多尺度耦合经验正交分解法反演海洋次表层温盐结构

针对提升利用卫星观测海面信息重构三维温盐场精度的问题,本文提出了一种基于多尺度耦合正交分解的三维温盐场重构方法。该方法利用多尺度耦合正交分解对历史温盐剖面进行从大尺度到小尺度的迭代分解,以分层提取不同尺度三维温盐场的特征信息,然后分别建立海洋表面卫星观测与不同尺度的三维温盐场特征信息的重构模型,从而达到三维温盐场重构的目的。本文分别利用多尺度耦合正交分解法与单层正交分解法进行三维温盐场重构,结果显示,多尺度耦合正交分解优于单层正交分解法,且随着分解的层次不断细化,重构温盐场的精度及其垂直梯度精度均呈现明显的提升,其中组合4精度提升程度最高,分别提升了25.57%和27.58%;同时,对比HYCOM模式数据,多尺度耦合正交分解重构方法能有效地捕捉次表层海洋的空间特征信息。总体上,本文耦合经验正交分解法反演的温盐场与Argo温盐场偏差较小,反演精度较好,在空间分布上趋于一致。

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

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。

加勒比海东南部温盐阶梯的地震海洋学研究

通过处理EW0404航次的部分测线的多道地震数据,结合历史CTD(Conductivity, Temperature, Depth)数据,在加勒比海东南部发现了大量的温盐阶梯结构,地震剖面上阶梯层的结构和深度与测线附近的CTD,数据中发现的温盐阶梯有着较好的对应关系.分析认为加勒比海域有两种温盐阶梯形态:一种是连续且密集的阶梯层,阶梯层厚度中等,其在地震剖面上表现为大面积的块状密集高强度反射,是该海域主要的温盐阶梯形态;另一种是深度相差较大的阶梯层,阶梯层较厚,中间夹杂有小的阶梯,其在地震剖面上表现为水平延伸的条带状反射带.

基于变分法评估卫星海面信息对重构三维温盐及声场特性的影响

基于卫星海面观测重构水下三维温盐场并获取声场特性的研究,在军事海洋等领域具有重要的实践应用价值,但其效果不但受到重构方法的影响,而且随所利用的卫星海面观测信息的不同而改变。本研究基于美国海军最新研发的利用变分法的温盐场重构,研究了利用卫星海面高度、海面温度或二者联合数据,及考虑温盐垂向梯度对重构三维温盐及声场特性的影响。结果发现,集合了海表温度、海表高度和温盐垂直梯度3个约束项的重构方案精度最高,其重构温度场和盐度场的平均误差分别为1.08℃、0.11,该方案也能更好地捕捉温盐场的空间特征。通过分析不同方案的空间特征,海面温度主要作用于捕捉混合层以浅区域的温盐特征,这对表面声学层(Sound Layer Depth, SLD)的影响较大;海面高度和温盐场的垂直梯度对混合层以深区域的反演精度都有较高提升,能够影响整个声速剖面的准确性。根据声学特征分析,SST、SSH与温盐垂直梯度同时约束时,SLD以浅声速与HYCOM相差最小,约为1 m/s;没有梯度约束时,SLD与HYCOM相差约为1.5 m/s,未能很好地反映海表面声道特征;表明声道特征对海表温度与梯度约束均较为敏感。

基于XGBoost的三维温盐反演模型声速仿真应用

基于卫星遥感海面温度和海面高度数据以及Argo数据,利用Extreme Gradient Boosting(XGBoost)算法研究了不同深度三维温盐场的反演模型,实现了30 s内反演2019年1月至12月全球58层温度(盐度)信息,反演的温盐信息与Argo数据的空间和层化分布特征吻合,全球58层温度(盐度)反演平均绝对误差和均方根误差分别为0.319℃(0.050)和0.497℃(0.077);南海和西太平洋局部海域的温盐剖面也与Argo数据存在较好的一致性。将XGBoost反演模型得到的温盐信息应用于声速仿真,发现其结果可与Argo数据相吻合。本文的XGBoost温盐反演在保证精度的前提下显著提升了反演效率,能够充分反映海洋内部层化结构,并且可应用于声速仿真研究,为海洋环境信息保障提供技术支撑。

