OBS海洋环境信号分析与应用

为研究海洋环境信号在OBS(Ocean Bottom Seismograph)原始数据中的规律及应用,根据OBS原始数据的波形及频谱特征,将研究区划分为5个时间段,依次为旧涌浪阶段、风浪渐强阶段、风浪全盛阶段、风浪消退阶段和新涌浪阶段。结合海洋天气预报,认为上述现象是由偏南风风浪对海流的影响造成的。参考野外地震数据采集记录班报,得到各阶段的时长和距离,计算风浪渐强、全盛和消退阶段OBS附近海流的平均速度。结果表明:OBS原始资料中浅海海洋环境噪音增强的主要因素是风浪,且风浪引起的噪音信号的波形变化特征是渐进式的;OBS可用于接收某种特殊阶段(如台风、海啸等)的噪音信号,并根据噪音信号的波形特征、频谱变化规律和持续时间估算该阶段的海流速度变化。     

海洋中尺度涡旋源汇空间分布特征研究

借助卫星高度计数据,对中尺度涡进行识别和追踪;以16年内中尺度涡个数上的生消为判据,发现中尺度涡在除赤道外的全球大洋中生消频繁,但在海盆内区并没有明显的生成占优区或消亡占优区;而在中纬度近岸的狭窄东边界内中尺度涡生成居多,在另一侧近岸的狭窄西边界中尺度涡消亡居多。同时,我们以一阶斜压模态所对应的特征深度作为两层结构的内界面深度,并假定涡动能平均分配于正压模态和一阶斜压模态,计算得到了包含涡动能和涡有效重力位能的中尺度涡能量年平均净生成率和净耗散率,发现虽然海盆西边界是涡场能量耗散大于能量生成的区域,但强耗散过程实际上在海盆西侧内区的强流及其回流区均有发生。另外,中尺度涡生消个数差值的分布与中尺度涡能量净生成率和净耗散率的分布表明,虽然海盆东边界近岸区域内中尺度涡的生成居多,但该区域中尺度涡的能量偏弱,因此该区并非涡场能量的主要源区。     

海洋中尺度涡的机械能及其源汇研究*

由于观测手段的限制,海洋中尺度涡的能量输送及生成与耗散动力过程一直是世界大洋能量循环中悬而未决的一个问题,而中尺度涡在海洋中又广泛存在,它不仅占据海洋表层动能的绝大部分,而且是能量级串中连接大尺度和小尺度的中间环节,在大洋能量传输中扮演着重要的角色。文章以中尺度涡场机械能的大小、分布、源汇为主线,结合作者在这方面的最新研究成果,综述当前对中尺度涡机械能及其源汇的研究进展。     

基于卫星测高数据的海洋中尺度涡流动态特征检测

为了最终实现对海洋中尺度涡流(简称中尺度涡)的自动采样,首先应该发展中尺度涡动态特征识别技术。本文基于SLA(Sea Level Anomaly)数据,实现了对中尺度涡动态特征的检测算法。主要内容是制定了一个判别相邻两组SLA数据中的涡流,是否为同一涡流子在不同时刻的状态的标准,即判别下一时刻SLA数据中是否存在涡流是由上一时刻确定的被检测涡流演化而来的。通过确定这种进化关系,可以得到被检测涡流的一系列动态状态信息,例如:面积变化速率、中心移动情况以及其他情况。本算法的计算量不大,从而可以应用到实时涡流跟踪的环境中。值得注意的是,本文中的算法不仅仅局限于应用SLA数据,SSH(Sea Surface Height)等大部分反映海洋高度的数据也可以使用。     

海浪感应电磁场的理论计算

根据麦克斯韦电磁理论,在地磁场中运动的海水将产生感应电磁场。利用一个简单的数学物理模型对感应电磁场在海水内部的分布进行了计算,结果表明海浪产生的电磁场明显依赖于海浪波动的周期及浪高。在100 m的海水深度内,海浪产生的磁感应强度的大小为纳特数量级,而电场强度的大小为几个微伏每米。在同一海水深度处,磁感应强度随海水波动的周期呈现近线性变化,而电场强度的大小有一个极值,该极值随海水深度的增加向长周期方向移动。海浪产生的电磁场是影响海洋电磁探测数据精度的主要噪声之一。     

