全球海洋科技發展動態2020年第二期

最新一期「前沿進展」來了，趕快來了解下全球海洋科技領域的最新動態吧！

本期導讀

·海洋動力過程與氣候變化

2020年1月溫度達到歷年同期最高

基於譜分析的海洋中尺度運動的各向異性特徵

·海洋生態環境演變與保護

海洋酸化不會影響珊瑚礁魚類的行為

氣候變化和沿海開發導致近岸珊瑚減少

·海底過程與油氣資源

冷底層水條件下北極沉積物甲烷滲漏減少

美研究人員開發出一種低成本探測頁巖氣的新方法

·海洋生命過程與資源利用

研究人員揭示海洋巨人—鯨類的體型發育機制

·深遠海和極地極端環境與戰略資源

古氣候證據表明在低海冰時期永久凍土帶是很脆弱的

格陵蘭冰蓋不同地區的消融速度存在顯著的緯度對比

·海洋技術與裝備

基於串擾補償的偏振水下彩色圖像復原

美科學家利用機器學習改進冰雹預測

前沿進展已改版，每條消息請滾動閱讀

海洋動力過程與氣候變化

1.2020年1月溫度達到歷年同期最高

(鄭 琳 編譯）

近日，美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）國家環境信息中心的科學家研究發現，在長達141年的氣候記錄中，2020年1月是最熱的1月份。此外，在未受厄爾尼諾影響的情況下，1月氣溫與平均氣溫的偏差也是有史以來最大。2020年1月成為連續第44個高於20世紀1月平均氣溫的月份，連續第421個高於20世紀同月平均氣溫的月份，氣溫高於平均水平的氣候變化趨勢仍在繼續。

NOAA發布的1月全球氣候報告顯示，1月全球陸地溫度和海洋表面溫度達到歷年同月最高，比20世紀平均溫度高2.05℉（1.14℃），這比2016年創下的記錄還高0.04℉（0.02℃）。從2016年起出現4次1月份最暖的溫度記錄，2002年起出現10次最暖的溫度記錄。從半球角度分析，北半球1月氣溫同樣達歷史最高，比20世紀同月平均溫度高2.7℉（1.50℃）。南半球1月氣溫則達到歷史第二高，比20世紀同月平均溫度高1.4℉（0.78℃），僅次於2016年1月。

該報告中其他引人注意的氣候事件：

1.大量區域性增暖發生。下列地區2020年1月出現了創紀錄的溫暖氣溫：斯堪地那維亞半島、亞洲、印度洋、太平洋中部和西部、大西洋、美國中部和南部。沒有陸地和海洋地區的1月出現創紀錄低溫。

2.極地海冰覆蓋範圍持續減小。2020年1月，北極海冰覆蓋範圍比1981—2010年平均值減小5.3%，在連續42年的觀測記錄中，與2014年並列作為1月海冰範圍第八小的月份。南極1月海冰覆蓋範圍比平均水平低9.8%，與2011年並列作為第十小值。

3.積雪覆蓋正在減少。北半球1月積雪覆蓋低於1981—2010年平均水平，在54年的記錄中為第十八低值。

2020年1月全球發生重大氣候事件的分布圖

原文標題：January 2020 was Earth’s hottest January on record

來源：

https://www.noaa.gov/news/january-2020-was-earth-s-hottest-january-on-record

2.基於譜分析的海洋中尺度運動的各向異性特徵

（王世紅編譯）

中尺度運動是旋轉流體力學中旋轉效應主導的最小尺度。現有研究表明，尺度從幾十公裡到幾百公裡不等的、遍布全球並佔據海洋動能90%的海洋中尺度運動，在熱量、可溶性碳、葉綠素、營養鹽等物質與能量的輸送和再分配過程中起著至關重要的作用。最近研究發現海洋中尺度運動存在顯著地沿某個方向伸長的特徵，然而受觀測解析度和現代湍流理論中各向同性假設的限制，當前對海洋中中尺度運動的各向異性特徵的認識仍非常有限。

衛星高度計數據以其大覆蓋、準同步、長時間連續觀測的特性成為研究中尺度渦最有效的數據，它解決了傳統的觀測手段在觀測時間上的不連續性和觀測空間上的局限性。高度計觀測對中尺度運動的研究的推動主要在兩個方面：全球尺度上的渦旋識別和統計以及能量譜分析。目前，渦旋識別主要關注氣旋或者反氣旋的核心區域，不能有效的診斷中尺度過程的各向異性特徵。使用譜分析的方法探究渦動能在波數空間的分布特徵隨方向的變化可以有效地診斷中尺度運動的各向異性特徵。

