CN112683245B - 一种海洋孤立内波预警强度校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种海洋孤立内波预警强度校正方法，包括如下步骤：步骤1：获得浮标观测平台所在位置点的不同时间、不同层数的海流相对浮标观测平台的相对流速，对相对流速依次进行质量控制和去除背景海流信息，得到相对流速；步骤2：获得浮标观测平台的移动速度，将移动速度和相对流速进行叠加，得到真实的海流流速；步骤3：根据真实的海流流速判断是否出现内波，若出现内波，则继续执行，否则结束处理或跳转至步骤1；步骤4：对海流流速进行校正，输出校正后的海洋孤立内波信息，校正后的海洋孤立内波信息包括海洋孤立内波出现的时间、强度、深度和传播相速度。本发明可以排除仪器漂移引起的观测误差，提高孤立内波预警强度的精度。

Description

一种海洋孤立内波预警强度校正方法

技术领域

本发明涉及海洋监测技术领域，具体涉及一种海洋孤立内波预警强度校正方法。

背景技术

海洋孤立内波(也可以简称为孤立内波)属于海洋内波其中一类，海洋孤立内波是一种发生在海水密度层结的海洋中的波动，其最大振幅出现在海水内部，波长在几百米至几十千米之间，属于海洋小尺度运动。海洋孤立内波引起的瞬时强烈海流在全水深均有发生，是海洋工程作业安全的潜在威胁，因此，有必要对海洋孤立内波进行预警，以提高作业安全性。

目前，就海洋孤立内波的观测有相关的预警方案，如申请号为201210578674.0、201110147411.X、201210551965.0的中国发明申请专利，以及授权号为ZL201710370753.5的中国发明专利。此外，也还有对海洋孤立内波进行测量相关的方法，如申请号为201210578674.0、201110312123.5的中国发明申请专利。但是，无论是海洋孤立内波测量海水预警的现有技术方案中，均缺少了观测浮标运动姿态的高精度监测。由于观测浮标的随流(海流)特性，海洋孤立内波预警强度的精度普遍偏小，因此，需要进行海洋孤立内波强度进行校正，以提高精度。海洋孤立内波预警强度校正的方法的提出可以排除仪器漂移引起的观测误差，结合理论逼近算法有效提高孤立内波预警强度的精度。另外，海洋孤立内波预警浮标海流流速的有效观测深度范围较小，采用理论逼近算法可以提高海洋孤立内波期间流速深度范围，反演仪器观测盲区范围内孤立内波强度。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种海洋孤立内波预警强度校正方法，其能够解决海洋孤立内波预警强度精度不高的问题；

实现本发明的目的的技术方案为：一种海洋孤立内波预警强度校正方法，包括如下步骤：

步骤1：获得浮标观测平台所在位置点的不同时间t、不同层数q的海流相对浮标观测平台的相对流速V_t,q，对相对流速V_t,q依次进行质量控制和去除背景海流信息，经过质量控制后得到相对流速V′_t,q，经过去除背景海流后得到相对流速V″_t,q；

步骤2：获取所述浮标观测平台不同时间t自身水平加速度G_t，对水平加速度G_t进行时间积分后得到浮标观测平台的移动速度V_t，将相对流速V′_t,q和移动速度V_t叠加，得到真实的海流流速F_t,q；

步骤3：判断当前的海流流速F_t,q是否符合内波出现的条件，若符合，则判断出现海洋孤立内波并进入步骤4，否则，判断未出现海洋孤立内波并结束处理或跳转至步骤1；

步骤4：对海流流速F_t,q进行校正，输出校正后的海洋孤立内波信息，校正后的海洋孤立内波信息包括海洋孤立内波出现的时间、强度、深度和传播相速度，海洋孤立内波的强度和深度分别是指波致流最大流速所对应的速度和出现的深度。

进一步地，所述步骤4中，使用循环模拟校正方法对海流流速F_t,q进行校正。

进一步地，所述使用循环模拟校正方法对海流流速F_t,q进行校正，其具体实现过程包括以下步骤：

步骤411：在海洋孤立内波发生时间内，获取各个水层的水平流速S_t,q，S_t,q＝F_t,q，在水平流速绝对值最大值的预设时间内的各水层的水平流速进行时间平均，得到背景水平流速B₁，将水平流速S_t,q减去背景水平流速B₁，得到海洋孤立内波引起的海流S′_t,q；

