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涡旋核心线是海洋中尺度涡旋结构的重要组成要素,涡旋核心线提取和可视化对于切入中尺度涡三维结构研究、开展海洋物质能量垂直运输分析具有重要意义。本文基于客观参考框架和准则,提出了使用客观化的流场参数得到区域,并提取其山谷线作为涡旋核心线的方法,实现了对海洋三维结构中尺度涡旋核心线的提取和可视化。首先,引入了最优局部参考系,使速度、速度梯度等测度转换为在运动的参考系下保持不变的客观量,提升了在海洋科学实践中的可靠性和实用性。其次,针对含有垂向速度的海洋三维流场数据,计算其空间雅可比矩阵,展示了涡旋核心区域的三维结构,实现了海洋涡旋研究从二维到三维的提升。最后,分别在多个半径大小播撒流线种子点,分析不同旋转方向的涡旋,对已提取的涡旋核心线实验结果进行验证,证明了客观海洋三维涡旋核心线提取方法的有效性及可行性。 相似文献
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本文结合二维流线可视化技术和中尺度涡旋识别技术,提出了3种中尺度涡旋时空连续可视化的方法:基于OW参数的涡旋可视化方法、基于栅格模板的涡旋可视化方法和基于矢量模板的涡旋可视化方法,这3种方法分别基于Okubo-Weiss算法、Faghmous的算法和Liu的算法来进行涡旋识别,同时将流场可视化的结果填充到涡旋内部,以获得更好的可视化效果。在可视化过程中本文引入了传输函数来对涡旋中的流线颜色和透明度进行实时交互,能够在控制界面上通过设置Key值点的颜色和位置来控制速度、涡度和OW参数等信息的显示效果。本文在性能和显示效果方面比较了3种方法的优劣。从性能上来讲,性能由高到低依次为:基于OW参数的涡旋可视化方法、基于栅格模板的涡旋可视化方法和基于矢量模板的涡旋可视化方法。从显示效果上来讲,基于OW参数的涡旋可视化方法在三者中最差,效果中有较多的杂乱的短线,同时涡旋边界较小,局限于涡旋核心区;基于栅格模板的涡旋可视化方法较第一种方法的显示效果有所提升,杂乱的短线较少,涡旋相对完整,但由于数据分辨率不够高的原因,在放大多倍后涡旋边界呈现锯齿状;基于矢量模板的涡旋可视化方法显示效果最好,涡旋完整、饱满。同时,因为首先进行了涡旋边界的重构,将涡旋边界矢量化,涡旋边界更加平滑。相对于传统长时间序列的涡旋可视化的方法而言,这3种方法提供了一个美观、动态和更富信息性的可视化方法,同时由于传输函数的加入,其可以成为科研人员研究涡旋的一个实用的工具。 相似文献
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随着海洋观测技术和海洋数值模拟技术的发展,海洋学家已经能够获取海量的时空连续的海洋数据。但目前人们对于三维海洋大数据缺乏高效的交互可视探索手段,因此,利用科学可视化技术展现海洋数据,以及更深一步地挖掘时空数据规律是建立对海洋大数据从感知到认知的关键技术桥梁。本文利用体绘制技术从传输函数特征点数量、特征颜色映射以及表现特征的线型三个方面,设计针对海洋温盐异常数据以及压力异常数据的传输函数标准形态模式,能够直观有效地表现海洋涡旋温盐和压力异常三维结构。本文优化了球面光线投射算法,在保证绘制质量的情况下,实现了大规模海洋三维涡旋实时交互展示;同时实现了三维数据的内部漫游功能,能够更加清晰且完整地表现局部海洋涡旋的三维结构。通过可视分析发现,处于黑潮延伸体附近的气旋涡(CE, Cyclone Eddy)温度异常呈“上正下负”的三维结构;由于涡旋引起的海水升降运动,部分反气旋涡(AE, Anticyclone Eddy)盐度异常呈现出“上正下负”的三维结构;相较于温盐异常结构,海洋涡旋压力异常结构轮廓更为清晰且不会出现上下不一致的情况。 相似文献
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海洋中尺度涡是一种常见的中尺度海洋现象,研究海洋中尺度涡的分布及运动特性对航运、气候、军事等具有重要作用,海洋中尺度涡的识别是海洋学和计算机科学领域的一个热门研究课题。运用深度学习的方法和框架,对中尺度涡的二维识别和三维结构构建展开研究分析。首先,获取全球海洋再分析数据并进行流线可视化,构建涡旋流线数据集;其次,利用YOLO v5s卷积神经网络对涡旋流线数据集进行训练,并对南海区域中尺度涡进行有效检测。实验结果表明,YOLO v5s训练后得到最优模型经过测试,平均检测精度均值达到了86.10%;最后,根据涡旋检测结果,对检测出的同时刻不同深度的涡旋判断是否属于同一涡旋,确定后进行该涡旋的三维结构构建。 相似文献
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中尺度涡是海洋物质循环和能量传输的重要载体,针对海洋中尺度涡自动探测问题,基于涡旋的物理特征海表面高度异常,结合涡旋的流场几何特征构建了一套海洋涡旋自动探测算法。采用法国AVISO分布的海表面高度异常数据和地转流异常数据,将所构建的算法应用于南海中尺度涡旋探测。为对混合识别算法的涡旋探测结果进行评估,将人工检测的方法从表面速度矢量场中得到的涡旋中心作为真实涡旋中心进行精度验证。结果表明：混合识别算法的探测成功率SDR为91.7%,误判率EDR为7.63%,可以实现对海洋中尺度涡旋的自动探测,为研究海洋中尺度涡的时空分布特征提供数据支持。 相似文献
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中尺度涡旋是海洋中典型的中尺度现象,是海洋中能量传递的运输者,中尺度涡识别与提取是物理海洋学研究的重要内容之一,而中尺度涡自动发现算法是最基础的用于寻找与分析中尺度涡的工具。中尺度涡旋探测工作的数据来源主要为卫星高度计数据融合出的SLA数据,该数据可以客观的描述海洋表层高度状态。中尺度涡表示为SLA闭合等值线所包围的局部等值区域,涡旋识别需要从SLA数据中提取出稳定的闭合等值线结构。针对基于SLA数据中的中尺度涡探测的特点,本文提出了一种新的基于聚类方法的中尺度涡自动识别算法,通过对SLA数据集的分割与筛选将中尺度涡区域与背景区域分离,后建立区域内联系并将其映射到SLA地图上来提取中尺度涡结构。本文算法解决了传统探测算法中参数设定的敏感性问题,不需要进行稳定性测试,算法适应性增强。算法中加入了涡旋筛选机制,保证了结果的涡旋结构的稳定性,提高了识别准确率。在此基础上,本文选取了西北太平洋及中国南海地区进行了中尺度涡探测实验,实验结果展示出了本文算法在较传统算法提高算法效率的同时,也保持着较高的算法稳定性,可以在稳定识别各个单涡结构的同时识别稳定的多涡结构。 相似文献
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基于GIS 的南海中尺度涡旋典型过程的特征分析 总被引：2，自引：0，他引：2
