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基于LSTM的海洋表面短期风速预测研究

海洋科学 2022年第11期46卷 55-66页

作者：李亚蒙孙宝楠丁军航官晟青岛大学自动化学院山东青岛266071 自然资源部第一海洋研究所山东青岛266061 自然资源部海洋环境科学与数值模拟重点实验室山东青岛266061 山东省海洋环境科学与数值模拟重点实验室山东青岛266061 青岛海洋科学与技术试点国家实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室山东青岛266237 山东省工业控制技术重点实验室山东青岛266071 青岛大学山东省生态纺织协同创新中心山东青岛266071

为实现对海面风速精确的短期预测,提出了一种基于长短期记忆(LSTM,longshort-termmemory)神经网络的短期风速预测模型,选取OceanSITES数据库中单个浮标站点采集的风速历史数据作为模型输入,经过训练设置最佳参数等步骤,实现了以LSTM方法... 详细信息

为实现对海面风速精确的短期预测,提出了一种基于长短期记忆(LSTM,longshort-termmemory)神经网络的短期风速预测模型,选取OceanSITES数据库中单个浮标站点采集的风速历史数据作为模型输入,经过训练设置最佳参数等步骤,实现了以LSTM方法,对该站点所在海区海面风速在各季节性代表月份海面风速的24 h短期预测。同时通过不同预测时长的实验以及与BP(back propagation)神经网络神经网络和径向基函数神经网络(radialbasisfunctionneuralnetwork,RBF)的预测效果对比实验,证明了LSTM预测方法相比上述两种神经网络预测方法,在海表面风速预测应用中的优越性。最后通过多个海域对应的站点风速数据预测实验,证明了LSTM神经网络模型的普遍适用性,由相关系数和预测误差的分析可知该方法具备应对急剧变化数据的预测稳定性,可以作为海洋表面风速短期预测的一种可靠方法。

关键词：神经网络长短期记忆网络模型海面风速短期预测

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波浪破碎过程对油滴垂直混合的作用研究

波浪破碎过程对油滴垂直混合的作用研究

作者：孙宝楠国家海洋局第一海洋研究所

学位级别：硕士

海上溢油可以被多种过程所分散,其中波浪破碎是溢油入水的最直接最主要原因。油粒子在波浪破碎搅拌作用下以微滴的形式进入水体内部,以便于油水进一步混合,同时入水油滴在浮力的作用下可浮出水面。当油雷诺数很大时,湍流脉动压力是使油... 详细信息

海上溢油可以被多种过程所分散,其中波浪破碎是溢油入水的最直接最主要原因。油粒子在波浪破碎搅拌作用下以微滴的形式进入水体内部,以便于油水进一步混合,同时入水油滴在浮力的作用下可浮出水面。当油雷诺数很大时,湍流脉动压力是使油滴破碎的机制,当雷诺数很小时,粘性剪切代替湍流压力成为油滴破碎的主要机制。所以油滴形成、粒径分布和动力学过程的定量表达是本文研究的中心问题。本文基于Yuan et al.(2009)破碎波统计量的理论模型,利用量纲分析和相似性定理,导出单位海表单位时间油滴的卷入体积公式,在此基础上,建立了波浪破碎形成的油滴总数与油滴半径、表面张力的关系,湍流能量耗散率间的关系。最终导得随油径变化的油径数目函数N的理论表达式,与观测结果符合较好。本文改进了Tkalich and Chan(2002)的油滴动力模型,利用破碎参数(破碎能量损耗率和卷入深度)统计形式更符合实际海况。最后,本文采用球坐标系下MASNUM海浪模式,波浪破碎统计模型以及改进了的T&C(2002)油滴动力模型对渤海曹妃甸海域2006年的溢油事故进行了模拟实验,探讨了影响海表残油量分数和水体中油滴卷入量分数的主要因素,并用Envisat ASAR观测数据对模型进行了验证,得到了令人满意的结果。本项研究将理论研究和实际工作结合起来,可在海洋溢油的应急响应和评估中起到一定的指导作用。