基於衛星高度計觀測數據和高解析度模式數據，在全球尺度上分別計算沿緯向的徑向的海表面高度波數譜，並進行比較分析。結果表明，緯向波數譜和徑向波數譜斜率在中尺度波段存在顯著的差異：在赤道地區，緯向波數譜斜率比徑向波數譜斜率陡峭，而在高渦動能的東向強流系，徑向波數譜斜率比緯向波數譜斜率陡峭（圖1）。該差異具有普遍性，但是存在顯著的區域變化（圖2）。

結合中尺度運動的動力學分析發現，該差異與中尺度信號非線性發展過程密切相關。在赤道地區，表面強化的不穩定過程產生的中尺度信號在沒有充分發展的情況下迅速被Rhines尺度捕捉，而線性不穩定過程產生的中尺度信號是傾向徑向伸長的，更多渦動能在徑向積累，表現在特定波數的徑向的渦動能要比緯向的渦動能高，因此徑向波數譜斜率比對應的緯向波數譜斜率平緩。在高渦動能的東向強流系，斜壓不穩定產生的中尺度信號得到充分地非線性發展，背景流對其充分拉伸，整體呈現出沿緯向伸長的特徵，因此更多的渦動能在緯向積累，表現在特定波數的緯向渦動能要比徑向渦動能高，因此緯向波數譜斜率比對應的徑向波數譜斜率平緩。

圖1 徑向（紅色）和緯向（藍色）的SSH波數譜。其中豎線為對應緯度的中尺度範圍，黑色斜線分別代表k-5（實）和k-11/3（虛）

圖2 緯向（a,b）和徑向（c,d）SSH波數譜在中尺度範圍的譜斜率及其差異（e,f）的全球分布特徵

雖然傳統的高度計觀測揭示了令人意想不到的海洋中尺度湍流特性，但是其空間解析度仍有限，只能捕捉到較大尺度的中尺度過程，對尺度較小的中尺度和亞中尺度運動描述能力有限。中尺度運動的各向異性特徵應與其邊緣的亞中尺度運動密切相關。因此，寬帶SWOT觀測資料能進一步推動中尺度運動各向異性特徵的研究。另外，超高解析度的數值模擬可以用來進一步探究中尺度運動的各向異性特徵。

原文題目：Anisotropy of the sea surface height wavenumber spectrum from altimeter observations

來源：

https://www.nature.com/articles/s41598-019-52328-w.pdf

海洋生態環境演變與保護

3.海洋酸化不會影響珊瑚礁魚類的行為

（邢建偉 編譯）

據最新的報導顯示，海洋中的CO 分壓（pCO ）已由工業化之前的280μatm左右迅速增加至目前的接近410μatm，快速升高的pCO 會導致海洋酸化。預計到本世紀末，海洋中的pCO 預計可達到900-1000μatm，從而引發了人們對生物多樣性降低和海洋生態系統穩定性的廣泛關注。之前有報導預測，珊瑚礁魚類特別容易受到本世紀末海洋酸化的影響。這些研究報導了珊瑚礁魚類在海洋酸化條件下存在嚴重的行為和感覺障礙。例如，在海洋酸化情況下，珊瑚礁魚類會完全被捕食者的化學信號所吸引。然而，現在的研究者提出了不同的觀點。2020年1月8日，澳大利亞維多利亞州Deakin大學的Timothy D. Clark博士及其合作者在線發表於國際頂級期刊《自然》（Nature）的一項最新研究成果《Ocean acidification does not impair the behaviour of coral reef fishes》（海洋酸化不會損害珊瑚礁魚類的行為）表明，與以往的研究相比，本世紀末的海洋酸化水平對珊瑚礁魚類的重要行為，如躲避捕食者的化學暗示、魚類活動水平和行為偏側性（左右轉向偏好）的影響微乎其微。同時，海洋酸化對珊瑚礁魚類行為的影響是不可複製的，這表明行為擾動不會成為珊瑚礁魚類受海洋中高CO 水平影響的主要後果。Clark博士指出：儘管CO 排放會對環境構成威脅，但基於CO 變化導致的珊瑚礁魚類行為障礙而對魚類的可持續性做出的災難性預測必須根據我們的發現重新進行評估。

