CN109974670A - 一种基于漂流浮标的内波检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于漂流浮标的内波检测方法，包括：通过内波动力学证明浮标在内波影响下移动的轨迹近似为椭圆，使用最小二乘法法对移动轨迹的坐标点进行椭圆的拟合，得到的椭圆的长轴、倾角与内波的振幅、传播方向成一定的函数关系，进而得到内波对海洋温度、盐度、流速剖面影响的函数关系，实现对海洋内波的监测和预警。

Description

一种基于漂流浮标的内波检测方法

技术领域

本发明涉及海洋监测技术领域，具体涉及一种基于漂流浮标的内波检测方法。

背景技术

海洋内波是海水内部由于垂直方向密度不同而形成的界面波。内波是海洋学领域的重要研究领域之一，与气候、资源、环境等重大问题息息相关，涉及海洋环流、海洋工程、海洋声学和海洋环境等诸多领域，辐射影响我国国民经济和国防建设的各个层面。

海洋内波对海上平台、潜艇活动、水声通信等会产生严重的干扰，因此海洋内波的检测显得尤为重要。目前内波的观测手段主要有：卫星观测、潜标等锚定观测以及走航观测等。但是，卫星观测虽然能够给出较大范围水平的图像，但是其反演技术会受到云量以及降水等大气环境因素的影响，除了静止轨道卫星外，一般的卫星轨道周期较长，较难提供局地内波的连续预警和观测；浮标、潜标等锚定观测存在成本过高、风险大、安装难度大等缺点；走航观测也受限于人工成本和观测成本的限制，较难实现一个海域的长期观测。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日前已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有的内波检测方法的不足，提出一种基于漂流浮标的内波检测方法，利用可以记录位置信息的移动平台(如漂流浮标等)对内波进行检测，解决现有的检测方法所存在的成本高、部署难度大、受气候影响大等问题。

本发明为达上述目的提出以下技术方案：

一种基于漂流浮标的内波检测方法，包括如下步骤：

S1、获取当前海域的温度和盐度沿深度的垂向剖面，以计算当前海域的浮力频率；

S2、利用内波动力学，并基于所述浮力频率，推导出漂流浮标在内波作用下沿海面移动的轨迹方程；

S3、利用龙格库塔法对所述轨迹方程进行处理，得到一系列坐标点，由所述一系列坐标点的集合可知，所述漂流浮标在内波作用下沿海面移动的轨迹近似椭圆并定义为椭圆，得到与内波的振幅和传播方向分别对应的椭圆长轴和椭圆倾角；

S4、另外给定多组不同内波，重复执行步骤S2和S3，得到与所述多组不同内波的多个振幅对应的多个椭圆长轴，以及，与所述多组不同内波的多个传播方向对应的多个椭圆倾角；从而得到内波振幅与椭圆长轴的对应关系，以及，内波传播方向与椭圆倾角的对应关系；

S5、利用所述漂流浮标对当前海域进行内波检测时，获取漂流浮标在当前时间段内受待检测内波影响而移动的坐标点序列并进行椭圆拟合，得到与待检测内波的振幅对应的椭圆长轴，以及与待检测内波的传播方向对应的椭圆倾角；

S6、利用步骤S4得到的所述内波振幅与椭圆长轴的对应关系，以及所述内波传播方向与椭圆倾角的对应关系，计算待检测内波的振幅和传播方向；

S7、将步骤S6计算得到的待检测内波的振幅代入内波流函数方程，再将得到的内波流函数方程与待检测内波的振幅一同代入温度、盐度、水平流速剖面和垂直流速剖面的内波影响方程，得到当前海域受内波影响的温度、盐度、水平流速剖面和垂直流速剖面的变化函数，实现内波检测。

与传统的内波检测方法相比，本发明可以通过GPS或者北斗等记录浮标位置信息，然后结合内波动力学对浮标的轨迹进行拟合，从而得到振幅、波向、波速以及流速等关键内波参数；另外，本发明的方法可以通过特定的算法来减少海洋内波检测中对硬件的依赖，所以能够克服传统方法中存在的花费较大以及抗环境干扰能力差等缺点，因此它的成本低、稳定性好、应用的场合更广泛，并且更适合进行大规模的布置，比较适合业务化应用。

