海洋环境数值模拟与预报技术研究

第53卷 第7期 2023年7月中国海洋大学学报P E R I O D I C A LO FO C E A N U N I V E R S I T YO FC H I N A53(7):111~117J u l y,2023虚拟海洋环境仿真关键技术与应用研究韩 勇1,2,黄家琛1,马纯永1,2,杨 杰1,2,陈 戈1,2(1.中国海洋大学信息科学与工程学部,山东青岛266000;2.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)摘 要: 本文利用虚拟现实和可视化技术,对虚拟海洋环境仿真中海浪仿真㊁海风仿真与风海流仿真等关键技术进行研究,并基于研究成果开发了交互式虚拟海洋仿真系统㊂结合中国海洋大学丰富的海洋实践教学经验,对东方红2号海洋调查船进行三维建模,并运用体素化分析方法模拟其在海面的运动情况,构建了虚拟海洋环境观测载体㊂系统根据涉海专业出海实践内容设计观测实验,还原了海风观测实验和C T D 观测实验,能有效缓解当前涉海高校实践教学资源的不足,提高海洋人才的培养质量㊂关键词: 虚拟海洋;海浪仿真;船舶仿真;观测实验;实践教学中图法分类号: P 714;T P 391.9 文献标志码: A 文章编号: 1672-5174(2023)07-111-07D O I : 10.16441/j.c n k i .h d x b .20220075引用格式: 韩勇,黄家琛,马纯永,等.虚拟海洋环境仿真关键技术与应用研究[J ].中国海洋大学学报(自然科学版),2023,53(7):111-117.H a nY o n g ,H u a n g J i a c h e n ,M aC h u n y o n g ,e t a l .R e s e a r c h o f k e y t e c h n o l o g i e s a n d i m pl e m e n t a t i o n o n v i r t u a lm a r i n e e n v i -r o n m e n t s i m u l a t i o n [J ].P e r i o d i c a l o fO c e a nU n i v e r s i t y of C h i n a ,2023,53(7):111-117. ❋ 基金项目:国家重点研究发展计划项目(2020Y F B 1710400)资助S u p p o r t e d b y t h eN a t i o n a l K e y R e s e a r c h a n dD e v e l o p m e n t P r o gr a mo f C h i n a (2020Y F B 1710400)收稿日期:2022-02-09;修订日期:2022-03-10作者简介:韩 勇(1969 ),男,教授㊂E -m a i l :y o n gh a n @o u c .e d u .c n 在海洋科学及技术类专业中,出海实践是专业学习的重要组成部分㊂出海实践的教学内容包含理论知识学习㊁仪器设备操作㊁海洋观测实验等内容,是培养涉海专业人才的必要环节㊂但由于教学船只紧张㊁设备费用昂贵及培训周期长等问题[1],许多涉海高校无法开展出海实践课程,难以满足涉海专业学生的培养需求㊂目前中国隶属于高等学校的海洋调查船大多需要承担繁重的科研任务,难以满足广大高校涉海专业学生的实践教学需求,难以保证涉海人才的培养质量㊂因此在船时不足的条件下,一些涉海高校积极寻找新的海洋实践教学方案㊂大连海洋大学为涉海专业建立了虚拟仿真实验教学中心,采用模拟设备与三维仿真相结合的方式实现了驾驶模拟㊁轮机工程模拟和船舶仿真等实训内容[2]㊂江苏海洋大学建立了占地面积3400m2的海洋工程技术研究中心,并配有多种常规海洋仪器和大型海洋仪器,使涉海专业学生能在学校内完成和实践教学相关的训练课程[3]㊂然而,采用搭建真实场景模拟海上实践环境的方式仍旧存在着场景搭建成本高昂㊁后期维护复杂等问题,而且以室内培训为主的教学方式很难还原真实的海洋实践教学环境,导致教学过程缺乏沉浸感,影响教学效果㊂虚拟海洋环境仿真以虚拟现实技术为核心,融合海洋相关学科知识内容,对一定范围内的海洋环境及其相关要素在视㊁听㊁触等方面进行还原㊂虚拟现实技术具有沉浸性㊁交互性㊁想象性的特点[4],能够逼真展现海洋场景中的海浪㊁海风及船舶等关键要素㊂当前对于虚拟海洋环境仿真的研究主要集中在宏观状态下的渲染模拟㊂王顺利等[5]提出一种自适应的深浅海网格模型对海浪进行模拟,郭晓非等[6]使用图标映射法和流线法将海洋环境要素可视化,R a m o s 等[7]提出一种G P U 多线程技术对海浪场景实现实时绘制㊂然而,宏观的虚拟海洋环境仿真普遍缺乏交互性,缺少个体视角对场景要素的观察互动,难以满足涉海高校海洋人才培养的需求㊂因此本文依托中国海洋大学丰富的海洋实践经验,对虚拟海洋环境仿真技术进行研究,在此基础上设计并实现了具有交互性的虚拟海洋仿真系统㊂1 海洋调查船建模及运动仿真海洋环境具有多维性㊁庞杂性的特点[8],为提高其仿真效率,需设置重点观测区域㊂本文将东方红2号海洋综合调查船作为虚拟海洋环境仿真中的主要观测Copyright ©博看网. All Rights Reserved.中 国 海 洋 大 学 学 报2023年载体,实地采集其表面纹理和结构参数,并使用3d s M a x 软件对船体及其设备器材进行三维建模㊂构建船体及设备模型面片共74000余个,高度还原了东方红2号的船体外观及船上的起重机㊁救生艇㊁绞车等设备细节㊂船体建模效果如图1㊂图1 东方红2号三维模型F i g .1 3Dm o d e l s o f D o n g f a n g h o n g 2现实场景中船舶在海上运动时会受到周围海浪起伏的影响作用,导致船舶姿态发生改变[9]㊂本文采取一种基于浮力变化分析的船舶运动仿真方法,对在不断变化的海面环境中船舶的运动状态进行模拟㊂通过对主船体模型进行体素化,将随海浪高度变化的船体浮力通过分割出的体素矩体进行分析,从而实现对船体运动受力变化的仿真㊂体素化技术是一种将连续几何体分割为一组最接近连续对象体素的技术[10],常应用在各种复杂模型的处理中㊂本文对东方红2号主船体模型网格进行体素分割,以主船体中心为原点建立笛卡尔坐标系,生成最小坐标为(x m i n ,y m i n ,z m i n )㊁最大坐标为(x m a x ,y ma x ,z m a x )的矩体,然后分别沿x ㊁y ㊁z 轴将矩体分割成n 份,最终获得切割后的小型体素,体素的中心坐标(x i ,y j ,z k )如下:x i =x m i n +D x i +12æèçöø÷,i =0,1, ,n -1y j =y m i n +D y j +12æèçöø÷,j =0,1, ,n -1z k =z m i n +D z k +12æèçöø÷,k =0,1, ,n -1ìîíïïïïïïï㊂(1)式中:D x ㊁D y ㊁D z 分别为沿三个坐标轴的分割间隔,且D x =x m a x -x m i n ()/n ;D y =y m a x -y m i n ()/n ;D z =Z m a x -Z m i n ()/n ㊂但主船体模型不是规则的矩体,分割出的小型体素并未全部包含在船体模型网格范围内,因此在完成小型体素切割后,需对获得的体素集合进行筛选㊂本文使用射线检测法排除冗余体素,原理如下:从当前检测体素中心引出朝向主船体模型的射线,并检测碰撞点,若碰撞点为1,则保留当前体素;若碰撞点为0,则标记为冗余体素排除㊂重复以上步骤直到体素集合被遍历,完成筛选㊂完成体素筛选后,对船舶在海面所受的浮力进行分析㊂通过体素化分析,船舶所受的浮力F B 可以分解为所有体素受到的浮力F b i 的集合㊂通过比较体素中心点(x i ,y j ,z k )与同一水平位置(x i ,y j )的海面高度H 1的大小,体素所受浮力F b i可表示为:F b i =r i ρg V ㊂(2)式中:r 为当前体素的浮力系数;ρ为海水密度;V 为体素的体积㊂浮力系数r i 表示如下:r i =1,H 1-z k >L z 2H 1-z kL z2+12,H 1-z k ɤL z 20,z k -H 1>L z2ìîíïïïïïïïï ㊂(3)计算出每个体素的浮力后,通过力矩平衡可以计算出当前船舶的旋转力矩,从而实现对船舶在海面运动状态的模拟㊂系统使用R i g i d b o d y .A d d T o r q u e 函数控制船体首尾的摆动,其摆动幅度受船体所受合力矩大小的影响;使用R i g i d b o d y .A d d F o r c e 函数模拟船体的在垂直方向上的受力,其大小与方向受船体重力与浮力的影响㊂船舶的运动仿真效果如图2㊂图2 东方红2号在海浪中运动F i g .2 M o v e m e n t o f D o n g f a n g h o n g 2i n t h ew a v e s 2 海洋环境仿真技术研究2.1基于G e r s t n e r 波修正的F F T 