卡尔曼滤波在海洋浮标数据预处理中的应用

【目的】优化自动化数据预处理方法,以提高海洋浮标数据质量。【方法】结合海洋浮标数据特征,提出了一种改进的自适应卡尔曼滤波自动化数据预处理方法,该方法通过箱型图进行异常值的检测,并采用方差受限的方法解决测量噪声导致的滤波发散问题。【结果与结论】海上工程应用和仿真实验结果表明,改进的算法计算开销低且不影响浮标系统的正常采集和数据融合工作,浮标数据采集率达100%,云数据中心数据接收率达97%。浮标采集的原始数据经过异常值修正和滤波降噪处理后,数据曲线更为平滑且符合随时间序列变化的规律,数据预处理效果良好。

南极罗斯海陆架区冰川-海洋-海底多圈层相互作用的探测研究现状

罗斯海陆架位于全球最大冰架——罗斯冰架与南太平洋之间,有着南极最为活跃的冰川-海洋相互作用、冰川地质作用和海底构造岩浆活动,对其进行冰川-海洋-海底多圈层相互作用的多学科探测研究可为南极,乃至全球气候环境变化历史及其趋势的模拟研究提供有力的支持。本文围绕罗斯海冰盖历史和罗斯冰架现状,分析总结了相关方面的探测研究现状和认识:(1)已有科学计划开展了陆架裂谷构造、火山岩浆活动和天然气水合物分布以及冰盖及冰架进退历史的探测研究,但冰川进退与海底构造活动之间关系还鲜有研究;(2)陆架沉积层序、向外生长、内倾超深和三大冰蚀槽显示了强大的冰川地质作用,但这种地形地貌的重塑作用模式还没有构建,尤其是冰盖接地线控制陆架生长的机理有待解剖;(3)在陆架和海槽两个不同尺度上,模拟显示存在西部冰融水净输出、东部绕极流暖水净输入的特点,但这种流系的时空分布规律及其与冰架不稳定性之间的关系缺少观测研究;(4)已有冰架上地震仪和近岸水听器监测显示,来自太平洋方向的地震、火山、海啸和风暴的机械作用不利于罗斯冰架的稳定性,但缺乏展示动力传递和衰减规律的沿冰蚀槽、乃至陆架范围的声景监测。为此,建议布设地学和海洋学综合观测断面,开展宽频带地震和水听器的监测以深刻把握冰盖/冰架进退与裂谷构造活动、海气相互作用之间的关系,并力求在底栖生物群落的发现和哺乳动物活动的监测上有所作为。

超低空无人机航磁在海缆探测中的应用实验

为解决近岸海底电缆“最后一公里”高精度探测和定位的技术难题,在构建近岸海底电缆磁异常正演模型,分析正演曲线特性的基础上,引入超低空无人机航磁技术,对阳江风电场密集分布的近岸海底电缆进行探测,验证不同飞行高度对电缆探测效果的影响;计算平面磁异常总梯度模能够减弱局部异常之间的叠加和干扰作用,推断海底电缆走向。实验结果证明:采用观测高度为10 m的超低空旋翼无人机航磁探测,在近岸区域获得了预期探测效果;实验采用平面磁异常总梯度模的计算方法,有效提高了海底电缆的平面解析能力。

水下沉船探测方法及应用

水下沉船探测对时间和精度要求非常高,如何采用先进的技术设备较好地完成沉船探测是值得研究的。本文采用多波束水深探测与侧扫声呐相结合的方式,实施了某水库沉船探测,将多波束探测发现的可疑点与侧扫声呐影像相结合,较快地确定了水下沉船位置,证明了该方法的有效性。研究结果可为相关工程应用提供参考。

自然资源框架下海上风电的管理困境及对策

地方政府和能源部门是海上风电迅速发展的主要推动力,自然资源部门的参与度和话语权相对较低,导致自然资源部门倡导的集约节约用海等原则在海上风电开发过程中难以得到有效落实。文章梳理我国海上风电开发与管理的基本情况,分析自然资源框架下海上风电管理面临的困境及原因,提出完善海上风电管理的对策建议。研究结果表明,海上风电开发现阶段存在着发展规划制定不完善,地方自然资源部门监督职能难以有效发挥,部分项目存在“化整为零”违规审批等问题。上述问题既是地方政府在海上风电开发过程中强势推动政策的负面结果,也与自然资源部门自身职责定位、相关规划和审批依据不健全、监督管理力量不足等因素有关。为有效履行国土空间用途管制的职责,自然资源部门需要发挥国土空间规划体系对海上风电开发的指导作用,借助海洋督察推动地方政府落实海洋自然资源监管责任,并通过及时制定可操作性审批标准、完善监督管理力量等方式,推动海上风电开发能够合理利用海洋空间。

