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。     

自动剖面浮标研究现状及展望

回顾了自动剖面浮标的发展历程,自动剖面浮标由Swollow提出的中性浮子发展而来,演变到现在的PROVOR型、APEX型、SOLO型等自动剖面浮标。文中介绍了Argo计划中几种主要的自动剖面浮标,其浮力调节原理主要是通过改变浮标在水中的排水体积实现自动沉浮,从而测量水的温度、盐度、深度等数据。对常规(2 000 m)和深海(2 000 m)自动剖面浮标进行比较,大部分深海自动剖面浮标耐压结构已经采用球形设计,浮标受压后变形小且可减轻浮标自重;单冲程柱塞泵改变为体积较小的液压泵,提供超高压的同时可以充分利用球体空间。目前,常规自动剖面浮标已广泛应用到海洋环境数据的调查、收集,而深海自动剖面浮标仍处于研发与试验阶段,面临诸多的技术挑战,对浮标的可靠性提出了更高的要求。     

浮标升降方法观测底层拉格朗日余流的原理可行性分析

针对目前没有观测底层拉格朗日余流有效方法的现状,本文提出了一种利用升降浮标观测底层拉格朗日余流的思路,并以象山港为例对其可行性进行了数值分析。该方法的核心是浮标上浮至海面进行定位和通讯,下沉到海底随海水漂流。假设浮标升至水面的位置即为该浮标在这一时刻的水底位置,就可以得到底层拉格朗日余流。但是由于水平流速在垂向上有变化,浮标在升降过程中水平位置会发生偏移从而产生误差,该误差的大小直接影响到这种观测思路的可行性。本文利用FVCOM数值模式,以升降间隔周期、升降速度、释放位相以及追踪时间为实验变量分别计算它们对浮标升降过程中水平偏差的影响,结果表明,在升降间隔周期取一个潮周期,升降速度取0.10m/s,释放位相选在低平潮时,追踪一个潮周期后计算的拉格朗日底层余流速度误差可以控制在5%左右。说明这种测量方式在原理上是具有可行性的。     

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。     

基于BLISCO的深海剖面浮标设计优化

剖面浮标被广泛应用在国际"Argo"计划中,通过在海洋中上浮下潜运动来收集海水温、盐、深等物理参数。为了满足科学研究的需要,将常规2 000 m的剖面观测深度延伸至更深的海区十分有必要。为了设计一款性能优越的4 500 m深海剖面浮标,文章针对深海剖面浮标的特点,以液压系统的性能参数为依据,以100个测量剖面为设计目标,同时考虑到浮标露出水面的干舷高度、在深海环境下体积压缩以及其内部各模块之间的关联与耦合,建立深海剖面浮标概念设计的多学科设计优化模型,应用BLISCO多学科设计优化算法框架进行总体设计优化,优化后的总重量为48.773 kg,与日本的4 000 m的深海剖面浮标相比,重量减小了2.52%,测量剖面数增加了30个。设计优化结果表明,该型深海浮标的设计能满足深海环境下的测量要求,且性能优于日本的4 000 m级深海剖面浮标。     

基于拉格朗日方法对黑潮路径的数值模拟

利用ROMS模式和拉格朗日方法,研究了完整的黑潮路径及其特点。首先通过比较拉格朗日粒子的概率分布与HYCOM再分析资料和OSCAR海流反演产品统计的流场结构,验证了拉格朗日方法对黑潮路径的模拟效果。在此基础上,通过分析拉格朗日粒子的轨迹研究了黑潮路径的主要特征,发现黑潮入侵东海大陆架主要包括台湾东海岸北向路径、菲律宾离岸气旋式环流路径以及南海-台湾海峡北向路径3条主要路径,同时得到了黑潮路径主要通道上的净流量分布。     

基于卫星漂流浮标轨迹的东海边界交换估算方法研究

东海陆架斜坡和台湾海峡是我国东部近海从大洋和南海获取热量、盐量和营养盐的两个主要边界。本文建立了一个不规则分布漂流浮标轨迹的网格化处理方法和跨边界交换估算方法。该方法得到的漂流浮标轨迹累计次数再现了黑潮主轴位置并表明主轴两侧浮标存在显著的跨陆坡交换现象。浮标轨迹的统计结果揭示了东海陆坡上水体交换具有显著的区域性,即陆坡上存在7个主要交换区,3个交换区以入流为主,另4个交换区以出流为主。研究也表明跨东海陆坡交换具有明显的季节变化特征,秋季交换最剧烈且入流最显著,春季最弱。穿越台湾海峡的交换主要以北向入流为主,海峡东侧的交换更加明显,一年之中夏季最显著,春、冬季最弱。     