关键词：溢油分散油径谱 MASNUMN海浪模式波浪破碎

MASNUM-WAM海浪模式集合Kalman滤波同化研究——Ⅱ.集合样本对同化效果的影响

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海洋与湖沼 2017年第2期48卷 210-220页

作者：孙盟尹训强杨永增吴克俭孙宝楠中国海洋大学海洋与大气学院青岛266100 国家海洋局第一海洋研究所海洋环境与数值模拟研究室青岛266061 海洋国家实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室青岛266071

背景误差相关结构的确定是影响海浪同化效果的关键因素之一。集合Kalman滤波是一种较为成熟的同化方法,其可以对背景误差进行实时更新和动态估计,现已广泛应用于海洋和大气领域的研究。本文基于MASNUM-WAM海浪模式,分别采用静态样本集合... 详细信息

背景误差相关结构的确定是影响海浪同化效果的关键因素之一。集合Kalman滤波是一种较为成熟的同化方法,其可以对背景误差进行实时更新和动态估计,现已广泛应用于海洋和大气领域的研究。本文基于MASNUM-WAM海浪模式,分别采用静态样本集合Kalman滤波和EAKF方法,针对2014年全球海域开展海浪数据同化实验,同化资料为Jason-2卫星高度计数据,利用Saral卫星高度计资料对同化实验结果进行检验。结果表明,两组同化方案均有效提高了海浪模式的模拟水平,EAKF方案在风场变化较大的西风带区域表现显著优于静态样本集合Kalman滤波方案,但总体上两者相差不大。综合考虑计算成本和同化效果,静态样本集合Kalman滤波方案更适用于海浪业务化预报。

关键词： EAKF 海浪数据同化静态样本集合

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多岛环流理论在南海域际环流中的应用研究

海洋科学进展 2017年第1期35卷 20-31页

作者：连展方国洪王新怡孙宝楠中国科学院南海海洋研究所广东广州510301 中国科学院大学北京100039 国家海洋局第一海洋研究所山东青岛266061

在Wajsowicz(1993)多岛环流理论的基础上,给出了一种摩擦-地形阻力作用的参数化方案,并应用于南海域际环流动力学的研究。结果表明,不考虑阻力时理论结果在海水输运方向上与实测一致,但在输运量的量值上与实测差别很大;考虑了摩擦-地形... 详细信息

在Wajsowicz(1993)多岛环流理论的基础上,给出了一种摩擦-地形阻力作用的参数化方案,并应用于南海域际环流动力学的研究。结果表明,不考虑阻力时理论结果在海水输运方向上与实测一致,但在输运量的量值上与实测差别很大;考虑了摩擦-地形阻力作用后计算所得的各通道的流量与实测结果不但在方向上完全一致,在数值上也具有一定的一致性。因而在考虑了摩擦-地形阻力作用后,基于Sverdrup环流理论的多岛环流理论能够很好解释南海域际环流形成的主要动力机制。采用1948—2014年NCEP逐年风应力资料计算结果表明,各海峡流量均存在明显的年际变化,其中吕宋海峡和民都洛海峡更为明显。相关分析显示,吕宋、民都洛和卡里马塔海峡的流量相互之间存在较强的正相关性,而与望加锡海峡流量呈现显著的负相关。El Nio正位相期间太平洋-印度洋贯穿流南海分支加强而望加锡海峡流量减弱。计算结果还表明,吕宋海峡、民都洛海峡的西、南向流量在1948—2014年期间都存在明显的增强趋势,而卡里马塔海峡基本上未受影响。

