海洋中尺度涡建模及其在水声传播影响研究中的应用

“中国近海中尺度海洋动力环境预报方法及其应用”公示材料一、项目名称：中国近海中尺度海洋动力环境预报方法及其应用二、提名者及提名意见提名者：中国科学院提名意见：中尺度海洋动力环境的认知和预报，是海洋研究中最重要的环节，在国家海洋国土安全和海洋权益维护、以及近海环境保障和防灾减灾等重大国家需求中，均发挥着重要的科技支撑作用。

该项目经过10余年的联合攻关，自主研发水平短阵声学层析、船载X波段雷达遥测等多项观测新技术，打破国外对关键装备的技术封锁；引入非线性开展海洋环境变化的机理研究，新方法系统推进了中尺度过程产生、消亡机理及声学效应的认知水平；研发原理先进的海洋资料同化新技术，构建包括中国近海在内的关键海域高精度中尺度海洋动力过程预报模式和信息网络集成及动态传输可视化平台，模式空间网格密度达到1/24°（分辨率达到5km，与美国同类产品相比提升约50%），5 天的海表温度预报误差小于0.5°C。

受该项目资助，发表多篇科研论文、取得多项软件著作权和发明专利，论文他引率超过82%；项目部分研究成果已获2013年海洋工程科学技术奖一等奖。

该项目成果在海洋环境监测和保障、海上石油平台设计等民用方向获得广泛应用，并在亚丁湾护航行动、军事服务及科研教学中发挥了重要的技术支撑作用。

该项目的实施，体现了国内海洋动力学和水声学的学科交叉，全面提升了我国在海洋“立体观测、过程识别和信息服务”方面的技术水平。

对照国家科学技术进步奖授奖条件，确认提名材料真实有效，公示无异议，相关栏目符合要求。

提名该项目为国家科学技术进步奖二等奖。

三、项目简介：中尺度海洋动力过程的时间尺度从数天至数月、空间尺度从数公里到数百公里，主要包括中尺度涡、内波和锋面等。

中尺度海洋动力过程在中国近海广泛分布且频繁发生，是中国近海海洋环境变化的主控因素，对中尺度海洋动力环境监测、预报及其信息服务在国土权益安全、海洋环境保障、资源的可持续利用和沿海防灾减灾等方面，都发挥着重要作用、具有重大国家需求。

第33卷第2期海洋与湖沼Vol.33,No.2 2002年3月OCE ANOLOGIA E T LI MNOLOGIA SINIC A Mar.,2002一种海洋遥感图像中尺度涡的自动检测方法*姬光荣陈霞霍玉臻贾同军(青岛海洋大学电子工程系青岛266003)提要基于遥感图像涡区域检测边缘一般是由近似椭圆的分段圆弧曲线所构成的特点,提出一种/由粗到细0的海洋遥感图像中尺度涡计算机自动检测方法。

首先对检测边缘利用曲线拟合和局部区域Hough变换的方法产生候选子区域,然后仅仅针对候选子区域利用局部区域图像灰度分割确定出涡的区域。

实验结果表明所提出的方法可以完成处于成熟期、形态特征比较明显的中尺度涡自动检测。

关键词海洋遥感图像,中尺度涡,自动检测中图分类号O235利用空间技术获取遥感信息,对于海洋的调查研究和资源开发,愈来愈显示其强大的优势和生命力(侯一筠等,2000)。

海洋遥感的多时相、大面积观测等特点,也为海洋中尺度涡观测提供了前所未有的现场资料。

目前海洋遥感图像中尺度涡解译主要依靠/专家目视判读0方法。

这种方法不仅劳动强度大,而且具有不可避免的人为因素。

非固定形状的自然目标识别是计算机视觉中的困难问题。

海洋中尺度涡就是该问题的一个典型特例。

Nichol(1987)曾经采用由计算机搜索图像中相同灰度值所连成的区域,并由这些区域结构之间所生成的关系图进行提取类似涡结构的尝试性研究。

由于海洋遥感图像成像过程的复杂性,基于图像等灰度值连通区域难以提取涡的检测特征,Peckin-paugh等(1994)基于遥感图像的检测边缘,提出了直接利用Hough(Illing worth et al,1988)变换圆检测算子进行涡检测的方法。

