1986～1989年间热带太平洋环流数值模拟与观测资料间的比较研究──Ⅰ．海面起伏

本工作较详细地分析、比较了１９８６～１９８９年间热带太平洋环流数值模拟结果与相应的观测资料。作为第一部分，本文给出由中国科学院大气物理研究所自由表面海洋环流模式模拟得到的热带太平洋海面起伏与热带太平洋１８个海岛站水位计和美国地球卫星（Ｇｅｏｓａｔ）观测资料间的比较。结果表明，模式成功地模拟出与１９８６－１９８７ＥｌＮｉ ｏ而和１９８８ＬａＮｉ ａ事件相联系的热带太平洋水位场时空演变。如１９８６年下半年暖水在日界线附近堆累和水位上升；１９８６年底这一高水位区以Ｋｅｌｖｉｎ波形式迅速向东太平洋和南美沿岸地区传播，且该地区水位场演变呈双峰结构。模式海面起伏与１８个海岛站间平均相关系数高达０．７９，与其平均误差为４．５ｃｍ；与Ｇｅｏｓａｔ观测相比，模式海面起伏相关系数的区域平均值为０．３６；文中还讨论了对模式的进一步改进工作和海面起伏观测资料在自由表面海洋环流模式中的同化应用等问题。

基于小振幅波方程的起伏海面构建及其对地震波场传播特性的影响

海面起伏状态对波场传播以及模型空间成像有着非常重要的影响,在常规海洋地震数据采集和处理中,都是将海面作为水平界面处理,实际海洋地震数据采集中,由于海水受风浪、洋流等的影响,海面呈现高低起伏状态,这样来自底层反射界面的反射波经过海水起伏界面反射后会引起波场的强烈散射,从而造成地震记录反射波同相轴抖动和畸变,最终影响成像效果.为了更加深入了解起伏海面存在对波场传播以及偏移成像的影响,本文首先基于流体力学小振幅波方程,从边界条件出发,给出包含海浪谱信息的动态边界条件,并在此基础上构建起伏海面速度模型;然后在构建的起伏海面速度模型上通过冻结不同时刻海面开展波场传播特征分析,研究起伏海面在不同冻结时刻下波场传播规律以及对反射地震记录和偏移成像的影响.研究结果表明,不管是对于简单的层状介质模型还是海底较为复杂的大水深模型,海面不同形态的起伏变化直接影响着波场记录以及波场快照形态,同时会对偏移成像结果造成较大影响,随着海水深度的增加,该影响对于简单模型影响逐渐变小,但对于复杂模型,影响依然很严重.

含破碎海浪海面起伏统计的理论模型

在常动量通量海面风漂流层内,基于所导出的海浪能量和涡度变化首次积分与破碎的运动学判据和数学合理性判据,推演出一致的破碎海面起伏表示和海浪破碎发生条件,从而用Heaviside函数组合的方法给出破碎海浪海面起伏的函数表达式.基于所导出的破碎海浪海面起伏函数表达式和海浪总是小波陡的事实,提出一种包括基底海浪、弱非线性海浪和破碎海浪的海浪海面起伏三重复合函数表示.海浪的三重复合函数表示和基底海浪的正态分布律的总合,就是所提出的海浪海面起伏统计数学物理模型.

起伏海面水面船回声强度预报方法及统计规律研究

本文基于随机起伏水面舰船目标六自由度动力学模型和界面附近目标多路径声散射理论,考虑水面多次反射的影响,建立时变海面条件下水面舰船声散射预报模型,分析不同海浪谱条件下水面舰船回波强度统计规律。通过开展拖曳水池造波条件下舰船缩比模型声散射试验,获取舰船模型在水平探测角上时域回波特征。研究表明:120~180 kHz探测频段下回声强度理论预报幅值与实测结果平均误差小于3 dB;从舰船模型声散射实测和计算结果中均发现,波浪作用下舰船随时间变化的回声强度幅值符合χ^(2)分布的统计规律,其回声强度均值和双自由度数值k符合较好,验证了预报模型的有效性。

基于文氏谱的起伏海面虚反射特征研究

海洋地震记录中的虚反射会和反射波发生混叠和干涉,严重影响了海洋地震资料的质量。常规海面水平的条件假设将在海面反射系数计算过程中引入误差。本文引入文圣常提出并改进的文氏海浪谱,采用有效波高、海浪成长系数等各项参数模拟出更符合实际情况的海浪形态,并通过时频分析等方法研究起伏海面虚反射对地震记录的改造作用和起伏海面条件下的虚反射时频谱特征。结果表明:当海面起伏程度较大时,起伏海面的虚反射不仅强烈扭曲了海底一次波反射同相轴,且与一次波发生了强烈的干涉作用,导致成像结果出现很多假同相轴,严重影响了地震资料的质量。随着起伏海面有效波高的增加,地震记录受陷波效应逐渐增强,虚反射能量逐渐增加,主频幅值逐渐减小。当海面起伏变化时,随着偏移距的增加,陷波点幅值变化丰富,主频幅值逐渐减小,且向高频方向移动。随着震源或检波器沉放深度逐渐增加,有效波虚反射的能量强度逐渐增加,频带变窄,陷波改造作用强烈,主频幅值逐渐减小。