加利福尼亚湾温盐阶梯的发现

基于历史CTD数据和EW0210航次的部分地震测线,在加利福尼亚湾首次发现了盐指型温盐阶梯,并对其尺度和规模有了较为清晰的认识.经分析发现在该区域水深100~600 m范围内主要发育有层厚较大的温盐阶梯,其中均匀混合层厚度可达几十米甚至上百米,水平方向上连续性好,界面处热通量主要集中在-0.1~-0.2 W·m^(-2),盐通量主要集中在-1×10^(-7)~-2×10^(-7)m·s^(-1).受地形引起的内潮波或涡旋的影响,阶梯层抖动剧烈,上下起伏较大,部分反射层垂向位移甚至可达80 m,由此推测该阶梯结构可能将会被破坏.

新型感应耦合传输式温盐深链

本文对海水温度、盐度、深度要素测量技术进行研究,研制了一种新型的锚定式海水温盐深测量传感器链,用以测量浅海中温度、盐度动态变化剖面,并利用创新的感应耦合数据传输技术完成温盐深剖面数据的实时传输,为海洋內波研究、海洋环境数值实时预报和灾害性海况遥测提供技术保障。

北黄海温盐分布季节变化特征分析

利用2006～2007年夏冬春秋4个季节北黄海的大面调查资料，分析了4个季节北黄海温度和盐度大面以及典型断面分布特征，得出以下结论：2007年冷水团势力范围强于2006年，北黄海冷水团的形成受地形影响。黄海暖流冬春季较强，冬季最强，夏季最弱，秋季开始形成。鲁北沿岸流冬季最强，春季减弱，夏秋季消失，但夏季鲁北沿岸存在冬季鲁北沿岸流水的残余体，即鲁北沿岸水。辽南沿岸水4个季节都以低盐为特征，除夏季低盐中心位于庄河口外，其它3个季节低盐中心均位于调查区域的东北角。渤海与北黄海之间的水交换4个季节都存在。春季，断面盐跃层形成滞后于温跃层；秋季，断面盐跃层消失滞后于温跃层。

1998年春夏南海温盐结构及其变化特征

利用 1 998年 5～ 8月“南海季风试验”期间“科学 1”号和“实验 3”号科学考察船两个航次CTD资料 ,分析了 1 998年南海夏季风暴发前后南海主要断面的温盐结构及其变化特征 .观测发现 ,南海腹地基本被典型的南海水团所控制 ,但在南海东北部尤其是吕宋海峡附近 ,表层和次表层水明显受到西太平洋水的影响 .季风暴发以后 ,南海北部表面温度有显著升高 ,升幅由西向东递减 ,而南海中部和南部表面温度基本没变 ,这使得南海北部东西向温度梯度和整个海盆南北向温度梯度均减小 .北部断面表层盐度普遍由 34以上降低到 34以下 ,混合层均有所发展 ,是季风暴发后降水和风力加剧的结果 .观测期间黑潮水跨越吕宋海峡的迹象明显但变化剧烈 .4～ 5月 ,黑潮次表层水除在吕宋海峡中北部出现外 ,在吕宋岛以西亦有发现 ,表明有部分黑潮水从吕宋海峡南端沿岸向西进而向南进入南海 .6～ 7月 ,次表层高盐核在吕宋海峡中北部有极大发展 ,但在吕宋岛以西却明显萎缩 ;虽然看上去黑潮水以更强的流速进、出南海 ,但对南海腹地动力热力结构的影响未必更大 .一个超过 34.55的表层高盐水体于巴拉望附近被发现 ,似与通过巴拉望两侧水道入侵南海的西太平洋水有关 .