這項研究自2014年開始為期3年，對6個物種的900多隻野生個體和捕獲個體開展了大樣本量和跨越物種、地點、生命階段和年份的研究，得出結論：對本世紀末CO 水平的適應並不會改變珊瑚礁魚類的重要行為。鑑於這些問題對珊瑚礁和其他水生生態系統管理的重要性，研究者提出鼓勵使用該研究描述的透明和客觀的方法，例如，帶審前記錄的視頻片段、完整的數據和代碼存檔，以進一步重複之前的研究。研究者指出，只有到那時，研究界才能就本世紀末海洋酸化是否會對魚類行為產生直接影響而達成共識。同時，Clark博士又強調，有強有力的證據表明大氣中不斷增加的CO 正在導致海洋變暖，這可以深刻的影響海洋魚類。

圖 在目前和本世紀末的CO 水平下，珊瑚礁雀鯛對捕食者的化學暗示具有普遍的躲避行為。a. 安邦雀鯛；b. 月腋光鰓魚；c. 宅泥魚；d. 黃雀鯛；e. 多刺棘光鰓鯛。a-e，在2014年Lizard島研究站二水流選擇水槽實驗和2015年澳大利亞海洋研究所試驗中，魚類在含有捕食者（黃背青九棘鱸(a-d)或尾紋九刺鮨(e)）化學成分的水中生活的時間百分比（均值±均值標準誤）。對照組魚類（保持在含有~410μatmCO 的水體中）用灰色實心圓點表示，實驗組魚類（CO 暴露組，保持在含有~1000μatmCO 的水體中）用藍色空心小圈表示（圖中n表示生理獨立的魚類個數）。排除了捕食者化學信號在10-15分鐘內轉變的數據。

原文題目：Ocean acidification does not impair the behaviour of coral reef fishes

來源：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1903-y#citeas

4.氣候變化和沿海開發導致近岸珊瑚減少

（牛藝博編譯）

近期，美國國家科學基金會（NSF）發布《中美洲大堡礁系統近岸珊瑚生長率下降》（Nearshore coral growth declining on the Mesoamerican Barrier Reef System）最新研究成果指出，通過比較世界第二大珊瑚礁系統貝里斯中美洲大堡礁中珊瑚的生長速度。發現在過去的十年中，近岸珊瑚減少，其增長率明顯下降，主要由於氣候變化和人類活動使近岸珊瑚承受的壓力過高。其成果發表在近期《全球變化生物學》（Global Change Biology）雜誌上。

珊瑚礁是數百萬人賴以生存的重要食物、收入來源和重要的風暴防護屏障。與海洋其他珊瑚相比，近岸珊瑚在更溫暖和營養豐富的水域中生長，並且由於全球變暖，近岸較暖的溫度便成了天然的實驗場，可以讓人們窺見未來的珊瑚礁情景。人為的全球變化和局部的壓力因素正在影響著全球珊瑚的生長和生存，改變著珊瑚礁生態系統的結構和功能。

研究表明，在過去的一個世紀中，整個貝里斯中美洲壁壘珊瑚礁系統（MBRS）的兩種分布廣泛的加勒比海珊瑚（Siderastrea siderea，Pseudodiploria strigosa）在近岸生長區的骨骼延伸率下降，而離岸珊瑚在相同的時間間隔內表現出相對穩定的延伸率。這種下降導致近岸珊瑚的擴展率與歷史上生長較慢的離岸珊瑚的擴展率趨於一致。對於這兩種珊瑚，個體的大規模珊瑚白化事件與特定珊瑚礁環境中骨骼擴展率低相關，但沒有單一的白化事件與所有珊瑚礁環境中骨骼擴展率低相關。這種現象表明，珊瑚生長下降主要由於氣候變化和沿海開發等人類活動的快速發展，近岸珊瑚所承受的壓力比以往更大，而且對近岸珊瑚來說，以往的任何環境優勢都已減弱。研究結果還表明，隨著時間的推移，氣候變化將繼續減緩近岸和近海珊瑚的生長。如果這些近岸珊瑚骨骼生長的下降趨勢持續到未來，這些關鍵的近岸珊瑚礁系統的結構和功能可能會受到嚴重的影響。

