基于沿海声层析方法的人工上升流的同步观测研究

Artificial upwelling can improve the marine environment, increase carbon sequestration, benefit the fishery resources, curb global warming and reduce natural disasters. Artificial upwelling is one popular and leading-edge topic in marine science recently. Nowadays, Long sequences observations and modeling of artificial upwelling area is the key research direction in artificial upwelling. Compared with the traditional methods of ocean observation, ocean acoustic tomography can carry out wide-range and long-term simultaneous observation with much less equipment. The utilization of ocean acoustic tomography technology shall provide great potential advantages and applications. This project utilizes coastal acoustic tomography observation technology to provide long sequences observation and marine environment simulation of the artificial upwelling area. The main contents include: According to the characteristics of shallow-water, the inversion method of coastal acoustic tomography in artificial upwelling area will be studied; The data assimilation method of coastal acoustic tomography will be studied using ensemble Kalman filter algorithm; The simultaneous observation of the artificial upwelling area will be carried out based on acoustic coastal tomography technology, and the experimental data will be analyzed. The project is indicated to reveal the distribution and evolution mechanism of flow field and temperature field in artificial upwelling area, and enhance China's ocean monitoring, which will provide sufficient technical support for research of artificial upwelling and offer important scientific and engineering application value.

人工上升流能改善海洋生态环境，增加碳汇，增殖渔业资源，对抑制气候变暖和海洋自然灾害有一定作用。人工上升流是近年来海洋科学领域的研究热点与前沿课题，人工上升流区的长时间序列观测和模拟研究则是人工上升流研究的重点。与传统海洋观测手段相比较，海洋声层析技术能够运用较少的仪器开展大范围的长期同步观测，具有潜在的优势和应用前景。本项目采用沿海声层析这一先进的观测技术对人工上升流区开展长时间序列观测和海洋环境模拟研究。主要研究内容包括：针对浅海环境的特点，开展人工上升流区声层析反演方法研究；采用集合卡尔曼滤波算法，开展声层析数据同化方法研究；利用多台沿海声层析系统对人工上升流区进行现场同步观测试验，并对数据进行分析。本项目将探明人工上升流的流场和温度场的分布规律和演化过程，对人工上升流的科学研究起到技术支撑的作用，同时提升我国海洋监测水平，具有重要的科学意义和工程应用价值。

人工上升流可改善海洋生态环境，增殖渔业资源，还可提高海洋碳汇能力，对抑制气候变暖及海洋自然灾害产生作用，也是近年来的研究热点与前沿课题。国内外关于人工上升流的流速和温度分布规律及演化机制等研究较少。本项目围绕基于声层析技术的人工上升流区流场及温度场观测，主要研究内容如下：. 一是声层析理论及反演方法研究。结合现有海洋声层析及沿海声层析相关理论，本项目开展了多次实验室及海上试验，针对人工上升流区温度场、流场观测特点优化了声层析反演方法，提出了一种站位距离矫正方法来解决短距离声层析观测实验的站位漂移问题。. 二是数据同化理论研究。本项目对数据同化方法进行了理论研究，采用基于随机动力预测理论的集合卡尔曼滤波法进行数据同化，解决传统卡尔曼滤波方法应用于非线性系统时的近似问题，将进一步做数据同化试验研究。. 三是实验室人工上升流观测实验研究。于消声水池进行2站位温度观测实验，成功观测到上升流带来的温度变化。于造流水槽进行测温、测流实验，成功观测到稳定单向流及平均温度，结果与测流计、温度传感器结果吻合良好。于消声水池进行了人工上升流区二维温度场观测实验，并进行了温度场数值模拟，反演得到二维温度场。结果证明声层析方法可以成功观测到人工上升流，且反演结果与温度链结果具有较高一致性。. 四是海上短距离声层析实验研究。于青岛鳌山湾大型人工上升流平台进行海试，初步得到平均流速；于摘箬山岛进行水平二维流场观测实验，得到水平二维流场，反演结果与ADCP基本吻合；于千岛湖进行二维垂直温度场观测实验，观测各层平均温度与CTD结果高度一致。. 本项目提出了基于声层析技术的人工上升流实验方法，建立了处理短距离声层析实验数据的理论方法，开展了人工上升流区的数值模拟及实验室、海试实验，初步探明了人工上升流区温度场的分布规律及演化机制，验证了声层析技术用于短距离观测的可行性，为我国人工上升流科学研究提供了必要的技术支撑。.