机载相控阵海浪波谱仪距离徙动校正算法研究

相控阵海浪波谱仪作为探测海浪的Ku波段的小入射角真实孔径雷达,在探测海浪时通过积累天线照射的不同方向上的回波获得该方向上的一维海浪谱,当雷达环扫一圈时便可获得二维海浪谱结果。在单个方向回波积累时间内,相控阵海浪波谱仪的观测几何可简化为固定斜视角下沿直线轨迹飞行,期间平台移动与波前弯曲会使回波信号出现距离徙动,从而导致相控阵海浪波谱仪探测精度下降。针对这一问题,通过分析相控阵海浪波谱仪探测中存在的距离徙动现象,提出了一种针对相控阵海浪波谱仪距离徙动的校正算法,利用机载飞行试验数据进行算法验证,对比传统反演算法与距离徙动校正反演算法得到的后向散射系数与二维海浪谱,并将测量结果分别与同步观测浮标测量结果进行比对,结果表明距离徙动校正算法能够有效改善相控阵海浪波谱仪反演海浪谱精度。

福建省海浪灾害危险性评估

选用美国国家环境预报中心的全球再分析风场为驱动风场,以WAVEWATCHⅢ海浪模式为基础,采用全球-西北太平洋-中国近海海区三层嵌套方案构建了1990—2020年海浪再分析数据集;利用该数据集,分析了福建省近海海浪灾害强度和发生频率,并计算了典型重现期的海浪波高。结果表明:福建省海域海浪有效波高分布具有明显的季节变化;因为地形的影响,台湾海峡中部区域的巨浪出现频率高于其他区域。

中国近海2022年灾害性海浪分析及2023年预测

总结分析了2022年中国近海有效波高≥4m的灾害性海浪过程及灾情概况,并对2022年度的预测结果进行了检验。根据1979—2022年有效波高≥4 m的灾害性海浪的统计资料、2023年副热带高压和热带气旋的分析预测资料,结合采用线性回归方法的趋势预测结果以及相似年分析,预测2023年中国近海将出现灾害性海浪过程39~42次,较2022年增多,较常年略偏多,其中灾害性台风浪过程为15~18次,主要发生在东海、台湾海峡和南海,灾害性冷空气浪和气旋浪过程为23~25次,与常年持平;同时预测了各海区灾害性海浪过程出现天数,预测结果可为2023年的海洋防灾减灾提供重要参考。

基于准线性近似方法的SAR图像海浪参数反演研究

本文根据相干斑噪声的时间快变特征和非海浪纹理现象的时间缓变特征,基于交叉谱提出了一种对相干斑噪声和大尺度非海浪纹理的抑制的方法,进而结合SAR图像谱和海浪谱之间的准线性映射关系,基于SAR数据对海浪参数进行了反演。在反演过程中,首先仿真分析了不同海况下准线性近似法的海浪反演能力,结果表明:风浪引起的方位向截断效应会显著影响反演精度,因此该方法在低风速时的涌浪反演精度更高。通过将基于Sentinel-1卫星2020年的波模式SAR数据的反演结果与欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)提供的再分析数据进行对比,发现高海况海浪有效波高反演结果明显偏低,而且该反演误差与风速、方位向截断波长之间存在显著相关性。为了提高有效波高的反演精度,本文进一步给出了海浪有效波高反演误差与风速、方位向截断波长之间的经验校正函数模型,结果显示,通过该模型修正后的海浪有效波高反演结果与ECMWF数据和浮标测量数据具有良好一致性。

我国海浪理论及预报研究的回顾与展望

作者从海浪谱、海浪统计分布、海浪预报方法及动力机制、破碎波和近岸的海浪 5个方面回顾与总结了我国在海浪理论及预报研究方面所取得的成果 ,最后对我国在新世纪的海浪研究做一展望。

融合多重分解和差值修正的海浪波高预测研究

为了提升海浪波高预测精度,提出了融合多重分解和差值修正的海浪波高预测模型(J-DE-LSTM)。该模型采用自适应噪声完备集合经验模态分解,对波高数据进行一重分解,以及对分解后的残差分量进行二重分解;采用亲和力传播算法进行聚类降维并输人到长短期记忆网络进行预测获取初步预测值。建立波高观测值与初步预测值形成的差值序列进行三重分解,采用样本熵重构为趋势项和周期项并进行权重计算,构建粒子群算法优化极限学习机和LSTM的组合预测模型进行双轨并行预测;最后将预测结果与权重加权融合进行差值修正未来点位波高预测值。实验结果表明J-DE-LSTM模型较LSTM、TCN模型平均绝对误差提升约4.1%~11.5%,均方误差提升6.5%~15.2%。