由于涡形态的复杂性,其检测边缘曲线一般不是一个规则的圆,故该方法还是比较粗略的。

此外,Hough变换的一个主要缺点是随着处理数据量的增加,所需要的存储和计算量急剧增加,同时检测误差也随之增大。

海洋物理学中的声学测量技术与应用在海洋物理学领域，声学测量技术被广泛应用于深海探测、海洋生态研究、海底地质勘探等领域。

声学测量技术利用声波在海水中传播的特性，通过测量声波的传播时间、强度和频谱等参数，可以获取丰富的海洋环境信息。

一、声学信号的传播原理声波是一种机械波，传播的介质是海水。

在海洋中，声波的传播受到海水的吸收、散射和传播路径的影响。

海水的吸收会导致声波的能量逐渐减弱，而散射会导致声波的传播方向发生改变。

传播路径的复杂性（包括水平传播路径和垂直传播路径）也会对声波的传播产生影响。

二、声学测量技术的分类根据测量目的和应用领域的不同，声学测量技术可以分为不同的类别。

以下是几种常见的声学测量技术：1. 声速剖面测量技术声速剖面测量是一种用于测量海水中声速随深度变化的技术。

通过测量声波传播的时间和距离，可以计算出不同深度的声速值。

声速剖面可以提供海洋水团的垂直分布和变化信息，对海洋环流和海水运动的研究具有重要意义。

2. 地震学测量技术地震学测量技术在海洋物理学研究中被广泛应用。

通过发送地震波并测量反射或折射波，可以获取海底地质结构、构造特征以及地壳运动等信息。

地震学测量技术是深海勘探中最常用的技术之一，对于油气资源勘探和海底地质灾害预警有着重要的应用价值。

3. 声呐测量技术声呐是一种利用声波回波来获取目标位置和性质的测量技术。

在海洋物理学中，声呐广泛应用于水下目标探测、海底地形测量和海洋生态研究等领域。

通过测量声波的反射时间和强度，可以获取水下物体的位置、形态以及周围环境的信息。

三、声学测量技术的应用案例声学测量技术在海洋物理学中有着广泛的应用。

以下是几个典型的应用案例：1. 海洋生态研究声学测量技术可以用于海洋生态系统的研究。

通过测量声波的反射回波，可以获取海洋生物的分布、数量和行为特征等信息。

同时，声学测量技术还可以用于测量海洋中的颗粒物浓度和颗粒物的粒径分布，为海洋生态环境的评估和保护提供数据支撑。

海洋中尺度涡的国内外研究概述一、海洋中尺度涡研究的起源十九世纪三十年代之前, 人们认为海洋的深处是平静的, 由于缺乏精密的海洋观测手段, 人们只能通过观察一些物理现象, 发现大洋中的表层环流, 建立起风生海流的理论[1]. 然而, 根据这种理论, 并不能绘制出更为准确的大洋海流图, 对于具体海流的动力及能量交换关系, 难以做出令人信服的评价.1936年艾斯林(Iselin)就对中尺度涡旋进行了观测及记录, 但当时没有给出的中尺度涡的概念, 只认为是一种大范围的水温异常[2].1957年10月, 前苏联发射了世界上第一颗人造地球卫星“斯普特尼克1号”——Sputnik 1, 对观察海洋现象起到了极大的推动作用.1958年, 英国海洋学家Swallow设计了一套用声学追踪在大洋中一定水层自由漂浮的"中性浮子"系统, 对大西洋百慕大海域的底层海流进行测量[3]. 按照人们通常的看法, 湾流区域内的海流是一支稳定、宽广的缓慢海流. 而观测结果为那里的海流比预想的要大10多倍, 而且在短短的10多千米距离之内, 海流的流向竟完全相反；同时, 在1个月左右的时间里海流就显示出相当大变化. 这个发现引起了海洋学界的重视.1970年, 前苏联的海洋科学家在热带大西洋东北部开展了以海流观测为主的多边形大洋实验(POLYGON), 经过半年多的持续观测, 在这个过去认为是弱流(流速为1cm/s左右)的海区里, 存在着流速约为10cm/s、空间尺度为100km、时间尺度为几个月的中尺度涡[3].1973年, 美、英等国海洋学家进一步在热带大西洋西部的一个弱流区, 进行了第一次中大洋动力学实验(MODE-1), 观测结果与POLYGON大致相同. 后来发现了越来越多的中尺度涡.从1975年开始, 美苏等国的海洋学家开始进行一项规模巨大的中大洋动力实验—— POLYMOD, 其重点是研究中尺度涡的动力学及其消长机制.1976年, 伴随着卫星观测技术的广泛应用, 先后发现了九十多处中尺度涡. 例如, 在南美洲的西海岸、澳大利亚东部和新西兰一带、非洲东岸和太平洋中部的夏威夷群岛等地附近海域, 以及在印度洋西北地区、中国南海海域等, 都能见到这种涡流.1978年, 美国航空航天局(NASA)及美国海洋大气局(NOAA)共同发射的第一颗海洋遥感卫星——SEASET, 其雷达应用了高压缩比的脉冲方式, 促进了海洋中尺度研究的快速发展.1979年, 我国的郑全安发表了关于海洋中尺度涡的文章[3], 其中关于对大西洋湾流中尺度涡的研究, 郑全安和袁业立对海洋中尺度涡的衰变过程进行了动力分析.此后, 人们发现了越来越多的海洋中尺度涡, 也受到了相关学者的更多关注.二、海洋中尺度涡相关研究大洋中尺度涡的发现是人类对大洋环流认识的一个突破性进展, 它改变了人们对海流的传统看法. 中尺度涡的旋转速度很大, 而且边旋转边移动, 表现出相当大的时间变化, 小的直径仅几十千米, 大的直径达数百千米；存在时间短则十几天, 长则数年. 中尺度涡是动力海洋系统中普遍存在的组成成分, 其蕴含的动能约占整个海洋流动能的80%.图1 中国Argo实时资料中心: /data/argo.php 最近几年随着以Argo 浮标系统为代表的新一代海洋观测平台日趋完善, 并结合已经成熟的卫星高度计观测平台, 还有现场温盐深剖面仪(CTD)、锚系声波多普勒海流剖面仪、拉格朗日漂流浮标、水下滑翔机、卫星合成孔径雷达和数值模拟等使我们具有了对中尺度涡从海表面到深层进行三维观察的能力, 并且这些系统具有全球覆盖率, 使得我们对中尺度涡的观察能力相对于只有高度计的时代有了质的飞跃. 国内近期重点研究中尺度涡的有张正光、赵玮、田纪伟、张志伟、郑全安、袁业立、孙振宇、杨庆轩等学者.(1) 海洋中尺度涡的模型研究将经典非旋转流体力学中的涡旋概念引入到旋转流体中, 甚至直接运用过来, 建立了一批中尺度涡涡旋意义下的解析模型, 用以描述中尺度涡的形态结构与运动特征[4].主要是上世纪六、七十年代由Glenn R. Flierl、Mory, M和Aref, H., Siggia, E.D.学者在其发表的文章中给出了单涡模型[5,6], 偶极子模型[7], 多涡系统相互作用的模型[8,9].考虑海洋中尺度涡自东向西的运动与地球的旋转的β效应相关, Larichev, V.D.和Reznik, G为了解释这一现象, 提出中尺度涡是Rossby波的模型[10,11], 1979年Berestov, A. L根据海洋中尺度涡据地孤立的特性提出其是Rossby(罗斯贝)孤立波的模型[12,13].另一方面, Killworth, P. D.在1983年从中尺度涡的积分性质去试图解释海洋中尺度涡在β平面下西移的特性[14,15].