海浪仿真海浪仿真是海洋环境仿真中的一个关键部分,是多种海洋要素仿真的基础,能极大地影响海洋环境仿真的真实感㊂常见的海浪仿真方法包括基于物理模型建模㊁几何模型建模和海浪波谱建模㊂物理模型模拟海浪计算复杂㊁耗时较长;几何模型仿真海浪真实感较差,难以充分还原真实海浪情况[11]㊂考虑到仿真效率和真实性要求,本文采用基于海浪波谱的仿真方法,使用G e r s t n e r 波模型对海浪进行仿真㊂具体实现步骤如下:211Copyright ©博看网. All Rights Reserved.7期韩 勇,等:虚拟海洋环境仿真关键技术与应用研究(1)确定波数矢量k ң㊂在海浪仿真所需的空间网格平面x o y 上,沿x 轴和y 轴分别采样N 和M 个点㊂此时波数矢量k ң=(2πn /L x ,2πm /L y ),L x 和L y 分别代表网格平面沿坐标轴的长和宽,n ㊁m 为整数且-N /2ɤn <N /2,-M /2ɤm <M /2㊂(2)计算海面初始化高度场频谱H 0 (k ң)㊂H 0 (k ң)=1 2ε1+i ε2() φk ң()㊂(4)式中:ε1和ε2为均值方差相同(均值μ=0,方差σ2=1)㊁互相独立的高斯随机数;φk ң()为P h i l l i p s 谱,是常用于海面风浪模拟的波数谱[12],表达式为:φk ң()=A p k 4æèçöø÷k ң㊃r ң2e x p -1k 2l 2æèçöø÷㊂(5)式中:A p 为P h i l l i ps 谱常数;r ң表示风向;l 表示风速v 与海浪的关系且l =v 2/g ;g 为重力加速度㊂(3)用I F F T 算法反演空间域的海浪顶点高度H x ң,t ()㊂通过式(4)中求得的初始化高度场频谱H 0k (),计算傅里叶振幅值H k ң,t ():H k ң,t ()=H 0k ң()e x p i ωt ()+H *0(-k ң)e x p -i ωt ()㊂(6)式中:H *0是H 0k ()共轭复数;ω是角频率且ω= g k ,其中k 为波数矢量k ң的模㊂得到H k ң,t ()后,使用I F F T算法反演空间域中的海浪顶点高度㊂t 时刻海平面网格上某一点的瞬时波高H x ң,t ()表示为:H x ң,t ()=ð kH 0 (k ң,t )e x p (i k ң㊃x ң)㊂(7)式中:x ң=(x ,y )代表x o y 网格上点的坐标;x ㊁y 分别为采样点在X 轴和Y 轴的坐标数值,表示如下:x =n ㊃L x N ,-N 2ɤn <N 2y =m ㊃L y M ,-M 2ɤm <M 2ìîíïïïï ㊂(8)(4)使用G e r s t n e r 波模型对海浪顶点高度进行位移修正㊂G e r s t n e r 波模型是一种通过多个余弦波叠加而来的有限振幅波[13],适用于大范围海浪的仿真㊂相比使用正弦波海浪平稳的模拟效果,G e r s t n e r 波模拟的海浪波峰被压缩,波谷更宽,更接近真实的海浪波峰波谷情况㊂为实现对海浪受较强海风影响时浪尖受到挤压的效果模拟,根据G e r s t n e r 波模型理论,在t 时刻瞬时波高为H x ң,t ()的点坐标x ң=(x ,y )需要受到C h o p p y 波向量的位移修正,即点的真实位置坐标应当为(x ң+μD x ң,t (),H x ң,t ()),其中μ为偏移参数㊂偏移函数D (x ң,t )表示如下:D x ң,t ()=ð kk k ңH k ң,t ()e x p i k ң㊃x ң()㊂(9)(5)依据偏移修正过的海浪高度数据设置海浪网格平面,然后通过顶点着色器进行海面波纹渲染处理,实现海浪的仿真过程㊂海浪仿真效果如图3㊂图3 海浪仿真效果F i g.3 W a v e s i m u l a t i o n e f f e c t 2.2海风与风海流的粒子仿真2.2.1基于时变风速模型的海风仿真 海风的仿真对海洋学的研究和系统有着至关重要的作用,是海洋观测的重要组成部分[14]㊂系统基于粒子渲染技术,结合矢量场原理模拟三维空间中的海风轨迹,对海风的运动轨迹进行仿真㊂根据风速的变化性质,时变风速模型包含基本风㊁阵风㊁渐变风和随机风四种成分[15]㊂基本风V B 表示在一段时间内的基础风速,其值为常数㊂随机风V N 表示风速的随机变化,系统采用R a n d o m.R a n ge 函数进行模拟㊂基本风与随机风的仿真可通过简单建模完成,因此本文着重介绍阵风与渐变风的仿真过程㊂阵风V G 表示风速的突变性质,用来模拟在短时间内风速的剧烈变化㊂阵风的数学模型为:V G =0,t <t g 或t >t g +T G v g m 1-c o s 2πt -t g ()T G æèçöø÷éëêêùûúú,t g ɤt ɤt g +T G {㊂(10)式中:t 代表当前时间;v g m 代表阵风的最大风速;t g 代表阵风开始时间;T G 代表阵风周期㊂渐变风V R 表示风速在一段时间内的平稳变化,渐变风的数学模型为:V R =0,t <t r 1v r m t -t r 1()/(t r 2-t r 1),t r 1ɤt ɤt r 2v r m ,t r 2<t ìîíïïïï㊂(11)式中:t 代表当前时间;v r m 代表渐变风的最大风速,t r 1代表渐变风的开始时间,t r 2代表渐变风的结束时间㊂本文基于时变风速模型,采用粒子系统P a r t i c l eS y s t e m 对海风进行仿真㊂系统通过S t a r tD e l a y 控制粒子的延迟发射,模拟海风的开始时间;通过S t a r tS pe e d 控制粒子的发射速度,模拟海风的实时风速;通过R o t a t e()函数控制粒子的发射方向,模拟海风的风311Copyright ©博看网. All Rights Reserved.中 国 海 洋 大 学 学 报2023年向;通过在S h a d e r 中将M a ps 设置为白色箭头,以指示海风前进方向㊂海风仿真效果如图4㊂图4 海风仿真效果F i g.4 S e a b r e e z e s i m u l a t i o n e f f e c t 2.2.2基于粒子迹线绘制的表层风海流仿真 风海流是指在风对海水的摩擦力与海面压力作用下,海水中形成的一种稳定海流[16]㊂根据‘海港水文规范“中对风海流的估算方法,近岸海区表层风海流的流速V u 可以近似为:V u =K V w ㊂(12)式中:V u 表示风海流的流速;V w 表示海面风速;K 代表流速系数,取K 的值为0.03㊂在浅海中,风海流的流向与风向的夹角较小,流向可近似为风的方向[17]㊂系统将2.1.1中的海风风速仿真结果作为输入,计算得出对应风海流的流速㊁流向与风向保持一致,并通过粒子系统进行仿真㊂粒子在场景的空间网格中按一定比例产生,并朝一定方向发射形成迹线,以模拟风海流的运动轨迹㊂在t 0时刻粒子方位表示如下:p t =p 0+ʏt 0vt()d t ㊂(13)式中:vt ()为粒子在t 时刻的运动速度;p 0为粒子发射时的初始位置;t 0代表粒子产生的时间㊂为描述风海流的运动轨迹,在粒子运动时保存其行动迹线,将粒子系统中的T r a i l s 模块的状态设置为激活,将贴图模式设置为拉伸状态S t r e t c h ,以实现粒子的拖尾效果,记录粒子的运动轨迹㊂在W i d t h O v e r T r a i l 中设置拖尾宽度随时间的变化趋势,实现对海流随时间的渐变效果模拟㊂在N o i s e 模块中设置噪声的频率与强度,以模拟实际情况下风海流的不规则运动㊂风海流仿真效果如图5所示㊂图5 风海流仿真效果F i g.5 W i n d c u r r e n t s i m u l a t i o ne f f e c t 3 交互式虚拟海洋仿真系统3.1虚拟海洋环境仿真系统架构本文基于海浪仿真和船舶运动仿真研究,结合中国海洋大学丰富的海洋实践教学经验,开发了虚拟海洋环境仿真系统㊂系统的结构可分为用户层㊁表现层㊁业务逻辑层和数据层(见图6)㊂用户层对应参与教学的用户角色,包含负责教学引导工作的教师和参与教学实验的学生;表现层包含系统各功能模块,主要有逻辑管理模块㊁用户界面模块㊁动画控制模块㊁用户交互模块㊁仿真实现模块和光学定位模块,通过组件式模块开发实现系统的低耦合度,提高系统的开发测试效率;业务逻辑层包含三维仿真逻辑和观测教学逻辑两大内容,其中三维仿真逻辑主要包含海洋环境仿真过程中的仿真算法逻辑实现,观测教学逻辑主要包括船体参观㊁海风观测和温盐深观测教学的逻辑实现;数据层对应数据存储和数据访问,包含模型数据㊁定位数据和仿真数据㊂图6 交互式虚拟海洋仿真系统结构F i g .6 S t r u c t u r e o f i n t e r a c t i v e v i r t u a lm a r i n e s i m u l a t i o n s ys t e m 3.2系统功能模块系统采用组件式架构,对特定模块的功能和数据进行封装㊂系统具体功能模块划分如下:(1)逻辑管理模块㊂逻辑管理模块主要功能是将各仿真模块按照一定的逻辑顺序组合后统一管理,并提供可与各模块通信的接口㊂逻辑管理模块中实现了系统启动运行及观测教学的逻辑设计,可设置系统的运行状态,编辑教学流程㊂在编辑界面中,可通过设置411Copyright ©博看网. All Rights Reserved.7期韩 勇,等:虚拟海洋环境仿真关键技术与应用研究S t e p N u m 参数改变流程的步骤数量,拖动O b je c t 设置流程的步骤排序㊂在脚本中调用G e t C o m p o n e n t 函数可获取场景中对象的属性或组件,从而更改对象或组件的状态㊂通过逻辑管理模块,系统实现了教学流程构建,并设计完成了海风观测和C T D 观测的实验逻辑流程㊂(2)用户界面模块㊂用户界面(U s e r i n t e r f a c e ,U I )模块的主要功能是控制系统中U I 的状态开闭与位移旋转㊂系统使用U G U I 系统,制作了主界面登录U I 和场景中的交互U I㊂用户在登录界面登录后,可进入船舱的初始位置开始教学㊂在教学过程中,用户通过V R手柄与U I 上的按钮面板进行交互,即可触发对应的U I 事件,包括知识学习㊁教学考核㊁步骤推进等㊂通过用户界面模块,系统实现了文本㊁影音知识的教学,和教学内容的递进引导㊂(3)动画控制模块㊂动画控制模块的主要功能是控制系统中的动画播放状态㊂系统使用动画控制器A n i m a t o r C o n t r o l l e r 对动画片段C l i p s 进行管理㊂通过设置动画状态的控制参数及不同动画间转换条件,实现对不同C l i ps 的播放切换㊂系统通过动画控制器,实现了对海风观测实验中风向风速仪旋转动画,和C TD 观测实验中的C T D 下放(见图7(a ))收回㊁采水器的开闭等动画播放控制㊂(4)用户交互模块㊂用户交互模块的主要功能是设置场景中用户的手柄触发操作㊂通过V RC o n t r o l l e r 设置虚拟现实手柄的交互方式,用户在场景中可通过手柄进行近距离点按交互和远程射线交互㊂场景中可交互的物体通过标签T a g s 进行标记,当用户的手柄进入其触发范围内时,可激发物体的对应事件,如移动㊁变色㊁消失等㊂当手柄发出的射线接触到地面的传送标记(见图7(b ))时,松开扳机键可触发场景传送功能,实现用户在船舱㊁过道和甲板上的便捷传送㊂此外,通过N e t w o r k i n g 网络框架,系统可实现多终端用户间的协同交互,极大提高了系统的互动性和趣味性㊂图7 C T D 下放(a )及传送标志(b)F i g .7 P l a c i n g C T D (a )a n dm o v i n gi c o n (b ) (5)仿真实现模块㊂仿真实现模块主要负责系统中海洋环境仿真及船舶运动仿真中的运算及渲染功能㊂海浪仿真通过将计算所得网格高度值实时更新到对应的海面渲染器中,实现了对动态变化海浪的模拟㊂船舶运动仿真在物体的包围盒B o u n d s 中生成指定大小的正方体体素,通过射线检测保留在物体网格M e s h 内的体素,并实时分析每个体素与海面的位置关系,最终实现对海面船舶运动的模拟㊂海风仿真基于风速数学模型,将实时计算结果赋予粒子系统的E m i s s i o n 模块,实现对风速时变的海风模拟㊂风海流仿真在海风仿真的基础上,添加粒子拖尾迹线和随机误差,实现对海面表层风海流的模拟㊂(6)光学定位模块㊂光学定位模块主要负责场景中光学定位功能的实现㊂整个光学定位系统由12部F l e x 13摄像头组成,系统可在5mˑ6m 大空间内对多个目标的光学定位㊂视觉定位技术可以分为主动式视觉定位与被动式视觉定位[18]㊂系统采用的被动定位技术是由不同位置的相机拍摄同一场景,并通过对多幅图像中同一点的位置进行计算,来获得该点在空间内的三维坐标㊂本文定位系统使用多目立体视觉模型(见图8),其优势在于弥补了双目立体视觉定位易受环境干扰的缺陷,捕获的图像信息可以经过多次计算,可降低空间点的坐标估计误差㊂图8 多目立体视觉模型F i g.8 M u l t i -v i e ws t e r e o v i s i o n -b a s e dm o d e l 3.3基于虚拟海洋环境的观测实验3.3.1海风观测 海风观测实验使用风向风速仪(见图9(a))作为测量工具,模拟了对东方红2号顶部甲板的风速风向测量㊂在海风速测量实验中,学员通过操作手中的V R 手柄进行风速测量学习㊂实验开始后,虚拟场景中的V R 手柄将会替换为风向风速仪模型,晃动风向风速仪即可开始对场景内的风速㊁风向进行测量㊂风向风速仪的中央屏幕会显示当前位置的实时风速,单位为m /s,同时风杯旋转指示风力大小㊂风向风速仪上方的风标旋转指示风向,单位为(ʎ)㊂如图9(b)所示,学员在场景中手握风向风速仪并保持高举1m i n ,记录风向风速仪显示的平均风速和观察到的最多风向,完成风向风速测量实验㊂511Copyright ©博看网. All Rights Reserved.中 国 海 洋 大 学 学 报2023年((a )风向风速仪,(b )应用场景㊂(a )A e r o v a n e ;(b )A p pl i c a t i o n s c e n a r i o s .)图9 海风观测F i g.9 S e a b r e e z em e a s u r e m e n t 3.3.2虚实结合的C T D 观测实验 温盐深是海洋物理学的重要参数,是海洋水文观测的基本要素[19]㊂温盐深测量仪(C o n d u c t i v i t y ,t e m p e r a t u r e ,d e p t h ,简称C T D )是海洋研究观测中的重要设备,能够精确获取水体的温盐深数据[20]㊂C T D 由水下单元㊁甲板单元和采水系统三部分组成,其主要功能是采集不同层位的海水㊂实验采用的S B E -911型C T D 采水系统,其搭载的各类高精度传感器可以采集海水的温度㊁盐度㊁压力㊁叶绿素㊁溶解氧等基础观测要素[21]㊂实验设计了C T D 观测实验,包含甲板单元介绍㊁采水单元安装㊁C T D 下放回收等内容㊂实验采用动作捕捉技术设计虚实结合的互动模式,在场景内配置了实体的C T D 采水系统,并放置多个光学M a r k 点进行标记㊂实验过程中深度相机捕获M a r k 点标志,并与M o t i v e 软件中的光学刚体端点进行匹配,将M a r k 点在现实坐标系中的坐标同步给空间坐标系中的光学刚体,然后将光学刚体坐标同步给仿真场景中对应三维模型,从而实现C T D 采水系统在现实场景与仿真场景中的状态同步㊂图10中,学员通过佩戴动作捕捉手套,可实现对现实场景和虚拟场景中C T D 采水设备的同步操作㊂虚实结合的互动方式能极大增强交互的真实感和交互性,从而提高观测实验的系统效果㊂图10 虚实结合交互F i g .10 C o m b i n a t i o n i n t e r a c t i o n o f v i r t u a l i z a t i o n a n d r e a l i t y4 结语本文将虚拟现实技术应用在海洋环境仿真中,通过船只建模及其运动仿真构建虚拟海洋环境观测载体,研究了以海浪仿真㊁海风仿真㊁海流仿真为核心的虚拟海洋环境仿真技术,并在此基础上设计实现了交互式虚拟海洋仿真系统,逼真还原了出海实践教学中海风观测和C T D 观测两大实验内容,扩展了海洋实践教学的形式,提高了海洋人才的培养质量㊂本文通过研究虚拟海洋环境仿真中的多项关键技术,实现了基于实践教学的海洋仿真交互式系统,对涉海高校实践教学的新型模式进行了探索㊂交互式虚拟海洋仿真系统在一定程度上弥补了当前高校海洋调查船难以满足人才培养需求的缺陷,避免了真实海洋实践过程中可能的安全隐患㊂虽然现阶段虚拟仿真系统无法完全取代真正的出海实践教学,但它可作为高校出海实践的有效补充,以提高教学资源的利用效率并缩短海洋人才的培训周期㊂随着海洋环境仿真技术与交互技术的进一步发展,虚拟海洋仿真技术将在高校海洋实践课程中获得更广泛的应用㊂参考文献:[1] 林昆勇.中国海洋科技创新发展的历程㊁经验及建议[J ].科技导报,2021,39(20):19-32.L i nKY .T h e c o u r s e o f i n n o v a t i o n a n d d e v e l o p m e n t o f C h i n a 'sm a r i n e s c i e n c ea n d t e c h n o l o g y :Ar e v i e wo f e x p e r i e n c ea n dc o u n t e r m e a s u r e s [J ].S c i e n c e&T e c h n o l o g y R e v i e w ,2021,39(20):19-32.[2] 隋江华,李昕,张堂伟.海上专业虚拟仿真教学中心建设的实践探讨[J ].航海教育研究,2015,32(3):70-75.S u i JH ,L iX ,Z h a n g T W.P r a c t i c ea n dd i s c u s s i o no nt h ec o n -s t r u c t i o n o f v i r t u a l s i m u l a t i o n t e a c h i n g c e n t e r f o rm a r i n e s p e c i a l t y [J ].M a r i t i m eE d u c a t i o nR e s e a r c h ,2015,32(3):70-75.