最大互相关系数法反演海冰漂移速度

论文总字数：16757字

目 录

1.引言 3

2.最大互相关系数法（MCC）基本原理与处理方法 4

2.1 MCC方法的基本原理 4

2.2 频率域快速算法函数 6

2.3 质量控制 7

3.应用的数据描述 7

3.1海洋二号（HY-2）卫星及其数据 7

3.2浮标数据 8

4.最大互相关系数法（MCC）利用数据反演评价 8

4.1MCC反演过程 8

4.2海冰的密集程度进行速度校正优化MCC法 10

5.结论 12

6.讨论 13

参考文献 13

致谢 15

最大互相关系数法反演海冰漂流速度

褚鹏

, China

Abstract—In this paper, the maximum cross correlation coefficient (MCC) method is used to deal with the frequency bands of the scanning microwave radiation carried by the ocean second (HY-2) satellite with the data of the vertical polarization and temperature in the 37GHz channel. The speed of sea ice drift is reversed and the velocity is corrected by using the density of sea ice to achieve the goal of MCC optimization. In this paper, we will use the 14-day international Arctic buoy planned sea ice field observation data from November 20, 2013 to December 4, 2013, and compare the sea ice drift velocity obtained by the maximum cross-correlation coefficient method (MCC). The speed and direction of the maximum cross-correlation coefficient method (MCC) inversion are studied by using the study of the degree of sea ice density, which can be used to reverse the velocity and direction of sea ice drift accurately and get more close to the real situation of sea ice inversion data. In this paper, the velocity and direction of sea ice in the vicinity of the Arctic in the past 2013 years are studied. The results and the data of buoy are verified by the results that: after processing the density of Arctic sea ice, the velocity and direction of the corrected sea ice movement are closer to the data information of sea ice moving. In this paper, the maximum cross-correlation coefficient method (MCC) is introduced to reverse the sea ice drift velocity and improve its precision.

Key words：Maximum correlation number method (MCC); magnitude of sea ice density; sea ice drift speed; MCC optimization

1.引言

全世界的海洋面积中，海冰的面积约占其总面积的5%-8%，而且海冰对气候系统的影响有着非常大的作用，由于海水结冰会使得盐度发生变化，因此海冰的融冻过程就会对全球热盐环流中的淡水通量有着极为重要的影响；在边缘海域外，北极几乎全年都被海冰加以覆盖，而且其海冰的面积占全球海冰面积的30%左右，它的存在极大地影响了海洋与大气之间的热量与动量的传输，海冰的移动等变化也使得一些高纬度地区的气候发生些许变化^[16]。除此之外，海冰分布的位置会对船舶的安全航行和近海岸一些海洋工程也会有着不同程度上的影响。海冰的漂移对沉淀物与污染物的传输也有着很大的作用^[14]。在近35年以来，由于温室效应等问题使得全球气候发生了诸多变化，使得海冰的覆盖面积在逐年减少，因此，研究海冰的漂移速度预计其漂流情况对我们掌握海冰信息有着十分重要的作用^[4]。

海冰漂移是风和海洋表面海流共同作用下形成的一种海冰运动的现象，海冰漂移的短期移动是由风作为主导因素，而海冰长期的移动就要考虑海表面流的作用^[13-15]。定量观测或者是对当前信息的估测方法可以分成两类：“现场观测”和遥感技术。“现场观测”通常应用于空间较为稀疏的数据集，隔一段的时间就对海冰进行点测量，例如通过浮标或者是船舶，但极地地区环境十分恶劣，进行“现场观测”获得数据资料十分困难，可以通过极地科考站和浮标等来获得海冰数据，但是获得的海冰的数据信息面积较小；而遥感观测（即远距离遥感或者观测）包括岸基于海岸的技术，以及采用主动或被动系统的机载或者卫星技术，例如高频雷达和测高雷达等，遥感方法的空间尺度一般是密集的区域观测或者是全球区域的稀疏观测^[1-2]。由于遥感方法的高空间覆盖率，而且其采集时间短，这种方法能够很好地监测大面积的区域也就是说可以对海洋进行观测。