二十世纪八十年代中后期, 卫星高度计所得的大范围覆盖能力的卫星图像对中尺度涡发现和研究发挥了重要作用, 这一观测平台使得研究者可以得到全球分布的准确同步的海表面的观测序列, 这使得对中尺度统计特征的研究成为可能.切尔顿和施莱克斯等在1996年尝试比较了从高度计中观测到的中尺度涡的西向移动速度与Rossby 波理论预言的第一斜压模的速度, 发现两者的变化存在一定程度的一致[16].二十世纪九十年代, Argo浮标的出现促进了中尺度涡研究的发展, Fu L L, Chelton D B.提出实际的中尺度涡移动的速度要比第一斜压模的Rossby 波快一倍[17-18].张正光等在2014年从中尺度涡定义为位涡异常的角度, 从观测给出中尺度涡的统一结构；给出中尺度涡一个概念上明确的定义；估计中尺度造成的巨大的水体通量以突显其在气候系统中可能扮演的重要角色[19,20].张志伟、田纪伟等在2016年研究了关于南海东北部海洋中尺度涡的三维(3D)结构以及产生和消散系统完整的水深测量结果并进行整理[21].Zhang Z, Zhang Y, Wang W.等在2017年考虑加勒比海内中尺度涡的三维结构, 分别研究了各类特征的垂向、水平和速度结构, 然后根据结果进行相应的分析[22].Pearson Brodie Pearson, Baylor Fox-Kemper, Scott Bachman , Frank Bryan.等在2017年采用遵循大涡模拟的子网结构技术, 在高分辨率的全球海洋模型下将动量和追踪的两种参数化水平混合中尺度涡[23].王庆业在2017年利用海洋高分辨率模拟太平洋西部热带中尺度涡, 得到了中尺度涡的结构[24].(2) 海洋中尺度涡的物理特征研究联合高度计卫星与浮标系统对中尺度涡结构展开研究的思想出现了, Roem- mich D, Gilson J.等在2001年结合高分辨率的XBT 重复测量的水文断面与T/P 高度计资料, 利用合成的方法分析了北太平洋区域中尺度涡旋的温度结构[25].Rhines P B.等在2001年给出一个更为清晰的中尺度涡结构, 以便于更好地进行分析中尺度涡的物理特性[26].Chaigneau A, Gizolme A, Grados C.等在2008年通过识别算法和涡旋时空模式的高分辨率卫星测量高度值研究了太平洋东南海岸秘鲁地区的中尺度涡, 并运用几何曲率和风角法来来了解中尺度涡发生频率、寿命和结构[27].Chelton, D. B., P. Gaube, M. G. Schlax, J. J.等在2011年应用高度计得到的谱结构中没有表现出Rossby 波所应表现出的频散性质, 而表现出了波长与频率呈线性关系的非频散的谱结构[28].Feng Nan, Zhigang He.等在2011年针对南海中是三个存在时间比较长的中尺度涡进行研究, 从而总结出其涡核的存在规律[29].PierGianLuca Porta Mana.等采用准地转模型进行随机参数化处理, 得到相对较为准确的中尺度涡等级湍流级联[30].郑全安等在2017年对南海中尺度涡的研究进行了总结, 并提出以罗斯贝波和中尺度涡为表现形式的太平洋中尺度扰动直接进入南海, 并与海盆固有振荡模态发生共振, 从而构成太平洋了起源[31].Anstey J A, Zanna L.等在2017年考虑雷诺应力张量适用于海洋问题, 对动量、涡旋、能量和涡量拟能预算参数化分析其影响[32,33].Cui Wei, Duan Yongliang.等在2016年通过卫星高度计海面高度数据分别分析了孟加拉湾中尺度涡的统计特征[34]和南大洋的涡旋性质[35].Li C, Zhang Z, Tian J, et al.在2017年基于太平洋西北部的2002-2015年的温度和盐度Argo数据研究了寻找海洋中尺度涡的涡心和中尺度涡移动相关的统计特征[36].Yu Hsin Cheng, Chung Ru Ho.等在2017年应用卫星高度计海面高度资料详细分析了台湾岛和吕宋岛以东黑潮的涡旋统计特征[37].(3) 海洋中尺度涡的分布规律研究Jacobs G A, Hogan P J.等在1999年从卫星高度计数据和海军研究实验室分层海洋模型(NLOM)的结果进行分析, 说明中尺度涡的移动对东海的影响[38].张东晓于2001年运用相应的模拟实验分析了台湾海峡东、黑潮以及菲律宾附近海域的海洋内部中尺度涡的情况[39].程旭华和齐义泉于2008年基于卫星高度计的观测结果分析了的全球中尺度涡的分布和传播特征[40].高理、刘玉光和荣增瑞等在2007年1993~ 2004年卫星高度计TP/Jason-1和ERS/ENVISAT 提供的海平面异常(SLA) 融合数据, 分析了黑潮延伸区12 年来的平均海平面异常的变化特征及中尺度涡的分布规律[41].Kaneko A, 刘玉光、陈更新等在2008至2015年以南海中尺度涡进行分析分布特征、运动变化规律、动力机制及对相应过程的影响为研究对象, 通过数据分析、模式验证和动力机制分析相结合的方法, 既全面描述了南海中尺度涡的分布和演化的总体特征, 又深入研究了南海具有代表性涡旋的特点[42-47].张正光于2013年考虑了中尺度涡的普遍存在性及在宇宙中的动力学结构. 尽管中尺度涡在振幅、范围和极性等方面有显著的区域差异, 通过综合分析在全球范围内卫星高度计和Argo浮标的数据, 作者给出了一个通用的中尺度涡结构[48].Huang X, Zhang Z, Zhang X.在2017年结合孔径雷达图像和卫星高度计数据综合合成分析中国南海(SCS)东北部海域, 发现一种具有内部独居现象类型的波浪(ISW), 由海洋中尺度涡旋引起的长前端. 在这些卫星观测数据的支持下, 进行数值模拟[49].Kuo Y C, Chern C S.等在2017年研究了吕宋海峡(Luzon)的中尺度反气旋涡旋, 并利用非线性减重(原始方程)模型对该现象进行了研究, 并对动态过程进行了分析[50].(4) 海洋中尺度涡的输运功能研究中尺度涡旋携带质量的问题, 对于海表面漂流浮标以及其他一些被动示踪物的观察研究发现, 中尺度涡旋具有携带水体与其一起移动的能力, 并且有时可以携带一块水体行进相当长的一段距离[51-53].Holloway G, Stammer D.和Volkov D L等研究发现中尺度涡能够因其旋转和经向移动在经向输送热量[54-58].Mcneil J D, Jannasch H W.等在1999年利用百慕实验室利用温度和电流测量以及生物地球化学测量都被用来描述上层海洋生物反应的特征, 由于与涡流有关的等温线的覆盖而将硝酸盐引入到透光层[59].Martin A P, Richards K J.在2001年研究了大西洋北部的反气旋中尺度涡对于海洋中营养物质在垂直方向移动所造成的影响[60].Y.J. Jian, J. Zhang.