步骤412：求解方程①和②，获得海洋内波的波振幅W和相速度c：

且W(0)＝0，W(H₀)＝0

其中，H₀表示观测区域水深，N表示浮频率，g表示重力加速度，ρ表示沿深度z变化的密度剖面；

步骤413：根据方程组③计算得到非线性参数α和频散参数β_F：

式中，z₀表示波函数最大值所在的深度，

步骤414：根据方程组④模拟计算出海洋孤立内波经过时不同时刻下的各个水层水平模拟流速U_t,q：

式中，a和b表示常数，η₀表示孤立内波振幅，

表示相位角；

步骤415：比对S′_t,q和U_t,q，找出两者在海洋孤立内波的时间区域内一一对应数据点，将二者差的绝对值的平均值记为U_mean；

步骤416：构建波函数W经验模型，波函数W经验模型包括上下两部分，上部分记为W_up，下部分记为W_down，W_up和W_down的表达式分别为

和

L_up和L_dn分别表示需要根据实测流速调整的参数；

获得波函数W的具体表达式后，再次执行步骤414和步骤415，获得新的U_mean，若新的U_mean符合预设标准或达到极小值点时，则跳出循环处理，若新的U_mean未达到要求，则取新的U_mean为最小时的流速剖面作为最佳模拟结果；

步骤417：按公式⑤计算出孤立内波相速度V：

步骤418：根据最佳模拟结果的流速剖面和孤立内波相速度V输出观测平台所在位置点孤立内波期间，整个水层的流速分布，深度范围覆盖观测浮标观测不到的深度。

进一步地，所述步骤411中，选取在流速绝对值最大值的前10分钟和后10分钟内，作为海洋孤立内波发生时间。

进一步地，所述步骤411中，预设时间为水平流速绝对值最大值前60分钟到前10分钟内。

进一步地，所述步骤416中，在波函数的最大值所在深度划分为上下两部分，得到上部分W_up和下部分W_down。

进一步地，所述质量控制包括以下步骤：

步骤111：取不同时间t、不同层数q的相对流速V_t,q；

步骤112：若相对流速V_t,q满足Percent Good＜阈值m或水平流速O_t,l＞阈值n，则删除该数据，若不满足，则进行步骤113；

步骤113：对相对流速V_t,q按观测点进行三点滑动平均滤波后，进行步骤114；

步骤114：若水平流速O_t,l相邻上下两层的速度差HVG＞阈值R，则删除该数据，否则进行步骤115；

步骤115：若相对流速V_t,q缺值时，则输出V′_t,q＝(V_t+1,q+V_t-1,q)/2，若相对流速V_t,q不缺值时，则V′_t,q＝V_t,q。

进一步地，所述去除背景海流信息的具体实现包括以下步骤：

步骤121：当ADCP采集数据超过预设时间T_y后，取经过质量控制后的不同时间、相同层数的相对流速V′_t,q；

步骤122：取t-T_y-t分钟时间内数据的平均值，作为时间t的背景流速V_t背景，若

分钟时间内有效数据＜20个，则V_t背景取无效值；

步骤123：除去背景流速之后的相对流速V″_t,q，V″_t,q＝V′_t,q-V_t背景。

进一步地，所述T_y＝360分钟。

进一步地，所述将相对流速V′_t,q和移动速度V_t叠加，得到真实的海流流速F_t,q，其具体实现过程包括如下步骤：

步骤211：取不同时间t的浮标观测平台的水平加速度G_t；

步骤212：对水平加速度G_t进行中值滤波，然后进行步骤213；

步骤213：对经过中值滤波后的G_t对时间t积分，获得浮标观测平台的移动速度V_t；

步骤214：对V′_t,q和V_t进行叠加，得到真实的海流流速F_t,q。

本发明的有益效果为：本发明可以排除仪器漂移引起的观测误差，解决现有浮标观测只能覆盖20米-80米有限深度范围流速的问题，有效提高孤立内波预警强度的精度。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2是根据公开的温盐密度数据求得的浮频率以及波振幅的剖面示意图；

