CN111523200A - 联合woa2018模型及实测温盐资料重构全深度声速剖面方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及联合WOA2018模型及实测温盐资料重构全深度声速剖面方法，其技术特点包括步骤：根据XCTD、CTD实测温盐资料的有效测量深度为界，将水深分为有效测量深度以内与有效测量深度以外两部分；在有效测量深度以内，采用实测的温度剖面和盐度剖面；在有效测量深度以外，结合在有效测量深度处的数据修订有效测量深度以外的WOA2018模型，并构建全深度、高精度的温度剖面和盐度剖面；使用得到的全深度、高精度的温度剖面和盐度剖面，计算全深度、高精度的声速剖面。本发明能够解决以往深远海多波束水深测量中由于声速剖面缺陷造成的海底地形测量成果存在的质量问题，有效地提高深远海多波束海底地形测量成果的可靠性。

Description

联合WOA2018模型及实测温盐资料重构全深度声速剖面方法

技术领域

本发明属于海洋测量技术领域，尤其是专门应用于在深远海开展多波束水深测量的联合WOA2018模型及实测温盐资料重构全深度声速剖面方法。

背景技术

开展多波束水深测量必须同时进行声速剖面测量。在深远海开展综合调查时，为同时满足于海洋水文调查和海洋测绘特别是多波束水深测量所需，一般通过在航的方式投放Expendable Conductivity-Temperature-Depth(XCTD)或以锚泊的方式投放Conductivity-Temperature-Depth(CTD)来测量海水的温度和盐度，进而计算声速剖面。受海上恶劣的作业条件、作业时间、设备性能等影响，在深远海作业时往往探测不到全深度的、高精度的声速剖面。尽管利用历史温盐模型可以查询到实测温盐资料同位置处的全深度温盐信息进而计算全深度声速剖面，但由于温盐模型自身空间尺度和时间尺度所限，这样获得的全深度声速剖面存在较大误差，将给深远海多波束海底地形测量成果带来质量隐患。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种联合WOA2018模型及实测温盐资料重构全深度声速剖面方法，能够构建全深度、高精度的声速剖面，进而有效地提高深远海多波束海底地形测量成果的质量和可靠性。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种联合WOA2018模型及实测温盐资料重构全深度声速剖面方法，包括以下步骤：

步骤1、根据XCTD、CTD实测温盐资料的有效测量深度为界，将水深划分为有效测量深度以内与有效测量深度以外两部分；

步骤2、在有效测量深度以内，采用实测的温度剖面和盐度剖面；

步骤3、在有效测量深度以外，结合在有效测量深度处的数据修订有效测量深度以外的WOA2018模型，并构建全深度、高精度的温度剖面和盐度剖面；

步骤4、使用构建的全深度、高精度的温度剖面和盐度剖面，计算全深度、高精度的声速剖面。

所述步骤3的具体实现步骤为：

⑴、分别计算有效测量深度处温盐测量值和WOA2018温盐模型值的差值；

⑵、根据步骤⑴得到的差值和有效测量深度以外WOA2018各水层的水深对其各水层的温盐模型值作不同权系数的修订，得到有效测量深度以外WOA2018各水层的温盐修订值；

⑶、组合各水层的温盐修订值，得到有效测量深度以外修订后的模型温度剖面和盐度剖面，再结合有效测量深度以内的实测温度剖面和盐度剖面，构建全深度、高精度的温度剖面和盐度剖面。

所述步骤⑴的具体计算方法为：

对于实测温盐资料，T表示实测的温度剖面：

T＝{T₁,T₂,......,T_i,...,T_m}

其中，T_i表示第i个水层的温度实测值，

S表示实测的盐度剖面：

S＝{S₁,S₂,......,S_i,...,S_m}

其中，S_i表示第i个水层的盐度实测值，

D表示实测的水深值：

D＝{D₁,D₂,......,D_i,...,D_m}

其中，D_i表示第i个水层的深度，m表示实测温盐资料的水层数，D_m表示有效测量深度；

对于WOA2018模型，woa_T表示模型的温度剖面：

woa_T＝{woa_T₁,woa_T₂,......,woa_T_j,...,woa_T_n}

其中，woa_T_j表示第j个水层的温度模型值，

woa_S表示模型的盐度剖面：

woa_S＝{woa_S₁,woa_S₂,......,woa_S_j,...,woa_S_n}

其中，woa_S_j表示第j个水层的盐度模型值，

woa_D表示模型的水深值：

woa_D＝{woa_D₁,woa_D₂,......,woa_D_j,...,woa_D_n}

其中，woa_D_j表示第j个水层的深度，n表示WOA2018模型的水层数；

有效测量深度D_m处的温、盐实测值分别为T_m和S_m，温、盐模型值分别为woa_T_y和woa_S_y，其中D_m位于WOA2018模型第k和k+1水层间，计算公式为：

