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。     

一种改进的基于逆Omega-K算法的海面场景SAR原始数据仿真方法

合成孔径雷达(SAR)海面场景原始数据仿真是研究海洋动力参数(表面波浪、风矢量和洋流)的有效工具。目前海面场景原始数据仿真方法已经基于逆Omega-K算法实现了海洋运动参数的空间变化。但是目前仅仅讨论了正侧视情况下的海面场景仿真,应用范围有限,同时没有考虑Stokes漂流以及Bragg相速度的影响,而这两者都是存在于真实海面的。通常情况下为了反演得到海面流场的二维速度矢量,雷达需要从两个不同的方位方向观察海面的同一个区域,因此这就需要考虑大斜视的雷达波束,同时Stokes漂流和Bragg相速度是SAR海表面流场观测不容忽视的两种运动。本文在不改变原有正侧视逆Omega-K算法的情况下,通过增加重新计算零方位时刻的斜视波束中心位置坐标,并据此确定SAR原始数据在多普勒域的位置来将其扩展到大斜侧视逆Omega-K算法,并通过时域Stokes漂流公式到频域内离散化Stokes漂流公式的推导来加入Stokes漂流,以及根据Bragg散射机制加入了Bragg相速度。仿真结果表明,经过聚焦成像后的SAR图像很好的体现了真实海面波浪场的形状,同时能够很好地反演出设定的雷达径向流场速度,且流速精度误差控制在6%以内。最后也证明了Bragg相速度以及Stokes漂流对于海面流场的影响不可忽视。     

台风过程中浪致Stokes漂流对海洋上层温度影响的数值模拟

Stokes漂流对海洋上层温度变化具有重要影响。本文以"麦德姆(Matmo)"台风过程为例,基于浪流耦合模型,通过对比分析考虑和未考虑Stokes漂流的模拟结果,研究了台风过程中浪致Stokes漂流及其效应对海洋上层温度变化的影响。研究表明Stokes漂流及其效应与海浪大小的分布密切相关,海浪越大, Stokes漂流、Stokes输运和Ekman-Stokes数相对越大。Stokes漂流在台风过程中起降低海表面温度的作用,台风路径处的Stokes漂流及其效应较大,降温较明显,最大降温约2°C。产生降温的原因是Stokes漂流造成海表流场改变,以及Stokes输运引起海水辐散等作用加强了上下层海水质量和能量的交换。利用Argo资料进行验证,发现考虑了Stokes漂流作用的海洋上层温度模拟结果与Argo测量结果更接近。     

三种国际主流的北极卫星遥感冰速产品评估和分析

冰速是海冰的重要参数，但是受资料长度限制，对卫星遥感冰速产品进行系统比较和评估的研究还较少。利用2009年—2017年国际北极浮标计划（IABP）浮标冰速数据，较系统地评估了不同时间间隔的遥感反演冰速产品在北冰洋内区和弗拉姆海峡附近海区的表现。结果显示，对北冰洋内区而言，1 d间隔的美国国家雪冰数据中心（NSIDC）遥感冰速冬季误差整体大于夏季，冬季高估了波弗特海南部海冰向西的运动，低估了从喀拉海流向格陵兰岛北部的穿极流。对于5种2 d间隔冰速产品而言，产品精度不完全取决于源数据空间分辨率的高低，反演算法的改进和数据融合均能提高冰速的精度，均方根误差大小的顺序是OSISAF-Merged <OSISAF-AMSR <Ifremer-AMSR <OSISAF-SSM < OSISAF-ASCAT。对于4种使用相同反演算法的3 d间隔的冰速产品，产品的均方根误差取决于源数据分辨率，空间分辨率最高的Ifremer-AMSR冰速均方根误差最小。比较不同种类、不同时间间隔冰速的月平均均方根误差后可知，采用3 d间隔反演的冰速由于能够忽略更多短时间尺度海冰运动，其冰速均方根误差低于2 d间隔的冰速。在弗拉姆海峡，除Ifremer-AMSR外，其余冰速产品均具有较大的经向偏差和均方根误差。在冰速较快弗拉姆海峡，冰速产品均方根误差取决于源数据的分辨率。     

基于北斗通信的海洋多要素观测系统设计

以低功耗、多参数、安全可靠为设计目标,提出一种基于北斗卫星通信的海洋多要素观测系统设计。设计以嵌入式微控制器STM32F103RET6为核心,实现以漂流浮标为载体的海洋环境噪声测量,同时实现对海洋气温、气压、风速、风向及表层海温的多要素观测;以可充电锂电池组和太阳能电池板组合方式供电,同时进行必要的电源管理,有效提高漂流浮标的工作寿命;采用我国自主知识产权的北斗系统进行定位及双向通信,安全性高。实验表明,基于北斗通信的海洋多要素观测系统设计具有可行性,满足低功耗、多参数、安全可靠的设计要求,为以表面漂流浮标为载体的海洋多要素数据采集控制提供新的硬件设计方法。     

