极地区气候变化的长时间序列研究。

关键词：海冰密集度 ASI算法 FY-3B/MWRI Aqua/AMSR-E Aqua/MODIS 北极

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基于传输函数标准形态模式的海洋涡旋温盐和压力异常三维结构交互可视化

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海洋通报 2023年第6期42卷 617-630页

作者：田丰林程亚强刘巍马颖陈戈中国海洋大学海洋技术学院深海圈层与地球系统前沿中心山东青岛266100 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 青岛市计量技术研究院山东青岛266000

随着海洋观测技术和海洋数值模拟技术的发展,海洋学家已经能够获取海量的时空连续的海洋数据。但目前人们对于三维海洋大数据缺乏高效的交互可视探索手段,因此,利用科学可视化技术展现海洋数据,以及更深一步地挖掘时空数据规律是建立对... 详细信息

随着海洋观测技术和海洋数值模拟技术的发展,海洋学家已经能够获取海量的时空连续的海洋数据。但目前人们对于三维海洋大数据缺乏高效的交互可视探索手段,因此,利用科学可视化技术展现海洋数据,以及更深一步地挖掘时空数据规律是建立对海洋大数据从感知到认知的关键技术桥梁。本文利用体绘制技术从传输函数特征点数量、特征颜色映射以及表现特征的线型三个方面,设计针对海洋温盐异常数据以及压力异常数据的传输函数标准形态模式,能够直观有效地表现海洋涡旋温盐和压力异常三维结构。本文优化了球面光线投射算法,在保证绘制质量的情况下,实现了大规模海洋三维涡旋实时交互展示;同时实现了三维数据的内部漫游功能,能够更加清晰且完整地表现局部海洋涡旋的三维结构。通过可视分析发现,处于黑潮延伸体附近的气旋涡(CE,Cy⁃clone Eddy)温度异常呈“上正下负”的三维结构;由于涡旋引起的海水升降运动,部分反气旋涡(AE,Anticyclone Eddy)盐度异常呈现出“上正下负”的三维结构;相较于温盐异常结构,海洋涡旋压力异常结构轮廓更为清晰且不会出现上下不一致的情况。

关键词：温盐异常压力异常传输函数涡旋可视化三维结构

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基于YOLOv5s模型的北极气旋目标检测方法

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极地研究 2025年第1期37卷 1-10页

作者：王钰坤谢涛向儒萱毅张雪红白淑英南京信息工程大学遥感与测绘工程学院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自然资源部遥感导航一体化应用工程技术创新中心江苏省协同精密导航定位与智能应用工程研究中心

北极气旋是影响北极环境的主要天气系统之一,对其准确识别对北极航海保障具有至关重要的意义。本文基于欧洲中期天气预报中心推出的第五代大气再分析产品（ERA5）平均海平面气压数据,构建北极气旋目标检测的数据集,训练北极气旋识别的... 详细信息

北极气旋是影响北极环境的主要天气系统之一,对其准确识别对北极航海保障具有至关重要的意义。本文基于欧洲中期天气预报中心推出的第五代大气再分析产品（ERA5）平均海平面气压数据,构建北极气旋目标检测的数据集,训练北极气旋识别的深度学习目标检测You Only Look Once version5（YOLOv5s）模型,并与其他深度学习目标检测模型Single Shot Multibox Detector（SSD）、Faster R-CNN、YOLOv4进行性能的验证与比较。试验结果表明,YOLOv5s的检测精确率、平均准确率和刷新频率分别为95.26%、98.09%和64.85 s-1,刷新频率较其余4种模型中效果最好的SSD模型提高了15.65 s-1。YOLOv5s模型检测速度快、精度高且具有更好的识别能力,能够有效识别北极气旋目标,对北极气旋的识别具有较好的应用前景。因此,本文选取2021年冬季、夏季的北极气旋进行个例分析。结果显示,冬季3月8日12时产生的北极气旋生命周期为48 h,平均强度为54.62,夏季9月21日6时的气旋生命周期为84 h,平均强度为42.82,符合北极气旋生命周期夏长冬短,气旋强度冬强夏弱的特点。YOLOv5s模型为北极气旋的检测识别提供了新方法和新思路。

关键词：北极北极气旋识别 ERA5 深度学习 YOLOv5s模型

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联合UNet++和多级差分模块的多源光学遥感影像对象级变化检测

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测绘学报 2023年第2期52卷 283-296页

作者：王超王帅陈晓李俊勇谢涛南京信息工程大学电子与信息工程学院南京210044 南京信息工程大学遥感与测绘工程学院南京210044 青岛海洋科学技术国家实验室区域海洋学与数值模拟实验室青岛266237 南京信息工程大学江苏省大气环境与装备技术协同创新中心南京210044

随着传感器技术的飞速发展,基于多源光学遥感影像的变化检测已成为遥感领域中的研究热点。由于传感器成像差异,同一景象在多源光学遥感影像中通常呈现出不同的表现形式,因此面临着更加突出的“伪变化”问题。为此,本文提出了一种联合UNe... 详细信息