基于复杂网络的海洋涡旋移动特征研究——以南海为例

海洋涡旋作为一种快速连续变化的海洋现象,如何分析和挖掘其移动特征成为当前海洋涡旋定量研究的重点。本文引入空间数据挖掘的社区网络划分方法,将涡旋过程看作复杂的移动网络,对涡旋移动的聚集性特征进行探索和分析。首先,以网格为统计单元对1992-2011年近20年南海海洋涡旋移动数据进行组织,基于图论模型构建了涡旋瞬时移动（TP）,涡旋移动起止点（OD）,涡旋最小描述距离的特征点移动网（MDL）和涡旋过程移动再生数据（RSP）4种状态的海洋涡旋的移动网络图;其次,采用基于快速模块度优化的区域划分方法分别得到4种状态下涡旋移动的聚集性区域;最后,利用弦图对区域内和区域间涡旋移动规律进行了可视化分析,发现海洋涡旋的RSP数据能够弥补原始涡旋移动数据在区域划分方法中呈现的数量不足的问题,能够在足够数据量的情况下,有效地发现从起点到终点的主要移动通道和涡旋移动的聚集性区域,这些区域反映了南海涡旋从其产生、发展到结束整个演化过程的聚集性特征。     

热带气旋风场对海浪分布特征的影响

设计了一系列理想的数值实验,利用高分辨率的WAVEWATCHIII海浪模式定量分析热带气旋移动速度、强度、最大风速半径和热带气旋移动时的转向等风场细节因素对热带气旋下表面海浪分布特征的影响。实验结果表明,热带气旋移动速度、最大风速半径和热带气旋移动时的转向会影响海浪的空间非对称分布。最大风速半径增大会使最大有效波高的位置向后移动,而移动速度增大会使最大有效波高位置向前移动。移动速度增大会使右侧象限内的有效波高增大,左侧象限内有效波高减小。最大风速半径增大和强度增强使各象限内有效波高均增高。热带气旋的转向使各象限内有效波高增高,除了右后象限。这些风场特征对各个象限内海浪的平均波长、平均周期、平均波向、和波峰方向都有很重要的影响,尤其以左后象限最为显著。     

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, Cyclone 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。     

Dynamical analysis of mesoscale eddy-induced ocean internal waves using linear theories

This study aims to explore generation mechanisms of the ocean internal wave using the dynamical analysis methods based on linear theories. Historical cruise measurements and recent synthetic aperture radar （SAR） observations of mesoscale eddies with diameter of several tens of kilometers to hundreds of kilometers show that the internal wave packets with wavelength of hundreds of meters to kilometer exist inside the mesoscale eddies. This coexistence phenomenon and inherent links between the two different scale processes are revealed in the solutions of governing equations and boundary conditions for the internal wave disturbance with a horizontally slowly variable amplitude in a cylindrical coordinate system. The theoretical solutions indicate that the instability of eddy current field provides the dynamical mechanism to internal wave generation. The derived dispersion relation indicates that the internal wave propagation is modified by the eddy current field structure. The energy equation of the internal waves clearly shows the internal wave energy increment comes from the eddy. The theoretical models are used to explain the observation of the mesoscale eddy-induced internal waves off the Norwegian coast. The two-dimensional waveform solution of the anticyclonic eddy-induced internal wave packet appears as ring-shaped curves, which contains the typical features of eddy stream lines. The comparison of theoretical solutions to the structure of the internal wave packets on SAR image shows a good agreement on the major features.     

海洋风场动态可视化研究

针对海洋环境数据多维、多格式及动态性的特点,在深入研究OSG三维可视化仿真平台的基础上,采用颜色映射与点图标映射,结合几何着色器与osg Earth三维虚拟地球场景,提出一套海洋风场可视化的方法.实验结果表明,本方法很好的实现了海洋风场动态可视化,为海洋环境的动态可视化提供了一个强有力的研究平台.     