附图说明

图1是本发明具体实施例提供的基于漂流浮标的内波检测方法流程图；

图2是本发明具体实施例中测量得到的某海域的温度、盐度和密度的剖面图；

图3是本发明具体实施例获得的内波垂直模态图；

图4-1是本发明具体实施例获得的内波振幅与椭圆长轴的对应关系图；

图4-2是本发明具体实施例获得的内波传播方向与椭圆倾角的对应关系图；

图5是本发明具体实施例中待检测内波的坐标点序列的椭圆拟合图；

图6-1本发明具体实施例中待检测内波引起的温度剖面变化图；

图6-2本发明具体实施例中待检测内波引起的流速剖面变化图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步说明。

本发明的具体实施方式提供了一种利用漂流浮标等移动平台直接测量海洋内波的方法。以漂流浮标为例说明，漂流浮标放置于海表，随海流自由漂浮，如果有内波经过，利用其轨迹可以反演内波的波速、波向、振幅等关键波动信息，为石油平台、海军活动等提供安全保障。本发明提供的基于漂流浮标的内波检测方法，主要分为两大部分，首先进行理论推导以证明浮标在内波影响下移动的轨迹近似椭圆，然后再在实际检测过程中将浮标移动的坐标点进行椭圆拟合，根据椭圆长轴和倾角与内波的振幅和传播方向之间的关系，求出待检测内波的振幅和传播方向，进而求出受内波影响海域的温度、盐度、流速变化，实现内波检测。

参考图1，本发明一具体实施例提供的基于漂流浮标的内波检测方法，包括如下步骤S1～S7：

S1、获取当前海域的温度T₀和盐度S₀沿深度z的垂向剖面，进而获得当前海域沿深度z的密度剖面，如图2所示；再利用式(1)计算当前海域的浮力频率N²：

其中，g为重力加速度，ρ₀＝10³kg/m³，为不同深度z处的海水密度，单位kg/m³。

S2、利用内波动力学，并基于所述浮力频率，推导出漂流浮标在内波作用下沿海面移动的轨迹方程。海洋内波多以第一模态为主，因此本发明以第一模态内波进行方法的说明。对于第一模态的内波，其流函数Φ如图3所示，函数方程为：

Φ＝AΨ(z)exp(i(kx-ωt)) (2)

式(2)中，A、k、ω分别代表内波的振幅、波数和频率，t代表时间，i代表虚数单位，x表示第一模态的x方向，Ψ(z)满足如下内波模态方程：

式(3)中，f为地球旋转引起的惯性频率。根据内波动力学，内波引起的水平流速(U,V)和垂直流速W均可用流函数Φ来表示，则第一模态内波的x方向的海表水平流速U可表示为：

根据内波动力学知识，U与第一模态内波的y方向的海表水平流速V之间满足地转平衡关系，即从而：

第一模态内波引起的垂直流速W为：

取U₁和V₁的实部，得到：

再将u和v分别进行t₁～t₂时间段内的积分，得到漂流浮标在所述给定内波作用下沿海面移动的轨迹方程：

S3、利用龙格库塔法对所述轨迹方程——式(9)进行处理，得到一系列坐标点，由所述一系列坐标点的集合可知，所述漂流浮标在内波作用下沿海面移动的轨迹近似椭圆，从而，本发明中将该轨迹定义为椭圆，得到与内波的振幅和传播方向分别对应的椭圆长轴和椭圆倾角。

S4、另外给定多组不同内波，重复执行步骤S2和S3，得到与所述多组不同内波的多个振幅对应的多个椭圆长轴，以及，与所述多组不同内波的多个传播方向对应的多个椭圆倾角；从而得到内波振幅与椭圆长轴的对应关系，以及，内波传播方向与椭圆倾角的对应关系。比如，如图1所示，每循环一次步骤S2和S3则将内波振幅加1，从而可以得到与这些内波振幅对应的椭圆长轴；内波传播方向(单位为°)亦如此，从而得到与这些内波传播方向对应的椭圆倾角，这样一来，就可以得到如图4-1所示内波振幅与椭圆长轴的对应关系，以及，图4-2所示内波传播方向与椭圆倾角的对应关系，从图4-2可看出，本发明实施例中内波传播方向近似等于椭圆倾角。

S5、利用漂流浮标对当前海域进行内波检测时，获取漂流浮标在当前时间段内受待检测内波影响而移动的坐标点序列并进行椭圆拟合，得到与待检测内波的振幅对应的椭圆长轴，以及与待检测内波的传播方向对应的椭圆倾角。

