海洋环境适应性保障技术研究进展.pdf
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1、42卷海洋通报http:/海洋环境适应性保障技术研究进展刘敬一1,2,过武宏1,2,崔宝龙1,2,刘昆3,胡慧琴2,夏浩峰1,2,笪良龙1,2(1.海军潜艇学院,山东青岛266199;2.青岛海洋科学与技术试点国家实验室,山东青岛266237;3.山东大学(青岛校区),山东青岛266237)摘要:原位观测是海洋环境观监测与安全保障的基础手段,对提升海洋环境时空变化规律的认识和数值预报水平起着至关重要的作用。但是实施基于原位观测的海洋环境保障措施存在覆盖范围有限、观测成本高昂,以及非常时期实施困难等问题。随着海洋强国战略的深入推进,未来国家海洋利益空间将不断拓展,海洋环境保障的立体性、复杂性、未
2、知性将不断增强,这对系统化、信息化、智能化的海洋环境保障提出了更高要求。当前有效解决方案之一是通过实施环境适应性保障对有限的原位观测资源布局进行优化设计,最大化海洋环境观测网建设效益。本文系统介绍了美国海军在海洋环境适应性保障建设方面的成果与经验,通过海上试验展现了实施海洋环境适应性保障措施的必要性和优越性,随后梳理了高分辨率海洋水文环境数值模拟技术、海洋水文环境适应性观测敏感区诊断技术、无人移动平台协同组网观测技术及无人移动平台观测资料同化技术等海洋环境适应性保障建设涉及的关键技术及其发展现状,最后总结了我国在海洋环境适应性保障建设方面的研究进展。作为一项复杂的系统工程,海洋环境适应性保障将
3、有助于颠覆传统海洋环境保障模式,牵引我国海洋环境保障装备发展,推动相关研究领域理论和技术进步,对我国海洋环境保障体系建设产生深远影响。关键词:原位观测;数值预报;观测网建设;海洋环境适应性保障中图分类号:P714+.3文献识别码:A文章编号:1001-6932(2023)04-0456-13Doi:10.11840/j.issn.1001-6392.2023.04.009收稿日期:2021-12-23;修订日期:2022-05-18基金项目:军科委基础计划加强重点基础研究项目(2019-JCJQ-ZD-149-00);国家自然科学基金(41906005;41705081)作者简介:刘敬一(19
4、92),博士研究生,助理研究员,主要从事海洋环境保障技术研究,电子邮箱:jyliuqnlm.ac通信作者:笪良龙,博士,教授,电子邮箱:da_Advances in research on the development of marine environmentadaptability guarantee technologyLIU Jingyi1,2,GUO Wuhong1,2,CUI Baolong1,2,LIU Kun3,HU Huiqin2,XIA Haofeng1,2,DA Lianglong1,2(1.Navy Submarine Academy,Qingdao 266199,C
5、hina;2.Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology(Qingdao),Qingdao 266237,China;3.Shandong University(Qingdao),Qingdao 266237,China)Abstract:As a fundamental tool for marine environmental guarantee,in-situ observation facilitates our understanding oftemporal-spatial changes in marin
6、e environment and improves the accuracy of numerical forecasting.However,marineenvironmental guarantee based on in-situ observation has limited coverage,incurs high costs,and is difficult to be carried outin harsh weather conditions.As China strives to become a strong maritime country and its mariti
7、me interests expand,it willbe faced with greater complexities and uncertainties in marine environmental guarantee,which demands a more intelligentsystem.A current effective solution is to improve the layout of the limited in-situ observation resources through environmentaladaptive guarantee,to maxim
8、ize the benefits of marine environment observation networks.This paper introduces theachievements and experiences of the US military in marine environmental guarantee,and demonstrates the necessity andadvantages of such guarantee through marine experiments.The paper then sorts through key technologi
