基於淺海聲層析的多源海洋觀測數據同化方法研究

《基於淺海聲層析的多源海洋觀測數據同化方法研究》是依託中國海洋大學，由林巨擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於淺海聲層析的多源海洋觀測數據同化方法研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：林巨
• 依託單位：中國海洋大學

中文摘要

如何有效地從淺海聲層析數據中提取海洋環境信息一直是海洋科學研究關注的熱點，以往的研究注重採用反演方法獲取海洋流速場或溫度場信息，難以從具有空間積分特性的聲信息中提取高解析度的環境信息。同化方法則可以彌補觀測數據時空解析度較大的缺點，已廣泛套用到大氣和海洋研究中，但基於淺海聲層析的多源海洋觀測數據同化方法研究一直滯後。本課題擬採用集合卡爾曼濾波同化方法，利用射線理論與簡正波理論推得的聲傳播數據與海洋流速場、溫度場關係，並結合潮汐水位觀測、溫度觀測等海洋觀測數據，利用不同觀測數據的各自優勢，進行多源數據的同化方法研究，分析不同觀測數據間的兼容性，分析、比較不同來源的海洋觀測數據的同化性能，對淺海三維環境下的流速場和溫度場信息進行分析和預報。並根據海洋環境信息預報的特點，進行適應性觀測研究，通過在預報時刻針對關注敏感區，定位相應的觀測敏感區，進行強化觀測，提高模型預報性能。

結題摘要

如何有效地從淺海聲層析數據中提取海洋環境信息一直是海洋科學研究關注的熱點，以往的反演方法可獲取海洋環境信息，但解析度較低。同化方法則可以彌補解析度不夠的缺點，但基於淺海聲層析的多源海洋觀測數據同化方法研究一直滯後。採用集合卡爾曼濾波（EnKF）同化方法，利用聲傳播數據與海洋環境場關係，結合水位、溫度觀測等多源數據，進行淺海聲層析數據的同化方法研究。進行適應性觀測研究，分析不同觀測數據和觀測站位的同化性能。 具體研究如下： 淺海海洋環境參數擾動與聲傳播特性時空不確定性關係：研究聲信號對環境擾動變化的敏感性，可用於聲學採樣策略最佳化；採用SVD方法，研究了聲學數據與溫鹽數據的時空變化特性間關係，可用於聲學信號特徵的有效提取。 聲傳播特性表征-射線穩定性參數：分析射線穩定性參數基本特性，研究了射線穩定性參數與海洋環境參數變化間的相互聯繫，為聲傳播特性表征、聲學反演提出了一種新的可能性。 聲層析算法研究：採用Helmholz分解理論，在不同邊界條件下，進行潮流場聲學重建；採用結合EOF方法的模態匹配方法，進行溫度場聲學重建。反演結果與同步海洋觀測數據吻合。 聲層析觀測斷面優選方法研究：針對流場重建，結合集合卡爾曼濾波方法，分析了聲傳播斷面位置與流場重建誤差時空變化間關係，可用於聲層析觀測方案最佳化。 多源海洋觀測數據同化方法研究： 基於POM模型，採用EnKF方法，開展淺海聲層析數據的三維同化方法研究，極大改進同化後潮流場的垂直結構； 基於Blending方法和EnKF方法，開展不同觀測數據和觀測站位對同化結果的影響研究，結果表明水位觀測站位位置極大地影響著同化結果，東、黃海東部觀測站位的同化效果較優；溫度觀測站位的同化影響範圍大於水位觀測。 利用EnKF方法獲得的協方差矩陣時空變化信息，可更有效地分析和判斷同化效果，協方差矩陣跡的時變特性可用於觀測數據的有效篩選；多源數據同化效果更優，尤其是同化聲學數據，有利於同化模型運行穩定性和有效性。 淺海孤立內波傳播特性：基於MITgcm模型，研究了青島近海環境下孤立內波傳播規律，結果表明在適當溫躍層條件下，會發生內波極性反轉。 被動聲層析方法初步研究：分析海洋環境噪聲時間互相關函式與格林函式間關係，進行了基於海洋海洋環境噪聲的聲學反演方法研究，獲得了良好的水聽器陣陣型和海底分層信息，可用於海洋環境參數反演。