等在2009年对中国南海西南部进行远程声传播观测, 结果发现一个反气旋涡和三个气旋涡对声音的传播和声速分布产生不同的影响[61].Chelton.等在2011年考虑非线性中尺度涡活动且运用高分辨率卫星获得的数据, 分析了叶绿素分布的变化及所受影响[62].Liu F, Tang S, Chen C.等在2013年研究了南海北部中尺度涡的非线性因素对浮游植物分布造成的影响[63].Amores A, Monserrat S, Melnichenko O.等在2017年分析了中尺度涡的性质及其在世界海洋中的空间和时间分布的对于准确估计其在热、盐和或动量运输中的作用[64].Gao W, Wang Z, Zhang K.等在2017年基于对太平洋西部地区的光学测量, 研究中尺度涡流对温盐结构和原位叶绿素分布的控制效果[65].(5) 海洋中尺度涡对海洋深层影响Mcdowell S E.等在1978年针对巴哈马群岛区域的反气旋涡的研究, 通过研究地中海与大西洋东部的水团运动研究了中尺度涡影响下的水团特性[66,67].M. Dengler, F. A. Schott, C. Eden, P. Brandt, J 等在2004年研究大西洋深层西边界流的运动, 发现了从大西洋北部将深层水运输到大西洋的南部的主要动力是海洋中尺度涡[68].Wunsch C.于2008年考虑海洋环流对大气环流的影响中重点提及了中尺度涡的影响, 并通过分析与比较说明中尺度涡在很大程度上影响了大气环流[69].Adams D K, Jr M G D, Zamudio L.等在2011年研究了东太平洋深海通过热液喷射的方式将氢热化学物质及幼虫传输到海洋表层, 其过程中有海洋中尺度涡的生成及其运动[70].Siegel D A, Peterson P等在2011年对马尾藻海的生物进行研究发现了其生物光学足迹与中尺度涡流动过程之间的关系[71].Mingxian Guo , Fei Chai.等在2015年基于耦合的物理生物地球化学太平洋模型在1991至2008年的模拟结果, 综合分析发现气旋涡旋与丰富的营养、浮游植物和浮游动物有关, 而反气旋的涡流对生物地球化学循环起到抑制作用[72].Gruber N, Lachkar Z.等在2011年考虑了中尺度涡及其他中尺度海洋过程对于海洋生产海生物的产量的相关影响[73].Prants S V, Budyansky M V, Uleysky M Y.等在2017年运用拉格朗日方法模拟、跟踪、记录和分析了海洋中尺度水质量的成因和历史, 解决了中尺度涡的水源质量问题[74].(6) 海洋中尺度涡与其他海洋活动的相互作用Falkowski P G, Ziemann D, Mcgillicuddy D J, Robinson A R,Small R J等在1991-2012年研究了中尺度涡对初级生产及风场的影响[75-79].Rolov S A, Wei J, Wang D P.等在2003年和2009年研究了海岸边界对中尺度涡带来的影响[80,81].Polzin K L在2010年研究了海洋中尺度涡与内波之间的相互作用[82,83].Rodríguez R, Viudez A.等在2011年研究了一个气旋涡和两个反气旋涡并且其涡核呈三角形排列的中尺度涡合并的过程, 同时说明与加那利群岛南部的涡的合并及涡动力学的分析相一致[84].Saenko O A, Zhai X.等在2012年研究了海洋西部中尺度涡对潮汐垂向与径向混合的影响[85].张志伟和赵玮等在2017年采用希波阵列和多卫星同步数据分析了中国南海东北部气旋涡与反气旋涡之间的关系[86].三、近期中尺度涡仍需思考的问题(1) 随着观测手段的更新得到大量的海洋资料, 中尺度涡研究具有了一定量的观测资料, 但每一次观测技术的更新都带动中尺度涡研究的飞跃, 即新的观测技术的研发仍有必要, 也需布置大量的观测阵列.(2) 数值模式庞杂的输出结果迫切需要海洋中尺度涡理论上明确的解释, 海洋中尺度涡理论的进一步精确分析急需解决.(3) 目前的数值模式中模拟出了大量的中尺度涡, 但是研究者并不清楚模拟出的中尺度涡是否真实, 其表现出的种种特征是否正确. 中尺度涡的研究变得非常迫切而重要, 但中尺度涡本身的研究现状却无法满足现实的需求. 制约海洋中尺度涡研究发展的最大的问题就是难以形成统一的认识.(4) 数值模式数量庞大的输出结果不能被研究者所理解, 并且由于数值模式一定程度的黑箱特性, 甚至也无法判断模拟结果的对错, 即使模拟的结果与观测的结果有较大差距, 研究者在很多时候无法解释原因.(5) 海洋中尺度涡作为非线性系统, 研究中尺度涡的稳定性, 以及中尺度涡系统如何与其他系统的耦合如何进行解耦, 有待进一步研究.(6) 海洋中尺度涡系统的运动方式以及其形态需要新的拟合方法和建模方法得到更准确的研究对象, 从而更为精确地研究中尺度涡的特性.(7) 海洋中尺度涡与其他海洋过程如海峰的相互作用以及中尺度涡携带水体对背景大尺度环流的作用有待进一步研究.(8) 中尺度涡的产生具有多种假说和建模形式, 针对不同区域的中尺度涡的建模及分析还需基于对原有研究的深入理解和取舍.(9) 海洋中尺度涡在移动过程中对藻类生长的影响, 以及冷涡和暖涡对于温跃层的移动造成的不同影响.(10) 海洋中尺度涡在移动过程中形态的变化规律, 暖涡与冷涡的差别是怎样的.(11) 海洋中尺度涡在移动过程中垂直速度与水平速度间存在怎样的数量关系.(12) 海洋中尺度涡在移动过程中会受到那些因素的干扰, 如何抑制这些干扰对海洋中尺度涡的影响, 将海洋中尺度涡对人类有益的方面发挥到最好.(13) 海洋中尺度涡携带水体运动过程中, 海洋中尺度涡涡核的移动规律以及对于水体运输的影响.(14) 海洋中尺度涡在移动过程中所受光照、影响对其存活周期产生怎样的影响, 针对绝大多数的海洋中尺度涡, 其运动速度对于温度变化的影响幅度造成的影响具有怎样的规律.(15) 海洋中尺度涡的涡心移动对于海洋中尺度涡半径造成怎样的影响以及如何更加精确地划定海洋中尺度涡的半径.(16) 海洋中尺度涡的结构研究中如何运用动力学和数学及热力学知识相结合得到多方面分析, 从而得到更为准确的偏微分方程描述的立体结构.(17) 同一海域中冷涡与暖涡之间的相互作用关系以及与洋流及大气的关系.(18) 海洋中尺度涡三维结构的构建及其分析其存在周期.(19) 海洋中尺度涡的消亡机制与耗散机制的深入研究及其相互之间的关系.(20) 海洋中尺度涡作为典型的非线性系统, 考虑其非线性特性时的演化机制.(21) 海洋中尺度涡在运动过程中与陆地之间的碰撞的演化过程.(22) 海洋中尺度涡各个水层之间的相互作用及其相应的环境效应.参考文献[1] Sverdrup H U. 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水声传播模型的改进与应用在我们生活的蓝色星球上，海洋占据了绝大部分的面积。

