水下滑翔机内波观测方法

在把握水下滑翔机功能特点和内波运动特征的基础上,提出水下滑翔机中性悬停、随体原位观测内波的方法。首先需要对水下滑翔机加装加速度计和深度计,用于记录并辅助控制其运动过程;其次,控制水下滑翔机下潜至目标区域的跃层梯度最大处水层,通过中性体浮力控制和姿态调节系统实现水平悬停,做到最大化无滑脱随流运动;然后,水下滑翔机在遭遇内波后跟随内波一起运动并进行同步观测;最后,分析观测数据,并基于相应特征选定内波物理模型,建立内波的三维运动学结构模型。该方法是内波直接观测技术的有益探索,对深入发挥水下滑翔机观测效能、把握内波运动学结构和动力学支撑有重要作用。     

水下滑翔机观测台风“天鸽”过境的海洋响应研究

水下滑翔机作为一种新型移动观测平台,可以对热带气旋过境期间引发的海洋响应进行全方位的观测,利用获取的观测数据能够进一步增强台风预报的准确性。从水下滑翔机相较于其他热带气旋观测方式的优势展开,基于“海燕”系列水下滑翔机观测到的台风“天鸽”(Hato)引起的海洋温盐异常历史数据, 并结合同期卫星的观测数据和 JMA(Japan Meteorology Agency)最佳台风路径数据库,分析研究水平和垂直方向上的海洋温盐异常响应。验证了 4 台“海燕–II”水下滑翔机具有对 2017 年台风“天鸽”引起的海洋响应进行精细化剖面观测的能力,可以完整捕捉台风过境引起的垂直混合现象以及降雨对其观测区域内盐度变化的影响,并分析水下滑翔机观测数据得出台风期间海洋响应的程度与其距离台风的位置有关,即台风期间水下滑翔机观测海域与台风路径距离越近,其温盐异常变化越明显,并且台风路径右侧海域相较于路径左侧海域的温度异常幅度更大。     

海翼水下滑翔机测流应用

水下滑翔机其通过集成生物、化学、物理传感器可以测量如温度、盐度、溶解氧等多种海洋基础水文要素,其利用卫星定位系统获得实际出水速度和理论出水模型获得理论出水速度之差可以计算深度平均流,。本文利用海翼水下滑翔机获得温盐场及卫星定位数据评估深度平均流,结果显示利用温盐场获得深度平均地转流与水下滑翔机获得深度平均流相关系数0.95,表明其流场的一致性,同时根据船载观测ADCP误差分析法估算深度平均流误差约为0.036 m/s。借助深度平均流可以估算绝对地转流,包括正压地转流和斜压地转流。在零动力面的假设下,我们选取了海翼号水下滑翔机在南海的一组实验对流量误差进行了评估。该实验为2019年1月3日-2月16日海翼号水下滑翔机自南向北穿越西沙群岛附近一个中尺度涡观测。观测结果表明,该中尺度涡为冷涡流核,在涡心以南,绝对地转流为东向流,最大流速约为0.48 m/s;涡心以北,绝对地转流为西向流,最大流速约为0.47 m/s,稍弱于南侧。受不均匀时空观测计划影响,本文未对流量做出估计。     

基于牛顿力学积分的水下滑翔机群协同控制研究

水下滑翔机是开展海洋无人移动观测的重要平台,其实际航行轨迹往往与预设路径存在较大差异,多台水下滑翔机协同观测时,难以始终保持预设的组网阵列。本研究提出一种基于牛顿力学积分的水下滑翔机群协同控制算法,根据水下滑翔机群出、入水的异步性调节水下滑翔机入水前的运动参数。基于对水下滑翔机受力分析,利用牛顿力学积分还原水下滑翔机在海洋中的运动状态,进而运用水下滑翔机群的协同控制算法同时约束多台水下滑翔机的运动,并开展仿真实验。实验结果证明该算法能够使多台水下滑翔机较好地保持预设组网阵列,从而可对目标海域进行协同观测。     

