利用海底地震仪数据分析台风对海底环境噪音的影响

在海底布设的海底地震仪（OBS）能比较清晰地记录到海底的环境噪音，而台风可以直接或间接的产生在海底传播的弹性波，从而影响海底的环境噪音，并在较大程度上影响OBS的数据记录。本文通过分析台风对工作区的整个影响过程中OBS记录数据的振幅变化，再选择合适的滤波方式，首次发现台风产生的风浪及涌浪在短周期海底地震仪的记录数据上有良好的表现特征，指出了台风对海底环境噪音的另一种可能的影响方式，并由此得出：1）台风产生的风浪和涌浪对海底环境噪音的影响模式不同；2）风浪和涌浪所加强的海底环境噪音的范围和程度不同；3）短周期OBS可以比较清晰的记录涌浪信息，其周期主要是6—8 s，且能量稳定（简称“8秒现象”）。这三点结论为后期的海洋地震研究和海洋学其他研究提供经验与借鉴。     

西南印度洋洋中脊热液A区海底地震仪数据处理初步成果

在西南印度洋热液活动A区(49°39′E)开展的三维海底地震仪(OBS)探测实验为研究该区域的深部地壳/上地幔结构提供了重要基础,而OBS数据处理是获取研究区三维速度结构的基础环节。文章介绍了此次实验中所用的3种不同类型OBS(国产、法国和德国OBS)的数据处理流程,包括地震数据解编处理、截裁处理和地震信号的可视化处理;并以第2790炮为例分析了3种类型OBS记录数据的波形和频谱特征。结果表明,由于受不同类型OBS的频带、传感器和拾震器等影响,国产与法国OBS都能记录到长周期和短周期噪音,而德国OBS只记录到短周期噪音;但经带通滤波后,3种类型OBS都能够很好地压制噪音,突出有用的气枪信号;对比3种类型OBS(分别以OBS04、OBS08和OBS23为例)沿主测线X1X2的综合记录剖面,发现3种类型OBS都能够记录到多组清晰可靠的P波震相,如直达水波、Pg、PmP和Pn震相,为下一步A区的三维层析成像奠定了坚实数据基础。     

深水环境下OBS的二次定位技术

在海洋环境下,OBS（海底地震仪）投放后,由于潮汐、涌浪以及海流等因素的影响而漂移,OBS资料处理的首要任务就是进行OBS的二次定位。深水环境下一般使用直达波二次定位技术,直达波定位的传统方法是采用网格节点法计算直达波线性动校正,计算工作量非常大。列举了OBS落点漂移的多种情形,模拟了不同情况下直达波的线性动校正曲线,分析了影响线性动校正曲线变化的各个因素,建立了判断落点方向的标准,提出了十字交叉法反演OBS落点位置,对实测资料进行落点位置反演,获得了准确的定位结果。此方法明显减少了计算工作量,可以快速获得准确的OBS落点位置。     

台风作用下琼州海峡海域波浪特征分析

通过在拟建琼州海峡跨海大桥西线方案主通航孔位置布置波浪测点,采集到2012年13号台风"启德"和23号台风"山神"期间波浪数据,结合两场台风期间波浪频谱和方向谱的变化,分析了该区域在台风期间的波浪特征,并进一步对风浪和涌浪进行了判别。研究结果表明:1)台风"启德"期间,海域波浪谱峰周期在3.3⁸.0 s之间,最大谱峰值为7.92 m2/s,波浪方向为W8.0 s之间,最大谱峰值为7.92 m2/s,波浪方向为W^N向,且频谱和方向谱的变化过程反映了风浪到涌浪的转变;2)台风"山神"期间,海域波浪谱峰周期在5.0N向,且频谱和方向谱的变化过程反映了风浪到涌浪的转变;2)台风"山神"期间,海域波浪谱峰周期在5.0⁶.5 s之间,最大谱峰值为2.70 m2/s,波浪方向为E6.5 s之间,最大谱峰值为2.70 m2/s,波浪方向为E^ESE向,波浪以风浪为主;3)琼州海峡海域大周期波浪主要受到台风引起的涌浪影响,涌浪周期的范围大约在6.5ESE向,波浪以风浪为主;3)琼州海峡海域大周期波浪主要受到台风引起的涌浪影响,涌浪周期的范围大约在6.5¹0.0 s之间。     

海浪预报知识讲座

第五讲海浪的地理分布与季节变化(I) 近海海浪的地理分布和季节变化 1渤海和黄海海浪的地理分布和季节变化 1.1风浪向和涌浪向 为了说明本海域风浪向和涌浪向的季节变化,根据文献[1]提供的统计资料,绘制了渤海和黄海盛行风浪向和盛行涌浪向频率分布表(表略).     