对于海洋的探索和研究，一直是人类不断追求的重要领域。

而在海洋研究中，水声传播模型的建立和改进具有极其重要的意义。

它不仅有助于我们更好地理解海洋中的声学现象，还在诸多实际应用中发挥着关键作用，如海洋通信、声纳探测、海洋资源开发等。

水声传播模型是用于描述声音在海洋中传播过程的数学工具。

早期的水声传播模型相对简单，往往只考虑了一些基本的因素，如海洋的深度、温度、盐度等。

然而，随着对海洋环境认识的不断深入以及应用需求的日益提高，这些简单的模型已经无法满足实际需求。

因此，对水声传播模型的改进成为了必然的趋势。

在改进水声传播模型的过程中，研究人员面临着诸多挑战。

首先，海洋环境是极其复杂多变的。

海洋中的温度、盐度、压力、水流等因素在不同的时间和空间上都存在着显著的差异，而且这些因素之间还相互影响。

因此，如何准确地描述和模拟这些复杂的海洋环境参数，是改进水声传播模型的关键之一。

为了解决这一问题，研究人员采用了多种方法。

一方面，他们通过大量的实地观测和实验，获取了丰富的海洋环境数据。

这些数据为模型的改进提供了坚实的基础。

另一方面，他们利用先进的数学和物理方法，对海洋环境参数进行建模和分析。

例如，利用数值模拟方法来计算海洋中的温度、盐度和水流等分布情况，从而更加准确地描述海洋环境对水声传播的影响。

除了海洋环境的复杂性，声音在海洋中的传播过程本身也具有很多特殊的性质。

例如，声音在海洋中会发生折射、反射、散射等现象，而且这些现象还会随着传播距离的增加而不断变化。

因此，如何准确地描述和模拟声音在海洋中的这些传播特性，也是改进水声传播模型的一个重要方面。

在这方面，研究人员引入了新的理论和方法。

比如，利用波动理论来描述声音在海洋中的传播过程，考虑了声音的波长、频率等因素对传播特性的影响。

同时，他们还研究了声音在不同海洋介质中的传播特性，如在海底沉积物、海水中的气泡等中的传播情况，从而进一步完善了水声传播模型。

声学技术在海洋生态研究中的应用在广袤无垠的海洋世界中，声学技术正逐渐成为探索和理解海洋生态的一把重要钥匙。

海洋覆盖了地球表面约 70%的面积，其内部的生态系统复杂而神秘。

声学技术的出现，为我们揭开了海洋生态的诸多面纱，提供了全新的视角和研究手段。

声学技术之所以能在海洋生态研究中发挥重要作用，首先在于声音在海洋中的传播特性。

与在空气中相比，声音在海水中传播时的衰减相对较小，能够传播更远的距离。

这使得声波成为了在海洋中进行远距离信息传递和探测的理想工具。

例如，通过发射特定频率的声波并接收其回波，我们可以了解海洋的地形地貌、水体结构等信息。

在海洋生态研究中，声学技术在海洋生物监测方面表现出色。

许多海洋生物会发出独特的声音，这些声音包含了它们的行为、生理状态以及与周围环境的相互作用等丰富信息。

比如，鲸鱼的歌声可以揭示其迁徙路线、繁殖行为和社交活动。

通过长期监测鲸鱼歌声的变化，科学家能够了解鲸鱼种群的动态变化以及海洋环境对它们的影响。

同样，海豚的叫声、鱼类的发声等也都为我们研究它们的生态习性提供了宝贵线索。

此外，声学技术还可以用于评估海洋生物的数量和分布。

传统的生物调查方法，如拖网捕捞，往往具有破坏性且难以覆盖大面积海域。

而声学方法则可以在不干扰生物的情况下进行大规模监测。

例如，使用声学多普勒流速剖面仪（ADCP）可以探测到海洋中浮游生物和小鱼群的运动，从而推算出它们的数量和分布。

这种非侵入式的监测方式不仅减少了对海洋生态系统的干扰，还能提供更准确和全面的数据。

对于海洋生态系统中的重要组成部分——海底栖息地，声学技术同样具有重要价值。

多波束测深系统能够绘制出高精度的海底地形图，帮助我们了解海底地貌的特征，如峡谷、海山、大陆架等。

这些地形特征与海洋流场相互作用，影响着海洋生物的栖息地选择和分布。

同时，侧扫声呐可以探测到海底的沉积物类型、岩石分布等信息，为研究海底生态环境提供基础数据。

声学技术在海洋生态系统的食物网研究中也发挥着关键作用。

水声技术在海洋工程中的应用研究海洋，占据着地球表面约 71%的面积，蕴藏着丰富的资源和无尽的奥秘。

在人类探索海洋、开发海洋资源以及进行海洋科学研究的进程中，水声技术发挥着至关重要的作用。

水声技术作为一门交叉学科，融合了声学、电子学、信号处理、计算机科学等多个领域的知识，为海洋工程提供了强大的技术支持。

水声技术在海洋工程中的应用广泛，其中之一便是海洋资源勘探。

在石油和天然气勘探领域，水声技术能够帮助我们探测海底的地质结构和油气藏的分布。

通过发射和接收声波，我们可以获取海底地层的反射和折射信息，从而推断出地层的性质和构造。

例如，利用地震波勘探技术，向海底发射一系列的声波脉冲，然后接收反射回来的声波，经过复杂的信号处理和数据分析，地质学家能够绘制出海底的地质剖面图，确定潜在的油气储层位置。

此外，在矿产资源勘探方面，水声技术也能发挥作用。

