在海底布设的海底地震仪（OBS）能比较清晰地记录到海底的环境噪音，而台风可以直接或间接的产生在海底传播的弹性波，从而影响海底的环境噪音，并在较大程度上影响OBS的数据记录。本文通过分析台风对工作区的整个影响过程中OBS记录数据的振幅变化，再选择合适的滤波方式，首次发现台风产生的风浪及涌浪在短周期海底地震仪的记录数据上有良好的表现特征，指出了台风对海底环境噪音的另一种可能的影响方式，并由此得出：1）台风产生的风浪和涌浪对海底环境噪音的影响模式不同；2）风浪和涌浪所加强的海底环境噪音的范围和程度不同；3）短周期OBS可以比较清晰的记录涌浪信息，其周期主要是6—8 s，且能量稳定（简称“8秒现象”）。这三点结论为后期的海洋地震研究和海洋学其他研究提供经验与借鉴。

采用智能水下机器人进行海洋环境的立体监测具有监测范围广，自主性强的特点。本文在探讨世界各国采用智能水下机器人进行海洋环境监测的情况的基础上，介绍了自主研发的智能水下机器人海洋大范围环境数据的自主采集系统，其主要优点是：相对于其他机器人，可实现“大范围” 海洋环境数据的采集；相对于固定式浮标，可实现海洋环境数据的“自主”采集。并给出了自主采集流程和软件分层递阶体系结构。在真实海域中，采用智能水下机器人，进行了国内首次大范围环境数据采集实航实验。实验结果表明采用智能水下机器人进行海洋环境的立体监测是切实可行的。

目前,深海科学考察所用的调查设备动力与监控系统的供电电源主要采用水下锂离子电池供电,但采用锂离子电池供电存在较多弊端，严重制约着深海科考工作的发展。本文针对这个弊端设计并制作了数据耦合器，实现了基于铠装同轴电缆的能源、彩色实时图像以及上、下位机数据的混合传输。该技术主要采用低通滤波和电容耦合，将数据信号叠加到电源信号上，通过同轴电缆，实现长距离功率能源与数据混合传输。

选取适合于双探针型海底热流计数据解算的简化模型，是双探针型海底热流计结构优化的理论基础，对提高海底热流数据解算精度具有重要意义。本文基于脉冲式双探针海底工作的有限元数值模型，对双探针的脉冲加热时间、体生热率、热物性、长度及半径等因素在双探针脉冲法的3个线热源简化模型中所引起的模型误差作了详细的分析和讨论，并以模型误差最小为原则选取简化模型。结果表明：1）脉冲加热有限长线热源（PFLS: pulsed finite line source）模型是双探针脉冲法中较为实用的简化模型，它可消除加热时间和探针长度对介质热物性参数求解的影响；2）在PFLS模型下，探针热导率对待测介质热物性测量的影响可以忽略;而探针间距越大、半径越小及其体积比热容与待测介质越接近，则所求介质热物性的模型误差就越小;在保证温度传感器能有效记录到温度变化的前提下，探针脉冲功率的大小基本不影响介质热物性求解的模型误差。

利用POM模式和空间插值法构造的同化方案对南海北部的航次观测资料进行了数据同化模拟。结果表明, 数据同化有效兼顾了模式模拟和航次观测, 在一定程度上纠正了模式模拟值相对于真实数据的误差; 同化结果与模拟结果相比更接近观测值, 在航次断面及其附近海域同化结果误差较小; 另一方面, 由于航次资料站点相对较少, 在无观测数据的海域模式同化不是很理想, 有待改进。此方法可为南海大型航次及其他资料同化提供一个再分析资料的实验性参考。

热液硫化物现场调查所需的船舶动力定位系统给水下定位数据带来较大的噪声干扰, 而调查的现场决策与后续研究均对水下定位数据提出更高的要求。针对现有的Posidonia 6000超短基线水下定位系统, 快速有效地剔除受干扰的异常定位数据对热液硫化物调查研究具有积极的意义。本文从超短基线解算过程数据(x, y, z三维分量)入手, 根据现场作业水深、滑轮偏角, 建立异常定位数据的三维剔除模型; 根据三维各自的时间系列分布图, 采用合理的数据结构与算法, 实现对异常定位数据的交互式剔除。本研究成果能快速有效地剔除异常定位数据, 为热液硫化物调查的现场决策和各搭载传感器的后续资料研究提供更准确的水下定位数据。

