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海洋科学进展 2022年第2期40卷 197-208页

作者：吴凡杨永增熊学军陈亮宫庆龙自然资源部第一海洋研究所山东青岛266061 青岛海洋科学与技术试点国家实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室山东青岛266061 中国海洋大学海洋与大气学院山东青岛266100

为研究内孤立波的地形和背景流共振机制,用地形和背景流共振机制计算了3个潜标观测的内孤立波(不同模态、不同波长)的流速和传播速度,并与观测到的内孤立波进行比较。潜标观测的第一模态内孤立波(波长分别为6.4和3.3 km)都是下凹型内孤... 详细信息

为研究内孤立波的地形和背景流共振机制,用地形和背景流共振机制计算了3个潜标观测的内孤立波(不同模态、不同波长)的流速和传播速度,并与观测到的内孤立波进行比较。潜标观测的第一模态内孤立波(波长分别为6.4和3.3 km)都是下凹型内孤立波,2个内孤立波的传播速度约为1.4 m/s、最大振幅约为48 m,水平流向结构都是上层西北向、下层东南向,波长3.3 km的内孤立波波峰前后有更明显的下降流和上升流。用共振机制计算出的第一模态和第二模态纬向流速的垂向结构与观测相同,最大纬向流速出现的深度与观测一致,分别相差5和12 m。用共振机制计算出的内孤立波传播速度与用KdV方程计算的传播速度相当,共振机制计算波速为0.66~1.21 m/s,KdV方程计算波速为0.79~1.40 m/s。

关键词：地形傅里叶级数展开背景流共振内孤立波

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南海内波研究前沿与热点

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海洋科学进展 2022年第4期40卷 564-580页

作者：郑全安陈亮熊学军胡筱敏杨光兵马里兰大学大气海洋科学系美国马里兰州学院市20742 自然资源部第一海洋研究所山东青岛266061 青岛海洋科学与技术试点国家实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室山东青岛266237 自然资源部海洋环境科学与数值模拟重点实验室山东青岛266061

内波为发生在层结海洋内部的亚中尺度波动,是物理海洋学研究,特别是海洋混合及能量级串研究,不可或的缺环节。孤立内波的突发性巨大冲击能量可对水下航行和工程设施构成灾难性威胁,实现实时监测与预报海洋内波具有重大现实意义。南海是... 详细信息

内波为发生在层结海洋内部的亚中尺度波动,是物理海洋学研究,特别是海洋混合及能量级串研究,不可或的缺环节。孤立内波的突发性巨大冲击能量可对水下航行和工程设施构成灾难性威胁,实现实时监测与预报海洋内波具有重大现实意义。南海是全球海洋中超强内波多发海区之一。长期现场观测表明,吕宋海峡以西海域内孤立波振幅高达150~200 m,且终年发生。因此,南海是目前海洋内孤立波观测与研究热点海域。本文以2015年至2021年间发表的论文为依据,评述南海内波研究新进展,认为7 a来研究成果取得质的提升。第一,实现了由卫星为主要手段2D观测到以卫星与潜标同步3D观测为主要手段的提升。由此催生出振幅240 m超强内孤立波、中尺度涡对内波的调制作用、重现周期23 h内孤立波、浅海内孤立波裂变现象、深海盆内波及动能级串等创新成果。第二,研究区开始呈现向中部深海盆扩展趋势。迄今为止,南海内波观测与研究集中在吕宋海峡以西和北部陆架,现已出现向中部深海盆扩展趋势。第三,海洋探测高新技术应用于南海内波观测与研究,取得了突破性成果。由卫星高度计沿轨海面高度场二维平面波分解技术得出的南海M2内潮辐射图,解决了多年争论不休的南海北部内波生成机制和生成源地问题。人工智能技术成功应用于建立南海邻近的边缘海内波传播预报模式。模式预报的一个潮周期之后内波波峰线位置与后续卫星图像上显示的位置之间的平均相关系数达95%,平均距离均方根差为3 km。快速深潜剖面浮标技术应用于南海北部深海盆,得出0~3 500 m全水深内波波段(周期为0.1~1.8 d)波动引起的水温起伏幅度垂直分布。高分辨水下声成像技术,包括人工地震技术和回声探测仪,成功应用于南海北部陆架内波观测与研究。其中回声探测仪图像空间分辨率达10 cm,清楚显示出内孤立波波包精细结构,可精确测得水平尺度仅为2 m的孤立波特征半宽度。可以预期,大量科学研究成果的积累,特别是采用人工智能技术建立内波传播预报模式的成功实例,必将为开发南海内波精准预报模式奠定基础。