利用反射地震数据和XBT数据联合反演海水的温盐分布

利用地震数据反演海水的温盐分布是地震海洋学研究的一个重要方向.本文分析了采集于伊比利亚半岛西南缘海域的GOLR12低频地震数据和同步观测的XBT(eXpendable BathyThermograph)、CTD(Conductivity-Temperature-Depth)资料,将叠后约束波阻抗反演方法应用到海水温度、盐度剖面的计算当中,计算结果显示这种反演方法可以提供水平分辨率为6.25m的温度和盐度资料,温度的精度约为0.16℃,可以为物理海洋学研究提供高横向分辨率的基础数据.

大洋温盐环流与气候变率的关系研究:科学界的一个新课题

大洋温盐环流与气候变率的关系研究是 90年代中后期以来国际科学界提出的一个新课题。在概述温盐环流基本图像的基础上 ,讨论了温盐环流在气候系统中的重要作用 ,介绍了国际科学界针对该问题的未来行动 ,总结了国际科学界的研究现状。

大洋温盐环流的稳定性及变率模拟研究进展

围绕大洋温盐环流的稳定性和变率，以三维原始方程大洋环流模式（ＯＧＣＭ）和海气耦合模式为重点，兼顾理想概念模式，总结了近年来模拟研究的主要成果。概括了几个主要前沿方向———大洋温盐环流的多平衡态现象、数十年／年代际变率以及百年到千年尺度的变率特性等的研究成果，探讨了其内部机制。

渤海B1断面夏季温盐结构及变化趋势

采用特征量和线性拟合的方法,对1976～2003年8月的B1断面温盐调查资料进行分析。结果表明:夏季渤海暖水深入沿岸两端及渤海中部,深水处具有南北2个冷水区,形成冷、暖水体并存的分布特征。渤海夏季温度场结构分布是多种海洋物理环境要素的综合影响所致,太阳辐射和地形是基本原因之一,北黄海冷水侵入是冷暖水区维持的重要原因。冷水区多年温度有正变化率,温度变化正距平的信号来自大气气候变暖;而渤海中部高温水体则具有负变化率,温度变化负距平的信号来自北黄海次表层温度的变化,可能与北黄海冷水侵入渤海有关。夏季近岸盐度低,底层盐度高。盐度多年变化以正变率为主,造成岸边盐度升值明显的主要原因是河流入海淡水量的减少和工业污染。

温室气体浓度增加情景下大西洋温盐环流的演变

温室气体浓度增加(以CO2为主)引起的温盐环流演变在未来气候系统中扮演非常重要的角色.在最新的温室气体排放情景下,利用基于德国马普气象研究所为IPCC第四次评估报告而最新发展的气候模式(ECHAM5/MPIOM),对3种不同的温室气体排放假设(B1,A1B,A2)进行了可靠的数值模拟.在此基础上,就大西洋温盐环流和北大西洋深层水形成的变化,以及北大西洋不同海区的温盐环流对温室气体浓度增加的响应,对模拟结果进行了分析.研究揭示,到21世纪末,在3种CO2排放情景下,温盐环流强度分别减弱了4Sv(1Sv=106m3/s)、5.1Sv、5.2Sv,大体相当于减弱了20%、25%、25.1%.由于全球变暖引起副极地海区表层海水变暖变淡,拉不拉多海(LabradorSea)和丹麦海峡(DenmarkStrait)以南区域的深层对流有所减弱.而在格陵兰-冰岛-挪威海(GINSea)的情况相反,由于北大西洋暖流的增强,通过法鲁海峡(Faro-BankChannel)进入GIN海域的高盐水增加,导致GIN海域上层盐度(密度)增加,进而深层对流加强.在A1B情景下,由于全球变暖北大西洋的深层水生成率从16.2Sv降到了12.9Sv.

