海洋中尺度涡建模及其在水声传播影响研究中的应用

针对海洋中尺度涡对水声传播的影响,利用中尺度涡区的历史水文实测数据提取涡旋强度,空间尺度等中尺度涡特征参数,建立了海洋中尺度涡理论计算模型。运用MMPE水下声场模型仿真试验研究了涡旋性质、强度和位置、声源频率和置放深度对声传播特性的影响。结果表明：暖涡使得会聚区的位置“后退”,会聚区宽度增加;冷涡使得会聚区的位置“前移”,会聚区宽度减小。涡旋的强度越大,“前移”或“回退”的效应越显著。     

基于海调实测资料的中尺度冷涡的会聚区声传播特征诊断

海洋中尺度涡能够使声能空间分布不均,进而对水声设备、水下兵器使用和潜艇战造成重大影响。本文基于2014年西太平洋海调中尺度涡观测资料,首先对该涡旋的三维结构特征进行研究,得出此为黑潮延伸体海域典型的气旋式冷涡。然后利用抛物方程水声数值模型仿真研究该中尺度涡对声传播损失的影响。研究表明:中尺度涡引发的海洋声速场水平扰动对水声场空间分布特征造成巨大影响,冷涡使得会聚区的位置前移,宽度减小,增益效能增强;声在中尺度涡边传播时,涡边会聚区较涡心会聚区的位置后退,宽度加大,增益效能减弱。     

中尺度涡条件下的深海声场效应研究

通过构建中尺度涡的数学模型,利用射线-简正波-抛物方程(RMPE)声学模型进行传播损失计算,进而分析在深海声道、深海会聚区、海底反射3种传播模式下,中尺度涡对深海声效应的影响。数值仿真结果显示,暖涡对深海声道、会聚区产生下压效果,使会聚区水平距离变大,深海声道深度方向上变宽;冷涡使会聚区上抬,距离变短,对声场散射现象明显。研究结果表明,涡旋环境条件下,声场特征会产生显著变化。试验结果揭示了中尺度涡对深海声场效应的影响,对指导海上运用中尺度涡现象开展的科学研究、工程实践、军事运用具有积极的指导意义。     

西北太平洋中尺度涡合成结构及其对声传播的影响

中尺度涡普遍存在于大洋中并会对声传播产生影响。利用2000—2018年AVISO卫星高度计资料和Argo浮标资料,通过涡旋合成方法构建了西北太平洋黑潮延伸体和亲潮延伸体海域中尺度涡的多年平均三维结构,对其垂直温、盐异常和声速特征进行分析,并采用Bellhop射线声学模型对中尺度涡背景下的声传播进行了模拟仿真。结果表明：1)冷涡背景下,温度异常为负,盐度异常在上层为负,在下层为正,声速等值线抬升;暖涡背景下,温度异常为正,盐度异常在上层为正,在下层为负,声速等值线下沉。2)冷涡背景下,声传播会聚区向声源方向偏移,会聚区宽度缩小;暖涡背景下,会聚区远离声源,会聚区宽度增大。声会聚区宽度在黑潮延伸体海域较在亲潮延伸体海域更大,距离声源也更远。3)冷涡背景下,声传播的反转深度变浅,暖涡背景下,反转深度加深;在黑潮延伸体海域,反转深度总体随经度增大而变浅,在亲潮延伸体海域则相反,反转深度随经度增大而变深。     

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.     

一个西太平洋冷涡影响下的会聚区声传播变异特征分析

以Argo资料给出的一个典型西太平洋冬季冷涡为环境背景,应用BELLHOP高斯束射线模型计算声场,通过比较环境水平不变与环境水平变化声场的差异性,得出了涡旋环境和地形变化共同影响下会聚区声场出现的一些变异特征。分析结果表明,涡西侧声场在深海平坦地形条件下会聚区保持完整,从涡外向涡内传播时会聚区距离逐渐变小,反之距离变大,同时,涡中心附近的冷水上涌破坏了近表层的表面声道,使声传播损失突然增大。涡东侧的海山地形阻碍了会聚区反转,使声场出现了复杂的变异特征,如会聚区的截断、上反转点的抬升或下降、声线的多途传播以及增益位置的不规则变化等。这些声场变异特征是由西太平洋的背景环境、涡中的水文非均匀分布以及地形变化共同引起的。当地形变化不影响会聚区反转时,声场变化主要受涡锋面两侧水文环境差异的影响,典型特征是会聚区的偏移和表面声道的生消;当地形变化对会聚区反转产生明显的干扰时,地形条件对于声场能量分布具有主导作用,非均匀水文环境的影响弱化,但仍起到重要的调制作用。     

