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海洋环境适应性保障技术研究进展_刘敬一.pdf
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海洋环境 适应性 保障 技术研究 进展 刘敬一
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(1992),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,China;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 marine 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 maritime 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 maximize 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 technologies 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.4Aug.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 Chinas 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 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 ofNaval 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

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