对于深海中的多金属结核、硫化物矿床等，声波可以探测其分布范围和储量，为矿产开采提供前期的基础数据。

海洋通信是水声技术的另一个重要应用领域。

在广阔的海洋中，由于电磁波在海水中的衰减很快，因此传统的无线通信方式在水下受到很大的限制。

而声波在海水中能够传播较远的距离，使得水声通信成为水下信息传输的主要手段。

在海洋科学研究中，水声通信可以实现潜水器、浮标、传感器等设备之间的数据传输，让科学家能够实时获取海洋环境的各种参数。

在军事领域，潜艇之间、潜艇与水面舰艇之间的通信也依赖于水声技术。

通过先进的编码和调制技术，提高水声通信的速率和可靠性，实现语音、图像和数据的准确传输。

同时，为了保障通信的安全性，水声通信还需要采用加密技术，防止信息被窃取和干扰。

在海洋工程的建设中，水声技术同样不可或缺。

例如，在海洋平台的建设过程中，需要对海底地形进行精确测量，以确定平台的位置和基础的设计。

水声测深技术能够快速、准确地获取大面积的海底地形数据，为平台的建设提供可靠的依据。

此外，在海底管道和电缆的铺设中，水声定位技术可以实时监测铺设设备的位置和姿态，确保管道和电缆的铺设精度和质量。

水声工程在海洋灾害监测中的应用咱们生活的这颗蓝色星球，海洋占据了绝大部分。

海洋既美丽又神秘，还时不时会闹点小脾气，给咱们带来些麻烦，比如海洋灾害。

而在应对海洋灾害的时候，有一个很厉害的角色，那就是水声工程。

水声工程啊，简单来说就是研究在水里声音传播和利用声音的一门学问。

您可别小瞧这水里的声音，它的作用大着呢！就拿海啸来说吧，这可是个吓人的家伙。

有一次我去海边度假，那天天气特别好，阳光洒在海面上，波光粼粼的，美得不像话。

我正悠闲地在沙滩上散步，突然听到远处传来一阵奇怪的声音，像是低沉的咆哮。

当时我还没太在意，可没过多久，就看到海水开始迅速往后退，露出了大片的海滩。

这时候我才意识到，可能要有海啸了！后来才知道，通过水声工程的技术，科学家们可以监测到这种异常的水声信号，提前发出警报，让人们有时间做好防范措施，减少损失。

再比如说风暴潮，这也是海洋灾害中的常客。

有一回我跟着一艘科考船出海，正好遇上了风暴潮。

那海浪一个接着一个，打得船晃来晃去。

就在这时候，船上的水声监测设备发挥了大作用。

它能够捕捉到风暴潮引起的水下声音变化，及时把信息传递给相关部门，让他们提前做好准备，比如通知沿海的居民转移，把船只开到安全的地方等等。

还有海底地震，这更是个隐藏的“大坏蛋”。

一旦发生海底地震，可能会引发巨大的海啸或者其他灾害。

水声工程就像是我们的“千里耳”，能在第一时间察觉到海底地震产生的特殊水声信号。

我曾经在纪录片里看到过，科学家们通过对这些信号的分析，准确判断出地震的位置和强度，为后续的救援和防范工作提供了关键的信息。

在海洋灾害监测中，水声工程的应用真的是无处不在。

它就像是海洋的守护者，时刻倾听着海洋的声音，为我们的安全保驾护航。

那些复杂的传感器和监测设备，就像是它的“耳朵”和“眼睛”，不放过任何一点异常的声音。

而且啊，随着科技的不断发展，水声工程也越来越厉害了。

新的技术和设备不断涌现，让监测更加准确和及时。

想象一下，未来也许我们能够在海洋灾害发生之前很久，就早早地做好准备，把损失降到最低，那该有多好啊！总之，水声工程在海洋灾害监测中的应用，真的是太重要啦！它让我们对海洋这个神秘的世界有了更多的了解，也让我们在面对海洋灾害的时候，不再那么无助和害怕。

卫星遥感海面高度图像的中尺度涡自动提取陈维真;张春华;赵仕伟;李红林【摘要】分析了1992-2008年海面高度遥感图像,归纳出了自动检测中尺度涡的难点.以提高检测概率为主旨,提出了一套中国近海及其附近海域海面高度图像中尺度涡自动提取的方法.首先,对海面高度图像背景区域进行局部直方图Gauss拟合,根据拟合结果滤除海面背景区域,得到海面高度异常区域和残留的少部分海面背景区域.然后,针对中尺度涡的成像特点,综合利用涡旋的强度/尺度等判据,设计了一套中尺度涡提取算法,用于自适应地从海面高度异常区域和少部分海面背景区域提取不同强度/尺度的中尺度涡.对本文检测结果与文献中评述的中尺度涡进行了对比,结果表明,提出的算法对中尺度涡海面高度异常区域具有良好的检测性,有助于全面分析中国近海及其附近海域的中尺度涡的时空特性.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2013(021)010【总页数】9页(P2704-2712)【关键词】卫星遥感;遥感图像;中尺度涡;自动检测;直方图;海面高度【作者】陈维真;张春华;赵仕伟;李红林【作者单位】中国海洋大学信息技术学院,山东青岛266100;;;【正文语种】中文【中图分类】TP7511 引言中尺度涡旋的空间尺度通常在数十至数百公里范围，时间尺度为数周至数月乃至十几个月，中尺度涡旋一般是由于平均流的不稳定性、海面风的强迫作用或是海底地形变化等原因产生的，而且通常是非常不规则的。