台风-涡旋相互作用研究进展

台风轨迹和强度的预报一直备受关注,也是大气和海洋学家最为关注的科学问题之一。近些年,随着观测技术和计算机模拟的快速发展,发现海洋中尺度过程和台风有紧密的联系。本文针对该主题进行简要回顾和总结, 主要侧重2个方面：①台风如何影响海洋中尺度过程？强调了地转过程的重要性和高度计观测对台风影响涡旋的低估;②海洋中尺度过程如何影响台风？强调了冷暖涡的不同以及位置不同对台风强度的影响。在此基础上,探讨台风-涡旋相互作用研究中尚未解决的问题：涡旋对台风的三维响应、多涡对台风的综合效应、时间尺度匹配和海气通量等。     

基于YOLO算法的海洋中尺度涡三维结构构建

海洋中尺度涡是一种常见的中尺度海洋现象,研究海洋中尺度涡的分布及运动特性对航运、气候、军事等具有重要作用,海洋中尺度涡的识别是海洋学和计算机科学领域的一个热门研究课题。运用深度学习的方法和框架,对中尺度涡的二维识别和三维结构构建展开研究分析。首先,获取全球海洋再分析数据并进行流线可视化,构建涡旋流线数据集;其次,利用YOLO v5s卷积神经网络对涡旋流线数据集进行训练,并对南海区域中尺度涡进行有效检测。实验结果表明,YOLO v5s训练后得到最优模型经过测试,平均检测精度均值达到了86.10%;最后,根据涡旋检测结果,对检测出的同时刻不同深度的涡旋判断是否属于同一涡旋,确定后进行该涡旋的三维结构构建。     

中国近海中尺度涡分区分类与影响初探

海洋中尺度涡作为物质循环、能量串级和信息传递的关键尺度和重要环节,具有丰富的热动力学内涵。文章基于中国近海及毗邻海域的涡动能分区,重点综述中尺度涡的运动属性、动力学本质和局地特征,从尺度局限与尺度关联的角度阐示中尺度涡旋的扰动生成、传播、能量级联和耗散,及其在海洋多尺度动力过程、热盐配置、生源要素调控和中尺度海气相互作用中的影响,并就相关科学问题和进展提出研究建议。研究结果表明：研究中尺度涡的演变规律对理解海洋物质能量传递的多维度层次、尺度规模和过程形式具有重要意义,需整体加深海洋中尺度涡自适应观测和可预报性研究,增强海洋中尺度涡的尺度演绎分析和特异性分析,建立从天气尺度到气候环境变化、生物生态影响以及致害致灾风险的能量信息通道,构建中观海洋生态系统动力学理论与模型,探索海洋中尺度涡精细化灾害风险预评估区划和安全保障新途径。     

基于HYCOM的南海中尺度涡数值模拟

结合AVISO(Archiving Validation and Interpolation of Satellite Oceanographic Data)高度计资料,利用改进的NERSCHYCOM(Nansen Environmental and Remote Sensing Center-Hybrid Coordinate Ocean Model)大洋环流模式,对南海中尺度涡进行数值模拟研究,主要包括中尺度涡的三维结构、南海EKE(Eddy Kinetic Energy,涡动动能)的垂向变化、黑潮中尺度涡的脱落以及涡旋近岸时的结构变化等。模式再现了2007年2月-3月菲律宾西侧海域的一次暖涡过程,探究了其生命期中各阶段的特征物理量的变化,对其成熟时期的涡旋结构研究表明,中尺度涡的结构呈现不对称性,涡旋两侧的流场空间范围和流场强度均不相同,涡旋的半径和中心位置随深度不断变化,并且由涡旋作用产生的升降流的中心与涡旋自身中心并不重合,二者之间有一定距离。初步探索EKE的垂向分布情况,认为南海年平均EKE在垂向变化上呈现三段式,主要部分分布在300m以浅深度,但同时垂向又能达到海洋深层。分析了一次黑潮中尺度涡脱落的模式模拟个例,推测黑潮中尺度涡脱落原因:黑潮流径西移、外海中尺度涡对黑潮的强迫、地形作用,并且结果表明从黑潮脱落的中尺度涡可以携带大量高温高盐水体进入南海,对南海的温盐性质产生很大的影响。初步探索涡旋近岸时的结构变化,涡旋靠近岸界时,受岸界挤压,流速在一段时间内会增大,继续靠近岸界,由于岸界的摩擦、海底的拖曳,导致能量耗散,流速减小,最终涡旋消亡。     