woa_T_y＝(D_m-woa_D_k)/(woa_D_k+1-woa_D_k)×(woa_T_k+1-woa_T_k)+woa_T_k

woa_S_y＝(D_m-woa_D_k)/(woa_D_k+1-woa_D_k)×(woa_S_k+1-woa_S_k)+woa_S_k

Δ1＝T_m-woa_T_y

Δ2＝S_m-woa_S_y

其中，Δ1为有效测量深度处温度测量值和WOA2018温度模型值的差值，Δ2为有效测量深度处盐度测量值和WOA2018盐度模型值的差值。

所述步骤⑵修订有效测量深度以外WOA2018各水层的温盐模型值的计算公式为：

其中，woa_T'_k+1表示第k+1个水层的温度修订值，woa_S'_k+1表示第k+1个水层的盐度修订值。

所述步骤⑶构建全深度、高精度的温度剖面T'和盐度剖面S'的公式为：

T'＝{T₁,T₂,...,T_i,...,T_m,woa_T_k+1',woa_T_k+2',...,woa_T_n'}

S'＝{S₁,S₂,...,S_i,...,S_m,woa_S_k+1',woa_S_k+2',...,woa_S_n'}

对于各层的水深值D'，则可由D和woa_D简单组合而得到：

D'＝{D₁,D₂,...,D_i,...,D_m,woa_D_k+1,woa_D_k+2,...,woa_D_n}。

所述步骤4计算全深度、高精度的声速剖面V的公式为：

V＝F(T',S',D')

其中，T'、S'、D'分别为温度剖面、盐度剖面和各层的水深值。F表示通用的声速计算函数。

本发明的优点和积极效果是：

本发明使用XCTD、CTD实测温盐资料能够有效地测量深度以内的温度和盐度实测值，并对有效测量深度以外WOA2018各水层的温度和盐度模型值作修订，重构了全深度、高精度的温度剖面和盐度剖面，进而得到全深度、高精度的声速剖面，解决了以往深远海多波束水深测量中由于声速剖面缺陷造成的海底地形测量成果存在的质量问题，有效地提高深远海多波束海底地形测量成果的可靠性。

附图说明

图1是本发明的重构步骤流程图；

图2a是修订前各水层温度数据对比图；

图2b是修订后各水层温度数据对比图；

图3a是修订前各水层盐度数据对比图；

图3b是修订后各水层盐度数据对比图；

图4是各水层实测声速值和WOA模型声速值对比图；

图5是各水层实测声速值、WOA模型声速值和直接预测声速值对比图；

图6是各水层实测声速值、WOA模型声速值、直接预测声速值和修订后声速值对比图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步详述。

一种联合WOA2018模型及实测温盐资料重构全深度声速剖面方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1、根据XCTD、CTD实测温盐资料的有效测量深度为界，将水深分为有效测量深度以内与有效测量深度以外两部分。

步骤2、在有效测量深度以内，采用实测的温度剖面和盐度剖面。

步骤3、在有效测量深度以外，结合在有效测量深度处的数据修订有效测量深度以外的WOA2018模型数据，并构建全深度、高精度的温度剖面和盐度剖面。

本步骤的具体计算方法为：

⑴、分别计算有效测量深度处温盐测量值和WOA2018温盐模型值的差值。

对于实测温盐资料，T表示实测的温度剖面：

T＝{T₁,T₂,......,T_i,...,T_m}

其中，T_i表示第i个水层的温度实测值，

S表示实测的盐度剖面：

S＝{S₁,S₂,......,S_i,...,S_m}

其中，S_i表示第i个水层的盐度实测值，

D表示实测的水深值：

D＝{D₁,D₂,......,D_i,...,D_m}

其中，D_i表示第i个水层的深度，m表示实测温盐资料的水层数，D_m表示有效测量深度；

对于WOA2018模型，woa_T表示模型的温度剖面：

woa_T＝{woa_T₁,woa_T₂,......,woa_T_j,...,woa_T_n}

其中，woa_T_j表示第j个水层的温度模型值，

woa_S表示模型的盐度剖面：

woa_S＝{woa_S₁,woa_S₂,......,woa_S_j,...,woa_S_n}

其中，woa_S_j表示第j个水层的盐度模型值，

woa_D表示模型的水深值：

woa_D＝{woa_D₁,woa_D₂,......,woa_D_j,...,woa_D_n}

其中，woa_D_j表示第j个水层的深度，n表示WOA2018模型的水层数；

有效测量深度D_m处的温、盐实测值分别为T_m和S_m，温、盐模型值分别为woa_T_y和woa_S_y，其中D_m位于WOA2018模型第k和k+1水层间，计算公式为：