[3] 田慧娟,周立,汤均博,等.海洋实践教学观测平台的建设与应用探索[J ].实验技术与管理,2020,37(11):261-263.T i a nHJ ,Z h o uL ,T a n g JB ,e t a l .E x pl o r a t i o no nc o n s t r u c t i o n a n d a p pl i c a t i o n o f o b s e r v a t i o n p l a t f o r mf o rm a r i n e p r a c t i c a l t e a c h -i n g [J ].E x p e r i m e n t a lT e c h n o l o g y a n d M a n a ge m e n t ,2020,37(11):261-263.[4] D a n g x i a oW ,Y u a nG ,S h i y i L ,e t a l .H a p t i c d i s p l a yf o r v i r t u a l r e -a l i t y :P r og r e s sa n dch a l l e n g e s [J ].Vi r t u a lR e a l i t y &I n t e l l i ge n t H a r d w a r e ,2019,1(2):136-162.[5] 王顺利,康凤举,徐建华.通用化海浪仿真关键技术研究[J ].系统仿真学报,2017,29(2):381-386.W a n g SL .K a n g FJ,X u JH.R e s e a r c ho n g e n e r a l o c e a n s i m u l a -t i o n t e c h n o l o g y [J ].J o u r n a l o f S y s t e mS i m u l a t i o n ,2017,29(2):381-386.[6] 郭晓非,朱俊利,万剑华,等.基于C e s i u m 的海洋环境要素三维可视化研究[J ].海洋科学,2021,45(5):130-136.G u oXF ,Z h u J L ,W a n JH ,e t a l .3Dv i s u a l i z a t i o n o fm a r i n e e n -v i r o n m e n t a l e l e m e n t s b a s e d o nC e s i u m [J ].M a r i n e S c i e n c e s ,2021,45(5):130-136.[7] P u i g -C e n t e l l e sA ,R a m o sF ,R i p o l l e sO ,e ta l .V i e w -d e pe n d e n t t e s s e l l a t i o na n ds i m u l a t i o no fo c e a ns u rf a c e s [J ].T h eS c i e n t i f i c W o r l d J o u r n a l ,2014(2014):1-12.[8] 薄文波.海洋环境仿真系统的若干问题分析[J ].电子世界,2018(23):43-44.B oW B .A n a l y s i so f p r o b l e m s i n m a r i n ee n v i r o n m e n t s i m u l a t i o n 611Copyright ©博看网. All Rights Reserved.7期韩勇,等:虚拟海洋环境仿真关键技术与应用研究s y s t e m[J].E l e c t r o n i c sW o r l d,2018(23):43-44.[9]黄松兴,焦甲龙,陈超核.方形波浪中船舶运动特性及安全航行策略[J].浙江大学学报(工学版),2021,55(8):1473-1481.H u a n g SX,J i a o JL,C h e nC H.S h i p m o t i o nr e s p o n s e s i nc r o s sw a v e a n d r e l a t e d s a f en a v i g a t i o ns t r a t e g y[J].J o u r n a l o fZ h e j i a n g U n i v e r s i t y(E n g i n e e r i n g S c i e n c e),2021,55(8):1473-1481. [10] K a u f m a nA,C o h e nD,Y a g e l R.V o l u m e g r a p h i c s[J].C o m p u t e r,1993,26(7):51-64.[11]张文桥.动态海浪建模与仿真的关键技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2017.Z h a n g W Q.R e s e a r c ho nK e y T e c h n i q u e so fD y n a m i cO c e a n W a v e M o d e l i n g[D].H a r b i n:H a r b i nE n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y,2017. [12]B a d u l i nS I,Z a k h a r o vVE.T h e P h i l l i p s s p e c t r u ma n d am o d e l o fw i n d-w a v e d i s s i p a t i o n[J].T h e o r e t i c a l a n dM a t h e m a t i c a l P h y s i c s, 2020,202(3):309-318.[13] N o u g u i e r F,G uér i nCA,C h a p r o nB. C h o p p y w a v e m o d e l f o rn o n l i n e a r g r a v i t y w a v e s[J].J o u r n a lo fG e o p h y s i c a lR e s e a r c h: O c e a n s,2009,114(C9):1-16.[14]王国峰,赵永生,范云生.风速风向测量误差补偿算法的研究[J].仪器仪表学报,2013,34(4):786-790.W a n g GF,Z h a oYS,F a nYS.R e s e a r c ho n e r r o r c o m p e n s a t i o na l g o r i t h mf o rw i n d s p e e da n dd i r e c t i o nm e a s u r e m e n t[J].C h i n e s eJ o u r n a l o f S c i e n t i f i c I n s t r u m e n t,2013,34(4):786-790. [15]张真源,刘国荣,杨小亮,等.基于R B F神经网络的参数自适应P I D变桨控制器的设计[J].电力系统及其自动化学报,2020,32(5):16-23.Z h a n g ZY,L i uGL,Y a n g XL,e t a l.D e s i g n o f R B F n e u r a l n e t-w o r k b a s e d p a r a m e t e r a d a p t i v e P I D p i t c h c o n t r o l l e r[J].P r o c e e d-i n g s o f t h eC S U-E P S A,2020,32(5):16-23.[16]陈邦杆,洪广鹏,胡宗敏.码头设计流速探析[J].水运工程,2016(2):76-80.C h e nBG,H o n g G P,H uZ M.O nd e s i g n e df l o wv e l o c i t y o fw h a r f[J].P o r t&W a t e r w a y E n g i n e e r i n g,2016(2):76-80.[17]韩庆楠.基于电子海图系统的海流对船舶航迹影响的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2008.H a nQ N.R e s e a r c h o f t h e I n f l u e n c e o f t h eO c e a nC u r r e n t o n t h eS h i p T r a c kB a s e do nE C D I S[D].H a r b i n:H a r b i nE n g i n e e r i n gU n i v e r s i t y,2008.