海洋二号（HY-2）卫星是中国自主研发的第一艘海洋动力环境卫星，在2011年8月16日发射升空，海洋二号（HY-2）卫星位于离地面973公里的太阳同步轨道上。海洋二号卫星可用于全天候任何条件下获取动态海洋的参数的数据，例如：海面风场（即风场中的速度的大小与方向）、有效波高、海洋表面温度（SST）还有海面的高度等等参数数据^[17]。海洋二号卫星携带了微波散射计、雷达高度计、扫描式微波辐射计（RM）还有三品微波辐射计等这样的四种微波数据获取仪器，卫星上携带的扫描微波辐射计可以用来获取极地地区海冰的相关数据^[3]。本文利用最大互相关系数法（MCC），将其对卫星上携带的扫描微波辐射计频段为37GHz通道多时相垂直极化亮温数据进行反演得出海冰漂移速度情况展开研究，并且其获得的反演海冰速度结果与浮标获得的海冰移动的速度与方向进行对比研究讨论，本文研究结果证实了最大互相关系数法（MCC）通过海洋二号（HY-2）获取到的数据来反演海冰漂移方向与速度是可以实现的研究方法与方案。而且本文具体介绍最大互相关系数法，对获得海冰移动速度与方向进行校正，主要就是包括海冰密集度大小对最大互相关系数法（MCC）反演海冰漂移结果的影响进行研究与讨论。

国内外有很多专家研究者对利用遥感数据来反演海冰的漂移情况进行了分析与研究讨论。M.A.Warren等人^[1]利用最大互相关系数法（MCC）反演出韩国对马岛附近的表面海流，得到了较为准确的结果，这为最大互相关系数法（MCC）应用于反演海冰漂移奠定了基础。之后，Ninnis等人^[6]利用最大互相关系数法（MCC）将其用在具有高分辨率的辐射计（AVHRR）数据中，取得了成功，并认为最大互相关系数法可以应用到海冰反演并能够得到较为精确的结果，然而数据的不连续性会影响最大互相关系数法（MCC）的性能，但Ninnis等人没有着重研究这个问题，但根据其研究结果还是能够成功反演出波弗特海域中海冰漂移的情况，也为进一步完善最大互相关系数法（MCC）反演海冰漂移的速度大小与方向提供了更加准确的研究方向。Emery等人^[7]在Ninnis研究结果的基础上，采用最大互相关系数法与将数据进行滤波之后再进行反演就成功解决了这种空间数据不连续的现象，但其利用的AVHRR数据会受到云层的影响，之后会产生数据的缺口，这就导致反演北极弗拉姆海峡海冰漂移的结果会与浮标测得的数据有一定的差异。黄润恒等人^[18]根据大量的数据观测，发现若利用人工和机器交替的方式对数据进行特征观测，其得到的结果会优于只是由机器观测得到的数据值，结果也会更加贴近于真实值的情况，这会提高反演海冰漂移的准确性。Kwok等人^[8]通过研究证实，利用SSM/I 37GHz频段的数据可以达到反演海冰漂移的目的，这就对海洋二号（HY-2）卫星上扫描微波辐射计数据应用到最大互相关系数法（MCC）中来反演海冰漂移的速度大小和方向提供了具有研究意义的平台。但是由于其频段较低，数据资料的分辨率也就相对较低，因此反演之后得到的速度分布场也是较为稀疏的。对于我国渤海的海冰，邵若莉等人^[19]通过最大互相关系数法利用航母雷达获得的数据进行了研究，得到了较好的海冰漂移的反演，这项研究成果对于我国区域附近海冰的研究有很大的贡献。Ezraty等人^[9]共同考虑散射计数据与辐射计数据，将二者结合到一起，之后对海冰漂移进行反演，得到了空间较为密集的海冰移动场，并且其精度也得到了提升，使得海冰漂移的反演向前迈进了一步。

本文将应用最大互相关系数法（MCC），依照海洋二号（HY-2）卫星上所携带的辐射计中频段为37GHz垂直极化亮温的数据，对海冰漂移情况进行反演，得到的结果与相应时间段浮标测得的数据资料进行对照，得到反演结果后，根据海冰的密集程度对结果进行校正分析，提高MCC方法的性能与准确性。根据研究与实验的结果发现，对较小的海冰的密集程度的数据进行去除，对模板窗口的速度进行校正可以提升最大互相关系数法反演海冰漂移的精度，这对未来反演海冰漂移情况以及海冰的观测有着重要的作用。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：16757字