随着传感器技术的飞速发展,基于多源光学遥感影像的变化检测已成为遥感领域中的研究热点。由于传感器成像差异,同一景象在多源光学遥感影像中通常呈现出不同的表现形式,因此面临着更加突出的“伪变化”问题。为此,本文提出了一种联合UNet++和多级差分模块的多源光学遥感影像对象级变化检测方法。该方法首先提出了一种多尺度特征提取差分(multi-scale feature extraction difference,MFED)模块,以增强模型对“伪变化”的识别能力;在此基础上,利用UNet++网络输出的多尺度特征对变化区域进行多角度精细刻画,并提出了一种自适应证据置信度指标(adaptive evidence credibility indicators,AECI);最后结合影像分割与Dempster-Shafer(DS)理论设计了加权DS证据融合策略(weighted dempster shafer evidence fusion,WDSEF),从而实现了深度网络像素级输出至对象级结果的映射。通过对不同地区的4组高分多源光学影像数据集进行试验,并与多种先进的深度学习方法进行对比分析,结果表明:在不同空间分辨率和时相差异条件下,本文方法的总体精度(overall accuracy,OA)和F 1 score分别可达91.92%和63.31%以上,在目视分析和定量评价均显著优于对比方法。

关键词：多源光学遥感影像变化检测 UNet++ 多尺度特征提取差分自适应证据信度指标加权DS证据融合

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基于轨迹聚类的南大洋中尺度涡旋主要迁移通道提取与分析

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中国海洋大学学报（自然科学版） 2022年第6期52卷 39-49页

作者：郑杰王绚马纯永陈戈中国海洋大学信息科学与工程学院山东青岛266100 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

中尺度涡旋在世界各大洋中广泛存在,对海洋物质能量的输送以及海洋与大气间的能量交换起着重要作用。南大洋区域中尺度涡旋的活动受海底地形、流场、风场等多重因素的影响,呈现出一些独特的移动规律。为了高效、准确地得到南大洋区域中... 详细信息

中尺度涡旋在世界各大洋中广泛存在,对海洋物质能量的输送以及海洋与大气间的能量交换起着重要作用。南大洋区域中尺度涡旋的活动受海底地形、流场、风场等多重因素的影响,呈现出一些独特的移动规律。为了高效、准确地得到南大洋区域中尺度涡旋的移动特征,本文提出基于方向的轨迹时空聚类算法。首先,采用最小描述原则将涡旋轨迹按照特征点划分为多条线段;其次,在时空聚类的基础上提出阈值确定原则和方向距离的度量方法,对涡旋线段进行聚类;最后,根据聚类结果提取涡旋迁移通道。实验结果表明,45°S以北均为西向的涡旋迁移通道,45°S以南均为东向的涡旋迁移通道,这与大洋环流的流向基本一致;从涡旋迁移通道的统计特征来看,西向所包含的涡旋在南半球的夏季达到峰值,东向所包含的涡旋在冬季达到峰值,东向所包含涡旋的涡旋动能比西向高;从涡旋的性质来看,在南大洋区域,暖涡(Anticyclonic Eddy,AE)和冷涡(Cyclonic Eddy,CE)的涡旋迁移通道在统计特征、地理位置和移动方向上都极其相似。

关键词：中尺度涡旋涡旋迁移通道轨迹聚类统计特征南大洋

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星载激光雷达数据海面风速反演模型研究

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光学学报 2022年第18期42卷 175-181页

作者：张馨毅吴东杨振威贺岩中国海洋大学信息科学与工程学部海洋技术学院山东青岛266100 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 中国科学院上海光学精密机械研究所中国科学院空间激光信息传输与探测技术重点实验室上海201800

使用2017年10月、2018年1月、2018年4月和2018年7月Version 4.10星载激光雷达CALIOP Level 1B和Version 4.20 Level 2的日夜数据反演全球海面风速,选用准同步观测的Version 8.2 AMSR-2的海面风速值进行对比。在前人利用CALIOP无云数据... 详细信息

使用2017年10月、2018年1月、2018年4月和2018年7月Version 4.10星载激光雷达CALIOP Level 1B和Version 4.20 Level 2的日夜数据反演全球海面风速,选用准同步观测的Version 8.2 AMSR-2的海面风速值进行对比。在前人利用CALIOP无云数据进行海面风速反演的基础上,进一步将透明云层的数据用于风速反演,在明显增加数据量的同时,保持了相当的反演精度。探究不同的海面斜率分布模型的差异对CALIOP海面风速反演的影响,给出了夜间和日间有透明云层条件下的近似Gram-Charlier模型。结果显示,高斯模型整体的误差相对较小,但近似Gram-Charlier模型修正了偏度和峰度的影响,在较低风速(小于3 m·s^(-1))和较高风速(大于13 m·s^(-1))情况下表现更好。采用有透明云层条件下的近似Gram-Charlier模型:利用2017年10月、2018年1月、2018年4月和2018年7月的夜间数据反演的标准偏差分别为1.22,1.33,1.20,1.39 m·s^(-1),相关系数分别为0.92,0.91,0.92,0.90;利用日间数据反演的标准偏差分别为1.41,1.45,1.86,1.69 m·s^(-1),相关系数分别为0.90,0.89,0.86,0.87。

关键词：遥感星载激光雷达海面后向散射海面风速海面斜率分布

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