OPeNDAP (Open-source Project for a Network Data Access Protocol)代表开放源代码的网络数据访问协议。OPeNDAP协议提供一种通过网络请求和提供数据的方法, 让所有用户使用熟悉的程序直接存取需要的数据。文章介绍了OPeNDAP常用服务器, 描述了基于OPeNDAP的南海物理海洋科学数据共享平台的设计与搭建: 采用GDS(GrADS Data Server)、Dapper、THREDDS(Thematic Realtime Environmental Distributed Data Services)等服务器来实现海风数据、海流数据、海浪数据、Argo数据和潮位数据等南海物理海洋数据的OPeNDAP服务, 最后介绍目前提供的OPeNDAP服务形式。希望借助OPeNDAP来实现分布、异构环境下南海物理海洋数据的网络无缝共享之目标。

台湾岛地处亚欧大陆和太平洋交界处, 台风、东北季风等所引起的海洋灾害频繁, 所以建立完备的海洋水文观测体系显得尤为重要。中国台湾自主建置完成的近海水文观测体系由资料浮标站、观测桩、潮位站、岸边气象站、雷达测波站等多种近海水文观测系统构建组成; 同时, 为确保观测体系的准确性和规范性, 还建立了数据品质管理系统和标准化作业模式。在近海水文观测数据的分析方面, 尝试应用新的数学分析方法, 如通过EMD (empirical mode decomposition)方法探讨风暴潮水位变化, 利用小波转换从雷达观测影像中分析近岸波浪信息, 以及发展数据同化技术将观测数据应用于作业化波浪现报、预报模式。此外, 近海水文观测体系在社会应用方面有着很大的发展潜质。

首先利用考虑波浪破碎效应的Mellor-Yamada2. 5阶湍流闭合方案, 探讨了海表温度(SST)对波能因子a和Charnock数b的敏感性问题。然后采用变分数据同化途径, 基于Papa海洋天气站(OWSPapaStation)的上层温度观测数据, 对该参数化方案中的波能因子a和Charnock数b两个参数进行了最优估计。最优估计的结果表明, 当a约为167、b约为4. 1×10⁵时, 价值函数达到最小值。利用上述参数的最优估计进行海温的数值模拟, 可以较好地反映出海表温度的日变化和月变化过程, 模拟的上混合层的温度和深度也与观测较为一致。最后利用以上参数的最优估计结果对湍动能方程进行诊断计算, 研究了波浪破碎对海洋上层湍能量收支的影响。

发展了一种新的混合数据同化方法——基于集合滤波和三维变分的混合数据同化方法。该方法将集合调整卡尔曼滤波(ensembleadjustmentKalmanfilter, EAKF)得到的集合样本扰动通过一个转换矩阵的形式直接作用到背景场上, 利用顺序滤波的思想得到分析场的一个扰动; 然后在三维变分(threedimensionalvariationalanalysis, 3D-Var)的框架下与观测数据进行拟合, 从而给出分析场的最优估计。文中以Lorenz63模型为例, 开展了理想数据同化试验, 结果表明, 相比于集合调整卡尔曼滤波, 这种新的混合同化方法可以给出更好的同化结果。

利用INSTANT(The International Nusantara Stratification and Transport, 努沙登加拉层结及输运的国际联合观测计划)计划所测得的流场数据, 研究了ITF (Indonesian Throughflow, 印度尼西亚贯穿流)在主要流出海峡——龙目海峡(Lombok Strait)、翁拜海峡(Ombai Strait)和帝汶海峡(Timor Passage) 随深度和时间的变化, 并对表层和温跃层的流速进行了功率谱分析。研究发现, ITF流场在龙目和翁拜海峡表层有显著的年循环, 在季风转换期间各个层次上海流都会出现反转, 从印度洋流向海峡内; 而帝汶海峡在300m以下出现反转流。3个海峡的表层流都以年周期为主, 温跃层的流以半年变化为主, 并且都有丰富的季节内变化。高频部分, 除了在龙目海峡表层K₁日潮占优外, 各海峡均以M₂半日潮为主。