[18] D e n g FP,H o n g G,Z h a n g S,e t a l.R e s e a r c h o nM o t i o nS e n s i n gI n t e r a c t i o nT e c h n o l o g y B a s e do nH T CV i v e[C].X i'a n:I n t e r n a-t i o n a l C o n f e r e n c e o nM a c h i n e r y,M a t e r i a l s a n d I n f o r m a t i o nT e c h-n o l o g y A p p l i c a t i o n s,2017.[19]张龙,叶松,周树道,等.海水温盐深剖面测量技术综述[J].海洋通报,2017,36(5):481-489.Z h a n g L,Y e S,Z h o uSD,e t a l.R e v i e wo fm e a s u r e m e n t t e c h-n i q u e s f o r t e m p e r a t u r e,s a l i n i t y a n d d e p t h p r o f i l e o f s e aw a t e r[J].M a r i n e S c i e n c e B u l l e t i n,2017,36(5):481-489.[20] H a n b a iF,A nP,M i a o m i a oQ.R e s e a r c ho nE x p e n d a b l eS e a w a t e rC o n d u c t i v i t y M e a s u r e m e n t S y s t e m[C].D a l i a n:20102n d I n t e r n a t i o n-a l C o n f e r e n c e o nS i g n a l P r o c e s s i n g S y s t e m s.I E E E,2010(1):115-118.[21]柴永平,占祥生.M V P在综合调测中对多波束声速改正的应用[J].海洋技术学报,2019,38(6):30-34.C h a i Y P,Z h a n X S.A p p l i c a t i o no f t h e M V Pf o r m u l t i-b e a ms o u n d v e l o c i t y c o r r e c t i o n[J].J o u r n a l o f O c e a nT e c h n o l o g y,2019, 38(6):30-34.R e s e a r c h o nK e y T e c h n o l o g i e s a n d I m p l e m e n t a t i o n o nV i r t u a l M a r i n eE n v i r o n m e n t S i m u l a t i o nH a nY o n g1,2,H u a n g J i a c h e n1,M aC h u n y o n g1,2,Y a n g J i e1,2,C h e nG e1,2(1.F a c u l t y o f I n f o r m a t i o n S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y,O c e a nU n i v e r s i t y o f C h i n a,Q i n g d a o266000,C h i n a;2.T h e L a b o r a t o r yf o rR eg i o n a l O c e a n o g r a ph y a n dN u m e ri c a lM o d e l i n g,P i l o tN a t i o n a l L a b o r a t o r y f o rM a r i n e S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y(Q i n g d-a o),Q i n g d a o266237,C h i n a)A b s t r a c t: V i r t u a lm a r i n ee n v i r o n m e n t s i m u l a t i o n i so f g r e a t s i g n i f i c a n c e t ou n d e r s t a n da n dr e s e a r c h o c e a n.T h e p a p e r u t i l i z e d v i r t u a l r e a l i t y a n d v i s u a l i z a t i o n t e c h n o l o g y t o r e s e a r c h t h e s i m u l a t i o n o f w a v e, s e a b r e e z e,w i n d c u r r e n t a n d s o m e o t h e r k e y t e c h n o l o g i e s i n v i r t u a lm a r i n e e n v i r o n m e n t,a n d d e v e l o p e d a n i n t e r a c t i v e v i r t u a l o c e a n s i m u l a t i o n s y s t e mb a s e do n t h e r e s e a r c h r e s u l t s.C o m b i n e dw i t h t h e a b u n-d a n tm a r i n e p r a c t i c a l t e a c h i n g e x p e r i e n c e o f O c e a nU n i v e r s i t y o f C h i n a,t h e D o n g f a n g h o n g2m a r i n e s u r-v e y v e s s e l w a sm o d e l e d i n t h r e e d i m e n s i o n s,a n d i t sm o v e m e n t o n t h e s e aw a s s i m u l a t e d b y v o x e l a n a l y-s i sm e t h o d.I n t h i sw a y,a v i r t u a lm a r i n e e n v i r o n m e n t o b s e r v a t i o n c a r r i e rw a s c o n s t r u c t e d.T h e s y s t e m d e s i g n e d o b s e r v a t i o n e x p e r i m e n t s b a s e d o n p r a c t i c e t e a c h i n g o fm a r i n e r e l a t e d s p e c i a l t y,r e s t o r i n g t h e s e a b r e e z em e a s u r e m e n t a n d C T Dm e a s u r e m e n t.I n t h i s w a y,i t c a n e f f e c t i v e l y a l l e v i a t e t h e s h o r t a g e o f t e a c h i n g r e-s o u r c e s i n r e l a t e d u n i v e r s i t i e s,a n d s i g n i f i c a n t l y i m p r o v e t h e t r a i n i n g q u a l i t y o fm a r i n e t a l e n t s.K e y w o r d s: v i r t u a l o c e a n;s e aw a v es i m u l a t i o n;s h i p s i m u l a t i o n;o b s e r v a t i o ne x p e r i m e n t;p r a c t i c a l t e a c h i n g责任编辑庞旻711Copyright©博看网. All Rights Reserved.。

