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。

多普勒测风激光雷达三波束反演方法与实验

为研究激光测风技术中五波束和三波束风廓线反演方法的异同,采用波长1.5μm的相干多普勒测风激光雷达在中国海洋大学崂山校区进行风场测量。利用三波束风廓线反演法对13 d的多普勒激光雷达观测数据进行计算,设定信噪比和数据获取率门限阈值,对数据质量进行控制,将计算结果与五波束风廓线反演法的计算结果进行比对分析。与五波束风廓线反演法相比,三波束风廓线反演法仅用三个方向的径向数据反演风廓线,可缩短观测时间跨度,从而提高数据刷新率,在气流不稳定的情况下可获取更多的风场特征参数。比对结果表明,两种风廓线反演法的计算结果在不同高度上均表现出良好的一致性。90 m测量高度处的风速决定系数为0.9825,风向决定系数为0.9769;随着湍流强度增大,两种风廓线反演法之间的差异呈增大趋势。

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。

中国第十次北极物理海洋学科学考察综述

2019-08-10—09-27,自然资源部第一海洋研究所牵头实施完成了中国第十次北极科学考察,该航次采用的考察船为“向阳红01”科学考察船,这是我国首次利用非破冰船抵达北极海域执行科考任务。本航次在中央航道区域、楚科奇海、白令海等我国传统北极考察海域,以及东白令海陆架和西北太平洋新拓展的海域,进行了包括重点海域断面调查、锚碇潜标长期观测、多水下滑翔机协同观测、抛弃式和走航观测等在内的物理海洋学综合考察。其中,在白令海东部进行的断面观测和水下滑翔机协同编队观测均系中国首次,拓展了中国在北极的观测范围,提高了中国调查和监测北极环境的能力。本文概述了这次考察在物理海洋学方面的主要考察成果,并总结了航次完成的亮点工作。

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。

基于气温的浮冰侧向融化速率参数化方案实验研究

为定量探究影响冰层侧向融化的主导因素,并简化冰层侧向融化速率参数化方案,在实验室模拟了无风、静水、无辐射、纯热力学条件下纯水冰的融化过程,测量了冰层的侧向融化量,并记录了融化期间实验室气温、冰面皮温、水温及冰温等要素。观测结果表明,无辐射纯热力学条件下冰层侧向融化整体较均匀,侧向上层和下层融化速率相对中间层较快;相关性分析结果表明,气温与水温、冰温、冰面皮温之间都有很好的线性相关;信息流结果表明,气温是影响冰层侧向融化的最主要因素;最后通过拟合建立了用气温表征冰层侧向融化速率的参数化方案,并与前人的方案进行了比较,结果显示本文参数化方案模拟效果较好,所得标准偏差最小,为0.08 mm/h,达到了简化参数的目的。

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。

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。

区域气候模式对长江中下游梅雨的数值模拟:积云对流参数化方案和水平分辨率的影响

本文研究了区域气候模式RegCM4.7对长江中下游梅雨期降水的模拟技巧,聚焦不同积云对流参数化方案、水平分辨率、微物理方案和陆面模式对梅雨降水模拟的影响及可能原因。基于区域模式中积云对流参数化方案、水平分辨率、微物理方案和陆面模式的不同配置组合,本研究共开展了96组成员试验,分析了不同模式配置方案下2020年超强梅雨个例以及1990~2020多年长江中下游梅雨期降水的模拟性能。结果发现:RegCM4.7模式在长江中下游梅雨期降水模拟方面具有一定技巧,其中积云对流参数化方案的选取对模拟结果影响较大,Tiedtke方案对梅雨降水的模拟技巧相对较高,而Grell方案相对较低。分析发现Tiedtke方案能够更合理地再现对流降水以及对流降水与层状云降水的比率,这可能是导致该方案对梅雨降水整体模拟效果较好的原因。进一步地,水平分辨率对梅雨期降水模拟的影响与地形因素有关,低水平分辨率(60 km)试验在复杂地形区域表现出显著的降水湿偏差,随着水平分辨率的提高,复杂地形带来的降水湿偏差可以明显减小。研究发现,在低分辨率试验中,中尺度对流系统(MCS)降水被长时间地锢囚在山区陡峭地形处,这将导致长时间尺度上的平均降水表现出湿偏差;而高分辨率试验能够更好地刻画复杂地形区域MCS从午后生成并逐渐向东传播的日变化特征,进而合理地再现梅雨期平均降水。最后,RegCM4.7中的微物理方案和陆面模式的选取对降水的模拟影响不大。综上,一系列数值试验结果表明区域气候模式RegCM4.7对包括2020年超强梅雨个例在内的长江中下游梅雨期降水具有较好的模拟技巧,相较而言,当RegCM4.7模式采用Tiedtke积云对流参数化时梅雨降水整体模拟技巧相对最佳,若更关注复杂地形区域的降水可考虑采用高水平分辨率配置。