利用2006年Argo浮标资料分析吕宋海峡以东海域水团季节特性和混合层的月平均变化规律; 并分别利用Argo多年季节平均资料与2006年资料, 以秋季为例, 基于P矢量方法计算该区域流场; 同时考虑风生流的影响, 将所得结果分别与利用Levitus和高度计资料计算的流场进行比较。结果表明, 水团特性季节变化不明显, 春冬季表层水团与夏秋季比较表现为低温高盐; 次表层、中层和深层季节变化不大; 混合层深度明显表现为冬季最深、夏季最浅的季节性变化。利用2002—2009年Argo季节平均资料基于P矢量方法能得到地转流场的基本结构, 与Levitus资料的计算结果相比较, 除可以反映黑潮, 还可以反映一些涡旋结构; 利用2006年秋季Argo资料计算流场与高度计资料计算的地转流场比较, 其流场结构位置吻合得比较好, 但存在流速偏小等不足, 这可能与Argo资料较少且分布不均以及插值误差等有关, 但其可以获得流场的三维结构, 而利用高度计资料计算只能得到表层流场结构。

基于 VisualDB 可视化数据管理技术和 3 层架构思想 , 设计并实现了南海海洋科学数据产品服务系统 , 用户可通过浏览器对南海海洋科学数据产品进行可视化查询、检索与获取|介绍了 VisualDB 的应用 , 就系统的体系结构设计、可视化数据管理、发布与共享服务功能进行了详细的描述|最后就 ViusalDB 的一些技术特性对南海海洋科学数据产品服务系统的扩展性作了探讨。文章对于完善南海海洋科学数据库的数据服务形式、建立南海海洋共享服务体系起到一定的作用。

在西南印度洋热液活动A区(49°39′E)开展的三维海底地震仪(OBS)探测实验为研究该区域的深部地壳/上地幔结构提供了重要基础, 而OBS数据处理是获取研究区三维速度结构的基础环节。文章介绍了此次实验中所用的3种不同类型OBS(国产、法国和德国OBS)的数据处理流程, 包括地震数据解编处理、截裁处理和地震信号的可视化处理; 并以第2790炮为例分析了3种类型OBS记录数据的波形和频谱特征。结果表明, 由于受不同类型OBS的频带、传感器和拾震器等影响, 国产与法国OBS都能记录到长周期和短周期噪音, 而德国OBS只记录到短周期噪音; 但经带通滤波后, 3种类型OBS都能够很好地压制噪音, 突出有用的气枪信号; 对比3种类型OBS(分别以OBS04、OBS08和OBS23为例)沿主测线X1X2的综合记录剖面, 发现3种类型OBS都能够记录到多组清晰可靠的P波震相, 如直达水波、Pg、PmP和Pn震相, 为下一步A区的三维层析成像奠定了坚实数据基础。

为了获得海底地震仪(ocean bottom seismograph, OBS)在海洋地球物理勘探中更真实准确的数据处理剖面, 必须消除导航、定位时间、定位精度对OBS数据采集和处理的影响。通过分析时间定位精度对OBS数据处理的影响及计时误差来源, 开发了精密枪控计时器以提高时间定位精度和消除常规计时误差, 计时精度达到0.01ms, 实现了高精度导航定位、炮点定位、时间定位和计时, 保证OBS地震数据采集的准确性和精度。经稳定性测试, 生产试验后的数据分析表明, 该设备时间精确、定位性能完全满足OBS多分量地震勘探要求并可应用于其他需要高精度计时的海洋地球物理勘探领域。

利用大气传输模拟程序MODTRAN(moderate resolution atmospheric radiance and transmission), 以同步的中分辨率成像光谱仪(moderate resolution imaging spectroradiometer, MODIS)二级产品的大气廓线数据作为输入, 模拟先进星载热发射和反射辐射计(advanced spaceborne thermal emission and reflection radiometer, ASTER)热红外波段的大气波谱透过率和大气上、下行波谱辐射。结合ASTER的波谱响应函数和喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory, JPL)数据库提供的海面发射率, 在波谱上求解各像元辐射传输方程。求解获得5个波段海表温度, 当这5个波段的海表温度值两两之间温差不超过0.5K时, 将其平均值作为该像元的海表温度, 用以拟合分裂窗算法的待定系数, 最后用分裂窗算法获得整个ASTER图像内的海表温度产品。该算法具有比较高的反演精度, 与MODIS的海表温度(SST)产品对比, 平均偏差为0.35℃, 均方根误差0.49℃, 而且具有较好的适应能力。将2007年10月20日ASTER图像数据建立的分裂窗算法应用到2008年5月15日的ASTER数据, 海表温度反演结果与MODIS的SST产品相比, 平均偏差为0.38℃, 两者均方根误差为0.52℃。