图3是寻找U_mean极小值点的示意图；

图4是最终获得波函数W的调制结果示意图；

图5是某实测资料与本发明模拟结果对照图，从左至右依次为：去背景流场的实测孤立内波流速剖面；模拟0-300m流速剖面；模拟0-2500m全水深流速剖面。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方案，对本发明做进一步描述。

如图1-图5所示，一种海洋孤立内波预警强度校正方法，包括如下步骤：

步骤1：获得浮标观测平台所在位置点的不同时间t、不同层数q的海流相对浮标观测平台的相对流速V_t,q，对相对流速V_t,q依次进行质量控制和去除背景海流信息，经过质量控制后得到相对流速V′_t,q，经过去除背景海流信息后得到相对流速V″_t,q。其中，相对流速V_t,q可通过海流流速仪进行测量获得，海流流速仪可以采用声学多普勒流速剖面仪(ADCP)。本实施例中，在浮标观测平台上安装采样率为300kHz的ADCP和三维重力传感器，浮标观测平台设置在水深2500米位置并且放置与孤立内波的来波方向，采样间隔设置为3分钟，每个采样样本为30个ping，ping时间间隔为1秒，层数为30层，层厚4m，ADCP输出数据包括25层海流数据(即相对流速)和海表温度数据。

采样间隔的具体数值可以根据实际情况进行调整，目前，3分钟的采样间隔是可以观测到海洋内波的最小采样时间间隔。至于ping的数量可以按实际情况进行增减，其他也是类似。

将ADCP安装在浮标上面，ADCP朝下(即朝向海洋)观测，通常可以观测1-30层的海洋内波。

本步骤中，所述质量控制目的在于，通过筛选相关数据得到具有更高数据质量的相对流速V′_t,q，其具体实现包括以下步骤：

步骤111：取不同时间t、不同层数q的相对流速V_t,q。

步骤112：若相对流速V_t,q满足Percent Good＜阈值m或水平流速O_t,l＞阈值n，则删除该数据，若不满足，则进行步骤113。Percent Good是海流流速仪自动输出的数据，是良好波束测量的百分比，用来衡量所测数据质量的好坏，也即是数据良好率。

步骤113：对相对流速V_t,q按观测点进行三点滑动平均滤波后，进行步骤114。三点滑动滤波也即是每三个观测点的相对流速V_t,q进行平均，也即是对相同层数、不同时间时间点的相对流速V_t,q进行三点中值滤波。

步骤114：若水平流速O_t,l相邻上下两层的速度差HVG＞阈值R，则删除该数据，否则进行步骤115。

步骤115：若相对流速V_t,q缺值时，则输出V′_t,q＝(V_t+1,q+V_t-1,q)/2，若相对流速V_t,q不缺值时，则V′_t,q＝V_t,q。也即，若缺值，则采用下一时刻和上一时刻两者的平均值作为当前时刻的相对流速V′_t,q(也即作为质量控制后的输出值)，若不缺值，则采用当前时刻的相对流速作为输出值。

所述去除背景海流信息的具体实现包括以下步骤：

步骤121：当ADCP采集数据超过预设时间T_y后(通常为360分钟)，取经过质量控制后的不同时间、相同层数的相对流速V′_t,q。

步骤122：取t-T_y-t分钟时间内数据的平均值，作为时间t的背景流速V_t背景。若

分钟时间内有效数据＜20个，则V_t背景取无效值，也即舍弃。

步骤123：除去背景流速之后的相对流速V″_t,q＝V′_t,q-V_t背景。

在步骤121-步骤123中，设置具体时间进行相对应的处理，是基于这样的考虑：

ADCP观测获得的海流信息中包括了孤立内波信号和非内波信号(也即是实施例中提到的背景流速等背景信号)，非海洋内波信号在海流信息中会影响和混淆海洋内波信号的识别，因此需要提前去除，以便于后面海洋内波的识别。预设时间T_y选取360分钟即6个小时，主要原因为：海洋内波引起的海流流速变化持续时间一般小于60分钟，背景信号的变化周期一般是超过360分钟的，那么获取的背景流信息主要通过时间平均来获得，360分钟时间足够长，如果这段时间有海洋内波信号，360分钟的平均也足够把它平滑掉，同时360分钟的长度平均又可以基本描述背景信号的变化。因此，通过预设时间T_y可以有效将包括背景流进行平滑掉，同时又能基本描述出背景信号变化。