研究人員指出，這項研究給人們留下了令人困擾的問題，例如珊瑚如果不能很好地適應未來的條件，將影響全世界依靠珊瑚礁提供食物、收入和生活的數百萬人的健康和福祉。人們需要謹慎地管理和保護珊瑚礁，以便為它們提供最大的機會去適應氣候變化，並希望它們能抵禦氣候變化的影響。同時，還需要仔細考慮沿海人與環境的相互作用，土地利用變化正在導致沿海水域沉積物和營養物的增加，從而損害了近岸珊瑚礁的健康和完整性。

原文題目：Nearshore coral growth declining on the Mesoamerican Barrier Reef System

來源：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/gcb.14784

海底過程與油氣資源

5.冷底層水條件下北極沉積物甲烷滲漏減少

（林 琦 編譯）

2020年1月13日，《自然地球科學》（Nature Geoscience）期刊發表題為《冷底層水條件下北極沉積物甲烷滲漏減少》（Reduced methane seepage from Arctic sediments during cold bottom-water conditions）的文章。來自挪威北極大學地球科學系的Bénédicte Ferré教授和他的團隊成員研究發現，在北極大陸架常見季節性海底溫度變化的背景下，甲烷休眠作為一種普遍現象，在全球甲烷估算中被低估。

Bénédicte Ferré教授指出大量甲烷被困在北冰洋海底沉積物中的天然氣水合物中，底層水變暖可能導致這些海底甲烷的釋放。科學家過去忽略這一認識的原因主要是由於對北極海域的調查主要在夏季進行，所以季節性溫度變化對甲烷滲漏活動的影響仍然未知。在本次研究中，作者比較了寒冷（2016年5月）和溫暖（2012年8月）兩個時期沿斯瓦爾巴群島（Svalbard）海域天然氣水合物穩定極限的冷泉活動。其水聲學調查結果顯示，在冷底層水條件下，冷泉活動大大降低，與較溫暖的條件相比，冷泉和甲烷釋放速率降低了43％。由此證明，在寒冷季節，當更多的甲烷氣體被困在海底沉積物中時，冷泉活動顯然會進入冬眠狀態，由此形成的溫室氣體容器大大增加了甲烷在夏季釋放的可能性。

原文題目：Reduced methane seepage from Arctic sediments during cold bottom-water conditions

來源：

https://www.nature.com/articles/s41561-019-0515-3

6.美研究人員開發出一種

低成本探測頁巖氣的新方法

（劉文浩 編譯）

2019年下半年，美國賓夕法尼亞州立大學發布題為《研究人員發現尋找頁巖氣的經濟有效的新方法》（Researchers unearth cost-effective method for finding shale gas）的最新研究進展稱，該校研究人員開發了一種探測馬塞勒斯頁巖區天然氣的新方法，可以更容易地找到潛在的高產區，並且成本更低。

在傳統方法中常使用各種昂貴的地質探測數據來確定天然氣潛在區域。但在該方法中，研究人員通過對5600多口具有2年以上生產測井記錄的井的產量遞減曲線分析，繪製了整個馬塞勒斯（Marcellus）頁巖區域的預測產量遞減曲線。如果鑽新井，則能預測該井隨著時間的推移產生的氣體量。研究人員隨後用基於巖芯樣本繪製而成的地質圖驗證了他們的預測，結果表明，該預測結論與依靠昂貴的地質數據預測的結果一樣有效，誤差率在20%以內。基於此，研究人員繪製了馬塞勒斯頁巖內可採天然氣的綜合熱點區域圖，此外，研究人員還創建了一個交互式網站，公開了馬塞勒斯頁巖區域所有井的歷史生產數據。

研究人員表示，這種新方法可以讓行業專家更好地決定要探測的區域，且其預測準確性幾乎與包括昂貴的地質數據採樣的方法一樣有效。下一步將是在微調初始研究中使用整群抽樣，以提高準確性。

原文題目：Researchers unearth cost-effective method for finding shale gas

來源：

https://news.psu.edu/story/586243/2019/09/03/research/researchers-unearth-cost-effective-method-finding-shale-gas