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。

IPCC耦合模式对北太平洋海–气系统冬季重现的模拟

冬季重现(再现)是中高纬度大尺度海表温度重要的持续性特征,是热带外海洋特有的现象。北太平洋大气环流也存在这一现象,它可能会强迫产生这一海域海温的冬季重现。本文利用IPCC20C3M耦合模式资料,评估了耦合模式模拟北太平洋海–气系统冬季重现的能力。北太平洋海温冬季重现的空间范围是海盆尺度的,中部重现时间比其周围晚。大气环流场的冬季重现主要是在北太平洋中部,它与海温冬季重现关系密切。大多数IPCC耦合模式基本上可以模拟出太平洋海温大范围的冬季重现现象。与重现范围的模拟相比,耦合模式对重现时间地理差异的模拟都比较差。各模式对大气环流冬季重现时空分布特征的模拟较差,大部分模式未能模拟出大气环流场中主要的重现区域。而且,大气环流冬季重现对海温重现的可能影响并没有体现在这些耦合模式中。耦合模式对北太平洋大气冬季重现的模拟还有待改善。

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。

基于拉格朗日拟序结构的黑潮区域海流运输结构提取和分析

海流的拉格朗日运动对于研究物质输送有着重要意义,拉格朗日拟序结构(LCSs)作为研究海流结构的新型方法,相比于传统欧拉方法更为客观。本文提出了一种新的计算LCSs束的方法,基于25年的平均速度场,利用变分方法计算得到黑潮区域的气候态LCSs,并通过简化合并的方法得到了气候态LCSs束,该LCSs束能够突出地显示出海流特性和运输模式,其代表的平均拉格朗日环流有很强的约束作用,且具有鲁棒性。最终我们获得了气候态下12个月份的流场结构图,揭示了月周期性拉格朗日环流规律。本文还利用虚拟粒子输运、多年浮标轨迹以及气候态温盐异常3种方法进行了验证,与拉格朗日运输模式相吻合,证明了海流拉格朗日拟序结构的准确性和可靠性。

风力发电机振动的多普勒激光雷达遥测技术

为了实现对风力发电机振动的遥测,提出了一种新的风力发电机状态监测方式。利用相干多普勒激光雷达探测风力发电机的低频振动,并对遥测方法、测振频谱数据处理方法以及试验中出现的现象进行试验研究。试验分为风力发电机实测试验和固定目标实测试验两部分首先在距离风力发电机约675 m使用多普勒激光雷达对其塔筒顶部进行扫描,记录频谱数据,利用基于离散频谱校正技术的测振频谱数据处理方法,提取风力发电机的振动状态参数;然后进行固定目标实测试验,使用相同的数据处理方式对回波信号进行处理,对激光雷达的实际误差进行评估。试验结果表明相干多普勒激光雷达对风力发电机频率为0~2.5 Hz、振动速度为0.1~3 m/s的低频振动探测效果明显,具备探测风力发电机低频振动的能力。

基于自主创新的21世纪海上丝绸之路海洋业务化预报产品

2018年12月10日,受国际海洋学委员会西太分委会(IOC/WESTPAC)邀请,21世纪海上丝绸之路海洋业务化预报产品对外发布。该系统每天发布未来5天的海浪、水位、三维温度、盐度和海流预报,并提供预报数据的下载,可直接服务于海洋防灾减灾、海上航行安全、海洋生态系统保护、海岛海岸带综合管理、海洋搜救和蓝色经济发展等。

FY-3C/VIRR西北太平洋区域海表温度精度评估

本文对我国第二代极轨气象卫星风云三号C星(Fengyun-3C,FY-3C)上的可见光红外扫描辐射计(Visible and Infra-Red Radiometer,VIRR)测得的西北太平洋地区的海表温度数据精度进行了评估,该评估结果可为风云卫星遥感资料的使用提供参考。将FY-3C/VIRR Level-2(二级数据)海表温度数据与实测浮标海表温度数据进行比较,两者匹配的时间窗口为1 h,空间窗口为0.01°,分别对FY-3C/VIRR全样本和质量等级为优的海表温度数据进行评估。FY-3C/VIRR全样本海表温度数据白天平均偏差为-0.12℃(FY-3C/VIRR海表温度减去实测海表温度),标准偏差为0.79℃;夜晚平均偏差为0.03℃,标准偏差为0.76℃。FY-3C/VIRR最优样本海表温度数据白天平均偏差为-0.01℃,标准偏差为0.64℃;夜晚平均偏差为0.16℃,标准偏差为0.58℃。针对部分云漏检及温度梯度大区域卫星与实测海表温度空间不匹配的问题,对匹配点周围3×3网格的有效海表温度数据进行统计分析,统计结果表明FY-3C/VIRR海表温度数据在质量为优、且匹配点周围3×3网格数据的局部标准偏差在阈值为0.3℃时,白天匹配数据的平均偏差为0.03℃,标准偏差为0.51℃;夜晚匹配数据的平均偏差为0.23℃,标准偏差为0.55℃。结果表明FY-3C/VIRR测得的海表温度数据精度较高,可用于全球变化与海气相互作用等研究。

