海洋流场的计算——数值预报

从海洋流场计算的原理出发，简要地分析了海洋流场数值预报方法，并以浅水流场为例介绍了流场数值模拟的过程，讨论了数值计算中的一些问题。     

基于物理特征的平面流场拓扑简化算法

基于网格合并思想实现的平面流场拓扑简化,存在物理特征被忽略和并行实现困难的问题,难以满足远程可视化的要求。文中提出1种基于物理特征的平面流场拓扑简化算法。算法通过计算生成平面流场的物理特征参数图像,利用图像分割提取平面流场的特征区域达到流场简化的目的。实验结果表明,算法能从物理特征和宏观的角度出发快速、准确描述平面流场的拓扑结构,为平面流场可视化提供了1种新方法。     

基于WebGL的海岛环境场三维可视化

为解决海岛环境场三维可视化过程中存在的计算速度慢、渲染效果差和人 机交互不流畅等问题,文章基于WebGL和GPU加速渲染技术,提出基于WebGL的海岛环境场三维可视化方法。对不同环境场进行数学建模,其中矢量场基于二阶欧拉积分算法构建粒子运动模型,标量场基于双线性插值生成网格并建立颜色映射模型;基于视角感知构建多尺度变换模型,建立不同视角下矢量场的多尺度三维展示模型;基于GPU渲染技术,实现海岛环境场的三维可视化。实验结果表明,在GPU模式下,矢量场的渲染速度可达60 FPS,与CPU模式相比性能提升1.6～5.0倍,满足矢量场三维可视化的需求,同时极大地提升标量场的可视化效果,解决渲染效果颗粒感重和分级色差弱等问题。     

协同克里格方法在东海表面温度场数据插值中的应用

首次将协同克里格方法引入到海洋水文插值计算中处理东海实验区2008-01—2008-03三个月抽稀后的月平均海表面温场数据。将温场数据分为趋势分量和剩余分量,最终采用两分量的估计值之和实现海表面温场数据的格网插值估计。结果表明：协同克里格方法比传统方法（趋势分析、移动平均、普通克里格插值）效果好。提出变差函数局部拟合的...     

基于Cressman优化算法的海洋矢量数据插值方法研究

随着海洋监测技术的发展,多源、异构、多维的海洋数据成指数激增。当前用于海洋数据的插值技术存在处理速度慢、读取效率低等问题,难以满足数据处理的需要。针对具有空间分布特性的海洋矢量数据,本文旨在研究一种高效的插值方法,首先基于Moran’s I对矢量数据进行空间相关性分析,根据数据间的聚类程度对数据集进行冗余度处理,然后基于Cressman插值算法对处理后的矢量数据进行插值展示。最后,以某区域的流场数据进行仿真,验证了基于Cressman插值优化算法的合理性和可行性。     

高海况海洋遥感信息提取技术研究进展

中等海况下,星载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)已经广泛应用于海洋动力环境要素的监测(风场、波浪、流场)。近年来,SAR高海况遥感,尤其是探测台风海面风场、巨浪、流场已经成为国内外研究热点,并突破了一些关键技术。利用SAR多极化成像模式对海观测和新发展的地球物理模式函数,可以提取高海况下的海面风速、风向、有效波高、流速和流向等海洋表面关键物理参数。这些环境要素可以用于海洋灾害监测预警;为海洋和大气数值模式提供准确的初始场和同化源,改进模式预报精度;为研究全球气候变化提供有力的观测依据。     

“海上虚拟人口”假说及其应用探索

为解决海洋社会经济数据难以获取的问题,促进海洋空间评价的科学化和标准化,文章提出"海上虚拟人口"假说,并对其应用进行探索。研究结果表明:"海上虚拟人口"不是海上实际常住人口,而是对陆上人口数据进行插值后所形成的虚拟人口分布;某一海域的虚拟人口一般按照该海域与海岸线的距离进行插值,距海岸线近的数量多,距海岸线远的数量少;"海上虚拟人口"是海洋社会经济数据的载体之一,其数量可间接反映海洋开发利用水平和海洋社会经济状况;应用步骤包括确定海岸线形状、划分网格单元、修正原始数据和插值计算4个部分。目前"海上虚拟人口"假说及其应用仍处于探索阶段,需在实践中不断检验和完善。     

