关于发展我国漂流浮标和锚泊浮标技术的建议

本文综述了90年代国外漂流浮标和锚泊浮标技术的发展动态,从战略发展的高度提出了研制多参数表层漂流浮标、多次往返式剖面仪、绷紧式锚泊浮标和水质监测浮标的建议,并分析了国内的需求和相应的研究基础.     

黑潮延伸体海域漂流式海气界面浮标数据分析与评估

漂流式海气界面浮标是创新研制的“小型化、轻质化、免维护”的漂流观测系统,能够测量海面以上3 m气象、水下20 cm海表面温度和波浪参数等11个不同的物理参数,并且已经经过多次观测应用,结果均较好。为实现漂流式海气界面浮标观测数据全球范围的应用,利用2018年黑潮延伸体海域Argo观测的海表面温度(sea surface temperature, SST)、SVP (surface velocity program)浮标观测的海表温度和OISST (optimum interpolation sea surface temperature)数据,通过将其与漂流式海气界面浮标观测数据进行时空匹配以及对比验证,对漂流式海气界面浮标观测的海表面温度进行了系统评估,检验其在黑潮延伸体复杂水文环境下的观测准确性。结果表明,漂流式海气界面浮标观测SST数据与Argo观测SST数据相关系数达到0.9737,均方根误差和平均误差分别为0.5790°C和0.4539°C;与SVP浮标SST数据的相关系数弱于与Argo的相关系数,为0.9285,均方根误差为1.323 0°C,平均误差约为0.979 4°C...     

FHH1—1型航空投掷测温浮标

一、前言浮标,世界不少国家均有研制和使用,有锚定浮标、漂流浮标、投掷式浮标等。作为投掷式浮标,有消耗式和回收式两种。从测量参数划分有单参数和多参数。多参数可测海水表层和不同深度的温度、盐度、海流、潮汐以及气温、气压、风速、风向等。单参数根据特殊用途测量所需要的一个参数。浮标除作为测量工具外,还可用作导航、定位、通讯等用途。作为投掷式浮标,对海洋研究是很有用的工具。特别大面积海域的测量,既及时、准确,经济效益又高。     

基于拉格朗日方法的南海自动剖面浮标轨迹模拟系统

南海自动剖面浮标轨迹模拟系统包括高分辨率模式流场、拉格朗日追踪模型和垂向浮标运动参数化方案等三个核心部分。该系统可在南海范围内模拟两类自动剖面浮标:传统自动剖面浮标(停滞深度为1000m,最大下潜深度为2000m)和新型深海自动剖面浮标(停滞深度为距海底500m)。通过对南海现有的6个传统浮标的模拟,该系统可以预测其100d内的漂流轨迹。通过与真实浮标轨迹数据的对比,验证了该模拟系统的准确性。此外,根据该系统,我们初步探讨了深海自动剖面浮标阵列(时空分辨率为2°×2°×30d)在南海内区布放方案的可行性。该模拟系统的建立和完善将有助于对现有传统剖面浮标布放策略进行优化,并对未来深海剖面浮标在南海的推广应用提供初步的理论依据。     

Spar平台垂荡-纵摇耦合运动失稳机理

研究参数激励和强迫激励共同作用下Spar平台垂荡-纵摇耦合运动的失稳机理.考虑静稳性和排水体积的变化,推导平台的垂荡回复力和纵摇回复力矩表达式,建立规则波浪中平台垂荡-纵摇耦合的运动方程.以经典Spar平台为例,分析平台垂荡-纵摇耦合运动发生马休类型不稳定运动的条件以及平台运动失稳的形式,给出波高和波浪周期平面上平台因大幅运动失稳的参数域.结果表明,当波高相对较小时,波浪的临界周期接近于垂荡固有周期,平台失稳的形式为马休失稳;当波高相对较大时,波浪的临界周期远离垂荡固有周期,平台由于大幅摇摆运动而失稳.     