西沙、南沙海域波浪及波浪能季节变化特征

采用来自ECMWF将风浪、涌浪分离的近45 a ERA-40海浪再分析资料,对西沙和南沙海域的海面风速、风浪有效波高、涌浪有效波高、浪级频率、波向频率的多年变化特征进行统计研究,重点讨论了西沙和南沙海域风浪能和涌浪能季节变化和稳定性特点.结果表明:南海海域涌浪能明显比风浪能稳定,西沙海域年均能流密度约8.0kW/m,风...     

台风“梅花”风浪场和涌浪场特征分析

基于第三代海浪数值模式WAVEWATCHⅢ(v3.14),在WRF模式提供模式风场驱动下,对1109号台风"梅花"的风浪场、涌浪场和混合浪场进行了数值模拟,并在我国东部沿海选取了3个关注站点,探讨涌浪和风浪波高随时间变化与台风中心位置的关系以及台风影响下海浪二维谱、风浪场和涌浪场分布和变化特征。结果表明,新版的海浪模式能较好表现福建和浙江沿海、长江口附近、山东半岛南端的3个关注区域的台风涌浪先于风浪到达的事实;距台风中心不同距离,混合浪波高的组成和波高变化不同;台风的外围区涌浪场的高值区对应着风浪场的低值区,台风的大风区风浪场的高值区对应着涌浪场的低值区,台风眼区则为涌浪区。涌浪多分布在台风风浪影响范围之外,波向由台风中心向外辐射。     

涌浪对风浪能量影响的实验研究

在实验室风浪水槽中进行纯风浪和混合浪波面位移观测,研究波长较长的规则波对风浪能量的影响.本文用混合浪和纯风浪中的风浪显著波的零阶谱矩之比代表混合浪中的风浪与纯风浪能量之比,并以此表征涌浪对风浪能量的影响.研究了该能量比随涌浪波陡S、风区x、波龄倒数u/C、涌浪频率与纯风浪谱峰频率之比fs/fwp的变化规律.结果表明,涌浪对风浪能量的抑制作用随涌浪波陡的增加、波龄倒数的增大及涌浪频率与纯风浪谱峰频率之比的增大而增强.发现该能量比依赖于无因次量R=(1+80(πS)2)1.9(fs/fwp)0.9(u/C)0.27,并拟合得到2者的经验关系.此外,本文实验还发现,在某些情况下,涌浪的存在使风浪能量增加.     

太平洋海浪场时空特征分析

为了深入了解太平洋海浪场特别是涌浪场的时空分布特征,利用44 a(1958~2001年)ERA-40海浪再分析资料对南、北太平洋风浪和涌浪的波高和波向进行了统计分析,结果表明:北太平洋海浪场比南太平洋具有更明显的季节变化特征,四季中南太平洋涌浪均有明显的越赤道北传过程.南、北半球西风带海浪波高随时间呈线性增长趋势,且涌浪分别存在2.4~3.7 a 和2.9 a 左右的显著周期,风浪和混合浪波高存在6.5 a 和5.2 a 的共同周期     

近45年太平洋海浪特征分析

利用来自欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)将风浪、涌浪分离的具有较高时空分辨率的45年ERA-40海浪资料,对太平洋的海表风场、风浪、涌浪、混合浪的特征进行分析。研究发现太平洋大部分海域的涌浪波高、混合浪波高呈显著的逐年线性递增趋势,趋势分别为0.3—0.6cm.a 1、0.3—1.2cm.a 1;太平洋的涌浪在混合浪中四季皆起主导作用,涌浪指标的低值区主要集中在南北半球的西风带,太平洋赤道附近海域存在明显的涌浪池;北太平洋的风场与风浪场的相关系数好于南太平洋,风场与涌浪场的相关系数则是南太平洋好于北太平洋;研究还发现太平洋的浪场与Nino3指数有着密切的关系。     

