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面向热带气旋现象的水下滑翔机观测技术研究
| 论文题名： | 面向热带气旋现象的水下滑翔机观测技术研究 |
| 关键词： | 水下滑翔机;航向规划;组网布放;热带气旋观测 |
| 摘要： | 热带气旋作为风暴系统，对人类的生命和财产安全具有较大的危害。热带气旋的强度与上层海洋的温盐结构密切相关。水下滑翔机在国内外已经实现对热带气旋期间上层海洋响应的协同观测。本文结合我国自主研制的“海燕”水下滑翔机在热带气旋期间的历史观测数据与三维的 Price-Weller-Pinkel数值模式(Three-Dimensional Price-Weller-Pinkel numerical model, 3DPWP)，针对水下滑翔机观测热带气旋期间海洋响应的方案进行设计和优化，主要研究内容和成果如下： （1）基于“海燕-II”水下滑翔机针对2017年台风“天鸽”(Hato)的历史观测数据，结合同期卫星观测的海面温度、风速、降雨数据，分析解释了台风引起的海洋响应温盐特征。并将水下滑翔机观测到的海洋响应数据构建了温盐异常三维结构，重构后发现，由于先前水下滑翔机采样局限，该结构于水平面内并不完整。 （2）对水下滑翔机观测方案中的航向规划进行了设计与改进。基于3DPWP模型模拟得到的台风期间海洋温盐异常数据库，水下滑翔机按照“沿台风平行”、“跨台风平行”、“混合平行”以及“混合交叉”等 4 种观测模式模拟仿真。通过计算和比较由仿真数据重构出的温度异常三维结构与模型域之间的均方根误差(Root Mean Square Error, RMSE)、平均绝对误差(Mean Absolute Error, MAE)和均方误差(Mean Square Error, MSE)，最终选择的最优航向规划方案为“沿台风平行”观测模式。将该方案应用于台风“天鸽”的观测，调整航向后的重构范围在水平面内沿台风路径方向(即yq方向)上均提高了10倍的大风半径(rmax)。 （3）对水下滑翔机面向热带气旋的观测方案进行了优化与完善。新制定了面向台风“天鸽”的水下滑翔机最优观测航线，进一步总结得到了可适用于面向热带气旋组网观测的水下滑翔机航线规划流程。同时通过统计1951至2020年热带气旋路径和产生时间，得到了适合水下滑翔机组网布放的区域及时间。对“海燕”系列水下滑翔机观测到的 31个热带气旋进行航线方案的统计，得到了12台水下滑翔机在热带气旋路径附近600 km的范围内按照“沿台风平行”模式能够观测台风等级及以下的热带气旋的结论。 （4）根据水下滑翔机航线规划流程，建立理论模型并进行了效果验证。选择2020年热带气旋“森拉克”(Sinlaku) 作为研究对象，比较“海燕”水下滑翔机现场观测与理论模型输出方案的水平面温度异常分布和有效插值点占比，验证了该航线规划理论模型的有效性。 |
| 作者： | 成丹 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 杨绍琼;孙秀军 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 天津大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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