海洋生命過程與資源利用

7.研究人員揭示海洋巨人—鯨類的體型發育機制

（孫園園 編譯）

目前已知體積最大的動物，是生存在海洋世界裡的藍鯨，長可達33米，重達181噸。鯨類如何能變得如此巨大一直是人們關注的焦點。近日，《科學》（Science）期刊發表了一篇研究《鯨類為何體型巨大：海洋巨物時代的生理驅動力和生態極限》（Why whales are big but not bigger: Physiological drivers and ecological limits in the age of ocean giants）。研究人員根據長時間收集的不同類型鯨類的進食及運動數據來計算鯨類的能量獲取率，發現了鯨類體型增長有助於食物的捕獲。此外，研究發現海洋動物體型的增加似乎僅受食物供應量的限制。

史丹福大學的生物及生理學家Jeremy Goldbogen率領一支國際研究小組，選取了13種、總數超過300頭的鯨類，選取的鯨類的體重範圍從0.05噸（110磅）的海豚到150噸（330000磅）的藍鯨，將各種不同的高精度傳感器粘貼到這些鯨的背上。壓力傳感器和加速度計記錄鯨類的運動行為和潛水深度。水下錄音器記錄鯨類聲音，包括捕食和社交的各種聲音。攝像機捕獲了鯨類周圍不同的環境條件。該研究小組還根據聲納數據計算獵物的密度、解剖滯留鯨內的胃內容物得出食物種類。此研究團隊耗時十多年，跟蹤了10000多次覓食事件，最終記錄成為鯨類每日的活動日記，描繪了不同的鯨類吃什麼食物的詳細情況。再計算出捕食所耗費的能量以及通過食物而獲得的能量。最終揭示了覓食效率與體型之間的關係。

Goldbogen發現，大體型可以幫助這些鯨類深潛以獲得更多食物。但是到達某臨界點之後，它們的覓食效率隨著體型大小的增加而下降。比如，一個巨大的魷魚可以提供很多能量，但是找到它需要更多的能量。相比之下，成群的小磷蝦和其他甲殼類動物，鯨類一口就能得到大量的卡路裡。Goldbogen說，海洋中目前沒有足夠的食物讓鯨類變得更大。只要磷蝦種群保持豐富，Goldbogen推測，也許從現在起數百萬年後，我們將看到更大的海洋巨人。

圖 鯨類能量獲取效率與自身體重之間的關係

原文題目：Why whales are big but not bigger: Physiological drivers and ecological limits in the age of ocean giants

來源：

https://science.sciencemag.org/content/366/6471/1367

深遠海和極地極端環境與戰略資源

8.古氣候證據表明在低海冰時期

永久凍土帶是很脆弱的

（邢建偉 編譯）

近幾十年來，北冰洋的海冰的減少速度越來越快，且冰層逐漸變薄，夏季開放水域的面積在逐漸增大。預計到21世紀中葉，北極地區的夏季海冰將完全消失，這引起了人們對北極海冰迅速減少及其對全球氣候系統其它影響的擔憂，包括永久凍土層融化的潛在加速。全球變暖導致的永久凍土退化可能會釋放出大量以二氧化碳和甲烷形式儲存在凍土中的碳，從而進一步加劇氣候的變化。因此，建立北極海冰減少與永久凍土層的響應之間的關係成為了當今科學界的一個重要科學目標。然而，北半球永久凍土層對氣候變暖的敏感性不那麼明顯，而且其長期趨勢比海冰更難監測，這無疑增加了研究的難度。

