汇泉湾水动力环境观测和数值模拟研究

汇泉湾是青岛市最主要的海水浴场,湾区浴场的沙滩沙质退化及细沙流失现象一直备受关注。本研究旨在研究上述现象的成因,为汇泉湾生态环境保护和可持续发展提供科技支持。我们于2015年1月和9月在汇泉湾进行了水文、泥沙和悬浮物的综合观测,并基于FVCOM建立了汇泉湾高分辨率的水动力模式,模拟了汇泉湾及其临近海域的水动力环境。结果显示:汇泉湾常年存在一顺时针(即反气旋)环流,它有利于携带泥沙从湾的西侧进入而从东侧流出;环流中心区流速弱,泥沙不容易被带走,沉积物粒径较小。汇泉湾海域沙滩沙质粗化且流失的原因主要为:波致流引起的沿岸输沙将湾口西侧岩石剥蚀的较粗的细砂和粉砂搬运至浴场沙滩,而较细的泥沙容易地从东侧流出湾区。

梳状高度计编队探测海洋涡旋仿真分析

单颗星下点高度计卫星可进行一维海面高度测量,但时空分辨率较低,对涡旋的探测能力不足。梳状高度计卫星编队可提升海面高度时空分辨率,增强对涡旋的识别探测能力。为定量分析高度计编队下的涡旋探测能力,本文在黑潮延伸体海域开展观测仿真实验,对海平面高度进行沿轨采样,经优化插值算法处理后得到逐天海面高度异常数据场并进行涡旋识别与统计分析。此外,本文还同步开展了单颗星下点高度计和成像高度计卫星涡旋探测仿真实验及对比分析。结果表明,梳状高度计卫星编队在涡旋数量、极性、半径及振幅等方面识别效果较好,与成像高度计探测结果相近。

基于客观λ_(2)方法的海洋三维涡旋核心线提取

涡旋核心线是海洋中尺度涡旋结构的重要组成要素,涡旋核心线提取和可视化对于切入中尺度涡三维结构研究、开展海洋垂直物质能量运输分析具有重要意义。本文基于客观参考框架和λ_(2)准则,提出了使用客观化的流场参数得到λ_(2)区域,并提取其山谷线作为涡旋核心线的方法,实现了对海洋三维结构中尺度涡旋核心线的提取和可视化。首先,引入了最优局部参考系,使得速度、速度梯度等测度成为在变化的参考系下保持不变的客观量,提升了在海洋科学实践中的可靠性和实用性;其次,针对含有垂向速度的海洋三维流场数据,计算其空间雅可比矩阵,展示了涡旋核心区域的三维结构,实现了海洋涡旋研究从二维到三维的提升;最后,分别在多个半径大小播撒流线种子点,分析不同旋转方向的涡旋,对已提取的涡旋核心线实验结果进行验证,证明了客观λ_(2)海洋三维涡旋核心线提取方法的有效性及可行性。

不同层结条件下海浪生湍流混合特征分析及其对上层海洋的影响

上层海洋混合过程的动力学研究和数值模拟一直是海洋和气象学家关注的重点之一,其中上层海洋垂向混合参数化方案的不准确直接影响海洋模式的模拟效果。风生海浪对海气相互作用以及上层海洋的内部混合都起到极为重要的作用。本文基于包含垂向层结效应的海浪生湍流混合系数理论模型,开展不同层结条件下海浪生湍流混合系数的分布变化特征分析。构建了一维理想解析实验和准全球算例,结果表明,在100 m以浅的上层海洋中,混合层深度与上述混合系数呈现较为显著的负相关关系,当跃层或混合层深度较大时能够显著增强垂向混合过程,进而使表层暖水下降至更深的位置,加深混合层深度模拟结果。主要原因是由于深跃层条件下表层的层结效应较弱,因而对混合的抑制作用较小。此外,在准全球算例中海浪生湍流混合方案可显著提高海洋环流模式对上层海洋温度结构的模拟能力,模式对跃层处WOA13实测数据的模拟精度最高可提升60%以上。