Effects of mesoscale eddies on the internal solitary wave propagation

The mesoscale eddy and internal wave both are phenomena commonly observed in oceans. It is aimed to investigate how the presence of a mesoscale eddy in the ocean affects wave form deformation of the internal solitary wave propagation. An ocean eddy is produced by a quasi-geostrophic model in f-plane, and the one-dimensional nonlinear variable-coefficient extended Korteweg-de Vries (eKdV) equation is used to simulate an internal solitary wave passing through the mesoscale eddy field. The results suggest that the mode structures of the linear internal wave are modified due to the presence of the mesoscale eddy field. A cyclonic eddy and an anticyclonic eddy have different influences on the background environment of the internal solitary wave propagation. The existence of a mesoscale eddy field has almost no prominent impact on the propagation of a smallamplitude internal solitary wave only based on the first mode vertical structure, but the mesoscale eddy background field exerts a considerable influence on the solitary wave propagation if considering high-mode vertical structures. Furthermore, whether an internal solitary wave first passes through anticyclonic eddy or cyclonic eddy, the deformation of wave profiles is different. Many observations of solitary internal waves in the real oceans suggest the formation of the waves. Apart from topography effect, it is shown that the mesoscale eddy background field is also a considerable factor which influences the internal solitary wave propagation and deformation.     

Simulating ocean acoustic tomography measurements with Hamiltonian ray tracing

Tomographers map mesoscale ocean structure by inverting acoustic travel-time measurements through networks of underwater paths. To know where to deploy sensors and how to interpret their measurements, one must first understand the "forward problem," that is, how the sound channel and mesoscale features refract sound in three dimensions, and how such refraction alters the pulse-arrival sequence. We use a Hamiltonian ray-tracing program called HARPO to compute the refraction by continuous three-dimensional ocean models and to display the results in ways that add insight about refractive effects. We first simulate propagation in a simple range-independent sound channel, showing how pulse-arrival sequence depends on channel parameters and sensor placement. Next, we add linear range dependence and show that it is hard to extract range information from pulse measurements at one range. Finally, we add a simple model of a mesoscale eddy including its currents and show that deflection and splitting of the sound channel significantly alter the pulse-arrival sequence. Two diagrams that have not been widely used before are useful ways to display the arrival-time and ray-focusing perturbations caused by changes in ocean structure: they are plots of range versus launch angle and range versus travel time. Examples of azimuthal deflection, three-dimensional eigenrays, and reciprocal propagation through eddy currents are shown, and simplified methods for estimating the travel time of three-dimensional eigenrays are evaluated.     

海洋中暖涡对热带气旋强度的影响

采用中尺度大气模式MM5和区域海洋模式POM构造了中尺度海气耦合模式,利用该耦合模式模拟了台风Chanchu(2006)从热带低压发展到台风再逐渐衰减的全过程;再以该耦合试验作为对比试验,同时设计一个敏感性数值试验来考察海洋中暖涡对TC强度的影响。试验结果表明暖涡的存在并没有使得TC更快速增强,但抑制了TC的衰减,使得TC增强的时间延长,暖涡的存在使得TC增强,中心气压减少了15 hPa。分析表明,由于暖涡处的混合层很深,阻止了温跃层的冷水挟卷到混合层中,使得TC引起的海面降温较小,因此抑制了TC的衰减。     

基于遥感的南海北部中尺度涡对内孤立波传播的影响

海洋内孤立波和中尺度涡是南海北部常见的中尺度动力过程。本文利用2010?2015年的Terra/Aqua-MODIS、ENVISAT ASAR和多源卫星高度计资料开展了南海海洋内孤立波和中尺度涡遥感探测研究,分析了中尺度涡对内孤立波传播方向的影响。结果表明,中尺度涡和内孤立波主要在南海东北部海域共存,当二者共存时,气旋（冷涡）促使内孤立波偏离原来的传播方向,向西偏南方向传播;反气旋（暖涡）促使内孤立波向西偏北方向传播,气旋与反气旋改变的内孤立波传播方向刚好相反。内孤立波和中尺度涡共存时间主要集中在3?9月,其中,3月受气旋和反气旋的共同作用,内孤立波传播方向几乎无变化;4月和5月,主要受气旋影响,内孤立波偏离原来传播方向向南传播;6?9月,主要受反气旋影响,内孤立波偏离原来的传播方向向北传播。本文利用遥感手段探索了海洋中尺度涡对内孤立波传播方向的影响,结果与现场观测结果一致。     

