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《中国科学院海洋研究所在遥感大数据驱动的内波传播预报方面获新进展》

  • 来源专题：中国科学院文献情报系统—海洋科技情报网
  • 编译者： liguiju
  • 发布时间：2021-03-22

  • 海洋内孤立波（简称内波）在海洋内部生成、传播和耗散，在全球海洋中分布广泛。目前已观测到的内波振幅最大可达240米，对海上作业平台、海洋生态、声呐探测等具有重要影响。内波的生成和传播随机性较强，其预报研究一直是难点问题。

    近日，中国科学院海洋环流与波动重点实验室、海洋大科学中心李晓峰团队在利用海洋遥感大数据和机器学习开展内波预报方面取得重要进展。基于多年、多源内波遥感观测数据，利用机器学习算法挖掘内波遥感大数据信息，实现了基于数据驱动的苏禄-苏拉威西海内波的传播预报，预报模型结果与遥感观测结果吻合较好。

    该研究构建的内波预报模型与传统理论模型和经验模型相比，不需要内波生成源、振幅等先验知识，并且精度更高。该研究基于机器学习开发的内波预报模型鲁棒性较强，模型中引入的误差不会导致预报结果产生较大偏移。

    海洋遥感领域旗舰期刊IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing(JCR Q1 top期刊，IF=5.855)以期刊封面形式发表报道了该项研究成果。该工作得到了中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金委项目等资助。

    该研究相关成果及链接如下：

    Xudong Zhang and Xiaofeng Li*, Combination of Satellite Observations and Machine Learning Method for Internal Wave Forecast in the Sulu and Celebes Seas, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 59(4), 1-11, 2020. doi:10.1109/TGRS.2020.3008067. https://ieeexplore.ieee.org/document/9142440

  • 原文来源：http://www.qdio.cas.cn/2019Ver/News/kyjz/202103/t20210318_5977870.html
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相关报告