2020年1月8日在線發表於國際頂級期刊《自然》（Nature）的一項題為《古氣候數據提供了低海冰時期永久凍土層是很脆弱的證據》（Palaeoclimate evidence of vulnerable permafrost during times of low sea ice）的最新研究，為此類研究提供了一個新視角。在這項研究中，來自以色列地質調查局和牛津大學的Vaks博士及其合作者利用古氣候數據證實，當北極海冰存在時，西伯利亞永凍層對氣候變暖具有很強的抵禦能力，而當北極海冰不存在時，西伯利亞永凍層則很脆弱。研究者獲取了位於連續永久凍土帶南部邊緣的西伯利亞洞穴中的堆積樣品，通過其U-Pb年代學特徵揭示了其上覆地面未被永久凍結的時期。研究發現，洞穴堆積物的記錄始於1.5Ma前，當時赤道到極點的熱量輸送更大，導致北半球更溫暖。洞穴堆積物的生長表明，當時洞穴所在的位置沒有永久凍土，而隨著北半球的變冷，從1.35Ma左右開始凍土頻繁出現，在大約0.4Ma以後永久不變。這一記錄反映出北冰洋常年存在的海冰在0.4Ma之前基本不存在，但從此以後一直存在。研究者指出，海冰存在時永凍層的堅固性，以及海冰消失時永凍層的脆弱性增加，都可以通過熱量和水分輸送的變化來解釋。海冰的減少可能導致北極空氣變暖，進而導致內陸變暖。同時，開放的北極水域也增加了大氣水分的來源，導致西伯利亞地區的秋季降雪增加，使地面免受冬季低溫的影響。上述過程解釋了無冰的北極和0.4Ma前永久凍土層融化之間的關係。Vaks博士警告說，如果這些過程在現代氣候變化期間繼續下去，未來夏季北極海冰的消失將加速西伯利亞永久凍土層的融化。

圖1 北緯60°西伯利亞洞穴堆積物沉積時期與海洋氧同位素、太平洋暖池表層海水溫度以及7月平均日曬記錄的比較

圖2 西伯利亞洞穴堆積物沉積時期與海洋氧同位素、北大西洋表層海水溫度以及北冰洋海冰出現記錄的比較

原文題目：Palaeoclimate evidence of vulnerable permafrost during times of low sea ice

來源：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1880-1

9.格陵蘭冰蓋不同地區的消融速度

存在顯著的緯度對比

（董利蘋 編譯）

《科學進展》（Science Advances）發表題為《消融區域的快速擴張加劇了北格陵蘭冰蓋的質量損失》（Rapid Ablation Zone Expansion Amplifies North Greenland Mass Loss）的文章顯示，格陵蘭冰蓋南部地區和北部地區的消融速度存在顯著的緯度對比。

20世紀90年代初以來，格陵蘭冰蓋（Greenland Ice Sheet，GrIS）一直在加速融化，其中，大氣變暖後的融水徑流增加可能是其主要的影響因素。來自荷蘭烏得勒支大學（Utrecht University）和代爾夫特理工大學（Delft University of Technology）的研究人員，使用區域大氣氣候模型（Regional Atmospheric Climate Model）模擬了氣候變化對GrIS的影響。研究結果顯示：GrIS對氣候變暖的響應存在顯著的緯度對比。格陵蘭北部的消融區擴大了46%，幾乎是南部的2倍（25%），格陵蘭北部消融區對GrIS總質量損失的貢獻顯著增加。北極夏季大氣環流是這種緯度對比的主要原因。在格陵蘭西南地區，持續的高壓使雲量減少，增強的太陽輻射吸收使徑流量增加；在格陵蘭北部地區，初夏雲量增加，減少的長波輻射損失加劇了大氣變暖。格陵蘭冰蓋這種具有顯著緯度對比的融化速度將引發一場快速的雪線撤退，進一步增加格陵蘭北部地區的徑流量。

原文題目：Rapid Ablation Zone Expansion Amplifies North Greenland Mass Loss

來源：

https://advances.sciencemag.org/content/5/9/eaaw0123

海洋技術與裝備

10.基於串擾補償的偏振水下彩色圖像復原

（張衛紅 編譯）

在水下環境拍攝時，水中懸浮的顆粒會對光場的散射和吸收作用導致成像清晰度顯著下降。近年來，利用偏振成像技術應用於水下圖像復原和水下目標識別等領域成為實現水下清晰成像的有效方法之一。

國際知名期刊Optics and Lasers in Engineering發表了題為《Polarimetric underwater image recovery for color image with crosstalk compensation》（具有串擾補償的彩色圖像的極化水下圖像恢復）的研究文章，來自天津大學胡浩豐團隊在對水下偏振彩色圖像復原時，對圖像RGB通道的串擾效應補償，達到了在不同顏色渾濁水質下同時增強圖像的對比度和減少圖像的色彩失真，從而實現清晰的水下視覺。

實驗裝置如圖1，光源為寬帶光譜的白色發光二極體（LED），有利於彩色成像，它的發光光譜如圖1中插圖，成像設備是一個像素為492×656的彩色相機（AVT-Stingray F-033C）。在LED光源前放置一個線偏振片，用於產生線偏振光，在探測器前放置一個可旋轉的線偏振器作為分析器。目標區域是彩色塑料塊組成的一個魔方。目標物魔方是浸泡在大小為（65×25×25）充滿水的透明PMMA容器中。我們將清水與牛奶和彩色墨水混合，使水變的渾濁而有色彩。