基于深度学习的中尺度涡检测技术及其在声场中的应用

针对海洋中尺度涡的检测与参数提取问题,本文使用中尺度涡SAR图像数据集,提出基于深度学习的EddyYolo目标检测模型进行中尺度涡的涡旋中心和涡旋水平尺度的多目标检测,并且提取涡心位置和涡旋水平半径等参数.实验结果表明:本文提出的EddyYolo模型实现了涡旋中心和涡旋水平尺度的多目标检测,检测准确率达到94%.在此基础上,结合二维高斯涡模型和三维中尺度涡模型,本文提出了基于卫星遥感与声学对中尺度涡的联合建模方法.     

海水液压传动技术及其在海洋开发中的应用

海水液压传动技术是国际上近年来为适应海洋开发而发展起来的一门新技术,是液压传动技术的一个重要发展方向,由于其抗燃性好,特别是和海洋环境相容、没有环境污染、效率高,而越来越受到人们的重视。本文主要论述海水液压传动技术的突出优越性,并介绍国内外关于海水液压传动技术的研究及在海洋开发中的应用情况,供我国海洋开发工作者参考．     

LIC color texture enhancement algorithm for ocean vector field data based on HSV color mapping and cumulative distribution function

Texture-based visualization method is a common method in the visualization of vector field data. Aiming at adding color mapping to the texture of ocean vector field and solving the ambiguity of vector direction in texture image, a new color texture enhancement algorithm based on the Line Integral Convolution (LIC) for the vector field data is proposed, which combines the HSV color mapping and cumulative distribution function calculation of vector field data. This algorithm can be summarized as follows: firstly, the vector field data is convoluted twice by line integration to get the gray texture image. Secondly, the method of mapping vector data to each component of the HSV color space is established. And then, the vector field data is mapped into HSV color space and converted from HSV to RGB values to get the color image. Thirdly, the cumulative distribution function of the RGB color components of the gray texture image and the color image is constructed to enhance the gray texture and RGB color values. Finally, both the gray texture image and the color image are fused to get the color texture. The experimental results show that the proposed LIC color texture enhancement algorithm is capable of generating a better display of vector field data. Furthermore, the ambiguity of vector direction in the texture images is solved and the direction information of the vector field is expressed more accurately.     

资料同化技术的发展及其在海洋科学中的应用

同顾了资料同化技术,特别是基于最优控制和统计估计这两大理论基础发展起来的几种资料同化方法的研究进展,以及这些方法在海洋科学研究中的应用现状.可以看到,由于海洋观测资料(如地转海洋学实时观测阵(Array for Real-time Geostrophic Oceanography,Argo)、热带大气海洋阵列(Trop...     

南海中尺度涡的演化过程与行为追踪:一种基于全局最邻近滤波的方法

The eddy tracking approach is developed using the global nearest neighbor filter(GNNF) to investigate the evolution processes and behaviors of mesoscale eddies in the South China Sea(SCS). Combining the Kalman filter and optimal data association technologies, the GNNF algorithm is able to reduce pairing errors to 0.2% in tracking synthetic eddy tracks, outperforming other existing methods. A total of 4 913 eddy tracks that last more than a week are obtained by the GNNF during 1993–2012. The analysis of a growth and a decay based on 3 445 simple eddy tracks show that eddy radius, amplitude, and vorticity smoothly increase during the first half of lifetime and decline during the second half following a parabola opening downwards. The genesis of eddies mainly clusters northwest and southwest of Luzon Island whereas the dissipations concentrate the Xisha Islands where the underwater bay traps and terminates eddies. West of the Luzon Strait, northwest of Luzon Island, and southeast of Vietnam are regions where eddy splits and mergers are frequently observed. Short disappearances mainly distribute in the first two regions. Moreover, eddy splits generally result in a decrease of the radius and the amplitude whereas eddy mergers induce growing up. Eddy intensity and vorticity, on the contrary, are strengthened in the eddy splits and diminished in mergers.     