基于FIO-COM的复杂海洋环境下的声传播效应研究

海洋声学预报系统将海浪-潮流-环流耦合的海洋模型FIO-COM(Coupled Ocean Model)与水下声场传播模型协同连接。在此基础上,本文利用海表面高度异常数据识别和预测海洋中尺度结构的位置和演变,并生成相应的中尺度海洋环境下的声学参数,可用于分析各种包含海洋中尺度结构在内的复杂海洋环境下的声传播效应。利用该系统计算并分析了冲绳海槽、黑潮锋面和北太平洋冷涡等实际海洋环境下的声传播效应,研究结果表明:相对于水体声速场的结构变化,冲绳海槽地形对声传播的影响更为显著,海槽外侧的声源在穿越海槽传播时,大部分声能量陷落在海槽底部,很难到达海槽对面;不考虑地形的影响,黑潮锋表面较高的水温能够导致近海面水域声能量减弱,相对于距离无关水体环境,声传播损失增大约5~10 dB;北太平洋冷涡使得声能量提前汇聚,进而改变汇聚区的宽度、强度和位置。

钦州湾水交换能力数值模拟研究

基于普林斯顿海洋模式(Princeton Ocean Model,POM),以M2、S2、K1、O1、M4和MS46个分潮为驱动,建立了包含漫滩处理的高分辨率钦州湾水动力模式。与现场观测的数据对比表明,该模式能较好地刻画钦州湾的水动力特征。在此基础上建立了水质模型,模拟钦州湾的水交换过程。模拟结果表明:钦州湾水交换能力整体上较强,整个湾平均的水体半交换时间约为18d,水体平均存留时间为45d。空间分布上,钦州保税港区以南海域水交换能力最强,半交换时间小于1d;沿着水道向北,水交换能力逐渐减弱;茅尾海中部半交换时间为26~28d;茅尾海的东、西、北3个部分存在水交换滞缓区,半交换时间超过50d。数值实验表明,采用漫滩技术对准确模拟钦州湾潮流速度和水交换能力非常重要,不考虑漫滩过程会低估钦州湾的潮流速度和水体交换能力。水平扩散系数对流速及交换时间都有影响,但影响有限。

虚拟海洋环境仿真关键技术与应用研究

本文利用虚拟现实和可视化技术,对虚拟海洋环境仿真中海浪仿真、海风仿真与风海流仿真等关键技术进行研究,并基于研究成果开发了交互式虚拟海洋仿真系统。结合中国海洋大学丰富的海洋实践教学经验,对东方红2号海洋调查船进行三维建模,并运用体素化分析方法模拟其在海面的运动情况,构建了虚拟海洋环境观测载体。系统根据涉海专业出海实践内容设计观测实验,还原了海风观测实验和CTD观测实验,能有效缓解当前涉海高校实践教学资源的不足,提高海洋人才的培养质量。

基于传输函数的二/三维全时空连续海洋中尺度涡旋流场实时可视化

海洋中尺度涡旋可视化可以将海洋中尺度涡旋的运动规律以图形图像等直观的方式加以展现,是研究海洋中尺度涡旋强有力的工具。然而,现有的可视化方法存在一些不足,如时空连续可视化框架中的流线不能表现全时空连续的运动过程,应用到海洋涡旋提取的特征值受阈值影响严重,交互式传输函数依赖用户经验等。为解决已有的不足,本文首次提出了全时空连续框架和传输函数标准形态模式,将基于区域的涡旋提取技术(Ω准则)应用到海洋中尺度涡旋可视化中,并提出了全时空连续可视化框架二维及三维的GPU实现方案。实验结果表明,本文的可视化方案达到了实时可交互的级别,对于海洋中尺度涡旋交互式可视化具有重要意义。