关键词：岛屿环流理论南海域际环流

基于感应电流测量的海峡水通量海底缆线观测系统设计

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海洋科学 2016年第10期40卷 71-75页

作者：连展官晟魏泽勋王新怡孙宝楠国家海洋局第一海洋研究所山东青岛266061 海洋环境科学和数值模拟国家海洋局重点实验室山东青岛266061 青岛海洋科学与技术国家实验室区域海洋动力学和数值模拟功能实验室山东青岛266061

首先回顾了基于海底缆线的海峡水通量观测理论方法的发展历程,对基于电压测量的水通量反演方法进行了梳理,重点阐述了其中的关键观测要素和主要误差来源。为了提升系统可靠性、摒弃外界因素干扰,提出了一种基于感应电流测量的观测方法... 详细信息

首先回顾了基于海底缆线的海峡水通量观测理论方法的发展历程,对基于电压测量的水通量反演方法进行了梳理,重点阐述了其中的关键观测要素和主要误差来源。为了提升系统可靠性、摒弃外界因素干扰,提出了一种基于感应电流测量的观测方法。对比传统方法,分析了本方法的优缺点,评估了基于本方法的海洋观测系统建设需求和可能性。最后应用本系统建立的一个理想海域——青岛胶州湾湾口各类海洋要素的典型取值范围,通过合理的特征尺度估算和量纲分析,估计了基于电流测量的观测系统中的各类设备的参数要求,其中关键测量器材——电流表至少应满足观测量程覆盖10^(–1)~10~1 m A,观测精度大于1μA,取样频率大于1/60 Hz。在电学测量仪器中,适应本系统要求的器材较普遍,可选择的测量仪器种类较丰富。

关键词：海底缆线海水通量观测系统电流测量建设方案

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气候变暖下海面高度变化的数值模拟

海洋科学进展 2013年第4期31卷 455-464页

作者：连展魏泽勋方国洪孙宝楠国家海洋局第一海洋研究所山东青岛266061 海洋环境科学和数值模拟国家海洋局重点实验室山东青岛266061

应用压力坐标下的MITgcm模式,建立了一个非Boussinesq近似下的全球海洋环流模式,应用ERSST数据集提供的全球1855—2010年的海表面温度数据作为强迫条件,对近156a来全球海平面的变化情况进行了模拟和分析。并且根据对未来气候变化趋势的... 详细信息

应用压力坐标下的MITgcm模式,建立了一个非Boussinesq近似下的全球海洋环流模式,应用ERSST数据集提供的全球1855—2010年的海表面温度数据作为强迫条件,对近156a来全球海平面的变化情况进行了模拟和分析。并且根据对未来气候变化趋势的预测,对未来80a内全球海平面变化进行了模拟,得到了如下的结论:1)全球海平面高度存在上升的现象。2010年全球平均海平面相对于常年(即1975—1993年)上升43.8mm,中国近海平均海平面相对于常年上升54.8mm。2)2010年全球海平面变化情况,全球海平面上升幅度较大的区域主要为:西北太平洋、北太平洋中部、南太平洋中部和北大西洋。3)渤海、黄海、东海和南海四个海区海平面上升幅度各不相同,黄东海海平面上升幅度略高,南海海平面上升幅度最小。中国近海海平面上升速度慢于邻近的西北太平洋海区。4)若全球温度变化情况与预测相同,那么未来80a后,全球平均海平面上升速度远远超过现今水平。最后依据本文研究得到的结果,探讨了模拟长时间尺度过程海平面变化的数值模式所面临的问题。

关键词：海平面变化非Boussinesq近似 MITgcm

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随机矩阵理论在高速路关键路径辨识中的应用

计算机工程与应用 2024年第1期60卷 319-326页

作者：张芳王菲孙宝硕辽宁工程技术大学营销管理学院辽宁葫芦岛125105 国网沈阳供电公司沈阳110000

高速公路网络是我国各地区相互连接的重要纽带,高速公路网络关键路径辨识对确保高速网络的可靠运行具有重要意义。传统的关键路径分析方法基于拓扑结构,未考虑交通网络的运输量特性;而现有的基于运输量数据的分析方法只考虑部分路径的... 详细信息