海洋生态调查与研究技术导言：海洋生态是指海洋中沉积物、生物与海洋环境相互关联的一种生态系统。

由于海洋环境的特殊性，进行海洋生态的调查与研究需要特定的技术手段和方法。

本文将介绍海洋生态调查与研究所使用的关键技术，以及这些技术在海洋生态研究中的应用。

一、海洋生态调查技术1. 海洋生物样品采集技术海洋生态调查的基础是对海洋生物样品的采集和分析。

传统的采样方式包括网采、拖网、渔网或者潜水员下潜采样等，这些方法的局限性在于采集到的样本数量有限，难以对大面积海域进行全面调查。

因此，现代海洋生态调查采取了更为高效的方法，如无人机和遥感技术，可以通过遥感图像和无人机摄像等手段获取更为广泛的样本数据。

2. 海洋底质采样技术海洋底质作为海洋生态系统的重要组成部分，其研究对于了解海洋生态的平衡和变动至关重要。

海洋底质采样技术包括多管器采样、冻土钻采样和照相机探头等。

这些技术使得科研人员能够获取到深海底泥的样本，并进行进一步的化学和物理分析。

3. 海洋水质监测技术海洋生态系统中的水质是维持生态平衡的重要因素。

海洋水质监测技术涉及测量水体中的物理、化学和生物学参数。

例如，通过测量水体中的温度、盐度、溶解氧和浊度等指标，可以评估水质的优劣，并对海洋生态系统的健康状况进行评估。

二、海洋生态研究技术1. 遥感技术遥感技术是一种通过卫星、无人机或其他遥感平台获取地表信息的方法。

在海洋生态研究中，遥感技术可以用于获取海洋环境中的温度、盐度、水色和叶绿素等参数。

通过对遥感数据进行分析与解译，可以全面了解海洋生态系统的动态变化。

2. DNA测序技术基因测序技术的发展推动了海洋生态研究的新突破。

通过对海洋生物样本中的DNA进行测序，可以详细了解海洋生态系统中的微生物群落、物种多样性和遗传结构等。

这种高通量测序技术为海洋生态研究提供了全新的研究手段。

3. 数值模拟技术数值模拟技术通过建立数学模型，模拟和预测海洋生态系统的运行和变化过程。

这种技术通过计算机模拟，能够模拟出海洋生态系统中的复杂相互作用。

海洋预报技术及其应用研究海洋预报技术及其应用研究海洋预报，是指根据海洋环境特征值的历史资料和实时观测结果，运用专门设计的物理模型和数学模型，对一定海域未来时间内的海洋要素、海洋现象、海洋变异及其可能造成的影响，以一定的文字、图表、声像等形式进行描述和发布。

海洋预报包括风暴潮、海浪、海啸、海冰、海流、海温、盐度、潮汐、海平面变化、厄尔尼诺、水质、海岸侵蚀等。

海洋积聚着巨大能量，这些能量一旦以某种突发的方式释放，则可能对人类构成非常大的危害，包括风暴潮、巨大海浪、严重海冰、海啸、赤潮等突发性较强的灾害；海平面变化、海岸侵蚀以及沿岸土地盐渍化等缓发性海洋灾害。

我国沿海地区人口稠密、经济发达，海上各类生产活动蓬勃发展，但频受海洋灾害袭击，每年因海洋灾害造成的直接经济损失在100亿元以上。

风暴潮、海浪、赤潮、海水入侵和海岸侵蚀等较为严重。

进行海洋预报可以有效地对海洋灾害进行预警，有效经济损失和人员伤亡，在经济社会发展当中发挥了重要的作用。

目前人类社会对海洋分析预报的需求包括：海洋业务化预报、台风预报、季节和气候预测、全球变化研究、海上航运、渔业、目标漂浮物的跟踪预报、海上搜救、溢油预报、海上执法和管理、海上石油和天然气作业、海洋旅游等。