基于WebGL的海洋三维可视化系统设计与实现

利用GIS技术对海洋标量场、矢量场数据进行可视化表达和信息查询分析,基于JavaScript设计并开发全球海洋信息三维可视化系统,使用基于WebGL的三维地球可视化平台,使用netCDF数据存储管理标量场、矢量场数据,实现了对海温、洋流和风场的三维可视化表达。在全球大范围矢量场数据的可视化过程中,为提高矢量符号的绘图效率,本文提出了一种高效率绘制矢量场的方法。论文成果对于实现海洋数据的有效利用和共享,为海洋信息的高效利用提供了基础,具有重要的使用价值。     

基于地图载负量的海洋流场欧拉法多尺度表达

欧拉法是海洋流场常用的制图方法,在电子地图中需要对欧拉法箭头符号进行动态抽稀或加密以满足用户的多尺度表达需求,确定抽稀或加密的关键比例尺是欧拉法多尺度表达的核心问题。文中将地图载负量作为欧拉法多尺度表达的评价指标,首先提出了一种欧拉法地图载负量的计算方法,分析了流场制图中较适宜的载负量区间;并由适宜载负量区间限定载负量的值,进而拟合抽稀区间内地图载负量与比例尺关系曲线,得到欧拉法多尺度表达的关键比例尺。最后,利用模糊数学中的多层次综合评判法建立了评价数学模型,并利用问卷调查法对海洋流场多尺度制图成果进行了可用性评价。     

基于角动量模型的流场涡旋提取方法

分析海洋流场数据进行流场涡旋提取是流场可视化的重要方法。通常实际存在的涡旋具有不规则性,导致涡旋的提取通常需要复杂的计算。本文分析流场数据中涡旋的特点,提出一种基于角动量最大值模型提取涡旋的方法。建立角动量模型计算获得近似涡旋中心点,然后通过空间聚集分析和流场信息熵的计算来提取区域内涡旋。实验结果表明,与传统的提取方法相比,该方法不需要通过复杂计算即可提取涡旋区域并保证准确度,可以应用于不同空间分辨率的数据,同时解决了流场信息熵计算时鞍点对涡旋影响的问题,对于弱涡旋也有较好的提取效果。     

借助EGM2008的海域重力异常反距离加权插值算法

构建高精度高分辨率的海域重力异常模型,是将海洋重力测量数据应用于全球高程基准统一和水下重力匹配导航等技术领域的关键步骤之一。针对反距离加权插值算法仅利用了海域重力观测值的空间信息,没有考虑重力观测值物理特性的缺陷,提出一种借助EGM2008重力场模型构建海域重力异常模型的反距离插值算法。以DTU10重力异常数值模型为基础数据,设计了海域重力测量数据格网化实验,结果表明本文算法能有效改进海域重力异常格网模型的计算精度。     

Representation of topography by porous barriers and objective interpolation of topographic data

We present a porous medium approach to representing topography, and a new algorithm for the objective interpolation of topography, for use in ocean circulation models of fixed resolution. The representation and algorithm makes use of two concepts; impermeable thin walls and porous barriers. Impermeable thin walls allow the representation of knife-edge sub-grid-scale barriers that block lateral flow between model grid cells. Porous barriers permit the sub-grid scale geometry to modulate lateral transport as a function of elevation. We find that the porous representation and the resulting interpolated topography retains key features, such as overflow sill depths, without compromising other dynamically relevant aspects, such as mean ocean depth for a cell. The accurate representation of the ocean depth is illustrated in a simple model of a tsunami that has a cross-basin travel time very much less dependent on horizontal resolution than when using conventional topographic interpolation and representation.     