基于海面多普勒谱模型的海浪反演精度分析

Microwave remote sensing is one of the most useful methods for observing the ocean parameters. The Doppler frequency or interferometric phase of the radar echoes can be used for an ocean surface current speed retrieval,which is widely used in spaceborne and airborne radars. While the effect of the ocean currents and waves is interactional. It is impossible to retrieve the ocean surface current speed from Doppler frequency shift directly. In order to study the relationship between the ocean surface current speed and the Doppler frequency shift, a numerical ocean surface Doppler spectrum model is established and validated with a reference. The input parameters of ocean Doppler spectrum include an ocean wave elevation model, a directional distribution function, and wind speed and direction. The suitable ocean wave elevation spectrum and the directional distribution function are selected by comparing the ocean Doppler spectrum in C band with an empirical geophysical model function(CDOP). What is more, the error sensitivities of ocean surface current speed to the wind speed and direction are analyzed. All these simulations are in Ku band. The simulation results show that the ocean surface current speed error is sensitive to the wind speed and direction errors. With VV polarization, the ocean surface current speed error is about 0.15 m/s when the wind speed error is 2 m/s, and the ocean surface current speed error is smaller than 0.3 m/s when the wind direction error is within 20° in the cross wind direction.     

Coupling winds to ocean surface currents over the global ocean

A Wind stress–Current Coupled System (WCCS) consisting of the HYbrid Coordinate Ocean Model (HYCOM) and an improved wind stress algorithm based on Donelan et al. [Donelan, W.M., Drennan, Katsaros, K.B., 1997. The air–sea momentum flux in mixed wind sea and swell conditions. J. Phys. Oceanogr. 27, 2087–2099] is developed by using the Earth System Modeling Framework (ESMF). The WCCS is applied to the global ocean to study the interactions between the wind stress and the ocean surface currents. In this study, the ocean surface current velocity is taken into consideration in the wind stress calculation and air–sea heat flux calculation. The wind stress that contains the effect of ocean surface current velocity will be used to force the HYCOM. The results indicate that the ocean surface velocity exerts an important influence on the wind stress, which, in turn, significantly affects the global ocean surface currents, air–sea heat fluxes, and the thickness of ocean surface boundary layer. Comparison with the TOGA TAO buoy data, the sea surface temperature from the wind–current coupled simulation showed noticeable improvement over the stand-alone HYCOM simulation.     

波谱仪调制功率谱估计算法性能的仿真研究

基于星载波谱仪海浪方向谱探测原理，仿真了不同海况、风速下的海浪波谱仪接收信号，并采用周期图法、Welch法、AR模型法以及最小方差法共4种不同的调制谱估计方法反演出海浪谱，比较各种调制谱估计方法的海浪方向谱反演性能。仿真结果表明:对于一定方位向下的一维海浪谱反演，不同调制谱估计方法反演海浪谱性能优劣没有绝对的顺序。对于二维海浪谱反演，在成长中海浪条件下周期图法反演性能最差，其他3种方法的反演性能没有绝对优劣顺序；对于成熟风浪，最小方差法在积分能量误差、有效波高误差两个指标上的反演性能最好，在主波波向、主波波长误差上，周期图法反演性能最差，其他3种方法没有绝对优劣顺序。在涌浪条件下，AR模型法反演性能优于其他3种方法。在不同海况下，随着波谱仪中心入射角的下降，反演性能会下降。基于这些仿真结果，本文推荐最小方差法作为充分成长海浪的海浪方向谱反演的调制谱估计方法，AR模型法作为涌浪海浪方向谱反演的调制谱估计方法。     

Fidelity of ocean bottom seismic observations

The often poor quality of ocean bottom seismic data, particularly that observed on horizontal seismometers, is shown to be the result of instruments responding to motions in ways not intended. Instruments designed to obtain the particle motion of the ocean bottom are found to also respond to motions of the water. The shear discontinuity across the ocean floor boundary results in torques that cause package rotation, rather than rectilinear motion, in response to horizontal ground or water motion. The problems are exacerbated by bottom currents and soft sediments. The theory and data presented in this paper suggest that the only reliable way of obtaining high fidelity particle motion data from the ocean floor is to bury the sensors below the bottom in a package with density close to that of the sediment. Long period signals couple well to ocean bottom seismometers, but torques generated by bottom currents can cause noise at both long and short periods. The predicted effects are illustrated using parameters appropriate for the operational OBS developed for the U. S. Office of Naval Research. Examples of data from ocean bottom and buried sensors are also presented.     