利用Argo浮标的海面轨迹对惯性流的研究

利用Argo浮标在海面漂流的轨迹信息,通过最小二乘法对轨迹进行拟合(主要是背景流和惯性流两者的拟合),得到了惯性流的流速和轨迹,从而对不同海域处海表的惯性流进行了研究分析.以5900465号浮标轨迹为例进行计算分析,结果表明在130°～140°E,30°～40°N范围的海区内,惯性流的最大值为43 cm/s,最小值为3 cm/s,平均值为16 cm/s.同时发现,拟合的轨迹与原始轨迹偏差较小,这说明了此方法的稳定性及可靠性.利用Argo浮标在海面漂流的轨迹信息提供了一个新的研究方面,可以有效利用现在布放在各个海区的浮标漂流轨迹资料,提取关于惯性流更多的信息,同时也为研究惯性流对其它海洋动力过程的影响及其相互关系等提供了一个较好办法.     

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。     

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。     

平均波周期参数化方案及在SWAN模式中的应用

基于NDBC浮标观测数据,利用波龄与无因次波高的关系构建新的平均波周期参数化方案。将该方案集成在SWAN模式中,利用模式得到的有效波高、海面风速,计算新的平均波周期。将计算出的新平均波周期值、SWAN模式原周期计算方案得到的平均波周期值与浮标观测值进行对比,分析平均波周期的相对误差。结果表明,SWAN模式原周期计算方案模拟的周期值存在偏小的现象,而新的平均波周期参数化方案计算结果更接近浮标观测值,说明本文新构建的平均波周期参数化方案能够较好的应用在SWAN模式中开展东海海域平均波周期的数值模拟。     

基于卫星高度计和浮标漂流轨迹的海洋涡旋特征信息对比分析

本文基于Chelton提供的涡旋数据集和浮标漂流轨迹提取的涡旋结果,对1993—2015年的全球涡旋进行特征信息对比分析。结果表明,在全球范围内高度计涡旋数据集中的欧拉涡旋和浮标漂流轨迹提取的拉格朗日涡旋的配对成功率在空间分布上并不均衡,在中纬度(20°—60°S,20°—60°N)配对成功率最高可达25%,而在20°S—20°N区域内配对成功率不到10%。由于低纬度地转效应并不显著,卫星高度计无法有效观测到涡旋,但通过浮标漂流轨迹识别出的拉格朗日涡旋却大量存在,这说明在低纬度区域内,采用漂流浮标手段对涡旋进行观测,能够有效地弥补卫星高度计识别涡旋的区域限制。进一步分析表明,总体而言,提取的欧拉涡旋半径要大于拉格朗日涡旋闭合回路半径。两种识别方法获得的涡旋(闭合回路)在20°—50°S, 20°—50°N的副热带和中纬度海区半径大致相当; 20°S—20°N度以内(特别是近赤道区域)、高纬度区域以及西边界流区域,欧拉涡旋半径是同期拉格朗日涡旋闭合回路半径的3倍或更多。此外,对配对涡旋的Rossby数分析结果显示,拉格朗日涡旋较小的闭合回路对应较大的平均相对涡度,这表明浮标在被中尺度涡俘获后,更容易在相对涡度较大的地方(如中尺度涡中心、中尺度涡边缘等)形成闭合回路。     

基于Argos漂流浮标的东海黑潮特征分析

基于1979—2008年的表面漂流浮标资料,在选定区域(21°～33°N,120°～132°E)内对3个东海黑潮特征断面上的表层流速结构进行分析。选取的特征断面分别是位于台湾东北东海黑潮南段的SS断面,位于黑潮所流经东海的中央地段的PN断面和位于日本九州与奄美群岛之间的TT断面。Argos漂流浮标资料的统计结果能够较好地反映东海黑潮不同流段的主要特征及其季节变化。东海黑潮中段相对于其他流段流速强、流幅宽、流量大的特征最为显著,也最为稳定。     