采用Argo浮标表层数据评估了Aquarius/SAC-D卫星L2盐度数据在中国南海的准确度, 并进行局地化影响因素分析。结果表明, 匹配数据的线性关系并不显著, 卫星数据在南海及其东北部海域的准确度分别为0.62‰和0.70‰。南海处于低纬度地区, 海表温度较高, 对结果影响较小, 影响数据准确度的因素可能是该海域的强风场、降雨和陆地射频干扰(RFI)等。从分析结果可以看出盐度反演误差随风速增大而增大, 风速大于7m·s^-1时, 盐度反演误差会呈明显上升趋势, 可见海表面粗糙度对数据准确度影响很大; 同时, 南海处在RFI高度污染地区, 即使卫星数据产品修正了RFI的影响, 但并没有完全消除, 所以RFI可能也会影响卫星数据的准确度。

针对相干型多波束测深数据的特点, 提出了一种基于动态聚类的单声脉冲多波束测深数据实时滤波算法。利用地形的连续性特性, 将测深数据的异常值检测问题转化为真实地形的聚类问题, 通过不断地聚类提取真实的地形数据, 对异常值进行剔除。在聚类过程中, 由于数据量很大, 对聚类集合进行划分后采用动态聚类的方式, 同时引入地形趋势变化调节因子, 选定地形特征域, 对聚类的方向进行判断, 最后利用改进后的k均值法进行聚类目标输出。对GeoSwath多波束测深系统的真实海上试验数据的处理结果表明, 该算法对地形特征具有较强的适应能力, 且实现简单, 可用于多波束的在线滤波以及测深数据的后处理。

搅拌是海水混合的重要组成, 其强度可由基于拉格朗日观点的有限时间李亚普诺夫指数(Finite Time Lyapunov Exponents, FTLE)定量计算。文章利用卫星高度计资料统计分析了2002~2011年间南海地转流场的FTLE时空变化特征。结果显示, FTLE在越南东南海域强度最大, 对应水平搅拌作用最强; 而在南海西北、东南区域其值偏低。近10年的南海水平搅拌呈缓慢增强趋势, 且存在明显的季节变化, 夏季较强而冬季偏弱。FTLE的空间分布与基于欧拉观点的涡动能和应变速率相似, 强搅拌的区域, 其涡动能和应变速率亦较高。与Okubo-Weiss参数的比较则显示, 构成流场拉格朗日拟序结构(Lagrangian Coherent Structures, LCS)的FTLE脊线与流场中涡旋联系紧密, FTLE低值集中在旋转主导的涡旋内部, 而高值多在涡旋周围应变主导区域。

南海南部礼乐海区以其丰富的油气资源储备成为我国油气勘探的后备区, 目前勘探程度低, 地震资料较少, 仅有少量的二维地震资料。由于该区地形复杂、水深变化范围大, 因此在地震数据中发育着多种类型的干扰波, 加之该批数据道数少、信噪比低, 上述因素都成为高分辨率处理的难点。针对该区地震数据的特征, 采用多种手段的真振幅恢复技术以及异常振幅压制等预处理方法; 采用串联反褶积提高了资料的分辨率; 根据多次波的类型分别采用τ-p域预测反褶积、速度滤波、内切除等组合方法压制多次波。从资料处理的效果来看, 使得浅、中、深层能量得到平衡, 多次波等各类干扰波得到了较好的压制, 资料的信噪比和分辨率都得到了提高, 最后得到了高分辨率的地震剖面。