印度洋中尺度涡遥感调查和验证

海洋湍流的基本结构之一是各种尺度的涡旋,既有构成背景场流的随机小尺度涡旋,又有在统计意义上存在拟序结构的中尺度涡。针对印度洋广泛存在的中尺度涡,研究使用长时间序列、空间分布均匀的卫星测高数据,开展了印度洋中尺度涡遥感调查和结果验证。结果显示,印度洋中尺度涡主要分布在南印度洋南极绕极流区域、澳大利亚西部海域、莫桑比克海峡以及北印度洋的阿拉伯海以及孟加拉湾。北印度洋由于空间区域所限,其中尺度涡生命周期和移动距离均较小;而南印度洋存在大量长生命周期的中尺度涡,部分涡旋可以横跨整个南印度洋运动。基于ARGO现场观测数据以及多源海洋三维再处理数据,对中尺度涡遥感调查结果进行了验证,中尺度涡表层遥感信号与水下温度信号显示了较好的一致性。     

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。     

基于水下滑翔机平台的湍流观测方法研究

海洋微结构湍流作为常见的海洋运动,对海洋中溶解质扩散、能量转移有显著作用,对海水运动及其温盐特性等有重要影响。作为低能耗、无动力的海洋观测平台,水下滑翔机具有噪声低、航时长,易回收等优点,使得长期不间断低成本观测湍流成为了可能。在本文中,从湍流观测原理的维度出发,研究分析滑翔机运动特性对湍流数据的影响;通过解析滑翔机在垂直面内运动方程,获得适合湍流观测的滑翔机运动参数;利用傅里叶变换从时域与频域分析了滑翔机的振动特性;最后通过海试,验证了基于水下滑翔机的湍流观测平台长时间不间断观测海洋湍流的能力。     

水下滑翔机三维定常运动建模与分析

针对水下滑翔机运动过程中的特点,水下滑翔机实际运动过程可以分为定常运动段和非定常运动段,对自设计的水下滑翔机原理样机建立了基于单刚体六自由度的定常运动段的数学模型并进行了数值仿真,在此基础上分别对水下滑翔机运动过程中的两种定常运动—直线定常运动和螺旋定常运动进行了分析。结论显示在直线定常运动中俯仰角和攻角随平移质量块位置的增大先变化迅速后变化缓慢。滑翔角随平移质量块位置的增大近似呈线性增大的关系。在螺旋定常运动中通过模型仿真得到螺旋运动特征参数(螺旋半径、螺旋线螺距、螺旋时间周期、速度)和状态参数(滑翔角、翻滚角、各方向速度分量、各方向角速度分量),根据最小二乘法拟合得到它们之间的关系,从而说明了螺旋运动状态是如何通过调整平移质量块移动距离,旋转质量块旋转角度和净重力等控制量而变化的。     

温盐深测量平台发展现状与趋势

温度、盐度和压力是海洋重要的基本物理特性参数。温盐深测量仪(Conductivity Temperature Depth,CTD)是海水温盐剖面观测的关键仪器,在海洋经济开发、海洋观测、海洋国防建设方面有着极为重要的意义。本文介绍了几种典型的温盐深测量设备及移动观测平台,重点论述了CTD在Argo浮标、水下滑翔机等海洋移动观测平台上的应用现状,分析了水下滑翔机搭载的CTD在热滞效应、湍流等因素影响下产生的测量误差。最后探讨了以水下滑翔机为代表的海洋移动观测平台搭载CTD测量技术的发展趋势及应用前景。     