以具有复杂时空演变过程的海洋中尺度涡旋为研究对象,以定量表达和组织涡旋典型过程案例为前提,基于Global NLOM(Naval Research Laboratory Layered Ocean Model)所得的SSH(Sea Surface Height)、SST(Sea Surface Temperature)和表层海流场,对海洋中尺度涡旋进行综合辨认和动态跟踪。以南海为例,通过提取涡旋典型过程中的典型状态,建立中尺度涡旋典型案例库。然后以库中所有过程案例为对象对涡旋进行GIS(Geographic Information System)时空特征分析。所得结果为:(1)南海中尺度涡旋整体上呈东北-西南向分布,涡旋水平移动速度为3~16 cm/s,平均速度为8.4 cm/s。(2)大部分涡旋向西移动。春夏季涡旋主要向西北方向移动,秋冬季涡旋主要向西南方向移动。(3)南海东北部涡旋主要集中在9~10月以及次年的1~2月发生,涡旋先向西北方向移动,后又转向西南方向移动,大部分中尺度涡旋不能西移太远。南海中部气旋涡主要发生在冬、春两季。一部分涡旋沿陆坡向西南运动,其中一些反气旋涡沿南海海盆向西运动。南海东南部在研究期内只有反气旋涡出现,向西或西北偏西运动,这里的涡旋比较弱,但移动距离较长,也有较长的生命周期。南海西南部夏季出现的涡旋多于冬季,且夏季的绝大部分涡旋以偶极子结构出现,该区域涡旋移动的距离较小。该研究引入GIS技术,基于大量时空数据对具有复杂时空特征的中尺度涡旋的信息进行组织、存储,以期通过对涡旋生消过程的时空分析来揭示其演变规律,为进一步研究海洋涡旋的空间推理预测奠定了坚实的基础。 相似文献
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海洋中尺度涡在本质上是属于满足准地转平衡的大尺度运动,因此理论上,其在短时间内的运动将主要受到准地转平衡关系的约束,而外部强迫场的影响在短期内不会明显改变其运动特征。基于上述思想,我们提出了一种基于四维变分同化初始场的中尺度涡旋预报方案。为了检验该方案的可行性,本文使用区域海洋模式(regional ocean modeling system, ROMS)和其内建的增量强约束四维变分同化(incremental strong constraint four dimensional variational, I4D-Var)模块,建立了一个南海海洋同化模拟系统。首先,通过I4D-Var方法将AVISO卫星高度计资料同化到海洋数值模拟中,获得了理想的中尺度涡同化模拟结果。同化、模式模拟和观测三者的中尺度涡统计结果表明,该同化系统模拟的南海中尺度涡的路径、半径、海表高度异常和振幅等特征信息与AVISO(Archiving ValidationandInterpolationofSatelliteOceanographicData)观测结果高度吻合,同时在深度上的分析表明,涡旋对应的温度、盐度和密度均得到有效的调整。然后,将该同化系统的模拟结果做为初始场,对某一特定时段的南海中尺度涡进行了后报模拟和结果的定量化分析。通过比较后报模拟与观测资料中对应涡旋的海表面高度异常(sea surface height anomalies, SSHA)相关系数、涡心差距和半径绝对误差,证明该方案的中尺度涡后报时效至少可达10 d以上。后报实验结果验证了该中尺度涡预报方案的可行性,从而为中尺度涡的预报提供一定的理论基础和可行性方案。 相似文献
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冬季南海北部中尺度涡旋的数值研究 总被引：12，自引：1，他引：12
南海环流的一个主要特征是上层海洋环流具有多涡结构,海洋中尺度涡旋的演变(时间上的生消和空间上的迁移)是南海环流季节调整的可能方式。文中依据卫星遥感海面高度资料和实际海洋观测所揭示的南海北部存在中尺度涡旋体系的基本事实,采用一个改进了涡分辨(eddy-resolving)普林斯顿海洋模式(POM),对冬季处于强盛的东北季风强迫以及黑潮在巴士海峡入侵的共同作用下的南海北部环流的中尺度涡旋体系进行了数值研究,初步再现了冬季南海北部中尺度涡的生命史。计算结果表明,在实际的气候冬季风应力驱动下,具有的实际侧边界地形的南海北部呈现有强烈的中尺度涡旋。文中探讨了中尺度涡的垂直结构、温盐场的配置以及大尺度水平辐合辐散、海洋垂直运动与之相关的时空结构。由此可以得知,在冬季南海北部中尺度涡旋生命史的不同阶段,上述动力学因子的重要性是相对的。不同的敏感性试验表明,斜压调整是形成冬季南海中尺度涡旋体系的决定性因子;边界的入流和风应力驱动是影响中尺度涡旋运动的主要因素。 相似文献
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Lin Liang-Fu Hsu Ho-Han Liu Char-Shine Chao Kuo-Han Ko Chia-Chun Chiu Shye-Dong Hsieh Hsin-Sung Ma Yu-Fang Chen Song-Chuen 《Marine Geophysical Researches》2019,40(4):619-633
Marine Geophysical Research - Strong ocean current influences a marine seismic survey and forces the streamer off-course from the survey line. The sideway drift of the streamer results in that the... 相似文献
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Studying complex pore structures is the key to understanding the mechanism of shale gas accumulation. FIB-SEM (focused ion beam-scanning electron microscope) is the mainstream and effective instrument for imaging nanopores in gas shales. Based on this technology, 2D and 3D characteristics of shale samples from Lower Silurian Longmaxi formation in southern Sichuan Basin were investigated. 