复杂海域有限观测资源条件下自适应最优海洋观测设计方法研究

The design and optimization of the oceanographic observing systems have always been an important topic in the field of the oceanic technology. How to implement the optimal observing in the complex regional oceanographic environment by using the limited observing resources and then enhance the predictability of the oceanographic environment field/error uncertainties are the key issues in this field. This task aims to construct the oceanic data assimilation scheme based on the high-resolution regional ocean model systems and efficient data assimilation methods to implement the accurate nowcast and forecast of the oceanographic environment field/error uncertainties. And then it will combine with the observing properties and constraint of the oceanic observing networks and platforms to construct the optimal observing strategies using the limited observing resources in the complex regional oceanographic environment. Meanwhile, the complex oceanographic environment dynamic models, oceanic data assimilation methods and oceanic observing strategies will be adaptively adjusted and optimized based on the real-time oceanic observations. Finally, the relevant evaluation systems will be built to assess the predictability of the oceanographic environment field/error uncertainties and verify the optimality of the oceanic observing strategies using the observational databases of the experimental oceanographic environment. The reseach results not only can provide some theoretical references for the engineering design problems such as the layout of the observing stations, deployment of the float chambers and path planning of the moving observing platforms, but also can provide some technical support for the safety of the oceanic carriers.

海洋观测系统的设计与优化一直是海洋技术领域的重要课题。如何利用有限海洋观测资源实现对区域复杂海洋环境的最优预测，进而提高复杂海洋要素场/误差的不确定性预报能力是当前本领域所面临的关键难题。本课题基于高分辨率的区域海洋模式与高效的数据同化方法构建海洋数据同化框架，实现对复杂海洋要素场/误差不确定性精确现报与预报；并结合海洋观测网络与观测平台的测量属性与测量约束等构建复杂区域海洋环境中有限观测资源条件下最优的海洋观测方案；同时基于实时海洋观测数据实现对复杂海洋环境动力学模型、海洋数据同化方法以及有限观测资源条件下海洋观测策略的自适应优化；最后，结合试验海域观测数据库对海洋观测方案的最优性以及海洋要素场/误差的现报与预报能力进行评估验证。本课题研究成果可以为未来海洋观测计划中各类观测站点布设、浮标布放以及移动观测平台路径规划等工程设计提供理论参考，也可以为海洋运载器的航行安全保障提供技术支撑。

本课题围绕复杂海洋环境中自适应最优观测策略和不确定性预报面临的共性基础科学问题，寻求利用有限海洋观测资源实现对区域复杂海洋环境的最优预测，进而提高复杂海洋要素场现报与预报能力。针对待测海域复杂海洋环境要素物理机制与动力学过程的充分分析与认知问题，本课题基于中尺度动力学模型和多层嵌套的高分辨率耦合环流模式系统，实现了对区域复杂海洋环境海洋要素动力学过程的高分辨率准确模拟；同时结合高利用率的耦合数据同化方法与信号主导的耦合多参数优化方法，构建了区域耦合环境数值预报系统，实现了待测海域海洋环境要素高分辨率高精度的现报与预报。在获取海洋环境要素现报与预报信息的基础上，本课题结合观测平台的测量属性与测量约束，提出了复杂区域海洋环境中有限观测资源条件下最优的海洋观测方案构建方法，并利用海洋观测网络获取的海洋环境实测信息实现对海洋环境观测策略与海洋环境要素分析预报的自适应优化与调整。本课题研究除取得了实质性理论进展，同时设计了区域海洋自适应最优观测方案生成与验证评估系统，可以仿真验证区域复杂海洋环境中有限观测资源条件下海洋移动观测网络最优观测方案生成与自适应优化、及其对区域复杂海洋环境要素场现报与预报能力的提升。这些研究成果可以为未来海洋观测计划中各类观测站点布设、浮标布放以及移动观测平台路径规划等工程设计提供理论参考，也可以为海洋运载器的航行安全保障提供技术支撑。