CN108802854B - 一种基于Argos漂流浮标计算近表层通量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Argos漂流浮标计算近表层通量的方法，包括如下步骤：确定目标范围；对目标范围进行网格化处理；将目标范围内浮标轨迹信息转换为区域流场数据；建立统计模型，判定浮标轨迹在连续网格中的合理流速值；选取目标断面，获取断面上小网格的投影长度和投影角度；定义浮标轨迹跨越目标断面的有效行为，并定位其跨越点的小网格；通过方差控制法二次判定跨越点网格内有效流速值；计算平均流速值；计算近表层通量情况。本发明能够梳理出合理、真实的Argos漂流浮标轨迹分布，根据有效轨迹信息提取出相应的流速值，根据有效轨迹信息获取符合统计意义结果的有效流速值，获得准确的海洋近表层通量计算结果。

Description

一种基于Argos漂流浮标计算近表层通量的方法

技术领域

本发明涉及海洋科学研究及其应用技术领域，尤其是涉及一种基于Argos漂流浮标计算近表层通量的方法。

背景技术

Argos漂流浮标一种利用卫星进行定位和数据传输的海洋观测设备，记录海表面的观测时间、经纬度、温度等基本海洋要素，主要由全球漂流浮标计划(Global DrifterProgram，简称GDP)所投放，其数据时间间隔为6小时(Hansen et al.，1996)，数据可每月更新。

目前海洋科学研究中，关于通量的计算常通过收支平衡来体现，是一种欧拉方法，相比之下，Argos漂流浮标资料则是一种基于拉格朗日方式的观测资料；在海洋环流和物质交换的研究中，拉格朗日方式的观测资料可以更直接地显示水体真实的运动轨迹，是一种有效而可靠的研究手段，目前基于研究Argos漂流浮标轨迹分布来探讨通量情况的研究还不多见，其中一个重要因素是Argos漂流浮标轨迹存在空间不规则分布现象，需要经过一定的处理才能获得可靠且有价值的信息。

发明内容

本发明是为了解决利用Argos漂流浮标资料进行海洋近表层通量的问题，提供一种统计经验模型方法，能够梳理出合理、真实的Argos漂流浮标轨迹分布，利用Argos漂流浮标获取的位置信息反演流场并计算目标区域内目标断面上近表层的通量情况，获得相对准确的海洋近表层通量结果的基于Argos漂流浮标计算近表层通量的方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于Argos漂流浮标计算近表层通量的方法，包括如下步骤：

1)确定目标范围，下载经过目标范围内的Argos漂流浮标数据，并进行目标范围之外的数据剔除、数据质量控制、轨迹的分段、浮标的查重处理，提取目标范围内真实、有效的浮标轨迹信息；

2)对目标范围进行网格化处理，均匀划分为0.08°×0.08°的小网格；

3)根据浮标相邻位置点信息及其时间间隔计算出该段距离内的平均流速值和流速方向，将目标范围内浮标轨迹信息转换为区域流场数据；

4)建立统计模型，判定浮标轨迹在连续网格中的合理流速值；

5)选取目标断面，获取断面上小网格的投影长度和投影角度；

6)定义浮标轨迹跨越目标断面的有效行为，并定位其跨越点的小网格；

7)通过方差控制法二次判定跨越点网格内有效流速值；

8)计算网格内有效流速在该网格区的法向速度，并通过投影法计算出网格的流速值，并对其取平均值，得到该网格区的平均流速；

9)根据风速大小估算上层混合层厚度，最后通过积分断面上每个网格点的平均流速和上层混合层厚度的方法得到近表层通量，获得该断面上的近表层通量情况；

所述的步骤1)中目标范围之外的数据剔除以如下方法进行，假设某漂流浮标的位置信息为Point_i

目标范围的经纬度为Lon_min、Lon_max、Lat_min、Lat_max，将浮标位置点这种情况下：

的信息标记为Mark_i＝1，其他情况标记为Mark_i＝0，然后剔除Mark_i＝0的浮标位置信息；

所述的步骤1)中数据质量控制以如下方法进行，根据浮标相邻记录的空间位置及其时间间隔计算出浮标在这段距离的平均速度，以2m/s为临界速度，删除平均流速超过临界值的记录；