关键词：内波孤立波裂变内潮辐射图水下声成像南海

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BP和RBF神经网络应用于海表温盐短期预测效果对比

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海洋科学进展 2022年第2期40卷 220-232页

作者：李亚蒙丁军航孙宝楠官晟青岛大学自动化学院山东青岛266071 自然资源部第一海洋研究所山东青岛266061 山东省工业控制技术重点实验室山东青岛266071 自然资源部海洋环境科学与数值模拟重点实验室山东青岛266061 山东省海洋环境科学与数值模拟重点实验室山东青岛266061 青岛海洋科学与技术试点国家实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室山东青岛266237

为了对海表温度(Sea Surface Temperature,SST)和海表盐度(Sea Surface Salinity,SSS)数据进行精确的短期预报,基于多站位海洋观测浮标获取的海表温度和海表盐度数据,利用反向传播(Back Propagation,BP)和径向基函数(Radial Basis Function,RBF)两种神经网络方法开展了短期预测。首先,在预测时长固定为5 d的情况下,对比不同训练时长的预测结果的均方误差(Mean Squared Error,MSE),进而确定以20 d的观测数据作为训练集的预测结果均方误差最小。然后,以PAPA站观测浮标获取的2009年1月、4月、7月和10月各月的前20 d温盐数据作为训练集,分别训练BP和RBF神经网络,将训练好的2种神经网络模型应用于各月第21至25日的温盐数据预测。结果表明:BP和RBF神经网络均能有效预测海表温盐数据的季节性变化,但RBF神经网络对不同预测时间的整体预测效果优于BP神经网络。多站点数据的预测实验进一步验证了RBF神经网络模型具有较强的适用性和更高的准确性。RBF神经网络模型可以作为海表温盐数据短期预报的有力工具。

关键词： BP神经网络模型 RBF神经网络模型海洋观测浮标数据预测海表温度海表盐度

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基于多普勒激光雷达的边界层内湍流参数估算

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中国激光 2021年第11期48卷 164-173页

作者：靳翔宋小全刘佳鑫云龙邵士勇中国海洋大学信息科学与工程学院山东青岛266100 青岛海洋科学与技术试点国家实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室山东青岛266237 深圳市环境监测中心站广东深圳518049 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学重点实验室安徽合肥230031

2019年10月,使用相干多普勒测风激光雷达在深圳杨梅坑地区进行风廓线等观测。结合标准大气模型、温度日变化模型和地面气象站数据,估算了晴朗天气下边界层内大气折射率结构常数C_(n)^(2)和湍流动能耗散率ε。根据时间-高度垂直剖面,分... 详细信息

2019年10月,使用相干多普勒测风激光雷达在深圳杨梅坑地区进行风廓线等观测。结合标准大气模型、温度日变化模型和地面气象站数据,估算了晴朗天气下边界层内大气折射率结构常数C_(n)^(2)和湍流动能耗散率ε。根据时间-高度垂直剖面,分析了时空变化特征,研究了各参数变化对C_(n)^(2)的具体影响。折射率结构常数C_(n)^(2)与垂直速度方差σ_(a)^(2)有较强的相关性,相关系数-般在0.7以上。在白天湍流充分混合发展的情况下,湍流动能耗散率ε与C_(n)^(2)相关系数一般达到0.5以上,C_(n)^(2)、σ_(a)^(2)及ε的相关性体现了湍流在水平和垂直两个方向变化的一致性。这表明在缺乏温度压强数据情况下,基于温度压强模型估算C_(n)^(2)是可行的。基于误差分析,温度梯度对C_(n)^(2)的贡献率达28.84%.温度对C_(n)^(2)的贡献率达30.12%,这要求在计算过程中尽量获取准确的温度廓线。结果对研究深圳地区地气系统能量、物质交换和天气变化等具有借鉴意义。