woa_T_y＝(D_m-woa_D_k)/(woa_D_k+1-woa_D_k)×(woa_T_k+1-woa_T_k)+woa_T_k

woa_S_y＝(D_m-woa_D_k)/(woa_D_k+1-woa_D_k)×(woa_S_k+1-woa_S_k)+woa_S_k

Δ1＝T_m-woa_T_y

Δ2＝S_m-woa_S_y

⑵、基于步骤⑴得到的差值和有效测量深度以外WOA2018各水层的水深对其各水层的温盐模型值作不同权系数的修订，得到有效测量深度以外WOA2018各水层的温盐修订值，其计算公式为：

woa_T'_k+1＝woa_T_k+1+Δ1×0.837^{0.001×(woa_Dk+1-Dm)}

woa_S'_k+1＝woa_S_k+1+Δ2×0.837^{0.001×(woa_Dk+1-Dm)}

其中，woa_T'_k+1表示第k+1个水层的温度修订值，woa_S'_k+1表示第k+1个水层的盐度修订值。

⑶、组合各水层的温盐修订值，得到有效测量深度以外修订后的模型温度剖面和盐度剖面，再结合有效测量深度以内的实测温度剖面和盐度剖面，构建全深度、高精度的温度剖面和盐度剖面，其构建公式为：

T'＝{T₁,T₂,...,T_i,...,T_m,woa_T_k+1',woa_T_k+2',...,woa_T_n'}

S'＝{S₁,S₂,...,S_i,...,S_m,woa_S_k+1',woa_S_k+2',...,woa_S_n'}

对于各层的水深值D'，则可由D和woa_D简单组合而得到：

D'＝{D₁,D₂,...,D_i,...,D_m,woa_D_k+1,woa_D_k+2,...,woa_D_n}。

步骤4、使用得到的全深度、高精度的温度剖面和盐度剖面，计算全深度、高精度的声速剖面V，其计算公式为：

V＝F(T',S',D')

其中，T'、S'、D'分别为温度剖面、盐度剖面和各层的水深值。F表示通用的声速计算函数。

通过以上步骤，实现了联合WOA2018模型及实测温盐资料重构全深度声速剖面功能。

下面，根据本发明提供的方法对修订前后的模型值进行对比，进而说明本发明的效果。

如图2a及图2b给出的修订前后各水层温度数据对比图，通过对比能够得到：作修订前，实测温度值和WOA2018模型温度值在有效测量深度处存在系统差，约0.41℃；作修订后，实测温度值和WOA2018温度修订值在有效测量深度以内及以外是连续的、无跳变的，且随着深度的增加WOA2018温度修订值与WOA2018模型温度值的变化趋于一致，这符合深度越大温度越稳定的规律。

如图3a及图3b给出的修订前后各水层盐度数据对比图，通过对比能够得到：作修订前，实测盐度值和WOA2018模型盐度值在有效测量深度处存在系统差，约0.036；作修订后，实测盐度值和WOA2018盐度修订值在有效测量深度以内及其以外是连续的、无跳变的，且随着深度的增加WOA2018盐度修订值与WOA2018模型盐度值的变化趋于一致，这符合深度越大盐度越稳定的规律。

图4给出了各水层实测声速值和WOA模型声速值对比图，通过对比能够得到：实测声速和WOA模型声速在有效测量深度处的系统差约2米/秒。

图5给出了各水层实测声速值、WOA模型声速值和直接预测声速值对比图，通过对比能够得到：实测声速和WOA模型声速以及直接预测声速值在有效测量深度处的系统差约为2米/秒。说明简单的采用直接预测声速值来弥补有效测量深度之外的声速值是不正确的。

图6给出了各水层实测声速值、WOA模型声速值、直接预测声速值和修订后声速值对比图，通过对比能够得到：实测声速值和修订后声速值在有效测量深度以内及其以外是连续的、无跳变的，且随着深度的增加修订后的声速值与WOA模型声速值的变化趋于一致，这符合深度越大声速越稳定的规律。

通过以上对于修订前后模型值的对比，能够验证本发明能够得到全深度、高精度的温度剖面和盐度剖面，进而计算得到全深度、高精度的声速剖面。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种联合WOA2018模型及实测温盐资料重构全深度声速剖面方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、根据XCTD、CTD实测温盐资料的有效测量深度为界，将水深划分为有效测量深度以内与有效测量深度以外两部分；