南海西北部16 kaBP以来沉积物的环境磁学特征及其物源指示意义

南海是西太平洋最大的边缘海,对东亚季风和全球气候变化具有敏感的响应,然而目前对南海沉积物的物源分析仍存在众多争议。对南海琼东南盆地SCS-02孔的沉积物样品进行了系统的磁学分析,旨在通过环境磁学参数追踪沉积物的来源。结果表明,SCS-02岩芯的磁性矿物主要为磁铁矿和赤铁矿。自16 kaBP以来,磁性矿物的粒径和成分发生了系统变化,指示了沉积物源-汇过程的改变。15.5~16 kaBP期间,磁化率较高,粒径较粗,矫顽力也较高。海平面比现今低100多米,莺歌海出露于海平面以上,古红河口距研究区较近,红河的物质可以较容易到达沉积区,因此该时期红河贡献较大,珠江和台湾贡献较小。7.5~15.5 kaBP期间,随着海平面的迅速上升,磁性矿物组成和粒度发生了变化,总的磁性矿物含量减少,磁铁矿的含量逐渐增加,粒度变细,表明随着海平面的升高,珠江和台湾的贡献有所增加。7.5 kaBP以来,现代的海陆格局基本形成,磁性矿物组成和粒度变化较稳定,沉积物主要来源于红河和珠江。因此,环境磁学参数可以指示南海西北部沉积物的源-汇变化,为海平面变化和气候演化研究提供有效参考。

基于竞争遗传算法的海洋云平台资源调度模型研究

高质量的海洋自然资源管理离不开数据和信息的支撑。鉴于海洋数据的特殊性,海洋数据处理常涉及长时间序列或大空间范围的处理工作,对于此类密集型计算为主的数据处理,通用型云平台存在效率不高的突出问题。文章在全面分析Hadoop平台原生资源调度算法的基础上,结合海洋数据处理密集型计算的特点,创新性地提出了基于竞争模型的遗传算法任务调度策略(CGA),有效地解决了遗传算法求解速度受初始化种群与种群进化测量影响较大的问题。此外,为加快收敛速度,引入竞争机制,构建基于种群竞争的自适应进化模型。通过实际验证和比对,证明改进后的算法在收敛速度及收敛结果的稳定性上都优于传统算法,有效地改进了海洋云平台资源调度的能力,提升了海洋数据的处理效率。

基于LSTM构建海岸侵蚀风险预测模型的研究及应用

岸线侵蚀预测是海岸动力地貌学研究的热点问题之一。本文基于长短期神经记忆网络LSTM,采用1985-2023年江苏射阳县附近海域收集到的岸线、水深和潮间带宽度数据,结合ERA5数据反演的波浪和潮流数据,构建海岸侵蚀风险预测模型。该预测模型可以准确反映海岸线的加速侵蚀、稳定侵蚀、淤积的非线性变化或线性变化趋势。预测结果表明,在沙源减少条件下,波浪和潮流增强是近20年来射阳海域海岸侵蚀的主要因素。此外,利用预测模型开展了海岸加固、消浪和弱流对海岸的防护效果试验,试验结果表明,海岸加固防护效果最佳,消浪防护效果较弱流防护效果好。预测模型设置运行过程高效,具有较高的应用价值和开发潜力。

长短期记忆神经网络(LSTM)对风暴潮数值模拟的优化应用

利用长短期记忆神经网络和数值模式相结合的方法,设计了两套针对粤东遮浪海洋站点台风风暴潮增水的预报优化方案。与实测资料对比结果显示,长短期记忆神经网络方法可以显著改善数值模式模拟结果的准确性,最大增水和主振过程中增水后报结果的平均绝对误差、平均相对误差和平均改善幅度分别为7.1 cm、8.2%、74%和16.1 cm、34.7%、33%。进一步分析表明,利用台风信息预测数值模拟结果的订正值可以有效改善神经网络方法的不稳定性,比直接预测风暴潮增水值更加准确、可靠。

海洋探测无人艇:平台设计及应用

海洋探测无人艇应用范围广泛,但无人艇姿态易受风、浪、流、漂浮垃圾等环境因素影响,导致结构损坏、观测数据精度下降等问题。设计了无人艇双体宽甲板平台,多波束测深系统安装在升降机构上,保障最佳航行姿态和换能器安全,提高了采集数据的精度。2020年,该无人艇参与江西应急抗洪救灾堤坝勘察任务,在水流湍急、水质浑浊、漂浮垃圾多等不利环境下,圆满完成14 km堤坝底质勘察任务,共发现4处堤坝风险位置点,为抗洪抢险提供了重要的数据支撑。

