基于改进U-Net网络的海洋中尺度涡自动检测模型

海洋中尺度涡对浮游生物的分布、能量和盐分的输送具有非常重要的影响,海洋中尺度涡的自动检测是监测、分析中尺度涡时空变化的重要基础。针对传统基于物理特征检测海洋中尺度涡的方法存在受限于人工设计参数导致精度不高的问题,本文依据海洋卫星反演的海表面高度图,提出了一种基于改进U-Net网络的海洋中尺度涡自动检测模型。该模型在海洋中尺度涡的特征提取阶段嵌入了卷积注意力机制,使得模型能够关注于海表面高度图中最具有类别区分度的区域,同时引入了残差学习机制解决了网络过深导致模型难以训练的问题。本文以南大西洋的卫星海表面高度数据集为例开展实验验证,结果表明,本文提出的模型海洋中尺度涡检测准确率达到了93.28%,显著优于EddyNet等现有模型。模型可为海洋学家通过海表面高度探测中尺度涡提供可靠技术方法。     

中尺度涡条件下的深海声场效应研究

通过构建中尺度涡的数学模型,利用射线-简正波-抛物方程(RMPE)声学模型进行传播损失计算,进而分析在深海声道、深海会聚区、海底反射3种传播模式下,中尺度涡对深海声效应的影响。数值仿真结果显示,暖涡对深海声道、会聚区产生下压效果,使会聚区水平距离变大,深海声道深度方向上变宽;冷涡使会聚区上抬,距离变短,对声场散射现象明显。研究结果表明,涡旋环境条件下,声场特征会产生显著变化。试验结果揭示了中尺度涡对深海声场效应的影响,对指导海上运用中尺度涡现象开展的科学研究、工程实践、军事运用具有积极的指导意义。     

海洋中尺度涡建模及其在水声传播影响研究中的应用

针对海洋中尺度涡对水声传播的影响,利用中尺度涡区的历史水文实测数据提取涡旋强度,空间尺度等中尺度涡特征参数,建立了海洋中尺度涡理论计算模型。运用MMPE水下声场模型仿真试验研究了涡旋性质、强度和位置、声源频率和置放深度对声传播特性的影响。结果表明：暖涡使得会聚区的位置“后退”,会聚区宽度增加;冷涡使得会聚区的位置“前移”,会聚区宽度减小。涡旋的强度越大,“前移”或“回退”的效应越显著。     

海洋中尺度涡建模及其在水声传播影响研究中的应用

针对海洋中尺度涡对水声传播的影响,利用中尺度涡区的历史水文实测数据提取涡旋强度,空间尺度等中尺度涡特征参数,建立了海洋中尺度涡理论计算模型。运用MMPE水下声场模型仿真试验研究了涡旋性质、强度和位置、声源频率和置放深度对声传播特性的影响。结果表明:暖涡使得会聚区的位置后退,会聚区宽度增加;冷涡使得会聚区的位置前移,会聚区宽度减小。涡旋的强度越大,前移或后退的效应越显著。     

中尺度涡冷暖特征的推导

为了从理论上解释中尺度涡旋冷暖性质与涡旋旋转方向的关系,本文基于中尺度涡的几何特征,做出如下假设：中尺度涡具有对称的几何形态,涡旋中海洋要素沿径向具有线性化变化的特征。从原始方程组出发,利用柱坐标系和上述假设条件,略去耗散力,推导出了中尺度涡的一些冷暖特征,论证气旋式中尺度涡对应冷涡和反气旋式中尺度涡对应暖涡的涡旋冷暖特征与部分涡旋的观测不符的现象。结果表明,中心对称的形式可以作为对中尺度涡的几何特征的一个理想的形态近似,在考虑上述假设条件的理想环境下,柱坐标系在研究中尺度涡的几何性质上具有一定的优势。     