关键词：大气光学大气湍流激光雷达折射率结构常数湍流动能耗散率

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4种表层风场资料在北半球海域的适用性评估

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海洋科学进展 2020年第1期38卷 38-50页

作者：刘解明熊学军宫庆龙于龙郭延良中国海洋大学海洋与大气学院山东青岛266100 自然资源部第一海洋研究所山东青岛266061 青岛海洋科学与技术试点国家实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室山东青岛266061

为进行海洋表层风场的物理结构重建与基础理论溯源,需选用可靠准确且通过检验的高时空分辨率风场资料。本文利用NDBC、TAO和嵊泗站现场观测资料,在全面比较分析的基础上,对其中应用较广泛的CFSR/CFSv2、ERA-Interim、FNL和CCMP四种风场... 详细信息

为进行海洋表层风场的物理结构重建与基础理论溯源,需选用可靠准确且通过检验的高时空分辨率风场资料。本文利用NDBC、TAO和嵊泗站现场观测资料,在全面比较分析的基础上,对其中应用较广泛的CFSR/CFSv2、ERA-Interim、FNL和CCMP四种风场产品在北半球海域(北太平洋、北大西洋)进行了检验评估,得出结论:1)4种资料的风速都不同程度地低估了实际观测风速;在低风速区的风向偏差较大,风速越低,偏差越多;产品资料在远岸地区比近岸地区更接近实测资料,在高纬地区的效果优于低纬地区。2)通过比较4种产品资料与浮标实测资料的风向和风速的偏差、均方根误差、误差标准差和相关系数,发现CCMP资料是4种资料中整体效果最好的一种,而CFSR/CFSv2资料是较差的一种。3)嵊泗站观测平台资料与浮标观测资料验证的结论略有差异,结果显示:FNL资料是4种资料产品中效果最好的产品,ERA-Interim资料的效果仅次于FNL,而用浮标验证效果较好的CCMP资料在嵊泗站点效果却较差,CFSR/CFSv2资料是4种资料中效果最差的。4)通过分析4种风场资料的偏差分布发现,CCMP与ERA-Interim风场资料的偏差较小,而CFSR/CFSv2与FNL风场资料的偏差较小。CCMP资料与其他3种资料的纬向风偏差在海洋上以负偏差为主,陆地以及沿岸地区的偏差较大,且分布不均匀;经向风偏差分布中,南半球的正偏差区较为明显,而北半球的负偏差区则较为明显,但偏差程度要小于纬向风偏差。

关键词：表层风场 CFSR/CFSv2 ERA-Interim FNL CCMP 空间差异

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上层海洋对台风“凯萨娜”(2009)的响应特征

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海洋科学 2019年第9期43卷 1-11页

作者：王冠琳李大伟徐腾飞滕飞魏泽勋国防科技大学气象海洋学院江苏南京211101 自然资源部第一海洋研究所海洋环境科学与数值模拟重点实验室山东青岛266061 青岛海洋科学与技术试点国家实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室山东青岛266237

本文利用多源卫星遥感数据和Argo浮标数据对2009年台风"凯萨娜"过后,南海上层海洋的物理和生态响应特征进行了分析。结果表明,"凯萨娜"引起的上升流流速最大可以达到1.6×10^–3m/s,台风过后,海表面温度(SST)... 详细信息

