船载表层水温观测研究

通过研究国家相关海洋观测标准对海水温度观测的规约,结合当前船载水温观测的现状,提出了基于总线的船载磁吸附温度链式观测方法,并对其在结构设计、理论模型、算法等多方面进行了阐述。本方法通过多个竖直分布的温度传感器实时观测,采用自适应参数化算法,有效减少了风浪、海流、热辐射等方面的影响,具有观测层深相对固定、精度高等特点,可实现船载全航次的自动观测。同时,设计制造了相关的模拟实验装置进行现场实验,验证了船载磁吸附温度链式观测方法的可行性和有效性。     

船载气象仪对比观测数据的质量评估与分析

对南海南部海域2011年夏季航次调查中两套不同型号船载气象仪获取的对比观测数据进行了分析评估,结果表明该数据完整性较高,差异性较小,具有很好的准确性和可靠性。用t检验和线性回归方法对观测数据的日均值进行相关分析,结论一致:两套观测数据具有极强的相关性,均通过了99.9%的显著性相关检验。但由于仪器布放位置及传感器受周围环境影响等原因,部分要素的观测值存在缺测、"漂移"等现象。     

CZT1-2型船载拖曳式多参数剖面测量系统走航测量性能检验及测量数据海上比测

船载拖曳式多参数剖面测量系统是测量温度、深度、浊度、溶解氧、p H和叶绿素等多种海洋环境要素,提供海洋环境信息的重要观测设备。通过对2011年8月在渤海开展的CZT1-2型船载拖曳式多参数剖面测量系统比测试验,研究了该国产设备在渤海海区的适用效果。结果表明,传感器定点比测试验中,温度、盐度等数据的相关系数较好,而硝酸盐、磷酸盐、亚硝酸盐、硅酸盐和氨氮等营养盐的相对误差较大。在海试试验中,船载拖曳式多参数剖面测量系统经过了8 h试验,完成了预期的试验项目,拖体系统(含传感器)和甲板单元工作正常,具有良好的可靠性和环境适应性。本次海上比测试验为船载拖曳式多参数剖面测量系统进行改善、优化提供依据,为其产业化打下坚实的基础,并对海上试验提出了相应的改进建议。     

海洋上层高分辨率温度链观测系统设计

为满足海洋上层温度数据高分辨率实时观测需求,本文设计出一种成本低、体积小、精度高的温度链观测系统,可搭载于调查船、浮标等多种海洋观测平台,具备高分辨海表温度数据实时观测功能。本文介绍了温度链系统架构的整体设计,阐述了温度传感器的高精度测量原理与方法,采用RS-485通信方式并设计出一套适用于温度链的软件通信协议,通过标定、均一性测试、稳定性测试验证了传感器的测量性能,研制出总长200 m的温度链观测设备,设备带有10个测温节点,传感器节点初始测量精度优于±0.005℃,温度链采样间隔最短可达2.7 s。本温度链在我国南海进行了拖曳功能测试,试验结果表明：温度链海上作业通信稳定可靠,数据测量准确,满足海洋现场观测对数据高时效、高精度、低误码率的传输要求。     

基于形态学-HHT算法的船载地磁三分量信号分析与预处理

在船载地磁三分量测量结果中存在脉冲和高频随机噪声干扰,会影响船磁校正精度。基于实测船载地磁三分量的总场数据构建了一种基于形态学 HHT算法的信号分析和预处理方法,用形态学滤波方法去除脉冲噪声,用希尔伯特-黄变换(Hilbert-Huang Transform, HHT)识别高频噪声分量,并通过自相关函数验证6阶以上的高阶分量包含有效地磁信号,截止频率在0.010~0.500 Hz之间。采用巴特沃斯滤波器(Butterworth filter)对该频率内含噪声地磁总场进行低通滤波处理,并与快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform, FFT)滤波结果进行对比,计算2种滤波处理方法的均方根误差(RMSE),形态学-HHT方法的RMSE仅为194 nT,而FFT方法的约为600 nT,表明形态学-HHT的滤波效果优于FFT,可有效压制船载地磁三分量中的随机噪声干扰。     

海洋表层温度剖面数值模拟

遥感测量海水表面温度(SST)需用海表面以下实测温度资料加以校正,由于长时间大范围进行海洋表层海水垂向温度剖面野外观测非常困难,建立经有限资料验证的数值模型十分重要。文章基于美国加利福尼亚湾3组船载光学实验的气象及海温资料,考虑太阳热辐射作用与海表面冷温层效应,建立了一个海表下20m深度范围内水温剖面演变的数值模型。通过冷温层计算合理加密了表层网格,使数值模型更准确地估计海表散热作用。计算结果与野外实测海温资料对比显示,海表剖面测试仪(SkinDeEP)未能准确定位和捕捉海表冷温层,实验方法有待改进。整合模型能准确描述海温剖面的演变趋势,在近海表20cm深度内,特别是与遥感SST相关的近海表1cm深度内,模拟结果优于无本皮肤层模型的计算结果。     