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。

海洋激光雷达测量水体剖面偏振信号的仿真模拟

基于蒙特卡洛模拟方法,建立了一个水中激光偏振辐射传输模型,用于模拟分析船载偏振激光雷达水体垂直剖面的偏振探测回波,分析了不同光学参数的水体和激光雷达测量模式下的偏振测量误差。使用高斯分布设置了三种深度分布在10~30 m的低、中、高浓度散射层,其叶绿素a峰值浓度分别为0.1 mg/m^(3)、1 mg/m^(3)和10 mg/m^(3)。模拟了激光发射波长为532 nm,接收视场角为10~1000 mrad的船载海洋激光雷达的偏振回波信号,并分析了影响偏振测量误差的主要因素。研究结果表明,由于激光在水中的多次散射过程,随着探测深度、叶绿素a浓度和接收视场角的增大,激光雷达接收光信号的单次散射率不断降低,导致激光雷达直接测量的退偏振比的误差随之增大。以100 mrad接收视场角为例,中浓度散射层情况下,在散射层上(0~10 m)、散射层中(10~30 m)和散射层下(30~40 m)的退偏振比相对误差分别为16%、125%、281%;在散射层中,低、中、高三种浓度散射层的退偏振比相对误差分别为54%、125%、731%。视场角从10 mrad增大到1000 mrad时,退偏振比相对误差逐渐增大,在中浓度散射层情况下,其在散射层上、散射层中和散射层下的变化范围分别为6%~28%、17%~452%和10%~734%。文中结果表明,偏振海洋激光雷达探测水体退偏振比时,由于多次散射过程的影响,传统的退偏振比算法会引入较大误差,有必要在反演算法中对其进行校正,以提高激光雷达的探测精度。

海量数据驱动下的高分辨率海洋数值模式发展与展望

海洋数值模式是定量描述海洋物理现象及其变化的数值模型,也是海洋与气候研究、预测的核心工具。随着海洋观测的不断投入与积累、对海洋认识的不断深入,特别是在高性能计算技术的支撑下,海洋数值模式已有了长足进步,正朝着高分辨率和多物理过程的方向发展。随着分辨率的提高、物理过程的细化,海洋数值模式的发展面临着多个方面的挑战。当前,海洋数据数量和种类不断增多,同时超级计算机、高性能计算和深度学习等技术的快速发展,为海洋数值模式的突破提供了机遇与挑战。本研究回顾了海洋数值模式的发展现状,梳理和分析了其发展中遇到的大规模高效并行计算和参数优化这两个关键问题,探讨和展望了当前海量数据驱动下海洋数值模式的发展趋势。提出计算负载均衡、计算与I/O重叠的并行流水线设计以及降低全局交换的算法改进是当前突破高分辨率海洋模式大规模高效并行效率的关键。从海洋科学、高性能计算以及深度学习深度交叉融合的角度,提出了实现海洋科学与深度学习相结合的6个途径,在此基础上,探讨了基于深度学习的参数化优化可能实现的途径。

北印度洋半日潮波的数值模拟研究

基于FVCOM(Finite Volume Coast and Ocean Model)模型,建立北印度洋海域(31°~102°E,16°S^31°N)的M2和S2分潮潮波数值模式,研究北印度洋半日潮潮汐、潮流分布特征。对底摩擦系数进行数值试验,利用代价函数梯度下降法,得到分潮调和常数向量均方根偏差(RMSE)的变化曲线,逼近并确定最优的底摩擦系数。将采用该系数的模拟结果与TOPEX/Poseidon卫星高度计交叉点的调和常数数据、国际海道测量组织(IHO)及部分文献中的验潮站数据进行比较与验证,一致性较好。其中对比卫星数据的振幅偏差为2~4 cm、迟角偏差为7°~8°,与验潮站数据的振幅偏差为3~6 cm、迟角偏差为8°~9°。根据模拟结果,分析了北印度洋海域M2和S2分潮潮波传播特征和潮流椭圆的空间分布特征等。M2分潮潮波在阿拉伯海南部有1个无潮点,在波斯湾内有2个无潮点,最大振幅超过80 cm;潮流在西北印度洋和孟加拉湾中部大多为顺时针旋转,其余海域大多为逆时针旋转;流速在阿拉伯海东北部、安达曼海、波斯湾和孟加拉湾北部较大,最大流速为160 cm/s,其他海域较小。S2分潮的潮波传播特征、无潮点的位置和潮流椭圆的空间分布特征等都与M2分潮类似,但潮波振幅和潮流流速等都相对M2分潮较小。研究完善了北印度洋海域2个主要半日分潮M2和S2的整体特征。