步骤2：获取所述浮标观测平台不同时间t自身水平加速度G_t，对水平加速度G_t进行时间积分后得到浮标观测平台的移动速度V_t，叠加步骤1的相对流速V′_t,q和移动速度V_t，得到经过校正后真实的海流流速F_t,q。

叠加步骤1的相对流速V′_t,q和移动速度V_t，得到经过校正后真实的海流流速F_t,q，其具体实现过程包括如下步骤：

步骤211：取不同时间t的浮标观测平台的水平加速度G_t。

步骤212：对水平加速度G_t进行中值滤波，然后进行步骤213。

步骤213：对经过中值滤波后的G_t对时间t积分，获得浮标观测平台的移动速度V_t，即有

步骤214：对V′_t,q(也即是观测得到的海流流速)和V_t进行叠加，得到真实的海流流速F_t,q，即有F_t,q＝V′_t,q+V_t。

通过本步骤处理，可以有效消除由于仪器(例如ADCP)偏移引起的观测误差，而获得真实的海流流速，并且为后续基于真实的海流流速进行海洋孤立内波预警强度打下坚实的数据基础。

步骤3：根据海流流速F_t,q判断当前的海流流速F_t,q是否符合内波出现的条件，若符合，则判断出现海洋孤立内波并进入步骤4，否则，判断未出现海洋孤立内波并结束处理或跳转至步骤1重新处理。

其中，根据海流流速F_t,q判断当前的海流流速F_t,q是否符合内波出现的条件，可以采用申请号为2017103707535的中国发明申请专利中公开的技术方案，具体可以采用该发明申请专利中提到的水平流速判别法或垂直流速判别法，由于属于现有的公开技术内容，在此不进行赘述。

步骤4：使用循环模拟校正方法对海流流速F_t,q进行校正，输出校正后的海洋孤立内波信息，校正后的海洋孤立内波信息包括海洋孤立内波出现的时间、强度、深度和传播相速度，海洋孤立内波的强度和深度分别是指波致流最大流速所对应的速度和出现的深度。

在步骤2中，并且对观测浮标的移动速度和观测得到的流速进行校正，得到校正后的流速。在本步骤中，输出的是经过校正后的孤立内波信息，而其中就包括校正后的强度(即是流速大小)，从而达到预警强度校正的目的。

本步骤的使用循环模拟校正方法对海流流速F_t,q进行校正，其具体实现过程包括以下步骤：

步骤411：在海洋孤立内波发生时间内，也即在流速绝对值最大值的前10分钟和后10分钟内，获取各个水层的水平流速S_t,q，S_t,q＝F_t,q，对水平流速绝对值最大值前60分钟到前10分钟内的各水层的水平流速进行时间平均，得到背景水平流速B₁，将水平流速S_t,q减去背景水平流速B₁，得到海洋孤立内波引起的海流S′_t,q，其中，S′_t,q＝S_t,q-B₁。

在本步骤中，选取前10分钟和后10分钟，主要是基于实际观测研究中发现，孤立内波引起的海流持续时间一般为30分钟左右，流速是先增大后减小，而选择这样的时间的时间段占据了足够的时间，能够反映非常典型的海洋内波流速剖面。

步骤412：参考图2，求解下述方程①和②，获得海洋内波的波振幅W(也可称之为波函数)和相速度c：

且W(0)＝0，W(H₀)＝0

其中，H₀表示观测区域水深，N表示浮频率，其具体值可从公开发布的温盐密度数据中获得，g表示重力加速度，ρ表示沿深度z变化的密度剖面。图2是根据公开的温盐密度数据求得的浮频率N以及波振幅W的剖面示意图。波振幅或波函数是在海洋内波方程求解过程中，变量分离中获得的只与深度有关系的函数。