船载CTD仪与自动剖面浮标观测资料质量初探

海洋科学的发展离不开精确的数据,然而各种海洋观测仪器在复杂的海洋环境中作业难免产生测量误差,导致观测数据需要进行实时(或延时)质量控制。中国Argo计划在搭载多个航次布放剖面浮标的同时,对航次中获取的船载CTD(conductivity, temperature, and depth)仪观测资料、自动剖面浮标观测资料以及实验室高精度盐度计测量数据进行了实时比对。分析结果显示,利用实验室高精度盐度计对现场观测数据尤其是船载CTD仪观测资料进行质量控制,于温盐数据(特别是深层)的实时/延时校正非常重要;如某航次未经标定的船载CTD仪所测1000dbar以深范围内海水盐度,与实验室高精度盐度计的差值达到±0.1左右,远远落后于国内海洋调查规范对盐度准确度±0.02的一级测量要求,该具体实例更加突显了船载CTD仪在航次前后送往权威部门进行检测的必要性和重要性,从而确保每个航次获取的CTD资料的质量。建议有条件的情况下,在进行深海大洋船载CTD仪观测时要进行现场实验室高精度盐度计的质量控制工作及比对试验,以提高我国深海大洋观测数据的质量。     

基于机器学习的海洋浮标寿命及轨迹预测

Argo计划(Array or Real-time Geostrophic Oceanography)为海洋和大气研究提供了宝贵的资料,在短期天气预报和长期气候预测中起到了重要作用.为保证Argo观测阵列的正常运转,需要时刻关注浮标的运行状态,以保证研究区域内维持一定数量和密度的浮标.然而Argo浮标投放费用高昂,投放...     

我国的海洋剖面探测浮标-COPEX

文章概述了国外Argo浮标的特点及今后的发展状况，重点详细介绍了我国自行研制的COPEX浮标的工作原理、结构设计、通讯、电路原理以及海上实验的情况。通过照片、图表绘出了该仪器的实验数据和实验结果。     

基于卫星漂流浮标的南海表层海流观测分析

基于1989~2013年的卫星跟踪漂流浮标资料和1993~2012年的卫星高度计资料,分析了南海表层流场,给出南海各季节多年平均的实际流场和地转流场结构,对南海实际流和地转流的季节变化特征进行了初步探讨,并比较了南海各季节表层实际流场和地转流场的异同。结果表明,南海海域各季节上层环流结构与海域季风关系密切,实际流场和地转流场总体均呈现显著的季节变化特征。通过比较发现,在夏、秋、冬这3个季节,实际流场和地转流场大的环流形势特征基本相同,中小尺度的环流特征有所差别;在春季,两者则呈现出相反的环流特征,环流特征差异明显。     

一种延长APEX型Argo剖面浮标观测寿命的方法

为了延长Argo剖面浮标在海上的观测寿命,将常用的碱性电池更换为锂电池不失为一种既经济又简便的方法。但这项看似简单的工作涉及电池组装、精确配重和密封、抽真空等关键技术,必须谨慎操作。除了对几项关键技术操作过程进行了详细介绍外,还对浮标在更换电池前后的质量误差进行了分析。     

基于浮标观测的南海西沙群岛潟湖区潮流特征研究

本文利用南海西沙群岛潟湖区29 d的全水深浮标观测资料研究了潟湖区内正压潮和内潮的基本特征,采用深度平均方法分析海流的适用性,并讨论潟湖区内潮的主要来源。深度平均流的动能谱显示全日潮流占主导,其动能占整体海流动能的41%。对比分析深度平均流和Tpxo7.2模式预测的全日、半日潮流的调和常数,两者均表明全日正压潮流受地形调制,主轴方向为西北−东南向,而半日正压潮流主轴方向为东−西向。两种方法得到的全日正压潮流大−小潮存在半个相位（6～7 d）的差异,进一步分析发现全日正压潮和全日内潮潮龄不同,存在部分相互抵消,且全日内潮大潮发生时间在深度上存在差异,推测由于缺少海表和海底的测量数据,导致深度平均方法得到的全日正压潮仍然包含全日内潮信号。调和分析结果表明,全日内潮的动能中相干部分占比高达91%,说明潟湖区的全日内潮是正压潮与局地岛礁地形相互作用产生,而从远场传播而来的可能性很小。     