本文利用多源卫星遥感数据和Argo浮标数据对2009年台风"凯萨娜"过后,南海上层海洋的物理和生态响应特征进行了分析。结果表明,"凯萨娜"引起的上升流流速最大可以达到1.6×10^–3m/s,台风过后,海表面温度(SST)下降显著,最大降温幅度可以达到6℃,海表面高度降低,先前存在的中尺度冷涡进一步加强。台风过后,沿着台风路径,叶绿素浓度升高,最大值可以达到2 mg/m^3以上,初级生产力升高到台风过境前的5倍。SST的最大降温中心与海面高度下降区域以及叶绿素浓度升高的区域一致。Argo数据表明台风诱发了强烈的垂向混合和艾克曼泵吸,不同位置处,垂向混合和艾克曼泵吸的强度不一样。通过混合和泵吸过程,台风可以把海洋内部的营养盐输送到海洋表层,对整个南海的物理和生态过程有重要影响。

关键词：台风海表面温度海表面高度叶绿素 Argo

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新一代海洋科学卫星的思考与展望

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中国海洋大学学报（自然科学版） 2019年第10期49卷 110-117页

作者：陈戈杨杰张本涛马纯永中国海洋大学信息科学与工程学院海洋技术系山东青岛266100 青岛海洋科学与技术试点国家实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室/“观澜号”海洋科学卫星工程部山东青岛266237

卫星遥感技术因其在海洋科学发展中的重要地位,已成为各国海洋研究的重要方向。本文以已实施的卫星计划为切入点,阐明了海洋科学卫星对海洋科学发展的重大推动作用,指出海洋遥感已进入科学卫星时代。针对当前海洋亚中尺度和近温跃层遥... 详细信息

卫星遥感技术因其在海洋科学发展中的重要地位,已成为各国海洋研究的重要方向。本文以已实施的卫星计划为切入点,阐明了海洋科学卫星对海洋科学发展的重大推动作用,指出海洋遥感已进入科学卫星时代。针对当前海洋亚中尺度和近温跃层遥感观测的科学前沿需求,介绍了目前国际上正在实施的新一代科学卫星计划。重点围绕新一代海洋科学卫星的两大代表性载荷——干涉成像高度计和海洋激光雷达,回顾了测高技术和激光雷达技术的发展历程,展望了这两大载荷在亚中尺度海洋学、海洋跃层动力学和大数据海洋学领域的未来潜在应用,对中国海洋科学卫星未来的发展提供有益借鉴。

关键词：海洋科学卫星干涉成像高度计海洋激光雷达三维遥感 “观澜号”海洋科学卫星计划

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基于信息流理论的因果分析在辨析大西洋多年代际振荡物理机制中的应用

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大气科学 2019年第5期43卷 1081-1094页

作者：宫湛秋孙诚李建平冯娟谢飞杨韵薛佳庆北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室和全球变化与地球系统科学研究院北京100875 青岛海洋科学与技术国家实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室青岛266237 中国科学院大气物理研究所北京100029

大西洋多年代际振荡(AMO)是指发生在北大西洋的海表温度(SST)冷暖异常多年代际(50~80年)振荡的现象。通常AMO被认为是受大西洋经向翻转环流(AMOC)及其对应的海洋动力过程(经向热量输运)的影响。近年来有观点认为,AMO是大气随机热力强迫... 详细信息

大西洋多年代际振荡(AMO)是指发生在北大西洋的海表温度(SST)冷暖异常多年代际(50~80年)振荡的现象。通常AMO被认为是受大西洋经向翻转环流(AMOC)及其对应的海洋动力过程(经向热量输运)的影响。近年来有观点认为,AMO是大气随机热力强迫的产物,大气主导了海气间的热量交换进而影响AMO。弄清AMO和北大西洋海表热通量的因果关系是辨析AMO动力和热力驱动机制的关键。本文利用基于信息流理论的因果分析方法,研究了1880年以来观测的AMO与北大西洋海表热通量间的因果关系。结果表明,在多年代际尺度上,从AMO到海表热通量的信息流要远大于二者相反方向的信息流,这说明AMO是北大西洋海表热通量异常的因,海洋主导了海气间的热量交换。大气随机热力强迫机制无法解释AMO与热通量两者因果分析的结果。对泛大西洋地区的陆地气温和AMO指数进行分析,进一步表明由于海洋主导了海气热量交换,AMO的海温异常加热/冷却控制了绝大多数地区气温的多年代际变化。利用海温驱动的大气环流模式的模拟结果验证了AMO的海温异常对周边陆地气温强迫作用。本文的结果为辨析AMO的动力和热力驱动机制提供了新线索,进一步表明AMO并非是大气随机热力强迫的产物,海洋环流可能是AMO的主要驱动因子。