“海翼号”水下滑翔机盐度数据的热滞后效应偏差订正方法探讨

水下滑翔机可以高效地观测海水的温度、盐度和压强等海洋参数,但由于热滞后效应,盐度数据,特别是在温度梯度较大的温跃层,会出现一定程度的偏差。本研究选取了3种目前常用的盐度热滞后订正方法,对带泵的“海翼号”水下滑翔机,于2019年8月在中北太平洋所观测的盐度数据因热滞后效应引起的偏差进行订正处理,与船载911型温盐深测量仪(Instrument for Measuring Conductivity Temperature and Depth,CTD)观测盐度进行对比,在比较了3种方法对滑翔机盐度订正前后下降和上升剖面偏差的减少程度、订正后剖面与船载CTD观测剖面的偏差大小和下降上升温盐曲线(T-S曲线)的一致程度后,得出了水下滑翔机盐度订正的最优方法,即在订正电导池中实际温度的前提下,采用计算机图形分割方法,最小化滑翔机机载CTD测得的下降和上升两个剖面T-S曲线围成面积所确定的目标函数,来确定合适的热滞后修正振幅和时间常数,从而修正下降和上升两个剖面之间盐度偏差。     

基于智能手机的船载组合导航算法

智能手机内置丰富的传感器激发了无处不在的导航应用,但目前智能手机组合导航研究多集中于陆地环境,对水上及海洋环境的研究较少。为此,设计了一种以GNSS、加速度计、陀螺仪组合导航为主,磁力计、气压计为辅的多种传感器融合算法,以实现智能手机船载场景下的高精度定位导航,提出了一种智能手机磁力计转弯检测的方法,构建了顾及船只运动状态的噪声自适应运动约束模型,同时引入了磁力计和气压计外部观测等约束信息。基于船载实测数据进行分析,结果表明：基于磁力计测量值的转弯检测成功率高达96.94%;相较于未加约束的松组合算法,本文算法平面位置精度可达到1.29 m,提升12.24%,航向精度可达到1.75°,提升50.28%,基本满足船只的定位导航需求。     

基于实况气象的船载走航大气成分观测自动进样系统设计

为解决海洋科考期间船体对大气成分走航观测结果影响的问题，本文基于风速风向仪、单片机、数据采集装置、电磁阀控制器、电磁阀和多通道气路转换器等相关元器件，设计了一套可以避免船体污染的船载走航大气成分观测自动进样系统。该进样系统设计有8根独立的进样管路，基于自行编译的脚本，依据实时的相对风向结果给电磁阀控制面板传递相应的电压信号，进而控制相应的电磁阀打开目标进样管路，实现无污染进样。本文通过对实际案例的分析，论证了该进样系统可以有效避免船体对大气成分走航观测的影响，进而提高船载走航大气成分观测数据的连续性和准确性。     

船载鱼眼相机星光导航技术研究

星光导航是船舶航海中一种重要的自主导航技术。针对海洋环境的特点以及目前海上星光导航存在的主要问题,提出了一种船载鱼眼相机星光导航技术,利用超大视场的鱼眼相机对全天区可见星体和海天线同时成像,海天线为星高度角的观测确定了水平基准,通过导航定位算法的解算,可实现对海上船舶高精度、智能化、高效率的导航定位,同时具有设备简单、可靠性高的优点。为了验证船载鱼眼相机星光导航技术的性能,进行海上观测实验,实验结果表明:该技术平均能够以90 s的时间达到0.9 nmile的定位精度,具有较好的海上导航精度和效率。     

基于卫星测高与卫星测温的表层流产品生成方法应用评估

提高海洋表层流的精度与分辨率对于相关应用领域至关重要。研究引入海表面温度(sea surface temperature,SST)信息对高度计导出流场的改进效果,计算了2018年每日无间隔的全球海洋表层流速度。通过增加热量守恒方程约束,引入卫星测温产品,在地转流基础上生成表层流产品,并与现场漂流浮标速度比较,评估了使用多源卫星遥感获取海流的质量。研究表明,本文方法在不改变沿等温线的切向流速分量的前提下,沿等温线的法向流速分量得到了改进,方法能充分利用海表温度信息提取流场特征信息;方法不适用于海表面温度梯度较小区域,在梯度较大区域可获得明显改进;优化流场能更好地刻画海面海流变化,证明结合卫星测高与卫星测温可改善海洋表层流动;存在强烈中尺度活动和热梯度区域,增加SST观测能够弥补测高资料的不足。     

走航式海洋观测平台设计及其初步应用*

缺乏现场海洋观测数据是限制我们进一步认识海洋的瓶颈之一。文章设计了具备远程遥测功能的全自动海洋监测平台, 该平台无人值守、采用走航观测方式自动获取长时间序列海洋监测数据。此研究还对该平台进行了近海和远洋走航共两次验证测试。结果表明, 该平台稳定可靠、兼容性好, 走航数据符合所监测水域的水体特征, 可用于探讨相关参数的变化特征, 揭示事件和过程的机制机理。如果将该平台搭载于轮渡、渔船等非科考船, 则可以在现有海洋技术条件下, 高效地获取更大的空间和时间尺度的实时大数据, 为解决海洋观测数据缺乏的问题, 提供一种技术手段。     