FAST(first arrival seismic tomography)软件是获取复杂地区三维深部结构的最常用工具之一, 而反演参数选取是快速有效地获得真实合理的地震结构的关键环节。以南海中央次海盆三维地震探测数据为基础, 采用先固定其中一个参数、选取另外一个参数、再综合选取的控制变量法, 详细地介绍了FAST反演参数组合的选取过程。选取结果表明, 反演参数组合(阻尼因子λ=2, 平滑度权重因子s_z=1, 反演次数I=4)为南海中央次海盆三维地震结构的最佳反演参数, 由此获得的最佳初步速度模型表明中央次海盆具有典型慢速扩张的洋壳结构。此项反演参数选取工作不仅为珍贝-黄岩海山链精细三维地震结构的正式模拟奠定了基础, 同时为FAST软件在其他地区的应用提供了丰富的经验与借鉴。

为了研究渤海—山东半岛—南黄海一线的深部构造特征, 利用海区气枪震源和陆区爆破震源探测, 于2013年在胶东、渤海和南黄海布设了一条海陆联合深部地震探测剖面。海陆联测剖面包括渤海和南黄海两条海底地震仪(Ocean Bottom Seismometer, OBS)测线和一条陆上地震测线, 是首次在南黄海地区布设的OBS深地震测线。文章对南黄海段测线上的海底地震仪数据进行了数据预处理, 其中包括地震数据解编处理、截裁处理等, 结果表明, 此次实验海底地震仪记录质量良好, 可以清晰地识别出Ps、Pg、PmP等多组震相, 还首次观察到了来自千里岩隆起带上的P波震相, 说明数据处理流程是可行的; 再结合地质地球物理资料, 初步分析了南黄海不同构造单元的震相特征, 为下一步地壳速度结构的模拟及解释工作奠定了良好的基础。

文章利用海洋再分析产品及卫星遥感资料等分析了赤道东印度洋与孟加拉湾经向盐交换的季节变化特征, 估算了孟加拉湾湾口6°N断面的年均淡水输运量。盐通量计算结果表明孟加拉湾与赤道东印度洋的盐交换过程主要由海流控制, 湾口东西两侧过程基本相反。西南季风期(东北季风期)西侧为向北(南)的盐通量, 东侧为向南(北)的盐通量。湾口经向淡水输运量的分析表明, 断面上层在4~10月湾内向湾外输运淡水; 在11月~次年3月则相反。年均经向淡水输运量的分析表明, 在整个深度层次上由孟加拉湾向赤道东印度洋输运淡水, 断面年均淡水输运量为1.0×10⁵m³·s^-1。

文章对土壤湿度和海洋盐度(soil moisture and ocean salinity, SMOS)卫星遥感所得2011~2012年赤道太平洋海域海表盐度数据进行了质量控制并首次分析了盐度反演误差的海洋动力过程影响因子, 在此基础上引入神经网络方法对同时期的盐度数据进行了订正。研究发现, 降水及其诱发的表面波会使盐度误差向负方向显著增长; 海面风场导致的海面粗糙度会增大盐度误差, 风速与盐度误差呈微弱正相关; 海表温度变化则对盐度反演无影响。考虑降雨、风速等主要海洋动力过程影响因子, 利用神经网络方法对2011年12月赤道太平洋海域的海表盐度数据进行了订正, 其均方根误差由0.3837降到0.2441。结果发现, 订正后的盐度数据不但消除了因降水等动力过程导致的盐度误差, 亦在赤道太平洋海域揭示了原SMOS数据无法刻画的高盐舌现象。

通过对国内外海洋数据管理规范建设情况调研, 在参考大量有关规范标准的基础上, 针对南海海洋数据特点, 特别是航次数据特点, 形成包括6项数据管理标准、满足南海海洋科学数据库建设需求的《南海海洋科学数据收集整理指南》。该指南在数据收集方面对数据要素、数据信息、数据分类及格式进行规范, 在数据整理上提出数据格式转化规范要求, 初步实现对海洋各学科数据的有效收集和整理, 促进了南海海洋科学数据的管理规范体系建立, 推进了海洋科学数据的共享和应用服务。

随着云计算技术的出现, 数据共享模式发生了巨大的变化。利用云服务搭建数据共享平台, 实现网络软硬件基础资源的集约化运营, 能显著降低数据服务平台的建设成本, 提高数据服务平台的稳定性与可扩展性, 以及数据共享的高效性。文章研究基于企业级云计算平台(ECCP)利用Visual Database 3.0搭建南海海洋断面科学考察数据共享云平台, 整合phpMyAdmin等工具, 实现异构数据源的统一管理, 并通过云硬盘实现数据资源跨终端流转等功能, 将数据转化为灵活的服务。