这些涡旋所含的能量比海洋中其它类型运动的能量都大［1］，它不仅会直接影响海洋环境的温盐结构和流速分布，而且会输送动量和热量，从而对海洋上层水域的物理性质产生强烈影响［2］。

这会使该区的声传播规律发生显著变化，具体表现为当声波通过海洋涡旋时，由涡心向涡外或由涡外向涡心的能量传播损失可达20～40dB左右，使水下三维声场产生一系列声传播的奇异区域，从而对海面舰船和水下航行器的安全和使用效能发挥产生显著的影响，因此，获取大范围准确的中尺度涡信息是亟待解决的问题。

海洋中尺度现象下的声传播研究的开题报告一、选题背景与意义海洋中尺度现象是指在水深为几百米至几十米的海洋中，温盐结构等物理特征存在明显空间变化的现象。

它们对海洋生态系统、海洋资源开发以及海洋运输等方面产生了重要影响，因此引起了广泛关注。

声波在海洋中是一种主要的信息传递方式，因其在海洋中传播距离远，穿透力强等特点，已被广泛应用于海洋勘探、海底遥控等领域。

但因为海水的复杂性，海洋中尺度现象对声波传播的效应也不容忽视，包括声速的变化、折射、衍射、散射等。

因此，研究海洋中尺度现象下的声传播规律，对于有效的声信号传播和海洋资源开发的实现具有重要意义。

二、研究的目的和内容本课题旨在研究海洋中尺度现象对声波传播规律的影响，并探究如何通过调节传输参数，提高声波传播效率。

具体内容包括：1. 理论分析海洋中尺度现象对声波传播的影响；2. 数值模拟和实验研究海洋中不同时空尺度下声波传播规律；3. 探究如何通过调节声源、传输路径等参数，优化声波传播效率。

三、研究方法本研究将采用数值模拟和实验相结合的方法，具体包括：1. 基于 Matlab 等软件，建立适应海洋中尺度现象的声传播理论模型，并对传输路径进行数值模拟分析；2. 在实验室中，利用音叉、振荡器等设备，设计并实现声波传播实验，观察不同参数情况下声波传播效果的变化。

四、预期成果本研究预期将有以下成果：1. 建立适应海洋中尺度现象的声传播理论模型；2. 探究不同海洋尺度下声波传播规律；3. 提出有效的声波传输方案，为海洋资源开发和海洋勘探提供技术支持。

五、研究计划1. 第一年：完成文献综述，建立声传播理论模型，并进行数值模拟分析；2. 第二年：进行实验室声波传播实验，收集数据并进行分析，探究不同参数对声波传播效率的影响；3. 第三年：整理数据，完善理论模型，提出声波传输方案，并撰写毕业论文。

六、研究难点海洋中尺度现象的研究是一个相对比较新颖的领域，其复杂性和深奥性是本研究的主要难点，同时实验室环境和仪器的调试也会面临一些挑战。

西北太平洋中尺度涡合成结构及其对声传播的影响
张旭东;丘仲锋;毛科峰;王鹏皓
【期刊名称】《海洋学研究》
【年(卷),期】2024(42)1
【摘要】中尺度涡普遍存在于大洋中并会对声传播产生影响。

利用2000—2018年AVISO卫星高度计资料和Argo浮标资料,通过涡旋合成方法构建了西北太平洋黑潮延伸体和亲潮延伸体海域中尺度涡的多年平均三维结构,对其垂直温、盐异常和声速特征进行分析,并采用Bellhop射线声学模型对中尺度涡背景下的声传播进行了模拟仿真。

结果表明:1)冷涡背景下,温度异常为负,盐度异常在上层为负,在下层为正,声速等值线抬升;暖涡背景下,温度异常为正,盐度异常在上层为正,在下层为负,声速等值线下沉。

2)冷涡背景下,声传播会聚区向声源方向偏移,会聚区宽度缩小;暖涡背景下,会聚区远离声源,会聚区宽度增大。

声会聚区宽度在黑潮延伸体海域较在亲潮延伸体海域更大,距离声源也更远。

3)冷涡背景下,声传播的反转深度变浅,暖涡背景下,反转深度加深;在黑潮延伸体海域,反转深度总体随经度增大而变浅,在亲潮延伸体海域则相反,反转深度随经度增大而变深。

【总页数】11页(P58-68)
【作者】张旭东;丘仲锋;毛科峰;王鹏皓
【作者单位】南京信息工程大学海洋科学学院;国防科技大学气象海洋学院
【正文语种】中文
【中图分类】P733.21
【相关文献】
1.黑潮延伸体邻近海区中尺度涡三维合成结构分析
2.南海东北部中尺度暖涡对声传播的影响
3.南海西部中尺度暖涡环境下汇聚区声传播效应分析
4.基于Bellhop的中尺度涡声传播特性分析
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南海北部中尺度涡流预报及应用王火平;郭延良;回贞立;于龙;胡筱敏;熊学军【期刊名称】《海洋工程》【年(卷),期】2022(40)4【摘要】南海北部海域是南海中尺度涡的高发区,该海区的多尺度动力过程及相互作用经常对海上工程安全造成重大影响。

针对“FPSO⁃119”海洋工程施工船在2021年5月8日20时左右遇到“怪流”后瞬时大幅度失位现象,在排除内波等其他海洋现象与外因影响的前提下,利用海表面高度异常(SLA)数据、HYCOM模式数据以及现场实测数据,分析认为“怪流”是施工海域内中尺度涡与潮流正向叠加所导致。