面向典型海洋现象观测的水下滑翔机应用综述

水下滑翔机是一种浮力驱动的无人水下自治观探测平台, 具有持续性、鲁棒性、自主性等特点, 是构建海洋观测技术体系重要的水下航行器之一。文章从水下滑翔机发展历程、运行方式和专用传感器展开, 基于国内外海洋学文献综述研究, 重点对水下滑翔机在典型海洋现象观测应用方面进行总结。水下滑翔机的运行稳定性、长时续, 观测高分辨率、低成本的特点, 满足了对海洋中尺度涡、内波、湍流、环流/边界流和锋面的长时间、精细化立体观测要求; 鲁棒性、自主性的特点使其能够适应台风过境、地震、原油泄漏前后等紧急恶劣海洋状况的监测; 运行平稳、低噪声的特点使其成为声学监测与探测的良好平台。对比分析国内外的水下滑翔机(组网)应用状况可以发现, 国内水下滑翔机在传感器、数据处理和组网技术方面都需要进一步完善。最后总结并展望了国内外水下滑翔机面向海洋现象观测的应用。     

二维海浪波包跨水平特征量及其应用

将Adler关于二维随机波场跨水平特征量的理论应用于二维线性随机海浪,严格导出了二维海浪波包的跨水平特征量表达式,并利用该式讨论了给定时刻二维海浪的一种几何结构——大波簇集情况。对于海面上波高均超过较高参考水平的一簇大波,给出了一个计算其中波峰平均个数的公式,它与Glazman所给出的公式不同另外还给出计算上述大波簇平均面积的公式。最后结合现有的海浪万向谱给出一些具体计算结果,并对这些结果进行了讨论。     

基于球体的海洋标量场要素的三维可视化技术研究

在分析海洋环境标量场要素数据特点,了解常规的海洋环境要素分析和可视化表达方式的基础上,对在三维球体模型上实现海洋标量场要素时空分析和可视化表达的方法和技术进行了研究.提出了海洋标量场要素数据的三维空间数据模型,以此为基础利用VC与Open GL技术实现纹理数据的实时绘制,并采用基于对象的方法在三维球体上对其进行可视化表达,实现了真正意义上基于地球球体模型的海洋标量场要素的可视化.该基于球体的可视化方式能更好地表现研究对象的区域特点,特别是在进行大范围区域乃至全球性研究时更具优势.同时,通过按需进行数据抽取,系统在数据加载效率与数据承载总量上都有所提高,在＂数字海洋＂原型系统中目前已经加载了全球范围多个精度的温度、盐度、密度、声速等标量场数据,并实现了业务化运行.     

基于海面高度数据的全球海洋多核涡旋探测和统计

This study produced a statistical analysis of multicore eddy structures based on 23 years' altimetry data in global oceans. Multicore structures were identified using a threshold-free closed-contour algorithm of sea surface height, which was improved for this study in respect of certain technical details. Meanwhile a more accurate definition of eddy boundary was used to estimate eddy scale. Generally, multicore structures, which have two or more closed eddies of the same polarity within their boundaries, represent an important transitional stage in their lives during which the component eddies might experience splitting or merging. In comparison with global eddies, the lifetimes and propagation distances of multicore eddies were found to be much smaller because of their inherent structural instability. However, at the same latitude, the spatial scale of multicore eddies was found larger than that of single-core eddies, i.e., the eddy area could be at least twice as large. Multicore eddies were found to exhibit some features similar to global eddies. For example, multicore eddies tend to occur in the Antarctic Circumpolar Current, some western boundary currents, and mid-latitude regions around 25°N/S, the majority(70%) of eddies propagate westward while only 30% propagate eastward, and large-amplitude eddies are restricted mainly to reasonably confined regions of highly unstable currents.     

基于CORA2再分析数据的南海中尺度涡时空分布特征初步研究

利用南海20 a逐日海流再分析资料对南海海域中尺度涡进行时空特征分析。经过数据处理、涡漩识别、统计分析等方法,对南海海域中尺度涡空间分布、时间分布、生命周期、空间尺度、移动路径、移动速度、影响频率等特征进行分析,对南海中尺度涡进行全面详细的解读。研究发现:涡旋出现位置跟南海200 m等深线较一致。大部分涡旋周期都集中在30 d以内,直径大都在100~300 km,主要向西南方向移动,速率在15~20 cm/s的涡旋比例最高。反气旋式中尺度涡影响频率要大于气旋式中尺度涡的影响频率,主要影响区域大致在200 m等深线以内海域。