所述的步骤1)中轨迹的分段以如下方法进行，将时间间隔大于6小时作为判断分段依据，将该情况下的浮标分割为不同的数据文件，并在该浮标序列号后添加01，02，03…以作识别；

所述的步骤1)中浮标的查重处理以如下方法进行，对所有经过目标范围之外的数据剔除、数据质量控制、轨迹的分段处理的浮标文件进行浮标序列号检测，删除轨迹重复的记录。

作为优选，所述的步骤3)中，包括如下步骤：

31)假设某漂流浮标的轨迹点有n个，设其相邻的两个轨迹位置分别为Point_i(Loni，Lati)和Point_i+1(Lon_i+1，Lat_i+1),轨迹点记录时间为Time(T_Pi，T_Pi+1)(i+1≤n)；

32)根据轨迹点位置信息计算该轨迹点间的距离D_i，

式中地球半径R＝6371.393Km；

33)根据轨迹点位置信息计算该轨迹点间的角度σ_i，

式中A为浮标位置点Point_i+1相对于前一时刻位置点Point_i的方位角，其表达式为

34)根据轨迹点记录时间信息，可得时间间隔ΔT_i＝T_Pi+1-T_Pi；

35)结合上述步骤32)和步骤33)的方程式，可得轨迹间的平均速度

作为优选，所述的步骤4)中，包括如下步骤：41)将浮标相邻距离平均分成18小段，并将该距离计算出来的流速赋予每个小段的中心；42)判断该18小段中心是否位于同一小网格内；若是，则将该距离计算的流速值赋予该小网格；若否，则以位于不同小网格的数据为界，剔除该段距离中相同小网格内重复的记录，并将该距离计算的流速值赋予这些不同的小网格内；43)以两天时间为判断标准，剔除同一浮标数据在同一小网格内连续重复的记录，获得网格合理的流速。

作为优选，所述的步骤5)中，包括如下步骤：51)选取目标断面，根据网格化处理，提取出断面上的小网格；52)假设断面上共有小网格数m个，在断面首尾的网格处平行往外延伸一个小网格，共计m+2个小网格数；53)根据小网格在断面上相邻两个小网格的中心位置，计算出该网格的投影角度和投影长度。

作为优选，所述的步骤5)第53)步计算出该网格的投影角度和投影长度方法如下：

531)假设网格G_j四个角落的坐标位置分别为(Lon_左j，Lat_上j)、(Lon_右j，Lat_上j)、(Lon_左j，Lat_下j)、(Lon_右j，Lat_下j)；

532)网格G_j的中心位置Point_j为(Lon_Pj，Lat_Pj)，式中

533)同理，可得该网格在断面上相邻两个小网格的中心位置，分别为Point_j-1(Lon_Pj-1，Lat_Pj-1)和Point_j+1(Lon_Pj+1，Lat_Pj+1)，2≤j≤m+1；

534)根据步骤3)第2步，可计算出Point_j-1到Point_j+1的距离D_j，

535)网格G_j的投影长度L_j＝D_j/2；

536)根据步骤3)第3步，可计算出Point_j-1位于Point_j+1的角度σ_j，

式中A为Point_j+1相对于Point_j-1的方位角，其表达式为

537)网格G_j的投影角度θ_j＝σ_j。

作为优选，所述的步骤6)中，包括如下步骤：61)选取目标断面，提取经过目标断面的浮标文件；62)定义穿越断面并持续在该侧漂流时间1.5天以上作为有效的跨越断面行为；63)根据跨越定义，提取经过目标断面浮标的有效轨迹，具体判断方法如下：a)假设某漂流浮标的轨迹点有n个，目标断面两侧区域分别为1区和2区，当浮标位置点位于1区时，标记为Region_i＝1，当浮标位置点位于2区时，标记为Region_i＝2；b)将该浮标的位置标记做前后差值的绝对值ΔR_i＝|Region_i+1-Region_i|，i+1≤n；c)当ΔR_i＝1时，说明该浮标有穿越目标断面的行为，当ΔR_i＝0时，说明该浮标无穿越目标断面的行为；d)结合跨越定义，当ΔR_i＝1且ΔR_{i，i+1，…i+I}＝0，I≥6，i+I≤n时，该浮标在位置点Regioni到Regioni+1过程中存在有效跨越目标断面的行为；64)通过定位目标断面与位置点Regioni到Regioni+1连线的交点，确定跨越点在断面上的小网格，并可通过上述步骤获得该浮标在该小网格的流速情况。