风暴期间Beaufort-Mackenzie海域海冰对海浪强度的影响

为了研究风暴过程中海冰剧烈运动情形下Beaufort-Mackenzie海域各区位的海浪变化特性,基于该海域2008年开冰期西北向北极风暴(2008年10月5-8日)的风、浪及逐日海冰数据,分析了风暴期间海冰的密集度、发展阶段和尺寸的变化,并采用SWAN模型模拟了风暴过程中剧烈变化的风速、风向和海冰对海浪强度的影响,同时对比分析了2种海冰模式(采用实际海冰信息(密集度、发展阶段和尺寸信息)的海冰模式、不同海冰密集度为固定边界)的海浪数值模拟结果。结果表明:2种海冰模式均在离海冰较远海岸水域得到合理模拟结果;风暴期间以涵盖实际海冰信息的海冰模式能模拟得到更精细的海浪强度;以实际海冰信息的海冰模式进行模拟,发现风暴期间风速、风向和海冰的剧烈变化导致Beaufort-Mackenzie海域海浪强度、分布发生剧烈变化,最大海浪发生在风速最大时刻。

基于SVR的飓风海况下海浪多参数反演方法研究

针对卫星在飓风海况下观测海浪信息单一且准确性低的问题,利用哨兵1号卫星干涉宽刈幅模式合成孔径雷达(SAR)数据,通过分析SAR特征与海浪参数间的影响关系,筛选出26个特征作为输入变量,基于支持向量回归(SVR)建立海浪多参数反演模型。将该模型得到的有效波高、平均波周期、风涌浪波高、风涌浪波周期和平均波向与欧洲中期天气预报中心第5代全球气候再分析数据、国家浮标数据中心浮标数据以及传统MPI方法的结果进行对比。结果表明,基于SVR的海浪多参数反演模型能有效反演海浪多参数,且与理论方法相比,显著提高了飓风海况下海浪参数反演的准确性。

海浪谱法模拟海面场景仿真参数选取准则

为提升海面场景模拟的物理真实感,本文探讨了仿真参数对海洋粗糙面模拟精确性的影响,并建立了海表模拟中仿真参数的选取准则。依据海浪谱和随机过程统计理论,采用自相关函数研究了海面相关长度随风速变化规律。通过建立海浪蒙特卡罗仿真模型,结合随机粗糙面误差分析,提出了不同风速条件下海面场景仿真参数的选取准则。研究表明:将海表模拟的采样间隔限定在顺风向相关长度的0.1~0.5倍,可显著提高海面场景模拟的精确度;而当海面仿真参数超出上述范围时,可能导致海面场景模拟失真,进而影响其视觉真实感。本文所提出的仿真参数选取标准可为开发航海模拟器提供技术支撑。

考虑速度聚束效应的SAR海浪成像仿真方法

针对合成孔径雷达(SAR)海浪成像仿真技术对于速度聚束效应的考虑不充分,仿真数据无法准确反映实际SAR数据的问题,建立一种充分考虑速度聚束效应的SAR海浪成像仿真方法并进行了实验验证。计算了SAR图像强度的概率密度分布的仿真结果与理论结果之间的均方误差(MSE),在风速分别为5、10和15 m/s时,考虑速度聚束效应前、后比对结果的MSE分别为0.1012、0.1576、0.0556与0.0179、0.0314、0.0088。仿真结果表明,所提SAR海浪成像仿真方法有效提高了仿真数据的准确性,对SAR海浪成像的应用具有一定实用价值。

江苏沿海海浪模拟研究和灾害特征分析

本研究利用2003-2022年江苏省的海浪灾害数据对灾害形势进行分析,并采用第三代海浪模型SWAN对江苏海域海浪特征进行模拟,收集江苏沿海苏北浅滩和盐城外浮标实测海浪数据对模型结果进行比对验证。对江苏海域海浪灾害特征的研究和分析结果表明:整个江苏沿海基本以东北和东南向浪为主,大浪占比较大出现在8-9月,江苏沿海海域多年一遇有效波高沿着岸线呈南北向带状分布,由北向南的梯度逐渐增大,致灾方面,台风浪对海洋经济的影响较大,而气旋浪和冷空气浪对人员伤亡的危险性更大。

基于机载相控阵海浪波谱仪的海浪谱测量

提出一种机载相控阵海浪波谱仪,是Ku频段、线极化二维相控阵列雷达,发射宽带线性调频信号,在小入射角下照射海面,接收被海面准镜面散射调制的回波功率,获取海面后向散射系数,反演得到一维海浪谱。通过二维相控阵实现0~360°方位向的圆锥扫描,获取二维海浪方向谱,进而计算波高、波向、波长等海浪参数产品。一方面,采用基于二维相控阵的动态波位驻留时序设计,将均匀扫描改为非均匀扫描,增加沿航向的观测时间,提高沿航向斑点噪声抑制水平,改善了中法海洋卫星SWIM载荷的“沿航向信斑比不足”的问题,使观测效能得到提升;另一方面,采用电子扫描,无旋转机构,可大幅度提升波谱仪设备的紧凑性、适装性和可靠性,提高机载平台适应能力。在秦皇岛附近的渤海海域开展了相控阵海浪波谱仪飞行试验,与同步波浪浮标观测数据进行对比,结果表明相控阵海浪波谱仪波向测量精度优于15°,波长测量精度优于10%,有效波高测量精度优于0.3 m,验证了动态波位驻留对沿航向斑点噪声的抑制能力,以及相控圆锥扫描体制获取海面回波、反演海浪谱的性能。