基于回归模型的南海表层漂流浮标轨迹模拟研究

分别利用地转流、风海流和ROMS模式表层海流中的一项或者多项作为自变量,建立了关于表层漂流浮标漂移速度的回归模型,模拟了2017年12月—2018年2月和2019年12月—2020年2月的南海海域表层漂流浮标轨迹。根据回归模型结果对浮标进行72 h的漂移轨迹模拟,对比结果显示:基于地转流、风海流和ROMS模式表层海流3项作为自变量的回归模型(M_EGR)效果最好,其浮标模拟轨迹的72 h平均距离误差为38 km,平均角度误差为35°,平均综合技术得分为0.34。将风海流和地转流作为自变量加入到以ROMS模式表层海流结果为自变量的回归模型中,浮标模拟轨迹的72 h平均距离误差减少10 km,平均角度误差减少5°,平均技术得分提高0.09,特别是在涡旋附近区域的模拟效果得到显著提升。该方法对利用ROMS模式结果进行漂移浮标轨迹预测具有较好的校正效果。此外,风海流叠加地转流数据和ROMS模式数据在南海漂流浮标轨迹的预测方面具有较好的互补性;在南海流速相对稳定的区域,利用M_EGR模型得到的拟合流速可以较为准确地模拟漂移浮标轨迹,在南海涡旋活跃的区域,该模型效果有待进一步提升。     

海洋近表层流和上层温盐对1215号台风“天秤”的响应

本研究采用漂流浮标数据、多种卫星数据及全球高分辨率的温盐剖面数据,探讨海洋近表层流和上层温盐对1215号台风"天秤"的响应。在距离强台风"天秤"中心的50km处测到了2.3m?s?1的近表层流速,但在其他类似情况下测到的流速却不足1m?s?1,表现出较大的差异。其原因为:位于冷暖水团交汇锋面区的漂流浮标流向多变,因而平均流速较慢。此外,在强台风过境后1~2d过境轨迹的两边和强台风过境后5~6d过境轨迹右边的海洋上层均发生了强烈的垂直混合,使得温度降低,盐度增加;混合层以下均表现出明显的上升流特征,说明台风的气旋式应力引起了海洋温跃层的强烈抬升,对上层海洋起到"冷抽吸"的作用。     

赤道中、东太平洋表层流速20d振荡特征分析

通过对1985年1月1日—1986年12月31日沿赤道5个锚定浮标站表层流速资料的分析,发现在140°W与108°W之间表层流速v存在一周期约为20d的显著振荡。该振荡是由波长约2000km、以1.15-1.23m／s的波速向西传播的波动引起的。该波动被推断为第二斜压模态混合Rossby惯性重力波。带通滤波和低通滤波结果表明,以110°W测站为例,20d振荡流速构方根为21.8cm／s（纬向）和22.1cm／s（经向）;单一流速振幅的特征值为30-50cm／s,最大振幅可达70cm／s;u季节变化的均方根小于17cm／s,v无明显季节变化。年平均流速通常小于5cm／s。以上各统计量表明,20d周期波动引起的v振荡在赤道东太平洋表层流速变化中非常显著。     

GNSS漂流浮标实时在线波浪测量技术及其软件实现

波浪是一种重要且复杂的海洋水文要素,对海浪进行稳定、长期、有效的监测具有重要意义。针对传统波浪观测设备价格昂贵、实时性差的问题,本文研究了基于全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System, GNSS）载波相位历元差分算法的漂流浮标实时在线波浪测量技术及其实现方法,包括硬件选型及组成、实时在线软件的设计思路和工作原理。通过比较分析近海及远海试验的实时回传测波结果,验证了GNSS漂流浮标实时在线波浪测量技术及其软件的可行性和精确性。在近海试验中,对比2套测试浮标实时回传结果与Datawell DWR-G4浮标事后导出结果,表明两者有效波高差值的均方根（Root Mean Square, RMS）分别为6 cm和4 cm,优于主流测波浮标产品技术指标（0.1 m+5%H,H为波高）,两者平均周期差异RMS分别为0.48 s和0.49 s,要素反演性能良好。在远海试验中,4套测试浮标实时回传的有效波高和平均周期结果与再分析产品呈现出较高的一致性。     