应用于海洋物性监测仪的小型浮标水动力分析

为验证研制的国产气象水文传感器的性能,设计了直径3 m的圆盘式小型浮标,拟搭载所有传感器在2000 m以深海域开展应用试验。统计了试验海域的有义波高、波浪周期、最大风速和表层流速等环境参数,计算了浮标的质量、重心、吃水、受力投影面积和惯性矩等设计参数。以三维势流理论和波浪辐射-绕射理论为基础,使用AQWA软件在频域内对浮标进行水动力计算,仿真了浮标工作时所受的一阶波浪力、附加质量、附加阻尼和运动幅值响应因子,通过仿真结果对浮标设计方案进行优化,优化后的浮标计算结果随波浪频率变化平缓,幅值合理且无激增点,表明该浮标与工作海域内的波浪没有发生明显谐振,对环境载荷有足够的承受能力,方案可用于浮标研制。

基于FIO-COM的海洋声学预报系统的构建与应用

将海洋模式与声传播模型结合在一起,设计开发了一种适用于高性能计算机的全球海洋声学预报系统FIO-GOAFS,该系统以自然资源部第一海洋研究所全球0.1°分辨率海浪-潮流-环流耦合模式(FIOCOM)为基础,利用海洋模式预报的温、盐、深参数计算声速剖面,并对声速剖面进行水声环境特征诊断,之后将海洋模式与水下声场传播模型协同连接,结合地声模型(海底地形和底质参数),实现了全球海域的水声环境特征诊断及水下声场及相关结果的预报。海洋模型提供水下声学预报所需的水体声速、海浪波高等参数,地声模型提供海底地形、底质声速、密度以及衰减等参数,通过调用海洋-声学连接模块提取声传播路径的地形及海洋环境参数剖面,实现海洋模型和声学模型的有效连接。全球海洋声学预报系统在高性能计算机上并行实现,主要包括声场计算中的频点、方位角并行以及声学预报时针对地理空间区域的并行。最后,利用该系统预报并分析了全球海域的水声环境特性及声呐作用距离的季节变化和空间分布特征,为现代声呐的设计、操作和水下应用提供参考。

集合平均方法的建立及海洋动力系统耦合作用的性质分析

不同海洋动力过程之间的相互作用决定了海洋系统内部的结构,外观表征上则反映了海洋动力要素的空间及剖面精细化分布与演变特征,海洋动力系统相互作用理论愈来愈成为支撑海洋耦合数值模式与数值预报发展的重要基础。不同于Reynolds尺度平均概念,基于局域平稳均匀统计意义下的集合平均可易于实现集合层级和系统划分。在此基础上提出了一种实用的集合平均方法,分析了不同海洋动力过程之间的相互作用机理,包括大尺度动力过程对中、小尺度过程的输运、剪切生成作用,以及后者对前者的混合作用。重点揭示了湍流、波动对涡旋/环流的输运通量剩余量主要分量所起的作用,探讨了波动强剪切生成湍流的能量贡献效应等性质,为海浪-海流耦合实用模块的研发及数据资料处理提供设计方法。