军事方面，海军对海洋分析预报的需求有：水面舰艇的航行安全、作战训练、武器装备性能的发挥、维护国家海上权益、海外救援等。

海洋预报可以对国防安全、海洋经济发展、海洋防灾减灾、海上重大活动、海洋权益维护等起到很好的促进和强有力的支撑，很多海洋预报的产品对军事活动和国防的安全等也有重要的作用。

海洋预报是一切海上活动的基础。

随着海洋数值模拟技术、全球海洋观测系统和海洋数据同化方案技术的发展，以及社会和军事活动对海洋环境信息的迫切需求，驱动着海洋分析预报技术的不断发展。

海洋预报的具体内容有：研制深、浅水海浪数值预报模式，研制适合于海洋环境预报的有限区域海面风场数值预报模式和台风风场数值预报模式，实现中海及邻近海域海浪数值预报。

数值计算在海洋科学中的应用海洋是一个广阔的领域，其内含有大量的水文、气象、地理、生物等信息。

这些信息与人类生产、生活密切相关。

随着计算机技术的发展，数值计算成为研究海洋科学的一种有力工具。

数值计算技术可以通过模型、算法和程序等方式，模拟和解决各种复杂的海洋科学问题。

在这篇文章中，我们将重点关注数值计算在海洋科学中的应用。

第一部分：数值计算在海洋科学中的基本概念数值计算是利用计算机对各种数学问题进行求解的一种方法。

在海洋科学中，数值计算主要应用于如下几个方面：1. 海洋动力学的数值模拟海洋动力学是研究海流、波浪、洋流和海水温度、盐度等动力过程的学科。

数值模拟是海洋动力学中最常用的研究方法之一。

现代数值模拟技术结合了计算机模拟和实测数据，并通过数值模型对海洋变化进行复现和预测。

例如，计算机模拟可以生成各种海底地形、海流和气象条件的模型，研究这些因素对海洋生态、海运、海洋资源的影响。

2. 海洋环境的数值模拟海洋环境的数值模拟是通过海洋环境数值模型对海洋生态、垃圾污染、漏油污染等众多问题进行预测、评价和优化处理。

例如，数值模拟可以研究含沙潮流、悬浮生物、废弃物随流运动等问题。

通过数值模拟，还可以评价不同海洋污染来源的贡献率，明确将要采取的污染治理政策。

3. 海洋气象预报海洋气象预报旨在对海况、海风、浪高、风速、水温等进行准确预测。

海洋气象预报不仅是航海、渔业等行业的重要依据，更是海上安全的重要保障。

数值计算可以通过气象数学模型对海洋气象进行分析、预报和分布分析。

预报时，研究人员根据模型进行预测，并将结果发送给用户、船员和港口等相关人员。

第二部分：数值计算在海洋科学中的应用案例1. 转基因微藻品种筛选海洋养殖是我国重要的经济产业之一。

传统上，养殖业主要依赖海藻或其他木瓜等淡水藻类。

但这些藻类缺乏一些物种适应性（如低水温和高光强等）。

为此，科研工作者引入转基因微藻进行优化。

通过模型模拟转基因微藻的生长条件，如光照强度、温度、pH、氧气含量等因素。

海洋环境中流体动力学的数值模拟方法引言流体动力学是研究流体运动和力学性质的学科，广泛应用于海洋科学领域。

海洋环境中的流体动力学问题包括海浪、潮流、洋流等多种现象。

为了更好地理解和预测这些现象，数值模拟方法成为研究者们的重要工具。

本文将介绍海洋环境中流体动力学的数值模拟方法及其应用。

流体动力学基础在介绍数值模拟方法之前，首先简要介绍一些流体动力学的基本概念。

流体动力学基于连续介质假设，将流体视为连续一致的介质。

流体运动可以通过质量守恒、动量守恒和能量守恒三个基本方程描述。

质量守恒方程质量守恒方程描述了流体质量的变化情况。

在海洋环境中，质量守恒方程可以写作:$$ \\frac{{\\partial \\rho}}{{\\partial t}} + \ abla \\cdot (\\rho \\mathbf{v}) = 0 $$其中，$\\rho$是流体密度，$\\mathbf{v}$是流体速度矢量，$\\frac{{\\partial}}{{\\partial t}}$表示时间导数，$\ abla \\cdot$表示散度操作。

动量守恒方程动量守恒方程描述了流体动量的变化情况。

在海洋环境中，动量守恒方程可以写作:$$ \\frac{{\\partial \\rho \\mathbf{v}}}{{\\partial t}} + \ abla \\cdot (\\rho\\mathbf{v} \\mathbf{v}) = -\ abla p + \\rho \\mathbf{g} + \\mu \ abla^2\\mathbf{v} $$其中，p是流体压强，$\\mathbf{g}$是重力加速度，$\\mu$是流体的粘度系数，abla2表示拉普拉斯算子。

能量守恒方程能量守恒方程描述了流体能量的变化情况。

在海洋环境中，能量守恒方程可以写作:$$ \\frac{{\\partial (\\rho E)}}{{\\partial t}} + \ abla \\cdot (\\rho \\mathbf{v} E) = -\ abla \\cdot (\\mathbf{v} p) + \ abla \\cdot (\\mu \ abla \\mathbf{v}) + \ abla \\cdot (\\mathbf{q} - \\mathbf{v} \\cdot \\mathbf{q}) $$其中，$\\rho E$是单位体积的总能量，$\\mathbf{q}$是热通量矢量。

