CN112833863A - 一种海洋孤立内波引起海表面高度变化的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种海洋孤立内波引起海表面高度变化的测量方法，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垂直加速度与水平加速度，根据水平加速度获得移动速度，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：对垂直加速度连续进行两次时间积分，得到海洋孤立内波发生时间段内引起的海表面高度变化。本发明可以较高精度的测量出孤立内波引起的海表面高度变化的信息。

Description

一种海洋孤立内波引起海表面高度变化的测量方法

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引起海表面高度变化的测量方法。

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，特别是海洋孤立内波从开始发生到结束这段时间可能会引起剧烈的海表面高度变化，此种剧烈的海表面高度变化可能会多作业设备以及作业人员带来安全隐患，是海洋工程作业安全的潜在威胁。例如，搭载监测设备或作业人员的小型载体容易在剧烈变化的海面上发送倾覆，从而带来安全隐患。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，关于测量孤立内波从开始出现到消失的这段时间所引起海表面高度变化的方法比较缺乏，到目前为止，一直还没有一个直接的观测方法，仅仅对海洋内波监测是不够的，还需要一个能够比较直接的对海表面高度变化进行测量的方法。

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引起海表面高度变化的测量方法，其能够解决测量因海洋孤立内波而引起海洋表面高度变化的问题；

实现本发明的目的的技术方案为：一种海洋孤立内波引起海表面高度变化的测量方法，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自身的垂直加速度G_zt和自身水平加速度G_ht，对水平加速度G_ht进行时间积分后得到浮标观测平台的水平移动速度V_t，将相对流速V′_t,q和水平移动速度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：对垂直加速度G_zt连续进行两次时间积分，得到浮标观测平台垂向移动距离，将浮标观测平台垂向移动距离作为海洋孤立内波发生时间段内引起的海表面高度变化。

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和水平移动速度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_ht；

步骤212：对水平加速度G_ht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_ht对时间t积分，获得浮标观测平台的水平移动速度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。

进一步地，所述步骤4中，在进行第一次时间积分之前，还包括对垂直加速度G_zt进行滤波，然后再对滤波后的垂直加速度G_zt连续进行两次时间积分。

进一步地，所述滤波为中值滤波。

本发明的有益效果为：本发明可以较高精度的测量出孤立内波引起的海表面高度变化的信息，同时有效提高孤立内波监测数据的精度。

附图说明

图1为本发明的流程示意图。

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所示，一种海洋孤立内波引起海表面高度变化的测量方法，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)、声学多普勒流速剖面仪(ADV)、倒置回声测深仪(IES)等设备。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，实质上相当于是一个去噪过程，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自身的垂直加速度G_zt和自身水平加速度G_ht，对水平加速度G_ht进行时间积分后得到浮标观测平台的水平移动速度V_t，叠加步骤1的相对流速V′_t,q和水平移动速度V_t，得到经过校正后真实的海流流速F_t,q。其中，垂直加速度G_zt也可以称之为垂向加速度。

叠加步骤1的相对流速V′_t,q和水平移动速度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_ht。

步骤212：对水平加速度G_ht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_ht对时间t积分，获得浮标观测平台的水平移动速度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：对垂直加速度G_zt连续进行两次时间积分，得到浮标观测平台垂向移动距离，将浮标观测平台垂向移动距离作为海洋孤立内波发生时间段内引起的海表面高度变化，从而完成海表面高度变化的测量。也即先将垂直加速度G_zt进行第一次时间积分，得到浮标观测平台在垂直方向的移动速度V_zt，

然后对V_zt再次进行第二次积分，从而得到海洋孤立内波从开始发生到结束时间段内引起的海表面高度变化H_zt，也即是孤立内波引起的海表面高度变化，

优选地，在本步骤中，在进行第一次时间积分之前，还包括对垂直加速度G_zt进行滤波，然后再对滤波后的垂直加速度G_zt连续进行两次时间积分，其中滤波采用中值滤波。

本发明可以较高精度的测量出孤立内波引起的海表面高度变化的信息，同时有效提高孤立内波监测数据的精度。

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 (7)

1.一种海洋孤立内波引起海表面高度变化的测量方法，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自身的垂直加速度G_zt和自身水平加速度G_ht，对水平加速度G_ht进行时间积分后得到浮标观测平台的水平移动速度V_t，将相对流速V′_t,q和水平移动速度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：对垂直加速度G_zt连续进行两次时间积分，得到浮标观测平台垂向移动距离，将浮标观测平台垂向移动距离作为海洋孤立内波发生时间段内引起的海表面高度变化。

2.根据权利要求1所述的海洋孤立内波引起海表面高度变化的测量方法，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。

3.根据权利要求1所述的海洋孤立内波引起海表面高度变化的测量方法，其特征在于，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。

4.根据权利要求1所述的海洋孤立内波引起海表面高度变化的测量方法，其特征在于，所述T_y＝360分钟。

5.根据权利要求1所述的海洋孤立内波引起海表面高度变化的测量方法，其特征在于，所述将相对流速V′_t,q和水平移动速度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_ht；

步骤212：对水平加速度G_ht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_ht对时间t积分，获得浮标观测平台的水平移动速度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。

6.根据权利要求1所述的海洋孤立内波引起海表面高度变化的测量方法，其特征在于，所述步骤4中，在进行第一次时间积分之前，还包括对垂直加速度G_zt进行滤波，然后再对滤波后的垂直加速度G_zt连续进行两次时间积分。

7.根据权利要求6所述的海洋孤立内波引起海表面高度变化的测量方法，其特征在于，所述滤波为中值滤波。

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