波-流相互作用源函数及其对海浪模拟的影响

当前,基于第三代海浪模式的波-流相互作用研究,通常仅考虑背景流场对海浪群速度大小、方向的改变及其所引起的波浪折射效应,忽略了流场对波浪能谱的影响。本文以波-流相互作用源函数为切入点,利用MASNUM海浪模式进行理想实验,阐释了水平方向上的波-流相互作用对海浪能谱的改变以及对海浪模拟可能造成的影响。结果表明:水平流速梯度量级、水深、波浪成长状态以及流速梯度方向均可以影响波-流相互作用源函数的作用效果,使得有效波高、谱峰波向的模拟结果发生变化。在更符合实际的水平流速梯度量级下,波-流相互作用源函数对有效波高和谱峰波向模拟值的影响非常小;但考虑到涌浪的长距离传播,其对谱峰波向的影响仍可能明显改变涌浪的传播形态。

下放式海洋观测中同轴铠装缆自缠绕/打结原因浅析及解决方案

结合CTD/LADCP(Conductivity-Temperature-Depth/Lowed Acoustic Doppler Current Profiler)观测实例,从作业海况、水下单元架构、水下姿态三方面分析研究下放式海洋观测中同轴铠装缆自缠绕/打结状况发现,仪器观测架在布放过程中存在旋转现象,旋转产生的扭力作用于同轴铠装缆;扭力得不到释放,在海况较差的情况下极易造成同轴铠装缆的自缠绕/打结。为解决这些问题,本文进一步提出了一套实用的改进方案,在既保证能够在较差海况下作业、又不减少观测仪器的前提下,改进仪器观测架和同轴铠装缆的连接结构,同时增加机械转环及附属结构。观测实践证明,该方案可以有效避免与CTD/LADCP观测类似的下放式观测中同轴铠装缆因自缠绕造成的“打结”现象的出现,大大提高了现场观测效率,保证了仪器安全和数据顺利传输。该技术源自基本海洋观测实践,可为广大海洋调查工作者提供有益的借鉴。

全球中尺度涡旋分裂合并现象的特征统计研究

中尺度涡旋分裂与合并过程等涡旋之间相互作用的研究是海洋学研究的热点。本文以Eddy Graph方法为基础,基于海表面高度异常数据,利用高效率并行计算方法,构建全球中尺度涡旋分裂与合并追踪数据集(Global Eddy Graphs, DOI:10.12237/casearth.63369940819aec34df2674d8)。基于此数据集,本文开展了对全球涡旋分裂合并统计特征的研究。研究表明,在涡旋的生命周期中,分裂与合并现象普遍存在。将分裂与合并纳入涡旋追踪过程,能够将几条简单线性的涡旋轨迹连接在一起,找出涡旋真正的起止点与生命周期,具体表现为起点聚集在大洋海盆东岸,终点聚集在大洋海盆西岸;长寿命涡旋占比与平均寿命均有提高。此外,本文还对涡旋分裂合并典型事件进行筛选与统计,对分裂合并过程中涡旋内部的海表面温度和海表面盐度进行归一化与复合平均,探究了涡旋分裂与合并现象对海表面温度与海表面盐度的影响。

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。

基于多层感知器和SAR参数的海浪有效波高反演方法

本文在分析雷达海面图像的多个参数与海浪有效波高相关性的基础上,应用哨兵1A卫星Level-2 SAR数据中的后向散射系数、图像强度归一化方差、截止波长、主波波长、主波波向、图像偏度和峰度参数提出了基于多层感知器(MLP)的海浪有效波高反演方法。详细讨论了输入参数组合不同时,MLP模型反演的整体海浪有效波高(SWH)、风浪有效波高(SWH_(WW))和涌浪有效波高(SWH_(S))的精度。针对极端海况下数据较少导致模型产生的系统偏差,文中采用校正函数减小该误差,从而增强了模型的适用性。与欧洲中期天气预报中心(ECMWF)和Jason3卫星提供的整体海浪有效波高数据进行对比,本文方法所得结果的均方根误差分别为0.471和0.535 m,相关系数为0.923和0.922。与ECMWF提供的风浪和涌浪有效波高相比,本文方法反演所得风浪和涌浪有效波高的均方根误差分别为0.534和0.512 m,相关系数分别为0.898和0.815。