步骤413：根据方程组③计算得到非线性参数α和频散参数β_F：

式中，z₀表示波函数W为最大值所在的深度，

步骤414：根据上述步骤获得的相关参数和根据方程组④，模拟计算出海洋孤立内波经过时不同时刻下的各个水层水平模拟流速U_t,q：

式中，a和b表示常数，η₀表示孤立内波振幅，

表示相位角。

步骤415：参考图3，比对S′_t,q和U_t,q，找出两者在海洋孤立内波的时间区域内一一对应数据点，将二者差的绝对值的平均值记为U_mean，并将U_mean视为流速模拟是否接近实测的校验标准，也即相当于将U_mean作为基准水平流速。图3是寻找U_mean极小值点的示意图。

步骤416：参考图4，构建波函数W(即海洋孤立内波的函数表达式)经验模型，使用高斯型函数在波函数的最大值所在深度划分为上下两部分，上部分记为W_up，下部分记为W_down，W_up和W_down的表达式分别为

和

L_up和L_dn分别表示需要根据实测流速调整的参数，从而得到波函数W的具体表达式，也即将上下两部分共同构成波函数W。图4是最终获得波函数W的调制结果示意图。

获得波函数W的具体表达式，也即获得W_up和W_down的表达式后，再次执行步骤414和步骤415，获得新的U_mean。若新的U_mean符合一定标准(＜0.1m/s)或达到极小值点时，则跳出循环处理，也即结束处理。若新的U_mean未达到要求，则取新的U_mean为最小时的流速剖面作为最佳模拟结果。

步骤417：按公式⑤计算出孤立内波相速度V：

步骤418：参考图5，根据循环模拟校正法，根据最佳模拟结果的流速剖面和孤立内波相速度V输出观测平台所在位置点孤立内波期间，整个水层的流速分布，深度范围覆盖观测浮标观测不到的深度，也即深度范围大于浮标覆盖范围。图5是某实测资料与本发明模拟结果对照图，从左至右依次为：去背景流场的实测孤立内波流速剖面；模拟0-300m流速剖面；模拟0-2500m全水深流速剖面。

本发明可以排除仪器漂移引起的观测误差，解决现有浮标观测只能覆盖20米-80米有限深度范围流速的问题，有效提高孤立内波预警强度的精度。

本说明书所公开的实施例只是对本发明单方面特征的一个例证，本发明的保护范围不限于此实施例，其他任何功能等效的实施例均落入本发明的保护范围内。对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种海洋孤立内波预警强度校正方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：获得浮标观测平台所在位置点的不同时间t、不同层数q的海流相对浮标观测平台的相对流速V_t,q，对相对流速V_t,q依次进行质量控制和去除背景海流，经过质量控制后得到相对流速V′_t,q，经过去除背景海流后得到相对流速V″_t,q；

步骤2：获取所述浮标观测平台不同时间t自身水平加速度G_t，对水平加速度G_t进行时间积分后得到浮标观测平台的移动速度V_t，将相对流速V′_t,q和移动速度V_t叠加，得到真实的海流流速F_t,q；

步骤3：判断当前的海流流速F_t,q是否符合内波出现的条件，若符合，则判断出现海洋孤立内波并进入步骤4，否则，判断未出现海洋孤立内波并结束处理或跳转至步骤1；

步骤4：对海流流速F_t,q进行校正，输出校正后的海洋孤立内波信息，校正后的海洋孤立内波信息包括海洋孤立内波出现的时间、强度、深度和传播相速度，海洋孤立内波的强度和深度分别是指波致流最大流速所对应的速度和出现的深度，

所述步骤4中，使用循环模拟校正方法对海流流速F_t,q进行校正，

所述使用循环模拟校正方法对海流流速F_t,q进行校正，其具体实现过程包括以下步骤：

步骤411：在海洋孤立内波发生时间内，获取各个水层的水平流速S_t,q，S_t,q＝F_t,q，在水平流速绝对值最大值的预设时间内的各水层的水平流速进行时间平均，得到背景水平流速B₁，将水平流速S_t,q减去背景水平流速B₁，得到海洋孤立内波引起的海流S′_t,q；