南海北部历史水文调查资料揭示的上升流现象及形成机制

南海夏季盛行西南季风,琼东、雷州半岛东部及粤东沿岸海域季节性上升流经常发生,且受到广泛的关注。本文在处理了南海北部的历史水文调查资料时发现,除了直达海面的上升流频发区域外,还存在次表层上升流分布形态:强西南季风下,贯穿琼东、粤西、粤东沿岸的次表层上升流;粤西陆架大区域次表层上升流;珠江口外冲淡水驱动的上升流;粤东海湾陆架底层水入侵及湾内气旋环流。这些分布形态在已有文献中未见报道,或关注不多。除了夏季强西南季风的Ekman输送、风应力旋度产生的Ekman泵吸,南海海盆尺度环流的底边界层Ekman效应可能是次表层贯穿上升流不能忽略的驱动机制。上升流同期的大气环流形态表明,南海北部正风应力旋度Ekman泵吸似乎是粤西陆架次表层上升流的主要驱动机制。正风应力旋度与珠江冲淡水联合驱动了粤西陆架气旋型环流。气旋型环流的辐散利于粤西陆架次表层上升流的形成与维持。在粤东海湾,西南季风驱动的湾内垂向环流,及水平气旋型环流是陆架底层水入侵海湾的主要驱动机制。大亚湾内核电温排水热力羽流利于湾内气旋环流的加强。海湾岬角利于红海湾气旋环流的形成。除了Ekman效应,上升流形成机制还需关注更多的动力因素。

基于天通通信的内孤立波监测系统设计与应用

实时监测是实现内孤立波预警的前提和基础。文章根据内孤立波过程海流的特征,提出了一种基于天通通信的内孤立波监测系统。该系统在浮标端搭载海流计进行剖面海流的实时观测,并将数据进行分帧传输和丢包重传,保证观测数据的可靠实时传输;在云端采用数据接收存储和内孤立波识别功能解耦的设计,在实现内孤立波监测的同时,降低模块间的交互调用,提高系统运行的稳定性。海上工程应用结果表明,该系统运行稳定,浮标端数据采集率达100%,云端有效数据接收率达95.1%,且系统自动化内孤立波监测的功能有效地提高了内孤立波识别效率,保障了目标海域的施工安全。

渔船安全作业与海洋监测信息系统设计及应用

渔船安全作业与海洋监测信息系统是中国首创应用在海洋渔业、航运业方面,具有陆地与船只的双向信息传输、海洋监测及其数据传输三大功能的信息系统。解决了远离海岸渔船与陆地的信息沟通障碍和渔船活动海域海洋气象实时监测网点少的问题。系统的应用将为渔船安全作业提供各种预警、安全信息;为指挥部门和海洋预报部门提供海上活动船只的航线、航向信息和海上实测数据;为渔业的信息化提供技术支撑。此系统在“向阳红14号”船进行了40 d海试,测试了系统的所有功能,验证了其可靠性、稳定性,达到预期效果。

基于半参数模型的海洋磁力测量系统误差补偿

针对海洋磁力测量系统误差补偿时所选系统误差模型补偿不充分的情况,引入半参数模型进行精化补偿。使用简化补偿模型进行测线系统误差滤波与推估时,加入表示模型误差的非参数分量,来弥补所选系统误差模型在描述实际系统误差变化时的不足,采用自然样条函数法和L曲线法确定正则矩阵和正则化参数,对半参数模型进行补偿最小二乘求解。实验分析表明,引入半参数模型后,测线网交叉点不符值接近于0,中误差达到0.001nT,测线网精度显著提高。采用Akaike信息量准则对不同补偿方法进一步评估发现,引入半参数模型后,补偿效果受所选系统误差模型的依赖程度明显降低,拓宽了不同系统误差模型的使用条件。

无基点海洋重力测量数据归算补救方法

针对海洋重力测量中可能出现基点信息缺失(也就是无有效基点信息,统称无基点)的一些特殊情况,在分析评估国际上近期发布的全球重力位模型和卫星测高重力模型的可靠性及有效性基础上,提出了利用前述两类模型作为海域重力场中长波控制基准,进而开展无基点海洋重力测量数据归算的补救方法研究,给出了数据归算的流程和步骤,分析评估了补救处理方法的适用条件和精度水平,使用海上实际观测数据对推荐的补救方法进行了有效性验证,证明将两类模型应用于无基点海洋重力测量数据补救处理是有效可行的。