基于生成对抗网络模型的热带和亚热带海洋中尺度涡预报研究

中尺度涡蕴含海洋超过90%的动能,显著影响海洋物质能量循环。对中尺度涡的预报是目前物理海洋学研究的热点和难点。文章基于卫星高度计观测的近30年海表面高度异常数据(sea level anomaly, SLA),采用基于博弈思想的生成对抗网络方法(generative adversarial networks, GAN),构建了中尺度涡预报模型,进行了28天预报,并采用独立样本分析了预报涡旋的空间分布、时间分布、能量强度等特征参数,探讨影响预报结果准确性和时效性的主要因素。结果表明,半径为100～200km的涡旋在15天左右的预报时长仍能保持较好的准确性及时效性,误差在20%以内。该区域的平均涡动能约为0.875m²·s^–2,其预报的均方根误差(root mean square error, RMSE)普遍介于0.02～0.04m²·s^–2。且涡旋预报结果受异常天气影响较小,在正常天气条件和台风娜基莉条件下具有相似的预报能力。这些结果对进一步理解并应用生成对抗网络这一新方法预报海洋中尺度涡提供了参考。     

基于HYCOM的南海中尺度涡数值模拟

结合AVISO(Archiving Validation and Interpolation of Satellite Oceanographic Data)高度计资料,利用改进的NERSCHYCOM(Nansen Environmental and Remote Sensing Center-Hybrid Coordinate Ocean Model)大洋环流模式,对南海中尺度涡进行数值模拟研究,主要包括中尺度涡的三维结构、南海EKE(Eddy Kinetic Energy,涡动动能)的垂向变化、黑潮中尺度涡的脱落以及涡旋近岸时的结构变化等。模式再现了2007年2月-3月菲律宾西侧海域的一次暖涡过程,探究了其生命期中各阶段的特征物理量的变化,对其成熟时期的涡旋结构研究表明,中尺度涡的结构呈现不对称性,涡旋两侧的流场空间范围和流场强度均不相同,涡旋的半径和中心位置随深度不断变化,并且由涡旋作用产生的升降流的中心与涡旋自身中心并不重合,二者之间有一定距离。初步探索EKE的垂向分布情况,认为南海年平均EKE在垂向变化上呈现三段式,主要部分分布在300m以浅深度,但同时垂向又能达到海洋深层。分析了一次黑潮中尺度涡脱落的模式模拟个例,推测黑潮中尺度涡脱落原因:黑潮流径西移、外海中尺度涡对黑潮的强迫、地形作用,并且结果表明从黑潮脱落的中尺度涡可以携带大量高温高盐水体进入南海,对南海的温盐性质产生很大的影响。初步探索涡旋近岸时的结构变化,涡旋靠近岸界时,受岸界挤压,流速在一段时间内会增大,继续靠近岸界,由于岸界的摩擦、海底的拖曳,导致能量耗散,流速减小,最终涡旋消亡。     

基于YOLO算法的海洋中尺度涡三维结构构建

海洋中尺度涡是一种常见的中尺度海洋现象,研究海洋中尺度涡的分布及运动特性对航运、气候、军事等具有重要作用,海洋中尺度涡的识别是海洋学和计算机科学领域的一个热门研究课题。运用深度学习的方法和框架,对中尺度涡的二维识别和三维结构构建展开研究分析。首先,获取全球海洋再分析数据并进行流线可视化,构建涡旋流线数据集;其次,利用YOLO v5s卷积神经网络对涡旋流线数据集进行训练,并对南海区域中尺度涡进行有效检测。实验结果表明,YOLO v5s训练后得到最优模型经过测试,平均检测精度均值达到了86.10%;最后,根据涡旋检测结果,对检测出的同时刻不同深度的涡旋判断是否属于同一涡旋,确定后进行该涡旋的三维结构构建。     

海洋中尺度涡的机械能及其源汇研究*

由于观测手段的限制,海洋中尺度涡的能量输送及生成与耗散动力过程一直是世界大洋能量循环中悬而未决的一个问题,而中尺度涡在海洋中又广泛存在,它不仅占据海洋表层动能的绝大部分,而且是能量级串中连接大尺度和小尺度的中间环节,在大洋能量传输中扮演着重要的角色。文章以中尺度涡场机械能的大小、分布、源汇为主线,结合作者在这方面的最新研究成果,综述当前对中尺度涡机械能及其源汇的研究进展。     