作为优选，所述的步骤7)中，包括如下步骤：

71)假设在断面上某小网格G_j存在的流速值数量为l个，其流速为

72)当l<5时，判定网格G_j无统计意义的流速值，视为统计无效网格；

73)当l≥5时，判断网格G_j有统计意义的流速值，并计算出其流速的均值

和方差

74)当

存在时，判定该流速

超出2倍方差控制范围，进行剔除，并重新统计网格G_j存在的流速值数量，假设为l个，其流速为

并返回上述步骤2-步骤3；

75)当

均成立时，判定该网格存在统计有效的流速值，视为统计有效网格；

76)提取出网格的统计有效的流速值。

作为优选，所述的步骤8)中，包括如下步骤：

81)假设断面上共有小网格数m个，在断面上某小网格G_j存在的统计有效流速值数量为l个，其流速为

流向为σ_jk，k≤l，j≤m，网格G_j的投影角度为θ_j；

82)根据投影法计算网格G_j的法向流速：

83)对网格G_j的法向流速进行平均值处理：

所述的步骤9)中，包括如下步骤：

91)上层混合层厚度取表层Ekman厚度，Ekman厚度由以下经验公式计算：

其中，Wspd表示海表10米上方的风速，

表示纬度；

92)根据上一步计算获得的网格G_j的近表层厚度D_j，结合步骤8)第三点计算出该网格的法向流速

以及该网格的投影长度L_j,可得网格G_j内的通量值：

93)积分断面上网格的通量，可得断面通量值

本方案建立了一个统计经验模型，主要流程包括：梳理出实测的Argos漂流浮标轨迹分布，然后梳理有效轨迹信息并反演出相应的流速值，并将流速值进行2倍方差控制，获取符合统计意义结果的有效流速值，最后将这些有效的流速值应用于近表层通量的计算中，获得相对准确的海洋近表层通量结果。

因此，本发明具有如下有益效果：(1)能够梳理出合理、真实的Argos漂流浮标轨迹分布；(2)根据有效轨迹信息获取符合统计意义结果的有效流速值；(3)获得准确的海洋近表层通量计算结果。

附图说明

图1是本发明的流程示意图。

图2是本发明Argos漂流浮标78076号轨迹的有效网格化示意图。

图3是本发明识别Argos漂流浮标跨越目标断面并判定为有效跨点的示意图。

图4是本发明通量计算示意图。

图5为本发明实施例中的目标区域、目标断面和经过区域的Argos漂流浮标轨迹示意图。

图6为本发明实施例中基于Argos漂流浮标计算经过目标断面的通量情况。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定范例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他范例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种基于Argos漂流浮标计算近表层通量的方法，包括如下步骤：1)确定目标范围，下载经过目标范围内的Argos漂流浮标数据，并进行目标范围之外的数据剔除、数据质量控制、轨迹的分段、浮标的查重处理，提取目标范围内真实、有效的浮标轨迹信息；2)对目标范围进行网格化处理，均匀划分为0.08°×0.08°的小网格；3)根据浮标相邻位置点信息及其时间间隔计算出该段距离内的平均流速值和流速方向，将目标范围内浮标轨迹信息转换为区域流场数据；4)建立统计模型，判定浮标轨迹在连续网格中的合理流速值；5)选取目标断面，获取断面上小网格的投影长度和投影角度；6)定义浮标轨迹跨越目标断面的有效行为，并定位其跨越点的小网格；7)通过方差控制法二次判定跨越点网格内有效流速值；8)计算网格内有效流速在该网格区的法向速度，并通过投影法计算出网格的流速值，并对其取平均值，得到该网格区的平均流速；9)根据风速大小估算上层混合层厚度，最后通过积分断面上每个网格点的平均流速和上层混合层厚度的方法得到近表层通量，获得该断面上的近表层通量情况。