为获取连续的高分辨率的海洋降水数据, 通过对8种海洋降水产品的时空覆盖范围和数据精度进行对比分析, 在此基础上提出一套优化权重系数法, 对8种降水资料进行了融合, 并利用中国沿海或海岛气象观测站实测降水数据对融合后的降水结果进行了对比验证。结果表明, 融合后的降水数据整体精度比较好, 数据的空间覆盖范围和时间跨度均得到改善, 优化的权重系数法是解决多源海洋降水数据信息冗余和互补问题的一种合适方案。

文章采用国内外普遍适用于船载声学多普勒流速剖面仪(shipboard acoustic doppler current profilers, SADCP)数据滤潮处理的时空拟合最小二乘法(简称最小二乘法), 对台湾海峡南部浅滩2004—2013年夏季(6—9月)所获取的SADCP数据进行正压潮、流分离。结果表明: 最小二乘法获得的平均流和基于原始数据格点化后矢量平均取得的平均流流向均趋于东北向, 并且具有大致相同的强、弱流区空间分布形态, 但最大流速稍有差异, 分别为0.48m•s^-1和0.36m•s^-1; 此外, 强流区(流速~0.3m•s^-1)流幅狭窄, 流轴分别约束在东山至龙海外海30m等深线附近和台湾浅滩南部地形骤变区域; 而弱流区(流速<0.1cm•s^-1)集中分布于台湾浅滩中部。进一步研究表明, 2种平均流所估算的海流通量的计算结果比较接近, 可达到(0.74±0.25)×10⁶m³·s^-1。SADCP数据分离所得M₂分潮流显示: 台湾浅滩至东山一线为强潮区, 最大可能流速出现在台湾浅滩(约0.67m•s^-1); 等潮时线分布符合前进波特征, 在潮波传导方向上由西南向东北依次推迟(约2h); 东山近海存在一条呈NW—SE走向的椭圆率正负分界线, 分界线以南潮流椭圆顺时针旋转, 以北则逆时针旋转。

基于六套模式产品, 研究了时间平均状态下印度洋深层经向翻转环流的动力特征。时间平均状态下, 印度洋深层经向翻转环流(meridional overturning circulation, MOC)在各套数据中呈现一致的结构, 即底层和深层水体向北进入印度洋, 中上层往南流出印度洋的逆时针翻转结构。通过对经向翻转环流的动力分解, 文章分析了其各动力部分在各套数据中的异同。在各套数据中, 在南印度洋Ekman部分呈现一致的逆时针翻转结构, 在10°S强度最大; 地转和外模部分在10°S以南分别呈现相似的顺时针和逆时针的翻转结构, 在27°S强度最大且符号相反; 相对而言, Ekman部分在20°S及赤道之间, 对MOC的影响更明显, 而地转及外模部分则在25°S以南的区域更明显。基于不同的动力热力强迫, 各套数据中各动力部分流函数的空间范围及强度存在显著差异: 由于各套数据的风场相差不大, 因此Ekman部分的整体结构相似, 强度差异较小; 对于地转部分, 各数据表现出的顺时针翻转结构强度的差异主要受内区斜压流场强弱和西边界流结构的影响, 内区斜压流场越强, 翻转结构越强; 西边界流流幅越宽, 对内区斜压流场影响越大, 对翻转结构强度的削弱越大; 外模部分翻转结构的强度受西边界流强度的影响: 西边界流强度越大, 外模部分翻转结构强度越大。

利用中分辨率成像光谱仪MODIS(moderate-resolution imaging spectroradiometer)遥感资料作为数据源, 以海南岛西南部近海海域作为研究区, 利用改进的分列窗算法对研究区海域2005—2014年多时相海表温度进行反演。利用海南岛西南部近海海域观测的12个观测点的实测海洋表面温度对反演温度结果进行精度验证, 相关系数达到了0.9。选择一年内4个季度和10年内海表温度反演的结果, 分别分析海表温度随季节与年度的时空变化分布。结果表明, 利用MODIS多通道改进的分裂窗算法可以较精确地反演海南岛西南部近海海表温度, 分析海表温度的时空变化可为海洋渔业、海洋环境变化及气象监测提供参考。