2D experimental results show that the pores in shale are nanometer-sized, and the structure of those nanopores can be classified into three types: organic pores, inorganic pores and micro fractures. Among the three types, organic pores are dominantly developed in the OM (organic matter) with three patterns such as continuous distributed OM, OM between clay minerals and OM between pyrite particles, and the size of organic pores range from 5 nm to 200 nm.Inveresly, inorganic pores and micro fractures are less developed in the Longmaxi shales. 3D digital rocks were reconstructed and segmented by 600 continuous images by FIB cutting and SEM imaging simultaneously. The pore size distribution and porosity can be calculated by this 3D digital core, showing that its average value is 32 nm and porosity is 3.62%.The 3D digital porosity is higher than its helium porosity, which can be regarded as one important parameter for evaluation of shale gas reserves. The 2D and 3D characterized results suggest that the nanometer-sized pores in organic matter take up the fundamental storage space for the Longmaxi shale. These characteristics have contributed to the preservation of shale gas in this complex tectonic area. 相似文献
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Based on recent experiments carried out in wave basin on breakwaters with armour layer of rocks and cubes, this paper examines the dependence of the reflection coefficient on wave directional spreading and obliquity. Results suggest that long-crested and short-crested waves give similar reflection. The reflection coefficient is markedly dependent on the wave angle of incidence. The performance of formulae available in the literature is checked against the new dataset and a significant improvement is proposed by including the wave obliquity factor that appears in the traditional expression for the overtopping discharge. 相似文献
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建立宽浅河道与管道水流的二、三维嵌套的数学模型,对基本的控制方程、方程的数值离散格式和求解方法、嵌套连接和初始边界条件等问题进行研究.利用上述方法对某工程实例进行计算,在宽广水域上给出了水力要素的平面分布,在复杂边界强三维流动的计算区域得到其三维运动特性.计算结果与实验资料进行了比较,两者吻合较好,说明嵌套连接的二、三维数学模型是解决某些实际工程问题的一种可靠的和有效的工具. 相似文献
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Predictions of nearshore and surf zone processes are important for determining coastal circulation, impacts of storms, navigation, and recreational safety. Numerical modeling of these systems facilitates advancements in our understanding of coastal changes and can provide predictive capabilities for resource managers. There exists many nearshore coastal circulation models, however they are mostly limited or typically only applied as depth integrated models. SHORECIRC is an established surf zone circulation model that is quasi-3D to allow the effect of the variability in the vertical structure of the currents while maintaining the computational advantage of a 2DH model. Here we compare SHORECIRC to ROMS, a fully 3D ocean circulation model which now includes a three dimensional formulation for the wave-driven flows. We compare the models with three different test applications for: (i) spectral waves