黄、渤海底层温盐数值预报方法的研究——Ⅲ.底层温度预报模式

根据文献[1]建立的底层温度(T_H)与其水柱垂向平均温度(T)的经验关系T_H=f(T),结合流体动力学方程和(垂向平均)热传导方程,发展了以水气温差和风速为已知量的底层温度二维数值预报模式。该模式,避开了海面热量和动量输入在垂直水柱中分配的复杂物理过程而直接报出底层水温场,具有较好的实用性;此外,从试报的结果看,效果是令人满意的。

东海30°N断面冬季温盐分布及年际变化特征分析

根据东海30°N断面1976—2013年历年2月份表、底层温度、盐度资料,采用经验正交函数(EOF)、谱分析等方法分析了断面温盐的空间分布特征和时间变化特征。结果表明:断面温度空间变化趋势可分为西段和东段,盐度变化可分为西段、中段和东段;表层温度第一模态呈现准平衡趋势且近海比外海温度变化幅度大,底层温度第一模态呈现下降趋势;表层盐度有降低趋势且近海比外海降低趋势大,底层盐度在近年来表现出降低趋势。该断面水温年际变化和El Nio关系密切;盐度短期震荡和El Nio有关系,而长期变化与PDO有关。

台湾海峡1999年8月表层温盐的走航式观测

利用1999年8月台湾海峡的调查资料中走航式温盐仪的资料,对该海区的表层温盐分布进行分析?分析结果表明:调查期间在该海区存在多处上升流和冲淡水?台湾海峡调查海区的上升流区大致可分为两类:(1)海峡西部沿岸上升流区:平潭上升流区?东山上升流区和南澳上升流区;(2)台湾浅滩附近的上升流区?冲淡水主要有九龙江冲淡水?珠江冲淡水和闽江冲淡水,此外还有粤东沿岸水?

基于FVCOM的象山港海域潮汐潮流与温盐结构特征数值模拟

基于有限体积法的FVCOM模型,建立了象山港海域的三维潮汐潮流和温盐数值模型,计算中考虑了潮流、风、太阳辐射和径流因素的影响。模拟结果与2009年的监测资料进行了对比验证,结果表明建立的模型可以模拟该海域的水流运动和温盐分布特征。通过对数值结果分析得到了该海域的同潮图、潮流椭圆图、潮流性质和温盐分布等。结果表明,象山港的潮汐属于非正规半日浅海潮;M2分潮流椭圆长轴从口门到湾顶逐渐减小,其走向与岸线的方向基本一致;狭湾内呈现往复流特征而口门外开阔海域呈旋转流特征。湾口和湾顶部有着显著的温度差和盐度差,海水温度由湾口向湾顶部逐渐增大,盐度分布则正好相反。狭湾内距离湾口不同位置的横向温度、盐度垂向分布结构特征各不相同。

温盐环流反转及其对新生代气候的影响

温盐环流是由海水温度、盐度差异驱动的全球洋流循环系统。在气候系统中,它对全球热量输送起到了十分重要的作用。在亚轨道尺度(千年时间尺度)上,温盐环流的改变导致了一系列快速的气候变化,因此备受关注。在构造时间尺度(百万年时间尺度)上,古海洋记录和数值模拟揭示出,温盐环流的反转对新生代气候也产生了非常显著的影响。在新生代,温盐环流由"南大洋深层水主控型"向"北大西洋深层水主控型"反转。这一反转改变了全球的热量输送,使得南半球强烈变冷,并有可能导致南极东部永久冰盖的形成。在这一反转事件中,热带海道的作用更加重要。

二维温盐环流模式研究^(14)C在海洋中的分布

海洋碳循环模式中常使用放射性同位素１４Ｃ来检验该模式的物理模型是否较好地反映了海洋中的大尺度变化的过程。本工作使用的物理模型是包括太平洋、大西洋和南大洋在内的二维温盐环流模式，在给定的年平均海表强迫下积分４０００年后，环流达到准稳态，其定常流场用来驱动１４Ｃ模式。对１４Ｃ模式积分５０００年以上，可得到１４Ｃ稳态的分布。使用不同的二氧化碳海气交换系数和垂直湍流扩散系数值进行了７个实验，发现使用Ｂｒｏｅｃｋｅｒ等的交换系数方程和扩散系数值依深度从０．６增加到１．４５ｃｍ２·ｓ－１，模拟的结果较好。使用观测到的大气中１４Ｃ含量，进一步研究了工业革命后及核试验后的１４Ｃ在海洋中的穿透，模拟结果与现有的一些资料进行了比较。