一种改进的随机起伏海面的仿真方法

根据线性滤波器模型的基本原理,提出了一种改进的基于高阶滤波器的随机起伏海面仿真方法.利用Pierson的半经验海浪谱模型,得到了各种不同风速条件下海面随机起伏的仿真结果,并且对仿真结果进行了比较和讨论,结果表明,利用高阶滤波器方法能更加准确地仿真不同风速下的实际海面、更好地再现随机起伏海面的海浪谱特征.这一方法的提出为海浪的物理模拟实验提供了更为准确的数值计算方法,也为研究目标与海面共存条件下高频地波雷达信号的回波特性提供了更好的数值仿真平台.

浅海起伏海面下气泡层对声传播的影响

分析了起伏海面下风浪引起的气泡层对海面反射损失和对声传播的影响.一方面,气泡层会改变原来水中的声速剖面;另一方面,气泡层会对声波产生散射和吸收作用.考虑以上两方面的因素,分析了不同风速下气泡层对海面反射损失和声传播损失的影响,仿真发现,在风速大于10 m/s时,对于2 k Hz以上频率时气泡层对小掠射角下海面反射损失的影响不可忽视.在给定的水声环境中,当声源深度和接收深度都为7 m时,风速为16 m/s的风浪下生成的气泡层,在10 km处对3 k Hz的声传播损失的影响达到8.1 d B.当声源深度和接收深度都为18 m时,风速为16 m/s的风浪下生成的气泡层,在10 km处对3 k Hz的声传播损失的影响达到4 d B.

起伏海面对反射地震偏移成像结果的影响

实际海面受风浪的影响是个随机起伏的复杂曲面.一个随机起伏的自由表面对地震波形成相当复杂的散射,进而影响波场在靶区的二次照明与成像结果;此外,起伏海面具有小尺度随机起伏的特性,难以用贴体网格等处理大尺度起伏地表的常规方法和技术对其进行逼近和处理.鉴于此,利用不等距有限差分法实现小尺度起伏海面的波场自由表面边界条件,以此进行正演、波场照明分析;利用逆时偏移(ReverseTimeMigration,RTM)进行起伏海面下的成像并对成像结果进行分析.不同模型的试算结果表明:起伏海面引起的复杂散射使靶区地下照明不均匀、成像界面发生弯曲和畸变,从而降低成像结果的分辨率和信噪比.

起伏海面条件下的反射地震响应

为了更真实地模拟起伏海面的影响,利用兼顾精度与计算效率的有限差分法,采用基于鬼点外推的不等距差分格式,采用文圣常等提出的海浪谱计算模型建立了有效波高为2m的适度平静海面起伏模型,以此研究中国海域内起伏海面条件下的反射地震响应。通过对简单的层状模型和Marmousi模型的数值模拟,得到以下认识:①受起伏海面影响,鬼波与一次反射发生不规则的干涉而产生不同的反射地震响应;②由起伏海面产生的地震反射同相轴"抖动"现象在所有时刻都存在,且与海面的起伏形态相关;③由于二次反射的不均匀照明及其与一次反射的不规则干涉,造成地震反射能量的空间分布不均匀现象,影响直达波和反射波的走时、波形、振幅、频谱、相位和带宽等,造成鬼波压制效果不佳、成像信噪比低、分辨率低、局部反演结果不收敛等一系列实际问题。

基于非高斯性最大化的起伏海面环境下双检信号波场分离

对于双检波器采集的信号,通常将其变换至频率—波数域中,经过波场分离得到上、下行波,再对其中的陆检信号和水检信号分别进行处理,然后合并,以达到消除鬼波,加强一次波的目的。这样处理的前提是假设海面平静、检波点分布均匀。然而,实际数据采集中很难满足上述条件,导致检波点鬼波的压制效果不甚理想。据此,本文首次提出适用于起伏海面的时空域逐道波场分离技术,通过构建非高斯性最大化优化目标实现波场分离。与传统的波场分离方法相比,该方法更适用于海上地震数据处理,能取得理想的鬼波压制效果。实际数据处理结果表明,基于非高斯性最大化波场分离的鬼波压制处理流程,能有效消除鬼波,拓展地震资料频带并提高信噪比,进而提高成像质量。

随机起伏海面数值仿真中的滤波器设计算法研究

本文利用Pierson—Moscowitz谱，讨论了随机起伏海面仿真中海浪谱的分解方法，给出了满足线性滤波器要求的海浪谱分数有理多项式拟合算法，并对拟合结果进行了详细的分析。结果表明，与四阶滤波器相比，利用满足六阶滤波器要求的海浪谱分数有理多项式拟合算法，能更好地拟合实际海浪谱，这为实际海面的数值仿真提供了更加精确的算法。