  • 《中国科学院海洋研究所在风暴潮模拟预报方面取得新进展》
    • 来源专题：中国科学院文献情报系统—海洋科技情报网
    • 编译者：liguiju
    • 发布时间：2023-12-21
    • 风暴潮是我国近海灾害损失最严重的海洋动力灾害过程，准确模拟预报风暴增水对防灾减灾非常重要。中国科学院海洋研究所侯一筠、胡珀课题组通过在海洋数值模式中引入考虑波浪影响的风应力参数化方案，显著提高了山东沿海风暴增水的模拟精度，相关成果在海洋模拟学术期刊Ocean Modelling发表。 台风和寒潮期间，强风引起的海水异常升降，给沿海区域的人员和财产安全构成严重威胁。为减少风暴潮灾害风险，通常使用数值模式来预测风暴增水。山东沿海地区风暴潮灾害频繁，特别是冬春季的寒潮和夏秋季的北上台风期间，沿海地区会出现强烈的风暴增水现象。与东南沿海等开阔海域相比，山东近海的岸界和水深地形变化复杂，增加了风暴增水的模拟预测难度。 ADCIRC-SWAN耦合模式常用于模拟近岸的风暴增水和极值波浪，被广泛应用于科学研究和业务预报模式中。通过与实际观测对比，发现使用ADCIRC模式模拟的风暴增水存在系统误差，数值模拟结果偏小且在渤海区域尤甚，而使用耦合模式中的wave setup方案改进效果十分有限。研究发现，通过一种考虑波浪影响的风应力参数化方案来替代模式原有的单纯依赖风速的参数化方案，可以有效地纠正风暴增水的模拟误差。通过模拟评估发现，在渤海区域最大风暴增水的改进效果超过20%。研究进一步揭示这一改进的物理机制，渤海区域独特的海岸线形态特征对风浪演变和风应力增强具有重要影响：浅水渐变地形及限制性的的风区，导致风浪的成长不充分和向岸传播过程中的浅水效应，显著增加了海-气间的动量交换，从而导致风暴增水更强。目前ADCIRC模式中原有方案仅考虑风速，无法准确描述这一机制，因而低估了风应力和风暴增水的数值。 基于改进的动力模式技术，科研团队构建了山东沿海风暴潮-海浪耦合漫滩数值预测模型，局部最高分辨率为100米，模拟了两次典型强台风过程（波利和利奇马）过境莱州湾期间的海水淹没过程。研究发现，在忽略海堤防御作用的情况下，台风风暴潮会导致莱州湾沿岸大范围的海水淹没风险。研究还定量评估了风场驱动、波浪增强风应力等外部驱动因素对海水淹没的影响程度。 中国科学院海洋研究所李水清副研究员是论文通讯作者，李朝博士是论文第一作者，其他合作作者包括胡珀研究员、冯兴如研究员、莫冬雪助理研究员和自然资源部北海预报中心李健高级工程师，研究得到了国家自然科学基金等项目资助。 相关论文信息： Li Zhao, Shuiqing Li*, Po Hu, Xingru Feng, Dongxue Mo, Jian Li. 2023. Improving storm surge simulations by considering wave-steepness-dependent drag coefficient in the northern East China Sea. Ocean Modelling. doi: 10.1016/j.ocemod.2023.102283. Li Zhao, Shuiqing Li*, Po Hu, Dongxue Mo, Jian Li, Mei Du, Jie Yan, Yijun Hou, Baoshu Yin*. 2022. Numerical study of storm surge-induced coastal inundation in Laizhou Bay, China. Frontiers in Marine Science. doi: 10.3389/fmars.2022.952406.
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  • 《中国科学院海洋研究所在北太平洋海水涩度年代际变化研究方面取得新进展》
    • 来源专题：中国科学院文献情报系统—海洋科技情报网
    • 编译者：liguiju
    • 发布时间：2022-03-20
    • 近日，中国科学院海洋研究所张荣华研究团队在北太平洋涩度年代际变化及其气候效应研究方面取得新进展，首次从Argo观测资料中发现海水涩度信号存在一个完整的年代际循环过程。研究结果发表在学术期刊Advances in Atmospheric Sciences上。 众所周知，海水是咸的，其盐度和温度共同确定密度，又进一步决定海水压力从而控制海水的运动和变化。海洋中温度和盐度的分布、变化及其相互间关系涉及海洋热力学和动力学，一直是海洋科学研究的基本问题。之前的研究大多关注温度的作用，随着盐度观测资料的增多，学者们发现盐度在全球水循环、气候变率和可预报性等方面也起重要作用。海洋中存在两种类型的温盐关系，对应于不同的强迫和反馈过程，对密度等产生不同的影响和气候效应。一种是温盐变化对密度影响是非补偿性的，对密度产生显著的增强效应。这类温盐扰动主要反映了风场的强迫作用，主要反映在温跃层深度变化上，其信号在表层也较为明显(如在海面高度异常中有清楚地显现)，动力学上主要反映了行星波的波动过程(如向西传播的第一斜压罗斯贝波等)。另一种是温盐变化对密度的影响是相互补偿的，可引入涩度这一状态量来描述对海水密度相互补偿的温度和盐度变化现象，如暖而咸（或冷而淡）的海水具有高（低）的涩度，可通过等密度分析来具体定量估算，如在水团分析中经常用涩度来度量在给定的等密度面上海水有多涩（暖而咸）的程度，证实了温盐扰动对密度的影响具有相互补偿的特征。 已有分析表明，涩度信号具有很好的守恒性，便于追踪，是海水物理属性年代际尺度变化现象的一个载体，从而可用涩度来表征年代际时间尺度上温盐扰动所具有的清晰一致的结构特征和时空演变。但由于缺少观测资料，目前对涩度的认知还很有限，例如其时空结构和演变过程及其对海洋环境和气候的影响还不十分清楚；其在连接热带外与热带间充当年代际时间尺度上次表层海洋通道的作用还没有明确的观测证据，特别需要利用长期观测资料来更系统地刻画涩度信号的时空演变，认知其在热带外海洋过程对热带影响中的作用。 为此，张荣华研究团队利用Argo观测到的温度和盐度数据，研究了北太平洋涩度年代际异常及其在海盆尺度上的时空演变特征。利用等密度分析得到涩度变率的三维空间分布。首次发现北太平洋涩度变率存在一个完整的年代际循环过程，分别由一个暖而咸和一个冷而淡的过程所组成。其中暖而咸的涩度正异常信号在2007-2013年间从东北太平洋潜沉进入次表层，之后沿北太平洋副热带流涡顺时针向西南热带海区平流，于2014-2015年到达热带太平洋西边界海区，信号强度明显减弱。另一个海水特性相反的冷而淡的涩度负异常在2014-2020年间也有着类似的演变过程。进一步，通过追踪涩度年代际异常的平流轨迹，发现等密度面上流函数等值线可以充分显示出从东北太平洋露头区到热带西边界的潜沉通道。在海盆尺度上涩度信号演变和相位转换过程中，温跃层潜沉通道中的温度和盐度变化具有高度一致性，反映出对密度的补偿特性。此外，当涩度信号中心传到热带太平洋海区时对应于局地温盐结构的改变，从而产生远程的下游效应。如影响热带海区的层结和稳定度、上层海洋混合等动力过程，从而对热带海洋热力和动力场产生影响（包括海表温度）。这样在年代际尺度上，起源于东北太平洋潜沉过程的涩度信号，表现出沿北太平洋副热带流涡的传播特征和时空演变。另外，还发现南北太平洋中涩度信号传播特征和时空演变的差别。例如，在北太平洋副热带海区潜沉的涩度信号在25 kg m-3的等密度面上随平均环流运动，约5年后到达热带区域；而在南太平洋则只需要2年左右的时间，这种南北太平洋的不对称性和相对重要性可能导致热带海气变率特征的差异性。 当前关于太平洋热带外与热带间相互作用的研究较多地关注于大气过程，对海洋作用的研究比较匮乏。该研究通过分析由盐度效应所引入的涩度这个变量，发现温跃层中的涩度信号在等密度面上有较好的守恒性，反映了海洋中的气候信号长时间记忆能力。这种通过涩度年代际变率的识别及其传播路径的确定，揭示出热带外海洋与热带间存在一个海洋通道，这一潜沉通道的发现有助于阐释北太平洋热带外-热带间海洋过程相互作用和机制，为建立发生在北太平洋的太平洋年代际涛动（PDO）和发生在热带太平洋的ENSO之间的关联提供观测证据，对于解释ENSO的多样性和年代际变化等有重要意义。 该研究由中国科学院海洋研究所博士研究生周光辉和研究员张荣华（通讯作者）共同完成。研究成果获得中国科学院海洋大科学研究中心、青岛海洋科学与技术试点国家实验室、中国科学院第四纪科学与全球变化卓越创新中心、中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金等项目资助。 相关文章链接： Zhou, G. H., and R.-H. Zhang, 2022: Structure and evolution of decadal spiciness variability in the North Pacific during 2004–20, revealed from Argo observations. Adv. Atmos. Sci., https://doi.org/10.1007/s00376-021-1358-6.
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