三锚系大型浮标运动响应特性数值研究

以三锚系浮标系统为研究对象,基于AQWA与OrcaFlex软件开展了三锚系大型浮标系统运动响应特性数值模拟研究。对直径10 m的浮标结构在波浪荷载下的水动力特性进行研究,校核了浮标的初稳性和大倾角稳性特征,计算分析了浮标的附加质量、辐射阻尼、运动响应幅值算子RAO等水动力参数,阐明了不同风、浪、流工况下三锚系浮标与辅助浮筒的运动响应特性,揭示了浮标三锚链导缆孔处锚泊张力随入射角度、波高和周期等的变化规律。研究结果表明：该浮标稳性和随波性能较好。与无浮筒三锚系浮标相比,带辅助浮筒的三锚系浮标系统的运动响应和锚泊张力减小,随着波高和周期增大,三锚系浮标系泊锚链的极端张力值逐渐增大,尤其是在极端海况下,迎浪向锚链极端张力急剧增大。     

大型半潜浮式风机平台设计及稳性研究

基于10 MW级大型风机,采用钢筋混凝土结构,进行了半潜浮式风机平台的概念设计,采用SESAM建立平台的数值模型,对立柱间距、立柱倾角及立柱直径对该半潜平台完整稳性的影响规律进行了重点研究并对平台进行优化,对优化后半潜平台的破舱稳性、综合许用重心高度及固有周期进行了验证。结果表明:以上因素以不同的方式影响平台完整稳性,而增加立柱倾角在钢筋混凝土用量和排水量等方面更具优势,优化后的平台完整稳性、破舱稳性、综合许用重心高度及运动周期均满足设计规范要求。     

2010 年夏季大连溢油事件期间北黄海漂流浮标移动轨迹的数值模拟

采用双层单向嵌套的普林斯顿大学海洋模式(POM)对2010年夏季大连溢油事件期间北黄海释放的表层漂流浮标的移动轨迹进行了数值模拟,模拟结果与实测轨迹基本吻合,模拟的表层流速纬向和经向分量与观测数据的相关系数在两观测点分别达到了0.6548,0.3659和0.4836,0.3961,均明显大于95%置信区间下的显著性临界值0.1946,但是模拟的浮标移动速度明显慢于观测。模拟出的速度时间序列在变化趋势上与实测吻合良好,但是流速数值相对于观测整体上偏小。该数值模拟系统能够较准确地模拟出2010年大连溢油事件期间北黄海的流场及漂流浮标的运动趋势,为北黄海的环境预警、灾害评估等相关研究提供有益的参考。     

应用于海洋物性监测仪的小型浮标水动力分析

为验证研制的国产气象水文传感器的性能,设计了直径3 m的圆盘式小型浮标,拟搭载所有传感器在2000 m以深海域开展应用试验。统计了试验海域的有义波高、波浪周期、最大风速和表层流速等环境参数,计算了浮标的质量、重心、吃水、受力投影面积和惯性矩等设计参数。以三维势流理论和波浪辐射-绕射理论为基础,使用AQWA软件在频域内对浮标进行水动力计算,仿真了浮标工作时所受的一阶波浪力、附加质量、附加阻尼和运动幅值响应因子,通过仿真结果对浮标设计方案进行优化,优化后的浮标计算结果随波浪频率变化平缓,幅值合理且无激增点,表明该浮标与工作海域内的波浪没有发生明显谐振,对环境载荷有足够的承受能力,方案可用于浮标研制。     

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。