北极海域海面风场和海浪遥感观测能力分析

卫星遥感是开展北极海域海面风场和海浪分布特征与变化规律研究的重要手段。本文基于在轨多源卫星遥感数据，从遥感观测空间覆盖、时间覆盖和多源卫星遥感数据融合等方面开展北极海域海面风场与海浪遥感观测能力分析，研究主要结果为:基于ASCAT和HY-2A散射计可实现北极海域海面风场遥感观测，通过多星联合观测可获取北极海域时空分辨率优于12 h和0.1°的海面风场遥感融合数据；基于HY-2A、CryoSat-2、SARAL和Sentinel-3高度计可实现北极海域海浪遥感观测，同样通过多星联合观测可获取北极海域时空分辨率优于1 d和0.25°的海浪有效波高遥感融合数据；基于2016年北极海面风场和海浪遥感融合数据，分析得出北极海域海面风场和海浪在2月处于极大值，然后逐渐减小，7月最小，随后开始逐渐增大。本研究表明，基于多源散射计和高度计遥感观测可实现北极海域海面风场和海浪的高时空分辨率遥感业务化监测。     

基于拟层流风波生成机制的海浪谱模型

海浪谱的能量可以视为由具有不同相速度的谐波携带的能量所组成。基于对风波形成、发展过程的认识,认为各组成谐波的能量由谐波自平均风摄取而来,由此根据拟层流模型推导出谐波能量密度的计算公式,建立以等效风速和峰值频率等为基本参数的海浪谱模型——随机Fourier函数模型,并给出了确定谐波频率、波长、相速度、振幅以及等效风速等模型参数的原则和计算方法。在59个实测样本谱基础上,采用随机建模方法确定模型参数的取值及其概率分布。结果表明,海浪谱模型可以很好地预测谱能,所计算的物理谱与实测谱均值吻合良好。     

海浪的动态视觉仿真

对海浪液面位移模型的建模方法进行了研究,利用Phillips谱分析方法,建立了受风场和海底地形等因素影响下的海浪波面位移模型,提出了2D FFT的优化方法,提高了计算机的执行效率,解决了海浪数字仿真中的动态数据生成问题,并最终实现了不同分辨率海浪模块的拼接和渲染。     

极低频海洋噪声与风的相关性研究

风通过影响海洋表面从而产生200 Hz以上的深海环境噪声,但有研究指出,通过风生表面波之间的非线性相互作用产生的驻波,能够与海床共振构成海底微震,从而产生10 Hz以下的噪声。针对这一新型风生噪声机制,本研究对威克岛海域10 Hz以下的极低频噪声进行了分析。比较了不同频率下海洋环境噪声功率谱级与风速的相关性,并讨论了风速和风向对设立在威克岛南北部二组水听器三联体信号的影响,结果表明2 Hz处的海洋环境噪声级与风速相关性最好,而风速和风向变化越剧烈海洋环境极低频噪声与风速风向的相关性越好。     

基于高频地波雷达的多时间尺度海流研究

近海海流受多种动力过程及岸线岛屿的作用呈现空间和时间尺度上的复杂变化,而地波雷达由于其探测面积广、时间分辨率高的特点成为研究这些变化的有效手段。本文利用舟山海域多年高频地波雷达资料,通过潮流调和分析、低通滤波和相关性分析对该海域海流潮周期、极端事件、季节、年际尺度的动力过程进行了解译。研究表明,舟山海域属于正规半日潮,潮流运动形式以顺时针旋转流为主,流速大小在空间上为东北方向较大,往西南方向逐渐减小,并在近岸处得到增强。余流的年际变化并不显著,但存在着明显的季节变化,例如冬季为南向流,流速减小,空间分布上近岸较外海大,而夏季与之反向,为北向流,流速较大,空间分布较为均匀。进一步分析了风与余流之间的相关性,在大风期间,风与余流的速度相关系数在0.48～0.90之间,方向相关系数在0.55～0.68之间。极端事件发生时,速度、方向的相关系数分别高达0.92与0.91。总体而言,通过分析高频地波雷达数据能够较好地反映舟山海域海流的时空特征,为海洋灾害监测和污染物、藻华的输运研究提供依据。