高速公路网络是我国各地区相互连接的重要纽带,高速公路网络关键路径辨识对确保高速网络的可靠运行具有重要意义。传统的关键路径分析方法基于拓扑结构,未考虑交通网络的运输量特性;而现有的基于运输量数据的分析方法只考虑部分路径的运输量特性,难以反映交通网络的实际运行情况。利用路径运输量数据,搭建运输量随机矩阵模型,针对高速公路网络异常后的运输量变化特性,定义关键路径评估指数,实现异常影响程度的量化评估,在此基础上提出一种基于数据驱动的高速公路网络关键路径辨识方法。最后,采用辽宁省高速公路网络进行分析,验证了所提方法的合理性和有效性,并将该方法应用于城市路网案例中,进一步证明该方法具有普适性。

关键词：交通运输关键路径辨识数据驱动复杂网络随机矩阵理论

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波浪破碎下油滴粒径分布理论模型研究

海洋学报 2014年第9期36卷 30-36页

作者：孙宝楠袁业立韩磊杨永增连展中国海洋大学海洋环境学院山东青岛266100 国家海洋局第一海洋研究所山东青岛266061 海洋环境科学和数值模拟国家海洋局重点实验室山东青岛266061

海上溢油在波浪破碎的情况下经常会形成油滴,本文讨论了油滴形成的可能机制,根据量纲分析瑞利法建立了油滴卷入率与能量耗散率、卷入深度等破碎统计物理量的关系。基于量纲分析Π定理并根据毛细数、无量纲卷入时间与粘度比的实验关系,... 详细信息

海上溢油在波浪破碎的情况下经常会形成油滴,本文讨论了油滴形成的可能机制,根据量纲分析瑞利法建立了油滴卷入率与能量耗散率、卷入深度等破碎统计物理量的关系。基于量纲分析Π定理并根据毛细数、无量纲卷入时间与粘度比的实验关系,导出了油径谱的理论模型。初步结果表明,理论谱斜率-2.29与观测谱斜率-2.3符合良好,剪切率、表面张力、油滴半径、油和水的黏度等因素是影响油滴总数的主要原因。

关键词：量纲分析法卷入率油径谱波浪破碎统计量

“四网融合”理念下无锡市域(郊)铁路规划研究

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铁道运输与经济 2024年第5期46卷 183-191,218页

作者：孙宝华设设计集团股份有限公司综合运输规划研究三所江苏南京210014

国家相关部门不断加强干线铁路、城际铁路、市域(郊)铁路、城市轨道交通“四网融合”,以一体化的轨道交通体系支撑中心城市带动周边地区融合发展。针对无锡市多层次轨道交通发展现状,分析“四网融合”理念下无锡市域(郊)铁路功能定位,... 详细信息

国家相关部门不断加强干线铁路、城际铁路、市域(郊)铁路、城市轨道交通“四网融合”,以一体化的轨道交通体系支撑中心城市带动周边地区融合发展。针对无锡市多层次轨道交通发展现状,分析“四网融合”理念下无锡市域(郊)铁路功能定位,从功能及需求出发,重点面向市域范围通勤走廊,采用“契合城镇发展轴、串联市域中心体系、覆盖市域主要客流走廊”的方法进行线网布局,进一步提升无锡市对外衔接的综合枢纽在区域轨道线网中的定位,强化在区域交通中的辐射力和吸引力;做好市域(郊)铁路与城市轨道交通的衔接,力争与城市轨道实现多点换乘;形成与城际铁路共线融合、贯通运营、支撑无锡市域范围人流物流高效流动的市域(郊)铁路网,为促进“四网融合”发展,构建城市、交通协调格局提供重要的参考依据。

关键词： “四网融合” 市域(郊)铁路无锡轨道交通规划布局