基于拉格朗日分析法的中尺度涡精细三维结构研究及其误差估计

在前人的工作中,拉格朗日分析法被用来演示大尺度环流,同时拉格朗日拟序结构可以较好的演示中尺度涡两维结构的发展过程。然而,很少研究关注怎么利用拉格朗日分析法针对中尺度涡三维结构进行演示。与以往利用欧拉方法研究中尺度涡三维结构的工作不同,我们利用拉格朗日分析法,从另一个视角来研究涡旋结构。我们在海山上方模拟出一个理想的气旋涡,涡旋内的下沉流和涡旋旁的上升流形成一个闭合的环流。这种结构很难从欧拉角度来演示。然而,粒子的运动轨迹很好地展示了整个循环:流体在涡旋中旋转下沉,汇聚到底层的上升流区,并通过上升流返回到海表面。我们也将拉格朗日分析法应用于真实的模拟结果中。作为中国南海的一个重要现象,靠近越南中部的海域中的偶极子（反气旋涡/气旋涡）,关于其结构的研究已经比较成熟了,但这些研究主要关注的是海面过程。通过拉格朗日分析,我们很好的演示了偶极子的三维结构:流体在反气旋涡(气旋涡)内部旋转上升(下沉)。更重要的是,粒子的轨迹表明,这两个涡旋之间不存在水团交换,因为强边界急流将它们彼此分开。以上结论均得到了计算误差估计的可信度支持。尽管在强辐散流和强垂直扩散流中,计算误差逐渐增大,但是在一定的时间步长和积分周期内,计算误差始终保持在一个较小的值。     

Interactions of Mesoscale Eddy and Western Boundary Current: A Reduced-Gravity Numerical Model Study

A reduced-gravity primitive equation eddy resolving model is used to study the interaction of a typhoon-induced eddy and a wind-driven general circulation. A typhoon-induced eddy is characterized by a core with a relative vorticity of the same order as the local Coriolis parameter. This eddy is neutrally stable relative to a disturbance induced by the westward advection of the eddy, due to the planetary β-effect. Hence, its evolution in the open ocean is similar to the classical frontal geostrophic eddy. Within the western boundary flow regime, the eddy is entrained northward by the mean circulation. This northward eddy advection and the mean-vorticity advection due to eddy flow induce another disturbance with a north-south asymmetry into the circular eddy. Together with the zonal asymmetric disturbance, associated with the planetary β-effect, the original circular eddy becomes unstable. The nonlinear eddy-flow interactions in the eastern flank of a western boundary current causes the eddy to deform quickly into an ellipse and lose its waters and energy into the mean circulation.     

Eddy diffusivity and coherent mesoscale eddy analysis in the Southern Ocean

The spatial distribution of eddy diffusivity, basic characteristics of coherent mesoscale eddies and their relationship are analyzed from numerical model outputs in the Southern Ocean. Mesoscale fluctuation information is obtained by a temporal-spatial filtering method, and the eddy diffusivity is calculated using a linear regression analysis between isoneutral thickness flux and large-scale isoneutral thickness gradient. The eddy diffusivity is on the order of O (103 m2/s) with a significant spatial variation, and it is larger in the area with strong coherent mesoscale eddy activity. The mesoscale eddies are mainly located in the upper ocean layer, with the average intensity no larger than 0.2. The mean radius of the coherent mesoscale cyclonic (anticyclonic) eddy gradually decays from (121.2±10.4) km ((117.8±9.6) km) at 30°S to (43.9±5.3) km ((44.7±4.9) km) at 65°S. Their vertical penetration depths (lifespans) are deeper (longer) between the northern side of the Subpolar Antarctic Front and 48°S. The normalized eddy diffusivity and coherent mesoscale eddy activity show a significant positive correlation, indicating that coherent mesoscale eddy plays an important role in eddy diffusivity.     

南海北部反气旋涡对内孤立波传播的影响研究

海洋内波具有振幅大、流速强和周期短等特点,可对海上施工和水下作业安全造成严重威胁。南海北部陆坡海域是内孤立波和中尺度涡频发的海域之一,研究中尺度涡对内孤立波传播的影响对深入了解南海北部内孤立波在反气旋涡过境时的传播特征、提高该海域内波预报准确性具有重要意义。基于此,本文利用布放于南海北部东沙群岛西侧陆坡海域的潜标观测数据,针对2017年3月一个反气旋中尺度涡经过潜标站位的过程,探讨了中尺度涡对内孤立波传播的影响。结果表明：①受反气旋涡影响,内孤立波的平均振幅减小28.6%,其主要原因是中尺度涡导致等温线下压,进而对内孤立波的振幅产生抑制作用,其影响过程可用趋浅温跃层理论描述。②反气旋涡影响期间,内孤立波的平均波速由1.26 m/s增大到1.47 m/s,增幅约16.7%,反映了反气旋涡对内孤立波波速的强化作用,这种强化作用主要是由中尺度涡边缘流场引起背景流场变化所致,而中尺度涡引起的温盐场变化对内孤立波波速的影响相对较小。     