在浮标的移动过程中，可以通过GPS进行实时定位，以获取漂流浮标在当前时间段内因内波影响而移动所产生的按时间先后排序的经纬度坐标点序列，再将所述经纬度坐标点序列转换成笛卡尔坐标系内的坐标点序列，该笛卡尔坐标系以所述漂流浮标初始位置为坐标原点、以东为x轴正方、以北为y轴正方向和以米为单位。根据海洋中不同类型内波的周期特征，对该笛卡尔坐标系内的坐标点序列进行带通滤波，得到待检测内波影响下的浮标移动轨迹时间序列，并进行基于最小二乘法的椭圆拟合，得到与待检测内波的振幅对应的椭圆长轴L₁，以及与待检测内波的传播方向对应的椭圆倾角α₁。海洋内波按照周期特征划分为周期24h的全日内潮波、周期12h的半日内潮波以及周期一小时以内的内孤立波；在实际中，可以利用带通滤波提取所需检测的内波类型所对应的浮标移动轨迹时间序列，来进行椭圆拟合。不同类型的内波，其波数和频率不同。本发明具体实施例中通过带通滤波滤出半日内潮波影响下的浮标移动轨迹时间序列，进行椭圆拟合，得到如图5所示的拟合椭圆。

S6、利用步骤S4得到的内波振幅与椭圆长轴的对应关系，以及内波传播方向与椭圆倾角的对应关系，计算待检测内波的振幅和传播方向。即，将椭圆长轴L₁代入步骤S4得到的所述内波振幅与椭圆长轴的对应关系中进行插值，得到待检测内波的振幅A₁；将椭圆倾角α₁代入步骤S4得到的所述内波传播方向与椭圆倾角的对应关系中进行插值，得到待检测内波的传播方向β₁。

S7、将步骤S6计算得到的待检测内波的振幅代入内波流函数方程，再将得到的内波流函数方程与待检测内波的振幅一同代入温度、盐度、水平流速剖面和垂直流速剖面的内波影响方程，得到当前海域受内波影响的温度、盐度、水平流速剖面和垂直流速剖面的变化函数，实现内波检测。

将步骤S6计算得到的待检测内波的振幅A₁代入第一模态内波流函数方程，得到对应于待检测内波的流函数Φ₁：

Φ₁＝A₁Ψ₁(z)exp(i(k₁x-ω₁t)) (10)

其中，Ψ₁(z)满足：

k₁、ω₁分别表示所述待检测内波的波数和频率，根据所述待检测内波的周期类型而获知。再将A₁以及Φ₁一同代入温度、盐度、水平流速剖面和垂直流速剖面的内波影响方程，得到当前海域受所述待检测内波影响的温度T₁、盐度S₁、水平流速u₁剖面和垂直流速w₁剖面的变化函数，分别为：

w₁＝Φ₁×ω₁×A₁×sin(k₁x-ω₁t_j) (15)

从而实现内波检测。其中，为时间序列。

与传统的内波检测的方法相比，本发明使用算法对GPS数据进行处理，所以对硬件的依赖性更低，因此它的成本低、稳定性好、应用的场合更广泛，并且更适合进行大规模的布置。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于漂流浮标的内波检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、获取当前海域的温度和盐度沿深度的垂向剖面，以计算当前海域的浮力频率；

S2、利用内波动力学，并基于所述浮力频率，推导出漂流浮标在内波作用下沿海面移动的轨迹方程；

S3、利用龙格库塔法对所述轨迹方程进行处理，得到一系列坐标点，由所述一系列坐标点的集合可知，所述漂流浮标在内波作用下沿海面移动的轨迹近似椭圆并定义为椭圆，得到与内波的振幅和传播方向分别对应的椭圆长轴和椭圆倾角；

S4、另外给定多组不同内波，重复执行步骤S2和S3，得到与所述多组不同内波的多个振幅对应的多个椭圆长轴，以及，与所述多组不同内波的多个传播方向对应的多个椭圆倾角；从而得到内波振幅与椭圆长轴的对应关系，以及，内波传播方向与椭圆倾角的对应关系；

S5、利用所述漂流浮标对当前海域进行内波检测时，获取漂流浮标在当前时间段内受待检测内波影响而移动的坐标点序列并进行椭圆拟合，得到与待检测内波的振幅对应的椭圆长轴，以及与待检测内波的传播方向对应的椭圆倾角；