具体使用过程是，如图2所示，以Argos漂流浮标78076号为例，其中图2(A)为Argos漂流浮标78076号在目标范围海域(128～129.2°E，31～33°N)内的轨迹，其颜色代表浮标轨迹在目标海域内小网格的原始历经次数；

如图5所示，图示为本发明实施例的目标区域、目标断面和经过区域的Argos漂流浮标轨迹，其中目标区域为台湾以东海域(120°E～125°E，22°N～26°N)，目标断面为台湾岛和与那国岛之间的连线(西起121.76°E，24.32°N，东末123.76°E，24.32°N)。

根据步骤1，对经过区域的Argos漂流浮标轨迹进行数据剔除、数据的质量控制、轨迹的分段、浮标的查重等处理，提取范围内真实、有效的浮标轨迹信息。经统计，经过目标区域的原Argos漂流浮标文件总计805个，经过步骤1处理后，新Argos漂流浮标文件共计1172个。

根据浮标相邻记录的空间位置及其时间间隔计算出浮标在这段距离的平均速度，以2m/s为临界速度，删除平均流速超过临界值的记录；将时间间隔大于6小时作为判断分段依据，将该情况下的浮标分割为不同的数据文件，并在该浮标序列号后添加(01，02，03…)以作识别；对所有经过目标范围之外的数据剔除、数据质量控制、轨迹的分段处理的浮标文件进行浮标序列号检测，删除轨迹重复的记录；图2(B)为剔除该浮标轨迹在两天时间内重复历经相同网格后的次数情况；

根据步骤2，对目标范围进行网格化处理，均匀划分为0.08°×0.08°的小网格。可得Lon＝120：0.08：125，Lat＝22：0.08：26，均匀将目标区域分成63×51个小网格；

根据步骤3，由浮标相邻位置点信息及其时间间隔计算出该段距离内的平均流速值和流速方向，将目标范围内的浮标轨迹信息转换为区域流场数据，对1172个Argos漂流浮标的时空信息执行步骤3，可获得1172个Argos漂流浮标的流场数据，包括流速大小和流速方向；

根据步骤4，建立统计模型，判定浮标轨迹在连续网格中的合理流速值，以两天时间为判断标准，剔除同一浮标数据在同一小网格内连续重复的记录，获得网格合理的流速，经过该步骤，结合1172个Argos漂流浮标的轨迹信息和流场数据，可得1172个Argos漂流浮标在目标区域内连续小网格上的合理流速值；

根据步骤5，选取目标断面，获取断面上小网格的投影长度和投影角度，目标断面为台湾岛和与那国岛之间的连线(西起121.76°E，24.32°N，东末123.76°E，24.32°N)，将目标断面定位于目标区域内的连续小网格内，详见表1第1-5列，第1列为目标断面由西向东的网格序号，共计26个小网格，第2-3列为断面小网格的经纬度坐标，第4-5列为小网格对应的投影长度和投影角度；

如图3所示，根据步骤6，定义浮标轨迹跨越目标断面的有效行为，并定位其跨越点的小网格，其中，目标区域内的1172个Argos漂流浮标共计跨越断面的原始次数为523次，每个网格的跨越次数详见表1第5列，经过步骤6的处理，Argos漂流浮标的有效跨越次数为508次，每个网格的有效跨越次数详见表1第6列；

根据步骤7，通过2倍方差控制法二次判定跨越点网格内有效流速值，可得最终统计有效网格的总跨越次数为453次，每个网格的有效跨越次数详见表1第7列；

如图4所示，根据步骤8，计算网格内有效流速在该网格区的法向速度，并通过投影法计算出网格的流速值，并对其取平均值，得到该网格区的平均流速。

根据步骤9，根据风速大小估算台湾以东海域上层混合层厚度H＝50m，通过对每个小网格在有效网格次数内的通量计算，可得该网格的有效通量值，并取平均，获取网格的有效平均通量，每个网格的有效平均通量详见表1第8列(单位1Sv＝10⁶m³/s)。最后通过积分断面上网格的有效平均通量，可得目标断面在近表层的通量情况。