海冰动力学的混合拉格朗日-欧拉数值方法

综合考虑欧拉坐标下有限差分法(FDM)在海冰动力学计算中的效率,以及拉格朗日坐标下光滑质点流体动力学方法(SPH)对海冰流变行为的精确模拟,本文发展了一种海冰动力学的混合拉格朗日-欧拉(HLE)数值方法。该方法首先在拉格朗日坐标下将海冰离散为若干个具有厚度、密集度的海冰质点,并由这些海冰质点通过Gauss函数对欧拉网格上的海冰参量进行积分插值;然后,在欧拉坐标下对海冰动量方程进行差分计算以确定各网格节点的海冰速度,并由此采用Gauss函数积分插值出拉格朗日坐标下各海冰质点的速度分布;最后,通过对海冰质点运动和分布的计算,确定出各海冰质点的位置、厚度和密集度等参量。采用该HLE方法对规则区域内的海冰堆积过程和涡动风场作用下的海冰动力演化趋势进行了数值试验;最后,采用该HLE方法对渤海海冰的动力过程进行了72h数值模拟,其计算结果与卫星遥感图像和现场观测资料吻合较好。以上计算结果均表明该HLE方法在海冰动力学数值模拟中具有较高的计算效率和模拟精度,可用于海冰动力过程的数值模拟。     

Argo剖面浮标的检测及其施放探讨

Argo剖面浮标是一种新颖的海洋观测设备 ,它的抛弃式测量特性决定了对其检测和正确施放的重要性。为了确保 Argo剖面浮标在海上长期 (4～ 5 a)工作 ,并能获得可靠的观测资料 ,本文对 Argo浮标的检测和海上(调查船 )施放步骤作了详尽介绍 ,以供借鉴。     

浅海声速剖面自动分类方法研究

海洋中的声速剖面是影响水声设备效能的重要环境因素之一,声速剖面的自动分类和区划对海洋环境的应用意义重大.依据浅海30分方区按月统计声速剖面,通过归一化处理和Akima差值采样,建立了各方区按月归化后声速剖面的分层梯度样本集,并应用多种系统聚类算法分别对分层梯度样本集进行分析;计算各种算法在不同聚类数水平下聚类结果的总的类内离差和,依据总的类内离差和变化曲线拐点对应的聚类数目,结合分类结果确定浅海声速剖面最优聚类数目.对大量历史统计声速剖面数据的分析结果表明,该方法得到的聚类结果与人工经验分类结果吻合较好.     

基于拉格朗日方法的洪泽湖与巢湖河流出入湖水体追踪计算

利用耦合北斗和GPS双定位系统的拉格朗日随体法水质点追踪仪,在2018年9月至2019年10月期间开展了总数为18次的洪泽湖和巢湖主要河流河水入湖后表层、中层和底层水体运移同步追踪观测,研究了两个湖泊河水入湖后的运移轨迹和速度特征。结果表明:淮河主河道河水入洪泽湖后流向南北两侧;徐洪河河口处水体表层流速在洪泽湖5条河道出入湖口处为最大;巢湖双桥河河口处水体流速受巢湖闸运行影响强烈,各层流速在7条入湖河流中最大。洪泽湖、巢湖入湖水体流速由表层至底层逐渐降低,洪泽湖各层水体流速大于巢湖。洪泽湖河口处表层水体8次测量平均流速为6.11cm/s;巢湖为5.51cm/s;二者中层流速分别为5.32和3.85cm/s;底层则分别为4.96和3.67cm/s。     

南海北部内波活动下的声速剖面重构方法研究

在内波条件下,水声信道稳定性变差,声速剖面的重构具有一定难度。与其他方法相比,经验正交分解法优点在于能用少量参数进行重构,而不需要引入大量的参数。利用南海北部陆坡测量的温度链数据,采用经验正交分解法对声速剖面进行重构。结果表明:在内波剧烈的南海北部海域,通过经验正交分解法重构声速剖面具有可行性,其前3个模态累计贡献率达到96.7%。分析样本的周期覆盖率对重构结果的影响后发现,当样本覆盖完整的海洋潮汐活动周期时,基于EOF分析对本组声速剖面的重构均方根误差小于1.1 m/s,重构声速剖面结果理想;而当采集的样本不能覆盖完整周期时,误差较大。     

基于单片机和模糊控制的浮标自动防碰撞系统

针对海洋观测浮标易受过往船只碰撞及恶劣天气的影响而损坏,提出了基于单片机和模糊控制的浮标自动防碰撞系统。该系统以C8051F340单片机作为核心控制芯片,设计了控制系统的软硬件,实现了信号的采集、处理、分析和传送。以距离、风速信号及其变化量作为输入变量,建立了相应的模糊控制规则和控制算法,设计了模糊控制器,为浮标长期、安全运行提供了保证,并为海洋测量仪器实现智能化控制奠定了基础。