海温扰动发展的一种热力学判据

本文将非线性热力学理论应用到大尺度海洋系统,找到了一个适合于描述海温扰动发展的热力学判据。计算表明:这种热力学判据能够较好地报出海温异常事件,估计海温异常的强弱。本文还利用这种热力学判据分析了海洋与大气之间的热交换和平流效应对海温扰动演化的影响。     

Reconstructing the upper ocean thermal profiles using one-dimensional numerical model

The observation data for 5 d at a station in the South China Sea is presented.After brief analysis of the wind speed,air temperature from the ship-borne meteorological instruments and temperature and salinity profiles from the CTD (conductivity,temperature,depth recorder) data,the authors find that the CTD casts are too sparse for us to understand the diurnal evolution of the thermal structure in the upper ocean.A one-dimensional (1D) numerical code based on Mellor-Yamada turbulence closure model is used to reconstruct the upper ocean thermal structure,utilizing the atmospheric forcing data from ship-borne weather station.The simulation results show good agreement with the observational data;the significance of breaking waves is also briefly discussed.The evolution of turbulence kinetic energy (TKE) and the contribution from shear production and buoyancy production are discussed respectively.Finally,several possible factors which might influence the numerical results are briefly analyzed.     

海水温盐深剖面测量技术综述

温盐深是反应海洋物理学特性的重要参数,是海洋水文观测的基本要素。CTD剖面仪(Conductivity-Temperature-Depth profiler)是进行海水温盐剖面观测的主要仪器,利用CTD剖面仪可精确测得水下不同深度上海水的温度和电导率参数,进而能够推算出海水盐度、密度、声速等相关信息,对于海洋经济开发、海上国防建设、海洋环境保护等都具有非常重要的意义。本文介绍了温盐深剖面测量技术的基本原理与发展现状,对几种典型的温盐深测量设备及各种海洋观测平台中搭载的CTD传感器进行了介绍,论述了CTD传感器的标定和测试技术,并对其发展趋势进行了分析。     

兴化湾及周边海域潮流动力特征与数值模拟研究

基于2011年兴化湾及周边海域的流速、流向的观测资料,应用短期资料的潮流准调和分析方法,对海流周日连续观测数据进行分析,探讨海域潮流特征。最后,针对兴化湾岸线复杂、岛屿众多的特点,基于FVCOM数值模式,采用非结构三角形网格,建立兴化湾及周边海域潮流动力数值模型,经实测站潮汐、潮流数据对模拟结果验证,模型能够较好的刻画各测站潮汐、潮流过程特点,反映研究海域流场特征规律,可为该海域海洋环境保护和海洋开发利用提供科学论证依据。     

Implementation of Tidal Constituent Interpolation Method for the Israeli Coastline

Many ship-borne geodetic surveys at sea, such as Global Navigation Satellite System (GNSS)-based sea surface height (SSH) observation, acoustic profiling of the bottom, and others, deal with a dynamic topography which undergoes several changes during the survey campaign (e.g., changes in tide, salinity and currents). Those changes affect the measurements and may causes for some variations in the results. There are several methods for tidal variations correction, being the most dominant phenomena, such as tidal zoning, tidal constituent interpolation or ocean tidal models. In this study, we have implemented the tidal constituent interpolation method for the Israeli coastline in order to assess its quality and determine whether it is suitable for use in this particular region. This paper depicts the interpolation method, discusses some difficulties in the implementation for the Israeli coast and presents results from exemplary processing. In addition, we compare the results to those obtained using global and regional tidal models.     

多参数海洋浮标实时采集系统的设计

提出了一种深海浮标实时数据采集的设计方案。该方案基于数据库和卫星通信技术,通过多通道数据采集,能够实现深海环境要素的实时获取,完成在无人值守状态下浮标周围海域的环境监测,有助于推动特定海域海洋环境的研究。     

一个中国边缘海的风-浪-流预报系统

海洋预报是进行海上活动的安全保障,海洋预报系统技术已经成为现代海洋气象业务的技术支撑。海洋观测、数据同化、数值模拟和高性能计算机等技术的进步极大地推动着海洋业务化预报的发展。采用大气数值模式（WRF）、海洋数值模式（CROCO）和海浪数值模式（SWAN）的多模式高分辨率离线耦合方式,添加南京信息工程大学“海洋数值模拟与观测实验室”团队自主研发的一系列海洋模式参数化方案,包括浪致混合参数化方案、亚中尺度参数化方案、海山诱导混合参数化方案以及涡旋诱导的沿等密度面和跨等密度面混合参数化方案,并通过同化技术和最新的人工智能技术与观测资料相结合,构建一种面向中国边缘海的风浪流多参数耦合预报系统,用于海上风电功率的预报和其他海洋灾害预警。实际观测资料的验证表明,该预报系统能较准确地模拟海上风场、海流、海温、波浪、潮汐等海洋气象要素。同时实现了按需实时可视化全景展示。