关键词： AMO(大西洋多年代际振荡) 信息流因果关系热通量陆地气温距平

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多普勒测风激光雷达三波束反演方法与实验

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中国海洋大学学报（自然科学版） 2020年第4期50卷 136-144页

作者：宋小全王芳涵尹嘉萍王希涛刘晓英任文核吴松华中国海洋大学信息科学与工程学院海洋技术系山东青岛266100 青岛海洋科学与技术试点国家实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室山东青岛266237 青岛镭测创芯科技有限公司山东青岛266101

为研究激光测风技术中五波束和三波束风廓线反演方法的异同,采用波长1.5μm的相干多普勒测风激光雷达在中国海洋大学崂山校区进行风场测量。利用三波束风廓线反演法对13 d的多普勒激光雷达观测数据进行计算,设定信噪比和数据获取率门限... 详细信息

为研究激光测风技术中五波束和三波束风廓线反演方法的异同,采用波长1.5μm的相干多普勒测风激光雷达在中国海洋大学崂山校区进行风场测量。利用三波束风廓线反演法对13 d的多普勒激光雷达观测数据进行计算,设定信噪比和数据获取率门限阈值,对数据质量进行控制,将计算结果与五波束风廓线反演法的计算结果进行比对分析。与五波束风廓线反演法相比,三波束风廓线反演法仅用三个方向的径向数据反演风廓线,可缩短观测时间跨度,从而提高数据刷新率,在气流不稳定的情况下可获取更多的风场特征参数。比对结果表明,两种风廓线反演法的计算结果在不同高度上均表现出良好的一致性。90 m测量高度处的风速决定系数为0.9825,风向决定系数为0.9769;随着湍流强度增大,两种风廓线反演法之间的差异呈增大趋势。

关键词：遥感多普勒测风激光雷达三波束方法风廓线

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基于多层感知器和SAR参数的海浪有效波高反演方法

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中国海洋大学学报（自然科学版） 2024年第2期54卷 121-133页

作者：高亚飞王运华张彦敏姜文正中国海洋大学信息科学与工程学部山东青岛266100 自然资源部第一海洋研究所山东青岛266061 青岛海洋科学与技术试点国家实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室山东青岛266237

本文在分析雷达海面图像的多个参数与海浪有效波高相关性的基础上,应用哨兵1A卫星Level-2 SAR数据中的后向散射系数、图像强度归一化方差、截止波长、主波波长、主波波向、图像偏度和峰度参数提出了基于多层感知器(MLP)的海浪有效波高... 详细信息

本文在分析雷达海面图像的多个参数与海浪有效波高相关性的基础上,应用哨兵1A卫星Level-2 SAR数据中的后向散射系数、图像强度归一化方差、截止波长、主波波长、主波波向、图像偏度和峰度参数提出了基于多层感知器(MLP)的海浪有效波高反演方法。详细讨论了输入参数组合不同时,MLP模型反演的整体海浪有效波高(SWH)、风浪有效波高(SWH_(WW))和涌浪有效波高(SWH_(S))的精度。针对极端海况下数据较少导致模型产生的系统偏差,文中采用校正函数减小该误差,从而增强了模型的适用性。与欧洲中期天气预报中心(ECMWF)和Jason3卫星提供的整体海浪有效波高数据进行对比,本文方法所得结果的均方根误差分别为0.471和0.535 m,相关系数为0.923和0.922。与ECMWF提供的风浪和涌浪有效波高相比,本文方法反演所得风浪和涌浪有效波高的均方根误差分别为0.534和0.512 m,相关系数分别为0.898和0.815。

关键词：哨兵1A SAR数据多层感知器海浪有效波高校正函数

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