数值计算在海洋科学中的应用随着现代科技的快速发展和海洋科学的不断深入，数值计算作为一种重要的计算方法被广泛应用于海洋科学领域。

数值计算可以通过利用数学模型对海洋环境的变化进行模拟和预测，从而为海洋科学研究提供了一个重要的工具。

一、海洋环境数值模拟海洋环境是一个复杂的系统，它包含了海水、海流、气候、生态等众多因素。

针对这些因素的研究和分析需要大量的数据和计算。

而数值计算正是通过将这些数据进行处理和模拟，从而对海洋环境进行有效的预测和控制。

数值计算可以通过建立数学模型来模拟海洋环境的变化。

这些模型可以对海洋环境中的各种变量进行计算，包括海洋温度、海流速度等。

根据这些数据，海洋学家可以对海洋环境的变化进行预测和分析，从而为海洋环境的保护和管理提供科学依据。

二、海洋资源开发模拟海洋资源开发是一个极具前景的领域，它涵盖了海洋能源、海洋矿产、海洋生物等多个方面。

利用数值计算进行海洋资源开发模拟，可以更好地理解海洋资源的分布规律和开发模式，为未来的资源开发提供参考。

通过数值计算，我们可以模拟出各种海洋资源的分布规律和数量。

这些数据可以帮助我们进行资源评估和规划，从而保障海洋资源的可持续发展和利用。

三、海洋环境污染预测海洋环境的污染是一个十分严重的问题，它不仅对海洋生态造成极大的危害，也对人类健康产生重大影响。

利用数值计算进行海洋环境污染预测，可以为环境保护和污染治理提供重要的科学依据。

数值计算可以通过建立海洋环境污染的数学模型，对污染物在海洋中的扩散和分布进行模拟和预测。

根据这些数据，我们可以确定污染物的来源和扩散范围，从而进行有效的控制和治理。

四、海洋生态预测海洋生态系统是人类和海洋之间重要的纽带，也是全球生物多样性的重要组成部分。

针对海洋生态系统的研究需要大量的数据和计算。

利用数值计算进行海洋生态预测，可以更好地理解海洋生态系统的运行机制和作用规律，为生态保护和管理提供科学支持。

数值计算可以通过建立海洋生态的数学模型，模拟出海洋生态系统中不同生物的生态关系和物质循环过程。

海洋气象预测模型建立与效果验证随着人类对海洋气象预测需求的增加，建立准确可靠的海洋气象预测模型变得越来越重要。

海洋气象预测模型的建立不仅能够提供准确的天气预报，还能帮助决策者和海洋工作者做出科学决策，并减少潜在的经济损失和人员伤亡风险。

本文将探讨海洋气象预测模型的建立及其效果验证。

首先，海洋气象预测模型的建立依赖于大量的观测数据和先进的数值模拟技术。

观测数据包括海洋表面温度、海洋风场、海洋流速等元素的时空分布。

这些观测数据可以通过卫星遥感、浮标观测、船只观测等手段进行收集。

同时，数值模拟技术能够将海洋环境与气象现象模拟成数学方程，并用计算方法求解这些方程。

模型的建立需要将观测数据应用到模型的初始化中，并通过模型的参数调整和优化，使模型能够更好地拟合实际观测结果。

其次，海洋气象预测模型的效果验证是评估模型准确性和可靠性的重要手段。

效果验证通常包括两个方面的内容：回报检验和验证检验。

回报检验是通过对模型预测结果与实际观测数据进行比对，评估模型的预测准确度。

常用的回报检验指标包括均方根误差、平均绝对误差等。

验证检验是通过对模型的输出与历史观测数据进行对比，验证模型在长时间尺度上的可靠性和稳定性。

验证检验需要考虑到模型的稳定性、可靠性和适应性，以确保模型在不同环境和时期的预测能力。

在进行海洋气象预测模型的效果验证时，我们还需要考虑到一些关键问题。

首先，模型的响应时间和灵敏度需要进行评估。

海洋气象现象具有时空变化的特点，模型的响应时间和灵敏度能够反映模型对海洋气象现象的捕捉能力和预测能力。

其次，模型的误差来源和潜在影响需要进行分析。

模型误差的来源包括观测误差、初始条件误差、参数误差等，这些误差会对预测结果产生一定的影响。

最后，模型的可解释性和可用性也需要进行评估。

一个好的海洋气象预测模型应该具备简单清晰的工作原理和直观易懂的预测结果，以方便用户理解和使用。

综上所述，海洋气象预测模型的建立和效果验证是海洋气象预测工作中的重要环节。

研究生精品课程“海洋数值模拟”建设与探索作者：纪棋严刘宇林夏艳蔡丽娜来源：《教育教学论坛》2022年第19期[摘要] 海洋数值模拟是物理海洋学研究的重要手段，在海洋科学的学科发展和国家海洋环境安全保障中起着重要的作用。

以培养具有海洋数值模拟能力、物理海洋学专业海洋动力学方向的研究生为目标，对“海洋数值模拟”课程的教学内容和教学方式进行建设和探索。

课程设计综合考虑了学科方向、培养目标和要求、课程的性质和特点，以及学生不同的专业背景，通过由易到难、由浅入深的方式，将课程内容和上机实践相结合，提升学生的理论水平和实践操作能力，从而提高课程的教学效果。

[关键词] 海洋数值模拟;研究生教育;精品课程建设[基金项目] 2019年度浙江海洋大学研究生教育质量系列工程第一批项目“海洋数值模型”（111010641192）;2021年度浙江省第一批省级课程思政教学项目“海洋遥感分组思政课题模式教学研究”（11104080821）[作者简介] 纪棋严（1986—），男，福建三明人，物理海洋学博士，浙江海洋大学海洋科学与技术学院讲師，主要从事海洋数值模拟等教学与研究;刘宇（1981—），男（回族），吉林梅河口人，物理海洋学博士，浙江海洋大学海洋科学与技术学院副教授（通信作者），主要从事海洋数值模拟、海洋要素分析等教学与研究;林夏艳（1987—），女，浙江衢州人，港口海岸及近海工程博士，浙江海洋大学海洋科学与技术学院讲师，主要从事物理海洋学、海洋中尺度涡等教学与研究。

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）19-0009-04 [收稿日期] 2021-09-23引言海洋数值模拟不仅是海洋科学，也是物理海洋学研究的重要手段，在国家海洋环境安全保障中起着重要的作用。

随着国家海洋战略利益的拓展，国家对海洋环境安全保障的需求日益凸显[1]。

科技部在“十三五”期间资助了一系列“海洋环境安全保障”重点研发项目，其中一个重要的目标就是提高我国对风暴潮、海浪、赤潮等海洋灾害的预报预警能力。

海洋气象预报技术的研究与应用海洋是我们生存的一个重要的自然系统。

但是，海洋的气象并不稳定。

气候变化造成的自然灾害、海上作业的安全以及渔民的业务都受到海洋气象的影响。

因此，海洋气象预报技术在现代社会中变得越来越重要。

海洋气象预报技术的研究和应用是由气象、海洋和计算机科学等领域的学者共同推动的。

这些学者使用数值模拟和实验室实验等方法来了解海洋气象的特点和规律，以便预测未来的气候和海况。

同时，他们还应用由能反映当地气象变化的雷达、卫星和浮标等现代技术来采集和传输气象数据，然后使用计算机程序进行处理和分析。

海洋气象预报技术打破了过去依赖经验航海的传统思维，提供了更为准确的海洋气象预报。

这项技术使得海上航行更加安全，同时也使得海上作业更加高效。

渔业业务也受益于这项技术，例如，它可以预测海洋草地的生长情况和海洋动物迁徙路线，从而改善渔业资源的管理。

海洋气象预报技术的最新发展是将这些数据与人工智能技术相结合。

通过人工智能的学习和进化，可以更加精确地预测未来的海洋气象。

这项技术的成功，将继续推进海洋气象预报技术的进一步发展，提高准确性和可靠性。

并且，这项技术的应用还可以促进海洋保护。

尽管海洋气象预报技术在保护渔业资源等方面有很大的作用，但是仍有一些挑战。

例如，海洋环境的复杂性以及海洋气象的不确定性都使得预测更加困难。

对于这些挑战，我们需要继续推进海洋气象预报技术的研究和开发，并不断提高数据收集和处理的准确性。

总之，海洋气象预报技术的研究和应用是人类向着自然灾害预防，保护海洋资源，以及提高海上经济效益的一次伟大尝试。

这一领域的进一步发展将对海洋和人类的未来产生巨大的影响。