步骤2、在有效测量深度以内，采用实测的温度剖面和盐度剖面；

步骤3、在有效测量深度以外，结合在有效测量深度处的数据修订有效测量深度以外的WOA2018模型，并构建全深度、高精度的温度剖面和盐度剖面；

步骤4、使用构建的全深度、高精度的温度剖面和盐度剖面，计算全深度、高精度的声速剖面。

2.根据权利要求1所述的联合WOA2018模型及实测温盐资料重构全深度声速剖面方法，其特征在于：所述步骤3的具体实现步骤为：

⑴、分别计算有效测量深度处温盐测量值和WOA2018温盐模型值的差值；

⑵、根据步骤⑴得到的差值和有效测量深度以外WOA2018各水层的水深对其各水层的温盐模型值作不同权系数的修订，得到有效测量深度以外WOA2018各水层的温盐修订值；

⑶、组合各水层的温盐修订值，得到有效测量深度以外修订后的模型温度剖面和盐度剖面，再结合有效测量深度以内的实测温度剖面和盐度剖面，构建全深度、高精度的温度剖面和盐度剖面。

3.根据权利要求2所述的联合WOA2018模型及实测温盐资料重构全深度声速剖面方法，其特征在于：所述步骤⑴的具体计算方法为：

对于实测温盐资料，T表示实测的温度剖面：

T＝{T₁,T₂,......,T_i,...,T_m}

其中，T_i表示第i个水层的温度实测值，

S表示实测的盐度剖面：

S＝{S₁,S₂,......,S_i,...,S_m}

其中，S_i表示第i个水层的盐度实测值，

D表示实测的水深值：

D＝{D₁,D₂,......,D_i,...,D_m}

其中，D_i表示第i个水层的深度，m表示实测温盐资料的水层数，D_m表示有效测量深度；

对于WOA2018模型，woa_T表示模型的温度剖面：

woa_T＝{woa_T₁,woa_T₂,......,woa_T_j,...,woa_T_n}

其中，woa_T_j表示第j个水层的温度模型值，

woa_S表示模型的盐度剖面：

woa_S＝{woa_S₁,woa_S₂,......,woa_S_j,...,woa_S_n}

其中，woa_S_j表示第j个水层的盐度模型值，

woa_D表示模型的水深值：

woa_D＝{woa_D₁,woa_D₂,......,woa_D_j,...,woa_D_n}

其中，woa_D_j表示第j个水层的深度，n表示WOA2018模型的水层数；

有效测量深度D_m处的温、盐实测值分别为T_m和S_m，温、盐模型值分别为woa_T_y和woa_S_y，其中D_m位于WOA2018模型第k和k+1水层间，计算公式为：

woa_T_y＝(D_m-woa_D_k)/(woa_D_k+1-woa_D_k)×(woa_T_k+1-woa_T_k)+woa_T_k

woa_S_y＝(D_m-woa_D_k)/(woa_D_k+1-woa_D_k)×(woa_S_k+1-woa_S_k)+woa_S_k

Δ1＝T_m-woa_T_y

Δ2＝S_m-woa_S_y

其中，Δ1为有效测量深度处温度测量值和WOA2018温度模型值的差值，Δ2为有效测量深度处盐度测量值和WOA2018盐度模型值的差值。

4.根据权利要求3所述的联合WOA2018模型及实测温盐资料重构全深度声速剖面方法，其特征在于：所述步骤⑵修订有效测量深度以外WOA2018各水层的温盐模型值的计算公式为：

其中，woa_T'_k+1表示第k+1个水层的温度修订值，woa_S'_k+1表示第k+1个水层的盐度修订值。

5.根据权利要求2至4任一项所述的联合WOA2018模型及实测温盐资料重构全深度声速剖面方法，其特征在于：所述步骤⑶构建全深度、高精度的温度剖面T'和盐度剖面S'的公式为：

T'＝{T₁,T₂,...,T_i,...,T_m,woa_T_k+1',woa_T_k+2',...,woa_T_n'}

S'＝{S₁,S₂,...,S_i,...,S_m,woa_S_k+1',woa_S_k+2',...,woa_S_n'}

对于各层的水深值D'，则可由D和woa_D简单组合而得到：

D'＝{D₁,D₂,...,D_i,...,D_m,woa_D_k+1,woa_D_k+2,...,woa_D_n}。

6.根据权利要求1所述的联合WOA2018模型及实测温盐资料重构全深度声速剖面方法，其特征在于：所述步骤4计算全深度、高精度的声速剖面V的公式为：

V＝F(T',S',D')

其中，T'、S'、D'分别为温度剖面、盐度剖面和各层的水深值。F表示通用的声速计算函数。

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