S6、利用步骤S4得到的所述内波振幅与椭圆长轴的对应关系，以及所述内波传播方向与椭圆倾角的对应关系，计算待检测内波的振幅和传播方向；

S7、将步骤S6计算得到的待检测内波的振幅代入内波流函数方程，再将得到的内波流函数方程与待检测内波的振幅一同代入温度、盐度、水平流速剖面和垂直流速剖面的内波影响方程，得到当前海域受内波影响的温度、盐度、水平流速剖面和垂直流速剖面的变化函数，实现内波检测。

2.如权利要求1所述的基于漂流浮标的内波检测方法，其特征在于，步骤S1包括：

S11、获取当前海域的温度T₀和盐度S₀沿深度z的垂向剖面，进而获得当前海域沿深度z的密度剖面；

S12、利用如下公式计算当前海域的海水浮力频率N²：

其中，g为重力加速度，ρ₀＝10³kg/m³，为不同深度z处的海水密度，单位kg/m³。

3.如权利要求2所述的基于漂流浮标的内波检测方法，其特征在于，步骤S2包括：

S21、对于第一模态的内波，其流函数Φ为：

Φ＝AΨ(z)exp(i(kx-ωt))；

其中，A、k、ω分别代表内波的振幅、波数和频率，t代表时间，i代表虚数单位，x表示第一模态的x方向，Ψ(z)满足如下内波模态方程：

其中，f为地球旋转引起的惯性频率；

S22、根据内波动力学，采用流函数Φ来表示内波引起的水平流速(U,V)和垂直流速W，第一模态内波的x方向的海表水平流速U为：

根据内波动力学，U与第一模态内波的y方向的海表水平流速V之间满足地转平衡关系，即从而，

第一模态内波引起的垂直流速为：

S23、取U和V的实部，得到：

将u和v分别进行t₁～t₂时间段内的积分，得到漂流浮标在所述给定内波作用下沿海面移动的轨迹方程：

4.如权利要求3所述的基于漂流浮标的内波检测方法，其特征在于，步骤S5包括：

S51、通过GPS对所述漂流浮标进行实时定位，以获取漂流浮标在当前时间段内因内波影响而移动所产生的按时间先后排序的经纬度坐标点序列；

S52、将所述经纬度坐标点序列转换成笛卡尔坐标系内的坐标点序列，该笛卡尔坐标系以所述漂流浮标初始位置为坐标原点、以东为x轴正方、以北为y轴正方向和以米为单位；

S53、根据海洋中不同类型内波的周期特征，对所述笛卡尔坐标系内的坐标点序列进行带通滤波，得到待检测内波影响下的浮标移动轨迹时间序列，并进行基于最小二乘法的椭圆拟合，得到与待检测内波的振幅对应的椭圆长轴L₁，以及与待检测内波的传播方向对应的椭圆倾角α₁。

5.如权利要求4所述的基于漂流浮标的内波检测方法，其特征在于，步骤S6包括：

将椭圆长轴L₁代入步骤S4得到的所述内波振幅与椭圆长轴的对应关系中进行插值，得到待检测内波的振幅A₁；将椭圆倾角α₁代入步骤S4得到的所述内波传播方向与椭圆倾角的对应关系中进行插值，得到待检测内波的传播方向β₁。

6.如权利要求5所述的基于漂流浮标的内波检测方法，其特征在于，步骤S7包括：

S71、将步骤S6计算得到的待检测内波的振幅A₁代入第一模态内波流函数方程，得到对应于待检测内波的流函数Φ₁：

Φ₁＝A₁Ψ₁(z)exp(i(k₁x-ω₁t))；

其中，Ψ₁(z)满足：

k₁、ω₁分别表示所述待检测内波的波数和频率，根据所述待检测内波的周期类型而获知；

S72、将待检测内波的振幅A₁以及步骤S71得到的Φ₁一同代入温度、盐度、水平流速剖面和垂直流速剖面的内波影响方程，得到当前海域受所述待检测内波影响的温度T₁、盐度S₁、水平流速u₁剖面和垂直流速w₁剖面的变化函数，分别为：

w₁＝Φ₁×ω₁×A₁×sin(k₁x-ω₁t_j)；

其中，t_j＝{t₁,t₂,t₃,...,t_n}为时间序列。

7.如权利要求4所述的基于漂流浮标的内波检测方法，其特征在于，海洋内波按照周期特征划分为周期24h的全日内潮波、周期12h的半日内潮波以及周期一小时以内的内孤立波；步骤S53中利用带通滤波提取所需检测的内波类型所对应的浮标移动轨迹时间序列，来进行椭圆拟合。