步骤412：求解方程①和②，获得海洋内波的波振幅W和相速度c：

且W(0)＝0，W(H₀)＝0

其中，H₀表示观测区域水深，N表示浮频率，g表示重力加速度，ρ表示沿深度z变化的密度剖面；

步骤413：根据方程组③计算得到非线性参数α和频散参数β_F：

式中，z₀表示波函数最大值所在深度，

步骤414：根据方程组④模拟计算出海洋孤立内波经过时不同时刻下的各个水层水平模拟流速U_t,q：

式中，a和b表示常数，η₀表示孤立内波振幅，

表示相位角；

步骤415：比对S′_t,q和U_t,q，找出两者在海洋孤立内波的时间区域内一一对应数据点，将二者差的绝对值的平均值记为U_mean；

步骤416：构建波函数W经验模型，波函数W经验模型包括上下两部分，上部分记为W_up，下部分记为W_down，W_up和W_down的表达式分别为

和

L_up和L_dn分别表示需要根据实测流速调整的参数；

获得波函数W的具体表达式后，再次执行步骤414和步骤415，获得新的U_mean，若新的U_mean符合预设标准或达到极小值点时，则跳出循环处理，若新的U_mean未达到要求，则取新的U_mean为最小时的流速剖面作为最佳模拟结果；

步骤417：按公式⑤计算出孤立内波相速度V：

步骤418：根据最佳模拟结果的流速剖面和孤立内波相速度V输出观测平台所在位置点孤立内波期间，整个水层的流速分布，深度范围覆盖观测浮标观测不到的深度。

2.根据权利要求1所述的海洋孤立内波预警强度校正方法，其特征在于，所述步骤411中，选取在流速绝对值最大值的前10分钟和后10分钟内，作为海洋孤立内波发生时间。

3.根据权利要求1所述的海洋孤立内波预警强度校正方法，其特征在于，所述步骤411中，预设时间为水平流速绝对值最大值前60分钟到前10分钟内。

4.根据权利要求1所述的海洋孤立内波预警强度校正方法，其特征在于，所述步骤416中，在波函数的最大值所在深度划分为上下两部分，得到上部分W_up和下部分W_down。

5.根据权利要求1所述的海洋孤立内波预警强度校正方法，其特征在于，所述质量控制包括以下步骤：

步骤111：取不同时间t、不同层数q的相对流速V_t,q；

步骤112：若相对流速V_t,q满足Percent Good＜阈值m或水平流速O_t,l＞阈值n，则删除该数据，若不满足，则进行步骤113；

步骤113：对相对流速V_t,q按观测点进行三点滑动平均滤波后，进行步骤114；

步骤114：若水平流速O_t,l相邻上下两层的速度差HVG＞阈值R，则删除该数据，否则进行步骤115；

步骤115：若相对流速V_t,q缺值时，则输出V′_t,q＝(V_t+1,q+V_t-1,q)/2，若相对流速V_t,q不缺值时，则V′_t,q＝V_t,q。

6.根据权利要求1所述的海洋孤立内波预警强度校正方法，其特征在于，所述去除背景海流的具体实现包括以下步骤：

步骤121：当ADCP采集数据超过预设时间T_y后，取经过质量控制后的不同时间、相同层数的相对流速V′_t,q；

步骤122：取t-T_y-t分钟时间内数据的平均值，作为时间t的背景流速V_t背景，若

分钟时间内有效数据＜20个，则V_t背景取无效值；

步骤123：除去背景流速之后的相对流速V″_t,q，V″_t,q＝V′_t,q-V_t背景。

7.根据权利要求6所述的海洋孤立内波预警强度校正方法，其特征在于，所述T_y＝360分钟。

8.根据权利要求1所述的海洋孤立内波预警强度校正方法，其特征在于，所述将相对流速V′_t,q和移动速度V_t叠加，得到真实的海流流速F_t,q，其具体实现过程包括如下步骤：

步骤211：取不同时间t的浮标观测平台的水平加速度G_t；

步骤212：对水平加速度G_t进行中值滤波，然后进行步骤213；

步骤213：对经过中值滤波后的G_t对时间t积分，获得浮标观测平台的移动速度V_t；

步骤214：对V′_t,q和V_t进行叠加，得到真实的海流流速F_t,q。

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