9、es of marineenvironmental adaptive guarantee and their development status,including high-resolution numerical simulation technology,sensitive area identification technology,collaborative unmanned mobile platform-network observation technology,and海洋通报MARINE SCIENCE BULLETIN第42卷第4期2023年8月Vol.42,No.4Au
10、g.20234期http:/observation data assimilation technology of unmanned mobile platform,etc.Finally,this paper summarizes the research progressof China in marine environmental adaptive guarantee.Marine environmental adaptive guarantee will challenge the traditionalmodel,facilitate the development of Chin
11、as marine environmental guarantee equipment,promote theoretical and technologicalprogress in related fields,and insert a profound impact on the construction of Chinas marine environmental guarantee system.Keywords:in-situ observation;numerical prediction;observation network construction;adaptability
12、 guarantee ofmarine environment受初始条件不确定性影响,海洋的可预报性有限1。海洋声学耦合非线性动力系统的研究结果进一步表明,海洋水文环境初始条件的不确定性将以高度非线性的方式转化为不确定的声学传播特性,会严重影响声呐性能预测能力,进而影响水下声学传感器效能的发挥2,目前可以通过观测手段降低海洋水文环境初始条件的不确定性。在诸多海洋水文环境观测手段中,海洋原位观测作为认识海洋的基本手段,是开展海洋科学研究的重要支撑,在海洋水文环境模拟与预测和海洋物理现象运动规律与机制研究等领域发挥着关键作用3-4。然而海洋水文环境原位观测投入巨大、费时费力、实施困难,致使传统的海
13、洋环境保障模式无法满足日益深入的海洋环境研究与保障应用需求,主要体现在以下两方面:一是海洋水文环境观测平台和资源有限,大范围、高密度现场观测成本高昂;二是受水体运动影响,关注海区与需要增加观测的海区(在该海区增加观测后,对关注海区预报不确定性降低的贡献最大)在空间位置上通常存在差异,基于非动力诊断方法的传统海洋环境保障模式对于提高关注海区的环境预报质量贡献有限,观测数据的使用效果一般5。针对上述问题,美国海军提出了海洋环境适应性保障的概念,此概念作为地球科学研究领域中“适应性观测”理念在军事应用领域的延拓,主要涉及数值预报、优化分析、环境观测、资料同化等多项技术,为提高海洋环境保障的可靠性和适
14、应性,降低环境保障的不确定性提供了新的手段。本文以美国海军在海洋环境适应性保障建设过程中取得的经验为例,通过介绍海洋环境适应性保障信息流程和试验应用情况,突出海洋环境适应性保障的优势和发展潜力,并围绕其中涉及的关键技术发展现状,我国取得的研究进展、现存问题及发展前景等内容展开讨论。1美国海军海洋环境适应性保障建设美国海军海洋环境保障的目标是通过对环境的完美掌握、降低任务计划和实施中因环境因素引起的不确定性,为实现其在战术上的目标提供便利,为此美国海军将降低不确定性作为其海洋环境保障产品的基本要素,并资助了一批海洋环境不确定性相关的研究6。21 世纪初,美国海军研究办公室(Office ofNa
15、val Research,ONR)提出不确定性捕捉研究计划(Capturing Uncertainty DRI),在快速环境评估系统(Rapid Environmental Assessment,REA)基础上,发展了适应性快速环境评估系统(AdaptiveRapid Environmental Assessment,AREA)7。这是一个随着自主海洋采样网络(Autonomous OceanSampling Network,AOSN)8技术出现而发展起来的自适应采样概念,其核心思想是将有限的保障资源整合到海洋环境的不确定性对军事行动影响最大的海域,最大程度降低不确定性所带来的损失,旨在提升海
16、洋环境适应性保障能力,降低声呐性能估计的不确定性。AREA 系统的信息流程如图 1 所示:首先,分别基于 HOPS(Harvard Ocean Prediction System)海洋预报模型和底质模型,通过数据库数据和观测数据生成声速剖面集合和海底底质集合,同时利用声层析和地声反演等手段进一步丰富环境样本集合,一方面用来表示海洋水文环境和海底底质环境预报的不确定性,另一方面作为声传播模型的输入,得出声学环境预报的不确定性;其次,通过误差子空间统计估 计 方 法(Error Subspace Statistical Estimation,ESSE),将环境预报的不确定性估计定量转换为概率分布函
17、数(Probability Distribution Function,PDF);再次,在综合考虑环境预报的不确定性和行动约束等信息的基础上,通过优化算法得出环刘敬一 等:海洋环境适应性保障技术研究进展45742卷海洋通报http:/境观测资源的最优配置方案,并调动REA资源在环境预报不确定性大的区域实施快速观测;最终,同化快速观测得到的环境数据,降低环境预报的不确定性。目前经过GOATS2000(Generic Oceanographic Array Technology Systems,2000)、FAF05(Focused Acoustic Forecasting Experiment,