在此基础上,结合TPXO潮流预报数据,提出了一种将中尺度涡流与潮流矢量叠加的涡流预报方法,并通过FVCOM数值预报,对施工海域的中尺度涡流进行预报。

经过与现场实测数据的后报检验,该方法能够反映施工海域内涡流在未来2 d内的主要运动特征,可作为海上工程应对“怪流”的重要参考,在工程应用中结合内波流、风海流等其他信息综合考虑分析,可更好地为海洋工程和船舶航行等提供安全保障。

【总页数】10页(P137-146)【作者】王火平;郭延良;回贞立;于龙;胡筱敏;熊学军【作者单位】中海石油(中国)有限公司深圳分公司深水工程建设中心;自然资源部第一海洋研究所;海洋试点国家实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室;自然资源部海洋环境科学与数值模拟重点实验室【正文语种】中文【中图分类】P751【相关文献】1.南海北部台风和中尺度暖涡对近惯性振荡的影响2.南海北部M2内潮与中尺度涡能量的数值研究3.中尺度涡对南海北部全日内潮传播影响的数值模拟研究4.南海东北部中尺度暖涡对声传播的影响5.基于遥感的南海北部中尺度涡对内孤立波传播的影响因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

海洋中的“风暴”—中尺度涡海洋中的“风暴”—中尺度涡张志伟中国海洋大学海洋环境学院海洋当中有一种生命周期几十天，水平尺度上百公里，垂向影响深度可达几百米的涡旋，这种“天气尺度”的涡旋被称做“中尺度涡”。

与大洋环流这种“气候”尺度的海洋现象相比，中尺度涡是一种短暂而强烈的海洋信号。

它的“旋转速度”可到数米每秒，比大洋的特征流速高出一个量级；而它的生命周期与“气候”尺度的大洋环流相比显得十分短暂，只有几十天，这也是本文将其称之为海洋中的“风暴”的原因。

这种强烈的海洋信号，势必会对海洋的物理、化学以及生物环境造成不可忽视的影响。

首先是中尺度涡对海表温度(SST)的影响，气旋（反气旋）式的中尺度涡对应着低（高）的海面高度(SSH)（图1），在地转的作用下使海面海水辐散（辐聚），从而引起了下层（上层）海水的上升（下降）以作为补充，进而使海面呈现出低（高）的SST。

故而中尺度涡又有冷涡和暖涡之分，分别对应着气旋涡和反气旋涡。

中尺度涡对SST的影响不仅仅是由于它所引起的上升或下降流所造成的，另外一条途径是中尺度涡对背景SST的搅拌作用。

在海洋的锋面处SST的梯度非常大，在中尺度涡强烈的搅拌作用下，会将冷水带到暖水处，同样也会将暖水带到冷水的地方，这样便会产生SST的“冷丝”和“暖丝”。

中尺度涡影响了SST 后，会产生一系列的连锁效应，比如说它会改变了海气的热通量，这里不作详谈。

其次是中尺度涡对温、盐、粒子的输运作用，即所谓的涡输运（eddy flux）。

对温、盐、流等的平均背景场而言，中尺度涡是对背景场产生一种不规则的脉动，所产生的脉动流速与脉动温度（盐度、粒子密度）的共同作用，产生了所谓的涡的热（盐、粒子）输运。

相关研究表明，这种涡的输运作用与背景平流作用相比，不可忽略，而在西边界流及延伸体和南极绕极流海区，涡的输运作用更尤为显著[1,2]。

除了自身的旋转之外，中尺度涡还在不断地“迁移”。

从高度计上可以发现，大洋中的中尺度涡以与长Rossby波速相近的速度向西传播，这可能说明大洋中的中尺度涡正是非线性Rossby波的局地表现形式[3]。

中尺度涡的概念介绍中尺度涡（mesoscale eddies）是海洋中一种非常普遍存在的现象，指的是在海洋中以水团形式出现的旋涡结构。

这些旋涡具有相对较大的尺度（通常直径在10-200公里范围内），相对于大尺度的洋流系统而言，它们属于中尺度范畴。

中尺度涡在海洋中起着重要的动力学和生物学作用，对海洋生态系统的运行和物质交换具有重要影响。

形成机制中尺度涡主要由于各种力的作用而形成，例如风力、地转偏向力、海底拓扑、珊瑚岛等。

其中，海洋中的旋转（Rossby）波在中尺度涡形成过程中起着关键的作用。

通过水柱的纵向运动，Rossby波可以把的旋转能量向下传输，形成中尺度涡。

此外，潮汐、热量和盐分传输以及地形的变化也会对中尺度涡的形成产生一定影响。

特征中尺度涡具有以下的一些特征： 1. 形状：中尺度涡一般呈旋涡状，有时也可呈环状或半环状。

根据其旋转方向的不同，可以分为顺时针旋转的涡和逆时针旋转的涡。

2. 尺度：中尺度涡的尺度相对较大，通常直径在10-200公里之间。

3. 深度：中尺度涡的深度通常为几百米至一千米。

4. 持续时间：中尺度涡的持续时间不固定，可以从几天到几个月不等。

动力学作用中尺度涡对海洋的动力学过程有着重要的影响： 1. 混合：中尺度涡的旋转运动可以促使海洋中不同层次的水混合，导致热量、盐分和营养物质的交换。

2. 转运：中尺度涡可以带动水体和物质的转运，对物质的扩散、扩张和输送具有重要作用。

3. 动力过程：中尺度涡与海洋中的其它流动结构（如边缘流、暖流、冷涡等）进行相互作用，参与到海洋的大循环中。

生物学作用中尺度涡对海洋生态系统的运行和生物过程也具有重要影响： 1. 营养盐输送：中尺度涡可以将营养盐从深海输送到表层，并提供给浮游植物进行光合作用。

2. 生物聚集：中尺度涡可以在表层水团中形成较高的生物聚集，为海洋生物的生命周期和繁殖提供有利条件。

3. 物种分布：中尺度涡的形成和演化对海洋物种的分布和迁移产生一定影响。