利用回归模型模拟卫星跟踪海洋漂流浮标轨迹

分析浮标漂流速度和表层地转流、风海流结果表明：浮标漂流速度和表层地转流具有良好相关性。针对卫星跟踪漂流浮标运动的准地转性,建立了以海表地转流为主要回归自变量的几种回归模型,用以模拟浮标漂流轨迹,以期对浮标运动特性有进一步的认识。对南海中伴随涡旋运动的2个浮标模拟试验显示,诸多模型中以海表地转流、风海流及背景流为自变量的回归模型模拟浮标漂流轨迹效果较好。利用该回归模型,模拟出南海2个漂流浮标轨迹和真实轨迹距离偏差较小且二者运动趋势基本一致。通过分析回归模拟所得风海流、海表地转流及背景流发现：涡旋中心附近浮标漂移主要受地转流的控制,而涡旋边缘处风海流起到关键性作用,正是这部分贡献使得浮标能够进入（脱离）涡旋。背景流的空间分布决定着浮标漂移的最终去向,特别是背景流方向改变的区域,背景流的存在使得模拟浮标轨迹能够像真实轨迹一样运移。     

FVCOM海洋模型模拟轨迹与漂流浮标实际运动轨迹的对比矫正

为了更好地对海洋进行开发、保护和搜救工作,需要更多地了解海洋环境,并对海洋表面漂浮物的运动轨迹进行准确预测。本文通过监测获取的漂流浮标的实际运行轨迹数据,将其与海洋模型FVCOM预测出的位置轨迹数据进行对比,并计算比较两个位置轨迹之间的误差距离及关键点的位置情况,以此了解FVCOM海洋模型在各海域的实际预测情况,并根据风速情况对模型轨迹结果进行进一步矫正,从而使海洋模型能够更好地进行实际预测,进行海洋开发研究。     

新型表层漂流浮标体设计分析

表层漂流浮标在应用于海洋调查研究时,浮标体外形对浮标通讯稳定性及数据回收等会产生一系列影响,也直接制约浮标使用寿命。为此,考虑减少风阻和水阻,减小浮标体对水帆运动的影响,提出了一种新型的适用于近远海海洋观测的表层漂流浮标体葫芦形外形设计方案。结合流体力学理论分析,运用Solid Works软件分别对葫芦形浮标体和常用的圆柱形浮标体建模,并利用Workbench软件CFX流体分析模块开展了流体分析和比较,结果表明葫芦形浮标体所受压力更均匀,其水下部分压力值较圆柱浮标体减小约28%,证明葫芦形外形浮标体更具可靠性。     

Stokes漂流对海洋上层混合层的影响研究

在总结前人研究的基础上,对N-S方程进行波浪平均,得到新的包括Stokes漂流影响的三维数值模型,并将其应用到三维环流模式POM中。对方程无因次化,选定了3个主要参数进行研究,分别为Rossby数,Langmuir数和Hoe-nikker数。利用新的POM模型,设计理想实验进行研究。结果表明,混合方案等外部条件不变时,大、中尺度对应的混合系数和湍动能变化较小。Langmuir数越小,Stokes漂流的贡献越大,对平均流的影响越大,垂向不稳定性越强,混合系数越大。Hoenikker数为负值时,温度降低,混合系数值变大,混合深度变深。Hoenikker数为正值时,上层海水温度升高,混合系数值变小,混合深度变浅。     

暴雨山洪对黔东南漂流旅游影响研究

该文采用黔东南州气象局山洪水位监测站降水量和水位资料,通过分析,翁密河降水量与水位涨幅之间存在着显著的正相关,相关系数达0．90,水位上涨的幅度是随着降水量的增加而增加,降水量越大,水位上涨越明显。水位涨幅与降水量之间的预测方程为：y=0．0139x-0．1724,线性预测方程适用于降水量小于大暴雨以下的量级,对大暴雨以上降水量级的水位预测应该寻找更为科学的预测方法。翁密河起漂点与终漂点之间有支流汇入,且终漂点流域面比起漂点大2．6倍,因此,当有一定降水量且水位上涨时,终漂点的水位涨幅要比起漂点大。当降水量〉20mm时,不利于漂流。