18、2005)、MB06(Monterey Bay Experiment,2006)等海上试验的验证,AREA 系统可以充分利用水下滑翔机、自主式水下航行器(Autonomous UnderwaterVehicles,AUVs)等无人移动平台的机动性进行适应性采样观测,最终将自适应最优位置观测得到的信息同化海洋和声学模型耦合的数值模式信息,实现环境观测、海洋预报、声学评估和作战决策等功能模块的有机结合,从而完成对作战海区快速、高效、集约的环境保障,详细的试验情况参见表1。试验名称GOATS2000MREA03AOSN-FAF05MB06BP07QPE2008、2009地点地中海地中海蒙特雷海湾地中
19、海蒙特雷海湾地中海台湾东北海域试验成果基于HOPS预报系统,耦合声呐性能模型,比较了AUV不同观测路径对声学环境的预报改善效果,结果表明,AREA系统通过优化AUV观测路径进行环境观测可显著改善声呐性能预测结果。针对AREA系统中的多尺度海洋环境实时预报技术,面向多物理场耦合、多网格嵌套的 HOPS预报系统开展校准、验证和训练,有效减小了多尺度海洋过程实时预报的不确定性,提高了AREA系统应用于战术决策辅助的能力。利用滑翔机、AUV、浮标观测、走行观测等手段进行适应性采样,同化 HOPS、NCOM、JPL/ROMS 等预报系统结果,结果表明AREA系统可有效预报海洋中的上升流过程和强度。基于耦
20、合的海洋声学集合预报结果,实时规划 AUV 的观测路径,利用AUV对温跃层进行最优的观测,成功捕捉到温跃层日变化特征,降低了传播损失预报结果的不确定性,实现了AREA系统算法和软件的实时实现与试验验证。首次将声场预报与海洋环境预报实时联系起来,分别基于RAM和射线声学传播模型,验证了AREA系统在保障低频场景(1 kHz以下)和高频场景(1 kHz以上)下声学环境的实时性和有效性。基于海洋集合预报技术,耦合RAM声学模型,首次在海上实时开展方位和距离相关的声学环境预报,证实了AREA系统可提供更可靠的24 h声场预报信息。量化了基于MIT-MSEAS的海洋环境预报的不确定性大小和空间分布,其中
21、温度预报不确定性为1.25,盐度预报不确定性为0.12,声传播预报不确定性可达1015 dB;发现了台湾海峡处的海洋水文环境预报的不确定性会影响下游海区对低频声传播的估计,这种不确定性的传递距离长达100多公里;而受非线性内波影响,台湾海峡海底峡谷处的海洋水文环境不确定性很强。资料来源参考文献7,14参考文献15参考文献16参考文献13,17参考文献18参考文献19-20参考文献10-12表1美国海军海洋环境适应性保障试验情况图1AREA系统结构图(译自参考文献13)海洋数据库海洋预报模型现场或遥感观测数据声学观测数据底层数据库现场观测数据声学观测数据优化分析声层析底质模型优化分析地声反演海底
22、底质合集胜诉剖面集合声传播模型行动约束海洋模式与数据同化海底底质模式AREA优化算法REA资源4584期http:/在不确定性捕捉研究的基础上,ONR进一步提出了量化、预测和利用不确定性研究计划(Quantifying,Predicting and Exploiting Uncertainty,QPE DRI),该计划整合了海洋声学耦合建模、多学科数据同化和无人自主观测平台等方面的研究成果,发展了全新的预报系统MIT-MSEAS(MassachusettsInstituteofTechnology-MultidisciplinarySimulation,Estimation,and Assim
23、ilation System),旨在量化、预判海洋环境预报的不确定性,评估不确定性对东海复杂环境中低频(1001 000 Hz)声传播预测的影响。在该计划资助下,美国和中国台湾地区的研究人员分别于2008年9月及2009年 8 月,在台湾东北部陆架和陆坡海区开展了QPE系列试验。在试验期间,MIT-MSEAS预报系统实时量化该试验海区海洋水文环境预报不确定性的大小和空间分布情况,并通过卫星通信的方式引导试验人员在不确定性大的海区实施现场观测,最终将观测数据实时回传给预报系统进行数据同化,结果表明:通过这种方式能够提高预报系统实时预报的准确性,降低预报的不确定性9-10。基于试验数据,研究人员进
24、一步分析了不确定性在海洋水文环境与声学环境之间的传递规律,结果表明:台湾海峡处海洋水文环境预报的不确定性会影响超过下游100 km以外海区低频声传播特性的估计,其中对陆坡海区低频声传播特性的影响大于对陆架海区低频声传播特性的影响11;受非线性内波影响,台湾海峡海底峡谷处的海洋水文环境存在很强的不确定性12。2海洋环境适应性保障涉及的关键技术2.1高分辨率海洋水文环境数值模拟技术海洋环境适应性保障的基本环节是海洋水文环境观测,本质问题是海洋水文环境观测方案的优化设计,其基础在于对海洋水文环境的模拟与预测,基本手段是数值模式。张坤等3综述了数值模式作为工具在海洋观测设计中发挥的重要作用:早期海洋观
25、测设计的理论基础主要来自人们对海洋的认识及相关的经验和直觉,通常考虑诸如海洋环流结构、海底地形、观测难度与费用等因素的影响,这样以经验和直觉为基础开展观测设计的方法较为主观,具有一定的局限性;而数值模式作为定量描述海洋现象及其变化的数值模型,能够综合考虑海洋动力过程、物理机制以及多尺度因素之间相互作用,可以客观地描述海洋多尺度现象的发生与发展,是目前开展海洋水文环境观测方案设计的重要工具,这种以数值模式结果为基础开展观测设计的方法具有明显的优势和广阔的发展前景。高分辨率是未来海洋数值模式的发展趋势,更是实施海洋环境适应性保障的重要支撑。美国海军在海洋环境适应性保障建设中,通过网格嵌套的方式使得
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- 海洋环境 适应性 保障 技术研究 进展
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