基于均一化资料的南海沿海海表温度变化特征分析——以遮浪海洋监测站为例

采用加拿大环境部下属的气候研究中心所研发的惩罚最大T检验法并结合海洋监测站点的元数据信息,对南海沿岸的遮浪海洋监测站1961—2018年的海表温度(SST)序列进行均一化检验和订正,对该区域基于均一化订正之后的SST序列的气候年际和年代际变化特征进行了分析。结果表明:经均一化订正后的SST增温速率上升了0.05℃/10 a,由原来的0.12℃/10 a变为0.17℃/10 a,呈现显著的增暖趋势,表明非自然因素对月平均SST的影响导致了对该区域海水增温速率的低估。从年代际尺度上看,该地区1998年出现气候跃变,1998年之前遮浪海域的SST处于偏冷阶段,而1998年后出现短暂的停滞阶段,随后SST呈加速上升趋势,至今仍处于上升增暖阶段。

柔性海洋CTD传感器发展概述

海洋水文信息对发展和海洋资源探测具有重大作用,温盐深是海洋水文的基本要素。在海洋资源开发与利用中,海洋温盐深数据信息监测具有重要意义。CTD传感器是海水温盐剖面观测的主要仪器,利用CTD传感器可实现对不同深度海水的温度和电导率等参数的测量。近年来,凭借其出色的可拉伸、易贴附等优点,柔性电子传感器既在一定程度上实现了传统刚性传感器的传感性能,又弥补了传统传感器体积、重量大等缺陷,展示出巨大的应用潜力。本文综述了近年来柔性海洋CTD传感器的研究进展,主要包括柔性传感器的工作机理与分类、常用材料、制作工艺,并对现有的柔性海洋CTD传感器的结构、性能和应用平台进行了分析。最后,展望了柔性海洋CTD传感器的发展。

基于自组网的气象监测系统设计及应用

为提高气象监测系统的快速组网和传感器即插即用能力,文章结合无线通信技术设计了一种基于自组网的气象监测系统。该系统搭载了数据采集控制与融合软件,能够通过配置方式兼容不同传感器的输出格式和数据解析协议,可使气象传感器以软件配置的方式接入监测系统。基于广东某码头工程建设项目的应用结果表明:该系统运行稳定,数据获取率高,新增和扩展监测节点时减少了软硬件设计变更,具有组网部署快速和扩展性好的优点,可推广应用到其他无人值守环境监测平台。

CORS网和GNSS技术在地面变形监测中的应用——以浙江东南部为例

地面变形对工程建设安全稳定具有一定影响,对工程建设规划、地质灾害防治等具有重要意义。本文利用卫星导航定位基准站(CORS)网全球卫星导航系统(GNSS)连续观测,实现了区域地面大地高、地面重力和地倾斜变化面的监测,通过与部分地质灾害信息进行时空分析,确定了用于地面稳定性变化分析的要素和权重,进而定量分析了地面稳定性变化。该方法在浙江省东南部地区进行了测试验证,获得了较好的效果。利用CORS网连续观测能够定量监测地面变形整个面的变化,分析区域地面稳定性变化情况,可为区域规划和地质灾害防治提供技术支持和参考。

典型东海原甲藻赤潮过程的环境影响因子分析

近二十年来,东海原甲藻(Prorocentrum donghaiense)在我国东海频繁引发赤潮,并已成为该海域的主要赤潮原因种之一。为研究该赤潮藻种对环境因子变化的响应,基于2019年5月浙江沿海赤潮发生区生态浮标和海洋台站的环境要素连续观测数据,结合主成分分析方法,对三次东海原甲藻赤潮生消过程及其成因进行了分析和讨论。结果表明,(1)持续的升温、降压、较高的湿度、较强的向岸风、充沛的营养盐以及海水盐度下降均是浙江沿海这几次东海原甲藻赤潮的重要诱发因素;(2)赤潮暴发期间偏弱的风速,缓慢升高的水温和气温均利于赤潮的维持;(3)溶解氧、pH与赤潮生物量呈显著正相关,亚硝氮与赤潮生物量呈显著负相关,三者的变化推测主要是赤潮生物光合作用产物和有机体分解产物的增加所引起;(4)赤潮后期偏高的pH、较强风速、盐度回升、气压升高以及水体营养盐含量的骤降均可加速赤潮的消亡。研究结果对认识东海原甲藻赤潮成因和生消机理有一定的指导意义,可为今后该种赤潮预警防控提供借鉴。