基于OceanDataView的中尺度涡分析研究

以西太平洋海域 2 个中尺度涡为例,利用 AVISO 卫星高度计观测的海平面高度异常(Sea Level Anomaly,SLA)数据、HYCOM 模式的温度、盐度数据及水下滑翔机实测数据,分析了 Ocean Data View 软件(ODV)在实现该区域中尺度涡运动特征规律研究的实用性,探讨了中尺度涡分析处理的关键技术和方法。 结果表明：利用 ODV 软件能够快速绘制海平面高度异常值和海表面流速的平面图,进而准确判别中尺度涡类型、追踪中尺度涡在海表面的水平空间尺度及演化特征;也可绘制任意航迹温、盐深断面图用于分析中尺度涡的垂直结构和判别涡结构类型;同时 ODV 软件也提供了垂直涡结构实测数据与模式数据对比分析模式,为中尺度涡研究提供强有力的分析工具和技术支撑方法。     

南海北部中尺度反气旋涡的湍流混合空间分布特征

文章利用GHP细结构参数化方法和Thorpe-scale方法，分析水下滑翔机于2015年5月在南海北部采集的数据，估算了南海北部中尺度反气旋涡的湍流混合空间分布特征。结果显示该反气旋涡的混合具有明显的空间非对称性，混合率在其运动方向的后侧边缘明显增强达到O(10^-3 m²/s)量级；而在其运动方向的前侧边缘，平均混合率要小一个量级。这一混合非对称特征与中尺度的涡动能密切相关性。中尺度涡后侧边缘处存在高流速剪切，容易引起垂向剪切不稳定，可能是引起该处混合增强的主要因素。另外，中尺度涡后侧边缘发展的次中尺度过程同样导致了该处强混合。本研究结果有助于人们进一步认识南海北部的混合过程。     

AUV重力测量的运动加速度建模及平台优选

针对适合捷联式重力仪的AUV搭载平台的选型问题,基于国内AUV实际航行数据,分析了多推进器组合、推进器和浮力舱组合、推进器和鳍舵组合等3类AUV的定深航行运动特性;推导了AUV水下航行在3个坐标轴方向上对重力仪产生的运动加速度计算公式,得到运动加速度与AUV水下6个自由度运动要素的解析表达式;基于运动加速度分析,讨论了适用于水下移动重力测量的AUV平台和推进装置设计,进行了AUV搭载平台的优选,并给出了重力仪安装位置建议;选定的AUV实验平台实施移动重力测量验证试验重复线精度达到0.42mGal,验证了搭载平台优选的有效性。     

国产水下滑翔机2014年南海海试实验数据分析

水下滑翔机(Underwater Glider)是将浮标、潜标技术以及水下机器人技术相结合并依靠自身浮力和重力作为推进方式的一种新型海洋调查系统.文中详细介绍了中国科学院自动化研究所研制的水下滑翔机的组成部分及其工作方式和原理,并对2014年6月南海海试的数据进行了分析.结果表明,Glider的下降和上升速度主要分布在0.1～0.2 m/s之间,占整体分布的85％以上;该速度分布对获取高质量的数据提供了极大保障.单剖面完成时间以及出入水的水平距离主要受滑翔机的预设浮力以及俯仰角的变化以及洋流的影响.获取的高分辨率温盐数据结果表明,Glider发现了南海表层存在的一个中尺度暖涡过程,并就该暖涡分析了其锋面结构.海试总体结果表明,国产Glider的各项性能指标已经能够满足在深海海域实现无人值守的长时间自主海洋调查.     

卫星和模式数据分析的南海中尺度涡的统计特征

为了进一步了解南海中尺度涡的统计特征,利用OFES数据资料和最新的AVISO卫星资料,采用速度矢量涡旋识别方法和空间距离搜索法,对南海中尺度涡的特征加以统计分析。结果表明,南海海域是中尺度涡的多发区,尤其是在南海北部靠近吕宋海峡的区域存在较多的中尺度涡,这些中尺度涡的运动方向都是自东向西;同时在南海的西边界流区也存在较多的中尺度涡,它们的运动轨迹则是与局地的表层流的方向有很大的关系,有很多是自南向北运动。同时西北太平洋的西边界流处也有大量的Rossby波以中尺度涡的形式传来。     