基于物理模型的近岸海浪建模与实时绘制

提出一种可以逼真地模拟大面积近岸海浪的方法。首先利用Boussinesq类方程求得指定海域一段时间内的海面运动序列;然后通过对此序列进行重建,得到"无限"长的海面运动序列;最后把相应的海面高度场作为顶点纹理进行绘制。在绘制时采用视点相关的海面网格,达到实时绘制的效果。实验表明,该方法模拟的大面积近岸海浪真实感强,绘制速度快,适合于实时仿真应用。

基于线性海浪理论的海浪数值模拟

概述了海浪理论发展的历史和现状,对几种海浪研究方法进行了简要说明。详细论述了基于线性海浪理论进行海浪数值模拟的线性叠加法和线性过滤法,给出了具体的数值算法,讨论了工程应用数值模拟与视觉效果模拟之间的区别及各自的处理方法。并分析了工程应用领域内进行海浪数值模拟所采用的其他一些理论和方法,指出了现有海浪数值模拟方法存在的局限性。最后,对海浪数值模拟研究的发展趋势进行了展望。

虚拟海浪海洋环境模拟方法及应用

根据海浪理论及随机海浪的模拟方法和方钟圣所著《西北太平洋波浪统计集》的波浪资料,设计并编制了虚拟海浪海洋环境模拟软件,将《西北太平洋波浪统计集》的80个区块3 600份数据表的所有数据全部录入海洋环境数据库,初步完成了虚拟海浪海洋环境模拟流程和数据库界面的设计,将海浪虚拟化.以结构强度虚拟测试为例,介绍了外载定义过程船舶航行海况的设置方法,得到了海浪谱曲线和海况的波面运动图.研究结果表明:动态海况的显示技术和海洋环境数据库的配合使用,为船舶结构强度和总体性能虚拟测试提供了良好的测试环境.

近岸海浪实时仿真

自然景物的模拟是计算机图形学的一个热点问题,看上去简单的现实世界实现起来却极其复杂,特别是以海浪为代表的流体视觉仿真。海浪进入近岸区后,会出现变形和折射现象。将海洋学已有的波浪理论和计算方法应用到近岸海浪仿真中,采用椭圆余弦波构造波形,用波向线和波峰线组成的变形网格来解决波浪的折射现象,实现了近岸海浪实时仿真。实践证明该方法可以快速有效地模拟进入浅水区的海浪。

基于JONSWAP谱与小振幅波理论模型的海浪仿真模型研究

为了研究激光雷达水深探测时,受海面风影响的波浪变化对激光入射角的影响,文章基于JONSWAP海浪谱与方向函数相关公式构建三维海浪模型,考虑浅海波浪传播的方向性和周期性呈规律传播状态,引入小振幅波理论模型,建立双模型叠加的海浪在不同风速等级下的高度模型以及水下激光脚点的坐标。仿真结果表明,构建的模型能较好地仿真海浪变化情况。

中国近海2012年灾害性海浪分析及2013年预测

总结分析了2012年中国近海有效波高≧4 m的灾害性海浪过程及灾情概况,并对2012年度的预测结果进行了检验评估。依据1968—2012年有效波高≧4 m的灾害性海浪的统计资料,结合2013年副热带高压及热带风暴的分析预测资料,预测了2013年中国近海灾害性海浪过程的出现次数,以及分海区的出现天数,预测结果可为今年的海洋防灾减灾提供技术支持。

基于文氏谱海浪的无人机海面多径信号传播特性研究

针对无人机海上通信场景,对其海面多径信号传播特性进行了重点研究分析。完成了基于文氏谱的海浪模型建模;分析了海浪对多径信号传播的影响,建立了适用于不同海况下的无人机海面多径信号传播模型;仿真得到在不同海况下多径信号有效反射点数目与多径信号衰减幅度,并给出无人机通信链路误码率曲线;分析结果表明,海况恶劣程度决定海面多径信号传播情况,进而对无人机通信系统效能造成干扰,该研究为海上无人机通信系统设计具有重要意义。

中国近海2011年灾害性海浪分析及2012年预测

总结分析了2011年中国近海有效波高为4 m以上的灾害性海浪过程及灾情概况,并对本年度的预测结果进行了检验评估。依据1968—2011年有效波高≧4 m的灾害性海浪的统计资料,结合2012年副热带高压及热带风暴的分析预测资料,预测了2012年中国近海灾害性海浪过程的出现次数,以及分海区的出现天数,预测结果可为今年的海洋防灾减灾提供技术支持。