表1：Argos漂流浮标经过目标断面上小网格的次数情况和通量情况

以上所述的本发明实施例，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所做的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于Argos漂流浮标计算近表层通量的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)确定目标范围，下载经过目标范围内的Argos漂流浮标数据，并进行目标范围之外的数据剔除、数据质量控制、轨迹的分段、浮标的查重处理，提取目标范围内真实、有效的浮标轨迹信息；

2)对目标范围进行网格化处理，均匀划分为0.08°×0.08°的小网格；

3)根据浮标相邻位置点信息及其时间间隔计算出该浮标相邻位置点距离内的平均流速值和流速方向，将目标范围内浮标轨迹信息转换为区域流场数据；

4)建立统计模型，判定浮标轨迹在连续网格中的合理流速值；

5)选取目标断面，获取断面上小网格的投影长度L_j和投影角度；

6)定义浮标轨迹跨越目标断面的有效行为，并定位其跨越点的小网格；

7)通过方差控制法二次判定跨越点网格内有效流速值；

8)计算网格内有效流速在该网格内的法向速度，并通过投影法计算出网格的流速值，并对其取平均值，得到该网格区的平均流速；

9)根据风速大小估算上层混合层厚度，最后通过积分断面上每个网格点的平均流速和上层混合层厚度的方法得到近表层通量，获得该断面上的近表层通量情况；

所述的步骤1)中目标范围之外的数据剔除以如下方法进行，假设某漂流浮标的位置信息为Point_i

目标范围的经纬度为Lon_min、Lon_max、Lat_min、Lat_max，将浮标位置点这种情况下：

的信息标记为Mark_i＝1，其他情况标记为Mark_i＝0，然后剔除Mark_i＝0的浮标位置信息；

所述的步骤1)中数据质量控制以如下方法进行，根据浮标相邻记录的空间位置及其时间间隔计算出浮标在这段距离的平均速度，以2m/s为临界速度，删除平均流速超过临界值的记录；

所述的步骤1)中轨迹的分段以如下方法进行，将时间间隔大于6小时作为判断分段依据，将该情况下的浮标分割为不同的数据文件，并在该浮标序列号后添加01，02，03…以作识别；

所述的步骤1)中浮标的查重处理以如下方法进行，对所有经过目标范围之外的数据剔除、数据质量控制、轨迹的分段处理的浮标文件进行浮标序列号检测，删除轨迹重复的记录。

2.根据权利要求1所述的一种基于Argos漂流浮标计算近表层通量的方法，其特征是，所述的步骤3)中，包括如下步骤：

31)假设某漂流浮标的轨迹点有n个，设其相邻的两个轨迹位置分别为

和Point_i+1

轨迹点记录时间为Time

32)根据轨迹点位置信息计算该轨迹点间的距离D_i，

式中地球半径R＝6371.393Km；

33)根据轨迹点位置信息计算该轨迹点间的角度σ_i，

式中A为浮标位置点Point_i+1相对于前一时刻位置点Point_i的方位角，其表达式为

34)根据轨迹点记录时间信息，可得时间间隔

35)结合上述步骤32)和步骤34)的方程式，可得轨迹间的平均速度

3.根据权利要求2所述的一种基于Argos漂流浮标计算近表层通量的方法，其特征是，所述的步骤4)中，包括如下步骤：

41)将浮标相邻距离平均分成18小段，并将该距离计算出来的流速赋予每个小段的中心；

42)判断该18小段中心是否位于同一小网格内；若是，则将该距离计算的流速值赋予该小网格；若否，则以位于不同小网格的数据为界，剔除该距离中相同小网格内重复的记录，并将该距离计算的流速值赋予这些不同的小网格内；