广西钦州茅尾海综合整治水动力影响研究

为了评估广西钦州茅尾海综合整治对水动力的影响,基于普林斯顿海洋模式(POM模式)建立了广西钦州湾及茅尾海精细化水动力模式,模式的水平分辨率达到100 m,同时采用干湿网格技术考虑漫滩过程。通过数值模拟的方法,研究了茅尾海综合整治对茅尾海和外湾的潮流场以及茅尾海的纳潮量所产生的影响。结果表明:清淤一期、二期和三期工程完成后茅尾海的大潮纳潮量分别增加了6.1%,13.0%和21.7%,而平均纳潮量分别增加了3.1%,9.8%和18.1%。在茅尾海清淤的范围内,由于水深加深,大部分海区的流速均有明显减小;而在从龙门港到外湾的大部分海区,由于茅尾海清淤后纳潮量显著增大,流速明显增强,有利于钦州湾航道的维护。

短生命周期海洋涡旋的时空分布特征

中尺度涡旋在海洋中分布广泛,是海洋动力、营养物质等混合和输运的重要途径。统计发现海洋中超过80%的涡旋生命周期不超过1个月,属于本文定义的短生命周期涡旋。本研究采用统计、对比等方法,对全球尺度,较短生命周期涡旋的时空分布特征进行了分析。研究表明,短生命周期涡旋与大洋中环流系统密切相关,其最易发生在暖流和寒流的交汇处以及运动方向相反的两种环流的交汇处,且在除30°S^30°N的热带地区外均表现为气旋式略多于反气旋式。低纬地区,短生命周期涡旋在每年的冷季数量较多,而高纬地区与之相反。除存在大规模东向环流的海域,短生命周期涡旋一般向西迁移,同时气旋式涡旋略倾向于赤道偏转,反气旋式略倾向于极地偏转。短生命周期涡旋的平均位移和平均迁移速率呈相似的赤道对称分布规律。

基于LSTM的海洋表面短期风速预测研究

为实现对海面风速精确的短期预测,提出了一种基于长短期记忆(LSTM,longshort-termmemory)神经网络的短期风速预测模型,选取OceanSITES数据库中单个浮标站点采集的风速历史数据作为模型输入,经过训练设置最佳参数等步骤,实现了以LSTM方法,对该站点所在海区海面风速在各季节性代表月份海面风速的24 h短期预测。同时通过不同预测时长的实验以及与BP(back propagation)神经网络神经网络和径向基函数神经网络(radialbasisfunctionneuralnetwork,RBF)的预测效果对比实验,证明了LSTM预测方法相比上述两种神经网络预测方法,在海表面风速预测应用中的优越性。最后通过多个海域对应的站点风速数据预测实验,证明了LSTM神经网络模型的普遍适用性,由相关系数和预测误差的分析可知该方法具备应对急剧变化数据的预测稳定性,可以作为海洋表面风速短期预测的一种可靠方法。

基于Argo温度异常剖面的海洋涡旋无监督分类方法研究

本文利用涡旋内温度异常剖面对黑潮延伸体区域的涡旋进行分类与分析。基于卫星高度计识别的涡旋数据和与涡旋时空匹配的Argo浮标温度异常剖面数据,本文提出了一种优化的高斯混合模型无监督聚类方法实现涡旋内Argo浮标温度异常剖面的自动聚类,进而实现与剖面时空匹配涡旋的自动分类。实验结果表明,相同类型的Argo温度异常剖面呈现出明显的空间聚集效应,而不同类型的Argo温度异常剖面则在空间上相互分离,与表层(次表层)温度异常剖面相匹配的涡旋主要分布在黑潮延伸体的北部(南部)。相较于直接利用区域范围对涡旋进行分类的方法,本文所提出的涡旋分类方法更为客观,合成分析特定类型涡旋的水下结构也更为合理。