基于海洋水准的海面动力地形研究

本文根据东经100°～170°,北纬0°～50°的西北太平洋海域1930～1990年的大量海洋和气象资料,以深海等压面1000,1500,2000,2500和3000db为依据,按动力学原理,计算了面积约3000多万平方公里广阔海域的动力深度及其偏差。并以标准海面为基准,绘制了迄今最为精细的海面动力地形图。通过与全球海面动力地形的比较,研究了该海域海面地形的起伏特征,发现了苏禄海盆地及其周围海域海面起伏的异常区,初步研究了它的形成机制。

海面风浪影响下的浅海声传播预报方法

为了分析高海况条件下水下声场时空特性,本文提出了一种能够同时考虑粗糙海面和气泡混合层影响的水下声场计算方法。结合风浪谱理论和HN气泡群理论,采用蒙特卡洛方法对一维起伏海面进行仿真建模,利用起伏海面下的Ramsurf声传播模型仿真了不同海面风速下的声传播损失,并通过递归方法求解了考虑近海面气泡层因素的海面反射系数及海面反射损失。仿真发现:在浅海典型的负梯度环境中,起伏海面和气泡混合层对风浪搅动形成的近海面等温层中的声传播影响较大,对远离海面的深处负梯度层中的声传播则影响相对较小。另外在小掠射角下,当风速为10 m/s、频率大于2000 Hz时,气泡混合层对海面反射损失的影响不容忽视。

风速、入射角对海面谐振散射的影响

根据微扰法研究波散射,在谐振散射模型基础上导出布拉格散射系数,并分析海表面波对散射系数的影响。考虑海表面斜度的变化,对谐振散射系数进行修正,得出修正后的散射系数,发现散射系数的修正值受海面高度起伏均方根的影响,计算得出海面高度起伏均方根与风速的关系。在30m深度海域进行试验,入射波角度分别为35°、45°和55°情况下,测量不同风速下散射系数的修正值。研究得出结论,在不同的风速条件下,入射角的变化影响散射系数。

一种动态起伏的海表面建模方法

在重力和风力等自然因素的影响下,实际海面呈现动态起伏变化形态。粗糙的起伏海表面会影响数据处理过程中鬼波算子估算的准确度,进而影响鬼波压制效果。为研究起伏海表面下鬼波对地震记录的影响,基于PM(Pierson-Moscowitz)海浪谱计算模型,首先,将不同时刻的静态粗糙海表面进行组合,得到连续时刻的动态海表面以逼近真实动态起伏海表面;然后,采用克希霍夫近似法,分别提出动态起伏海表面下非脉冲震源鬼波和检波器鬼波的建模方法。合成数据测试结果表明,提出的建模方法可有效模拟更符合真实动态海表面的地震记录,并可用来测试鬼波压制算法的实际效果。

起伏海面散射引起浅海声传播损失的统计特性与快速声场预报方法

基于海洋环境信息、起伏海面的小斜率近似和简正波模型,研究了浅海环境中不同季节起伏海面散射引起的声传播损失的统计特性,给出了海面散射声传播损失-风速拟合公式以及一种快速声场预报方法,可据此快速评估水下长期工作设备的工作性能。仿真结果表明,对于全年运行的水声设备,当传播距离超过10 km时,须考虑起伏海面散射对声传播的影响。起伏海面散射对声场的影响冬季大于夏季,在夏季负跃层环境中起伏海面散射对下发上收声场的影响大于下发下收声场。

上行激光在海水界面传输特性的研究

针对采用双叠加法模拟海面时所出现的锁相环效应,根据海浪谱的窄带特性,选取不同风速下的频率采样范围,应用频率方向对应法对三维海面进行仿真,仿真结果真实地反映了三维海面的随机起伏情况;从菲涅尔公式出发,对上行激光通过海水-空气界面时的反射、折射特性以及能量总透射率进行了分析和仿真,仿真结果表明风速的变化和上行激光在海面的入射角极大地影响了其能量透射率。最后,分析了上行激光通过三维起伏海面时的散射效应。

高速垂向运动声源声场干涉特性及其可观测性

以高速垂向运动声源宽带连续谱噪声为研究对象,基于射线理论分析了声场干涉现象的产生机理,推导了干涉条纹的轨迹方程,讨论了影响干涉结构特性的因素,揭示了声场干涉结构的特性和规律。理论和仿真结果表明:干涉周期与多途信号时延差成反比关系;减小接收深度或增大接收距离可以提高干涉条纹的可观测性;较大的海面起伏易使干涉条纹形成断点,可观测性降低。湖试数据分析结果表明,干涉条纹主要由直达声-海面反射声干涉条纹构成,干涉条纹宽度和干涉周期随水平距离的增大而增大。该结果可为高速垂向运动声源运动状态分析、环境参数反演等提供参考。