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。     

基于水下滑翔机观测数据的西北太平洋混合层特征研究

基于水下滑翔机在2019年8至10月观测到的温盐资料,本研究分析了西北太平洋混合层总体的变化情况,并探讨了混合层异常变化的原因。结果表明,混合层温度总体上呈现随季节转换逐渐降低的趋势,混合层深度总体上呈现随季节转换逐渐增大的趋势。进一步的相关性分析得出,该海域混合层温度、混合层深度的变化特征主要是由外部大气强迫场（海面风场和净热通量）所决定的。水下滑翔机还观测到了混合层温度异常降低、混合层深度异常变浅的现象。通过计算混合层热收支发现,垂向夹卷作用是海洋混合层内温度降低和混合层深度变浅的主要原因。通过进一步计算研究海域冷涡的上升速度与海水垂向夹卷速度的变化情况,并结合卫星遥感资料,得出海洋的中尺度涡旋活动主导了混合层异常现象的发生。     

船舶运动速度及姿态角监测系统

通过大量试验证明，涡动相关法是测量湍流通量的可靠方法，但由于船舶的运动，会给观测带来很大困难。本系统能精密测量船舶运动速度和姿态角，对观测气象资料进行精密校正。１系统介绍用６个加速度计组成船舶运动速度及姿态角校正系统（图１）。安装时必须保证每只加速度计空间特定指向分量响应。６个加速度计分成３对，由３个２ｍ长的梁连接，３个梁呈长方形排列。３对加速度计固定在３个不同方向，其中每对中的两个指向相同。加速度计１和２测量纵向加速度分量，３和４测量横向加速度分量，５和６测垂向加速度分量。安装时泌须保证３对加…     

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。     

水下滑翔机在识别水团新结构中的应用

本研究基于中国科学院沈阳自动化研究所自主研发的水下滑翔机在热带东太平洋观测获取的连续剖面温盐数据,并通过与多套不同数据的比测,证实国产水下滑翔机观测的温盐数据准确可靠,未来可大范围应用于深海大洋。观测结果首次发现该海域北太平洋中央水（NPCW）（50~100 m）的60~80 m层分布着中间层低盐水,分析认为该低盐水来源于水团下方的加利福尼亚流系水（CCS）,中间层低盐水形成的动力机制主要受跃层附近的内波控制,并与内波强度密切相关,同时受上层（20~60 m）障碍层的影响,该中间层低盐水仅仅出现在60~80 m。本研究发现内波与障碍层能够通过影响动能与热能的传输进而促进水团新结构的形成,相关成果丰富了内波与障碍层对上层海洋响应的研究,具有重要的科学价值。     

西北太平洋反气旋涡的Argos浮标观测结果分析

结合卫星高度计异常资料和2003年10月上旬投放在西北太平洋的25个Argos表层漂流浮标资料,分析观测海域的中尺度涡特征及浮标漂移路径上的温度和流速变化,结果表明:(1)7个浮标受强劲的黑潮流影响直接进入台湾岛以东黑潮表层的主流轴;(2)16个浮标在反气旋涡内旋转,并随中尺度涡向西运动,到达黑潮的东边界,由于中尺度涡旋的消亡,浮标脱离其影响后由黑潮带动向东海运动,浮标的移动轨迹呈螺线型;(3)仅有2个浮标在(123°E、20°N)附近通过吕宋海峡进入南海,且41490号浮标受台湾岛西南外海反气旋涡的影响作了2周旋转后再进入南海。比较分析表明,黑潮在冬季应该存在入侵南海的分支,但浮标能否顺利进入南海受多种随机因素控制,如风生流、潮流和波浪等。另外,西北太平洋向西传播的中尺度涡难以越过强劲的黑潮流屏障继续向西传播通过吕宋海峡进入南海。