基于时空数据驱动的海洋湍流多尺度演化过程动态建模

The temporo-spatial evolution of turbulent is the power source of deep-sea energy and material transportation. It is the key spot to understand the multi-scale phenomena and energy cascade. In the project, it is targeted to solve the key scientific problems of "Transparent Ocean" system from the perspective of time and space coupling. Breaking through the existing turbulent theoretical framework, multi-scale evolution of turbulence structure and dynamic modeling technology are developed based on temporo-spatial coupling data. First, we propose ocean turbulence multi-scale analysis and algorithm based on EMD and LIM. The quantified model of ocean turbulence is built. The mechanism of energy cascade of multi-scale process is modeled based on the multi-layer network model. A new data-driven observation framework is built in order to improve the validity and accuracy of ocean turbulence. Then, based on the analysis and modeling of ocean observation, the evaluation criteria and optimization mechanism of the multi-scale model are proposed. Advances in the study can make big promotion on multiscale dynamic turbulence theory, calculation methods and the development of experimental technology. The research will further establish relations between mesoscale dynamic process, promoting the realization that the marine environment can be forecast. In general, the research will attribute greatly for the development of ocean observation, monitoring and scientific understanding.

湍流时空演化是深海能量与物质输送的动力源泉，是理解海洋多尺度现象与能量级串的关键。项目面向关键海域“透明海洋”研究中有待解决的关键科学问题，从时空耦合的角度研究湍流结构的多尺度演化，突破湍流能量级串过程的理论框架，发展基于时空耦合数据驱动的动态建模技术。针对海洋湍流多尺度和多层结构的本质特征，提出基于多尺度EMD模态分解和时空间歇性测度LIM的建模机制与算法，量化表征湍流多尺度级串；建立随机间歇SI模型，基于多层临接张量网络模型建模时空耦合作用机理，提供湍流复杂动力学特性表征的新途径；并针对边界层等典型海洋现象，基于外海观测进行效应分析与建模研究，提出湍流多尺度模型的评价准则与优化机制。本项研究旨在构建海洋湍流观测数据驱动的理论新框架，提升海洋湍流认知的有效性和精确性，并将进一步建立与中尺度涡等动力过程之间的多尺度分析，实现海洋环境的可预报性，对发展深远海观测、监测和研究能力具有重大意义。

湍流时空演化是深海能量与物质输送的动力源泉，是理解海洋多尺度现象与能量级串的关键。项目面向关键海域“透明海洋”研究中有待解决的关键科学问题，从时空耦合的角度研究湍流结构的多尺度演化，突破湍流能量级串过程的理论框架，发展基于时空耦合数据驱动的动态建模技术。.针对海洋湍流多尺度和多层结构的本质特征，提出基于多尺度EMD模态分解和时空间歇性测度的建模机制与算法。构建了湍流能量级串多层网络模型，依托多层网络结构实现对时空耦合湍流数据的多尺度分割，拓扑元素交互实现对跨尺度能量级串演化机理的挖掘，利用拓扑网络原理实现对能量级串演化机理的分析，为时空耦合能量级串的深入研究提供了全面且高效的分析依托。.针对边界层等典型海洋现象，根据外海观测数据进行建模研究。基于涡旋结构相干属性识别海洋水体中的涡旋结构，提出了多尺度相干涡旋结构识别算法，构建了多尺度涡旋演化模型，提出湍流多尺度模型的评价准则与优化机制，获取了多尺度涡旋时空耦合演化分布，实现对多尺度湍流时空演化特征挖掘。依托多尺度相干湍涡垂向空间分布规律与交互演化机理，揭示了海洋湍流混合与米级湍涡结构的联合效应关联。.本项目突破了原有湍流分析理论框架，从多尺度网络与相干结构层次出发，实现对多尺度涡旋时空耦合交互演化过程机理的充分挖掘，较大程度提升了对湍流时空演化过程的动态描述能力，提升海洋湍流认知的有效性和精确性，实现海洋环境的可预报性，为深入探知海洋湍流的物理行为提供了有力的模型支撑，提高了对海洋环流的预测与掌控水平，对后续发展远海观测、监测具有重大的意义。