圖1 水下成像裝置圖

為了復原彩色圖像需要估算RGB通道的傳輸係數t，RGB通道串擾補償後的傳輸係數t可以用矩陣的形式表達式（1），找到矩陣T中9個元素的最優值即可估算RGB通道的傳輸係數。利用混合複雜進化方法（SCE），生成矩陣T中9個參數的不同集合，然後在全局框架下對它們進行改變，最終收斂到一個全局最大的EME參數值集合。最後經過校正傳輸係數後物體在RGB通道的輻射強度表達為式（2）。

在藍色和黃色水質下拍攝圖像，利用相機前的偏振器獲得兩個正交方向和的原始彩色圖像，利用上面提到的方法計算出最優串擾矩陣T，即可對彩色圖像復原，圖2為在綠色和黃色水質下圖像復原效果圖，圖2（a）為在藍色渾濁水中原始圖像，（b）為沒有串擾補償的復原圖（c）為經過串擾補償後的復原圖，（d）為在空氣中拍攝圖像，（e）-（h）分別在藍色水質下各成像在RGB空間坐標系分布圖。

圖2（i）為在黃色渾濁水中原始圖像，（j）為沒有串擾補償的復原圖，（k）為經過串擾補償後的復原圖，（l）為在空氣中拍攝圖像，（m）-（p）分別在黃色水質下各成像在RGB空間坐標系分布圖。

可以看到經過串擾補償後在藍色和黃色水質中的復原如圖2（c）（k）具有更高的對比度和更低的色彩失真，它們的像素在RGB空間坐標分布更加分散（如圖（g）（o）），使得圖像質量更佳，且魔方的色彩更接近於在空氣中成像的色彩。

綜上，在對水下偏振成像的彩色圖像復原時，引入串擾矩陣來描述和補償RGB通道間的串擾效應。在不同顏色的渾濁水中實驗表明，這種方法在色彩校正和對比度增強都具有優勢，這主要得益於對串擾效應的補償，從而更好的估算了RGB通道的傳輸係數。

圖2 在藍色和黃色水質下成像

原文題目：Polarimetric underwater image recovery for color image with crosstalk compensation

來源：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0143816619305974?via%3Dihub

11.美科學家利用機器學習改進冰雹預測

（劉燕飛 編譯）

強風暴的形狀是影響風暴是否產生冰雹以及冰雹大小和嚴重程度的重要因素，但是目前的冰雹預測技術通常無法將風暴的整個結構考慮在內。近日，來自美國國家大氣研究中心（NCAR）的科學家試驗了一種新的機器學習技術，該技術可以通過圖像處理來考慮風暴形狀的影響並可能改善冰雹預測。相關研究成果發表於近日出版的Monthly Weather Review。

冰雹的產生取決於多個氣象因素，包括近地面大氣溼潤而高層乾燥，雲的凍結高度相對較低，強大的上升氣流使冰雹有足夠長時間保持增長，以及風暴中不同高度的風向和風速變化。但即使條件成熟，冰雹的大小和嚴重程度也會隨著風暴的路徑和條件的變化而變化，這被統稱為「風暴結構」。

根據該研究介紹，通常用於面部識別系統的人工智慧技術可以幫助改善對冰雹及其嚴重程度的預測。科學家利用深度學習模型卷積神經網絡（CNN）進行訓練，以識別影響冰雹形成和冰雹大小的風暴單體的特徵。科學家利用風暴模擬圖像來訓練模型，將溫度、氣壓、風速和風向信息作為輸入，並據此條件模擬產生的冰雹結果作為輸出，利用NCAR的天氣研究和預報模式（WRF）進行天氣過程模擬。

研究人員發現，該模型可以將冰雹預測水平提高10%。未來，該模型下一步將利用風暴觀測和雷達估計的冰雹結果對其進行測試，目標是將該模型轉換為業務預報使用。

原文題目：Interpretable Deep Learning for Spatial Analysis of Severe Hailstorms

來源：

https://journals.ametsoc.org/doi/full/10.1175/MWR-D-18-0316.1