approaching a plane beach with an oblique angle of incidence; (ii) monochromatic waves driving longshore currents in a laboratory basin; and (iii) monochromatic waves on a barred beach with rip channels in a laboratory basin. Results identify that the models are very similar for the depth integrated flows and qualitatively consistent for the vertically varying components. The differences are primarily the result of the vertically varying radiation stress utilized by ROMS and the utilization of long wave theory for the radiation stress formulation in vertical varying momentum balance by SHORECIRC. The quasi-3D model is faster, however the applicability of the fully 3D model allows it to extend over a broader range of processes, temporal, and spatial scales. 相似文献
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In this study, 1D and 2D shallow-water models were coupled to simulate unsteady flow in channel networks and embayment. The 1D model solved the 1D shallow-water equations (St. Venant) using the Preissmann box method and targeted long narrow reaches of the river networks, while the 2D model targeted broad channels and embayment and solved the 2D shallow-water equations using a semi-implicit scheme applied to an unstructured grid of triangular cells. The 1D and 2D models were solved simultaneously by building a matrix for the free surface elevation at every 1D junction and 2D cell center. Velocities were then computed explicitly based on the results at the previous time step and the updated water level. The originality of the scheme arose from a novel coupling method. The results showed that the coupled 1D/2D model produced identical results as the full 2D model in classical to benchmark problems with considerable savings in computational effort. Application of the model to the Pearl River Estuary in southern China showed that complex patterns of tidal wave propagation could be efficiently modeled. 相似文献
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In addition to reducing the incoming wave energy, submerged breakwaters also cause a setup of the sea level in the protected area, which is relevant to the whole shadow zone circulation, including alongshore currents and seaward flows through the gaps. This study examines such a leading hydraulic parameter under the simplified hypothesis of 2D motion and presents a prediction model that has been validated by a wide ensemble of experimental data. Starting from an approach originally proposed by Dalrymple and Dean [(1971). Piling-up behind low and submerged permeable breakwaters. Discussion note on Diskin et al. (1970). Journal of Waterways and Harbors Division WW2, 423–427], the model splits the rise of the mean water level into two contributions: one is due to the momentum flux release forced by wave breaking on the structure, and the other is associated with the mass transport process. For the first time, the case of random wave trains has been explicitly considered. 相似文献