43)以两天时间为判断标准，剔除同一浮标数据在同一小网格内连续重复的记录，获得网格合理的流速。

4.根据权利要求3所述的一种基于Argos漂流浮标计算近表层通量的方法，其特征是，所述的步骤5)中，包括如下步骤：

51)选取目标断面，根据网格化处理，提取出断面上的小网格；

52)假设断面上共有小网格数m个，在断面首尾的网格处平行往外延伸一个小网格，共计m+2个小网格数；

53)根据小网格在断面上相邻两个小网格的中心位置，计算出该网格的投影角度和投影长度。

5.根据权利要求4所述的一种基于Argos漂流浮标计算近表层通量的方法，其特征是，所述的步骤5)第53)步计算出该网格的投影角度和投影长度方法如下：

531)假设网格G_j四个角落的坐标位置分别为

532)网格G_j的中心位置Point_j为

式中

533)同理，可得该网格在断面上相邻两个小网格的中心位置，分别为Point_j-1

和Point_j+1

2≤j≤m+1；

534)根据步骤3)第32)步，可计算出Point_j-1到Point_j+1的距离D_j，

535)网格G_j的投影长度L_j＝D_j/2；

536)可计算出Point_j-1位于Point_j+1的角度σ_j，

式中A为Point_j+1相对于Point_j-1的方位角，其表达式为

537)网格G_j的投影角度θ_j＝σ_j。

6.根据权利要求1所述的一种基于Argos漂流浮标计算近表层通量的方法，其特征是，所述的步骤6)中，包括如下步骤：

61)选取目标断面，提取经过目标断面的浮标文件；

62)定义穿越断面并持续在该断面一侧漂流时间1.5天以上作为有效的跨越断面行为；

63)根据跨越定义，提取经过目标断面浮标的有效轨迹，具体判断方法如下：a)假设某漂流浮标的轨迹点有n个，目标断面两侧区域分别为1区和2区，当浮标位置点位于1区时，标记为Region_i＝1，当浮标位置点位于2区时，标记为Region_i＝2；b)将该浮标的位置标记做前后差值的绝对值ΔR_i＝|Region_i+1-Region_i|，i+1≤n；c)当ΔR_i＝1时，说明该浮标有穿越目标断面的行为，当ΔR_i＝0时，说明该浮标无穿越目标断面的行为；d)结合跨越定义，当ΔR_i＝1且ΔR_{i，i+1，…i+I＝0}，I≥6，i+I≤n时，该浮标在位置点Region_i到Region_i+1过程中存在有效跨越目标断面的行为；

64)通过定位目标断面与位置点Region_i到Region_i+1连线的交点，确定跨越点在断面上的小网格，并可通过上述步骤获得该浮标在该小网格的流速情况。

7.根据权利要求1所述的一种基于Argos漂流浮标计算近表层通量的方法，其特征是，所述的步骤7)中，包括如下步骤：

71)假设在断面上某网格G_j存在的流速值数量为l个，其流速为

72)当l＜5时，判定网格G_j无统计意义的流速值，视为统计无效网格；

73)当l≥5时，判断网格G_j有统计意义的流速值，并计算出其流速的均值

和方差

74)当

存在时，判定该流速

超出2倍方差控制范围，进行剔除，并重新统计网格G_j存在的流速值数量，假设为l个，其流速为

并返回上述步骤72)-步骤73)；

75)当

均成立时，判定该网格G_j存在统计有效的流速值，视为统计有效网格；

76)提取出网格G_j的统计有效的流速值。

8.根据权利要求1所述的一种基于Argos漂流浮标计算近表层通量的方法，其特征是，所述的步骤8)中，包括如下步骤：

81)假设断面上共有小网格数m个，在断面上某小网格G_j存在的统计有效流速值数量为l个，其流速为

流向为σ_jk，k≤l，j≤m，网格G_j的投影角度为θ_j；

82)根据投影法计算网格G_j的法向流速：

83)对网格G_j的法向流速进行平均值处理：

所述的步骤9)中，包括如下步骤：

91)上层混合层厚度取表层Ekman厚度，Ekman厚度由以下经验公式计算：

其中，Wspd表示海表10米上方的风速，

表示纬度；

92)根据上一步计算获得的网格Gj的近表层厚度D_Ekman，结合步骤8)第三点计算出该网格的法向平均流速

以及该网格Gj的投影长度L_j，可得网格G_j内的通量值：

93)积分断面上网格Gj的通量，可得断面通量值

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