基于多波束数据的网格水深模型内插方法精度分析

以多波束水深数据作为源数据,分析了网格水深建模中的数据内插,介绍了网格水深建模所用的常用内插方法,并从水深建模的精度和效率出发,计算分析了网格水深建模过程中内插方法的应用效果。实验结果表明:在当前网格水深建模常用的内插方法中,加权平均法是较适合多波束水深源数据内插网格水深模型点的方法,双线性曲面法是较适合网格水深模型点推估模型表面任意点水深的方法。     

Numerical flow analysis of single-stage ducted marine propulsor

The present work has solved 3D incompressible RANS equations on a rotating, non-orthogonal multi-blocked grid to efficiently analyze a ducted marine propulsor with rotor–stator interaction. To handle the interface boundary between a rotor and a stator, the sliding multi-block technique using the cubic spline interpolation and the bilinear interpolation was applied. To validate the present code, the flow of a single stage turbine flow was simulated. Time averaged pressure coefficients were compared with experiments and good agreements were obtained. After the code validation, the flowfield around a single-stage ducted marine propulsor having a single stage of rotor and stator was successfully simulated and the hydrodynamic performance coefficients were computed.     

海洋二号卫星微波散射计后向散射系数业务化面元匹配算法

本文提出了一种可业务化运行的海洋二号卫星散射计面元匹配方法，该算法主要用于将按时序排列的后向散射系数及相关参数投影到相应风矢量单元。面元匹配方法主要包括地面网格划分和后向散射系数观测结果重采样两个关键步骤。为简化计算，本文采用了以星下点轨迹为中心，以顺轨向及交轨向为坐标轴的地面网格划分方式。在重采样过程中，本文提出了一种“三点标定”重采样方法，利用观测脉冲的地面足印中心，星下点轨迹的起点，以及过地面足印中心做星下点轨迹垂线的交点，三点形成的直角三角形来计算每个后向散射系数观测结果在地面网格中对应的坐标。该直角三角形的两直角边分别对应观测脉冲在顺轨向和交轨向的坐标。同时，为减少由于星下点数据空间分布不连续引起的面元匹配误差，在采用三点标定法进行重采样之前，首先对星下点时空分布不连续的区域对时间插值，然后以时间为坐标，对星下点经度、纬度分别进行内插。对风矢量面元位置分布和风矢量反演精度等分析表明，本文提出的面元匹配算法，可在满足高质量海面风场反演的要求。     

Evolving a Bayesian network model with information flow for time series interpolation of multiple ocean variables

Based on Bayesian network (BN) and information flow (IF), a new machine learning-based model named IFBN is put forward to interpolate missing time series of multiple ocean variables. An improved BN structural learning algorithm with IF is designed to mine causal relationships among ocean variables to build network structure. Nondirectional inference mechanism of BN is applied to achieve the synchronous interpolation of multiple missing time series. With the IFBN, all ocean variables are placed in a causal network visually, making full use of information about related variables to fill missing data. More importantly, the synchronous interpolation of multiple variables can avoid model retraining when interpolative objects change. Interpolation experiments show that IFBN has even better interpolation accuracy, effectiveness and stability than existing methods.     

高频地波雷达生成海洋表面矢量流图

武汉大学研制的双站高频地波雷达系统OSMAR2000利用测得的两幅单站径向海流图生成矢量海流图。经典矢量流图生成方法不能直接应用到OSMAR2000系统中。本文提出一种先在极坐标系下用自然三次样条函数将径向流插值到公共网格上然后直接进行矢量合成的矢量海流图生成方法。OSMAR2000在东海的表面矢量流实测结果与作对比验证的传统海流计测量结果十分吻合。对比数据表明，该方法是可行的，且优于先进行径向流线性插值后矢量合成的矢量流图生成方法。这也是国内首次利用高频地波雷达实现海洋表面矢量流的实时监测。     

Oceanic sound speed profile inversion

A modal (full-wave) method has been developed to predict ocean sound speed profiles from propagated acoustic field data. The method assumes a point source of sound in the ocean and uses as data the values of the transmitted acoustic field at an array. The formalism for depth-dependent sound speeds consists of the standard Hankel integral transform of the depth solution. In the travel length coordinate, the latter is written exactly, using the Green's function, in terms of an integral equation whose kernel includes the sound speed profile correction. A Born approximation to this equation is used. This is just the WKB solution, and permits the use of a nontrivial input (or guess) profile, here chosen as bilinear. The use of asymptotic methods enables us to write the data as an integral transform over the profile correction. The transform can be inverted. An example is presented for full-bandwidth inversion.