Eddy diffusivity and coherent mesoscale eddy analysis in the Southern Ocean

The spatial distribution of eddy diffusivity, basic characteristics of coherent mesoscale eddies and their relationship are analyzed from numerical model outputs in the Southern Ocean. Mesoscale fluctuation information is obtained by a temporal-spatial filtering method, and the eddy diffusivity is calculated using a linear regression analysis between isoneutral thickness flux and large-scale isoneutral thickness gradient. The eddy diffusivity is on the order of O (103 m2/s) with a significant spatial variation, and it is larger in the area with strong coherent mesoscale eddy activity. The mesoscale eddies are mainly located in the upper ocean layer, with the average intensity no larger than 0.2. The mean radius of the coherent mesoscale cyclonic (anticyclonic) eddy gradually decays from (121.2±10.4) km ((117.8±9.6) km) at 30°S to (43.9±5.3) km ((44.7±4.9) km) at 65°S. Their vertical penetration depths (lifespans) are deeper (longer) between the northern side of the Subpolar Antarctic Front and 48°S. The normalized eddy diffusivity and coherent mesoscale eddy activity show a significant positive correlation, indicating that coherent mesoscale eddy plays an important role in eddy diffusivity.     

多源数据中尺度涡三维结构分析方法研究

作为重要的海洋中尺度现象之一,中尺度涡的研究受到人们的关注和重视。随着数值模式的进一步发展、卫星资料的累积、时间更长以及更多更有效的海上实测数据的取得,使得综合利用实测资料、卫星遥感资料、再分析/数值预报产品等数据源,对中尺度涡进行自动识别与三维结构分析成为中尺度涡研究的主要方向之一。在前期对卫星遥感资料中尺度涡自动检测算法进行研究的基础上,开展多源资料中尺度涡三维结构分析方法研究,以表面漂流浮标运动轨迹为中尺度涡的判定依据,综合利用高度计观测、红外遥感观测、以及再分析/数值预报产品分析中尺度涡三维结构信息,在此基础上,提出中尺度涡研究的发展方向,为全面分析中尺度涡的时空特性提供技术途径,为中尺度涡的动力机制研究奠定基础。     

北极薄冰-煎饼冰区域中不同重力波驱动形成海流的敏感性分析

A coupled ocean-ice-wave model is used to study ice-edge jet and eddy genesis during surface gravity wave dissipation in a frazil-pancake ice zone. With observational data from the Beaufort Sea, possible wave dissipation processes are evaluated using sensitivity experiments. As wave energy dissipated, energy was transferred into ice floe through radiation stress. Later, energy was in turn transferred into current through ocean-ice interfacial stress. Since most of the wave energy is dissipated at the ice edge, ice-edge jets, which contained strong horizontal shear, appeared both in the ice zone and the ocean. Meanwhile, the wave propagation direction determines the velocity partition in the along-ice-edge and cross-ice-edge directions, which in turn determines the strength of the along-ice-edge jet and cross-ice-edge velocity. The momentum applied in the along-ice-edge(cross-ice-edge)direction increased(decreased) with larger incident angle, which is favorable condition for producing stronger mesoscale eddies, vice versa. The dissipation rate increases(decreases) with larger(smaller) wavenumber, which enhances(reduces) the jet strength and the strength of the mesoscale eddy. The strong along-ice-edge jet may extend to a deep layer(> 200 m). If the water depth is too shallow(e.g., 80 m), the jet may be largely dampened by bottom drag, and no visible mesoscale eddies are found. The results suggest that the bathymetry and incident wavenumber(magnitude and propagation direction) are important for wave-driven current and mesoscale eddy genesis.     

涡分辨率的南海区域海洋环流模式构建技术研究

针对复杂海洋中尺度现象模拟仿真的技术难题,利用区域海洋环流模式ROMS,通过模式的网格构建、地形处理以及模式的初始场和强迫场处理技术,构建出一套涡分辨率南海区域海洋环流模式。通过模式模拟结果与卫星遥感实测资料等对比,发现该模式能够较好地模拟出南海涡旋及其引发的海温异常等海洋中小尺度过程,说明该模式可作为研究复杂海洋中尺度现象影响海军武器装备效能的环境数值仿真手段。