基于海洋调查实测资料的中尺度涡旋识别结果的验证及边界拟合技术

结合卫星高度计资料,本文在海洋中尺度涡旋综合识别法(综合法)的基础上,利用实测资料对识别的涡旋边界和中心点进行比对验证,得出以下结论：(1)通过诊断涡旋识别的边界切线与实测海流矢量的夹角,结果表明综合法识别的涡旋边界形态基本可以反映实测涡旋的水平形态;(2)利用实测海流和温度资料反演涡旋中心,通过与综合法识别的涡旋中心进行比对,结果显示涡旋识别的中心位置与反演的涡旋中心位置基本吻合。此外,通过比对圆与椭圆对识别涡旋的边界拟合效果,结果显示椭圆拟合准确率高于圆拟合准确率。     

Spatial information recognizing of ocean eddies based on virtual force field and its application

A new approach to detecting ocean eddies automatically from remote sensing imageries based on the ocean eddy's eigen-pattern in remote sensing imagery and "force field-based shape extracting method" is proposed. First, the analysis on extracting eddies' edges from remote sensing imagery using conventional edge detection arithmetic operators is performed and returns digitized vector edge data as a result. Second, attraction forces and fusion forces between edge curves were analyzed and calculated based on the vector eddy edges. Thirdly, the virtual significant spatial patterns of eddy were detected automatically using iterative repetition followed by optimized rule. Finally, the spatial form auto-detection of different types of ocean eddies was done using satellite images. The study verified that this is an effective way to identify and detect the ocean eddy with a complex form.     

基于卫星测高数据的海洋中尺度涡流动态特征检测

为了最终实现对海洋中尺度涡流(简称中尺度涡)的自动采样,首先应该发展中尺度涡动态特征识别技术。本文基于SLA(Sea Level Anomaly)数据,实现了对中尺度涡动态特征的检测算法。主要内容是制定了一个判别相邻两组SLA数据中的涡流,是否为同一涡流子在不同时刻的状态的标准,即判别下一时刻SLA数据中是否存在涡流是由上一时刻确定的被检测涡流演化而来的。通过确定这种进化关系,可以得到被检测涡流的一系列动态状态信息,例如:面积变化速率、中心移动情况以及其他情况。本算法的计算量不大,从而可以应用到实时涡流跟踪的环境中。值得注意的是,本文中的算法不仅仅局限于应用SLA数据,SSH(Sea Surface Height)等大部分反映海洋高度的数据也可以使用。     

Kraken海洋声学模型及其声传播与衰减的数值试验

针对射线、简正波、PE、FFP等传播模型的算法原理及其适用的海洋环境,建立了以Kraken声学模型计算软件为基础的海洋声场数值预报系统.应用该预报系统对4组典型的海洋声场进行了数值试验,结果表明:在相同的海面和海底边界条件下,声场分布是由声速剖面和声源位置决定的.在负梯度声场中,所有声线都折向海底,在极限声线外产生阴影区.声源位于声道轴附近的温跃层中会产生波导传播.用射线理论解释了上述现象的成因,指出了其实际应用价值.     

基于自动探测方法的南海北部涡致海表温度锋面的特征研究

南海北部具有丰富的温度锋面和中尺度涡,它们调节着局地的热量和能量平衡。本文利用卫星海洋高度异常和海表温度数据,并基于自动探测方法,探究了2007年至2017年南海北部中尺度涡边缘的海表温度锋面（涡致锋面）特征。反气旋/气旋边缘出现锋面的概率可达20%。气旋涡在各个方向上出现锋面的概率比较均匀,反气旋涡的东北部和西南部出现锋面的概率大于西北部和东南部。中尺度涡致锋面的数量有明显的季节变化,而涡动能未表现出明显的季节变化。中尺度涡致锋区的总涡动能是中尺度涡内动能的3倍,并且反气旋涡致锋面的总涡动能明显强于气旋涡致锋面的总涡动能。中尺度涡致锋面的数量和涡动能的年际变化与厄尔尼诺南方涛动指数没有明显的相关性。本研究也讨论了中尺度涡致锋面的可能机制,但是中尺度涡对海表温度锋的贡献需要进一步定量研究。