CN113095009B - 基于卫星遥感的三维海流实时快速分析系统的构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于卫星遥感的三维海流实时快速分析系统的构建方法，利用实时卫星观测海面温度(SST)、海面盐度(SSS)和海面高度异常(SSHa)垂向反演得到的三维温度和盐度场同化现场观测温盐剖面资料得到三维温度和盐度分析场，对三维海流再分析背景场进行地转流订正，以及利用卫星观测海面风场计算风海流，对三维海流再分析背景场进行风海流订正，并基于可视化平台构建三维海流实时快速分析系统。该系统以小型化和快速分析为特点，可以加载到舰船上，为其提供实时海洋环境条件保障，包括海面高度、三维海流、温度、盐度和声场等。
Description
技术领域
本发明属于海洋信息技术领域，具体涉及以提供三维海流实时分析场为目标，以构建三维海流实时快速分析系统(Quick Real-Time Ocean Current Analysis System)为技术支撑，并通过可视化界面将上述分析系统实时输出结果进行展示的海流条件保障系统。
背景技术
海流作为一个重要的海洋环境要素被应用到很多民用和军事领域，例如海上船只航行安全、搜救、溢油灾害处置以及武器平台等。在民用船只航行安全方面，船舶安全一直是航运界非常关注的问题。长期以来,世界各海运国家在船舶安全方面做了大量工作。然而，随着近年来航运业的快速发展，全球范围内的船舶碰撞、搁浅、火灾、爆炸、污染等事故屡屡发生，并造成了严重后果。综合分析这些事故，可以发现，影响船舶航行安全的因素主要有人为因素、船舶因素和环境因素三方面。而在环境因素中，海上环境中的海流条件又对舰船的航行有较大影响。对于军用舰船，除了水面舰艇的海流条件保障，潜艇航行需要水下海流条件的保障。而对于武器平台而言，水下发射导弹、布设水雷、鱼雷攻击都需要提供实时海流条件的保障，以便及时修正战术指挥海流参数。在海上搜救和溢油灾害处理方面，同样离不开海流条件的保障。而对于航天卫星发射的测量船而言，搜寻卫星发射坠海目标时，海流是不可或缺的海洋环境条件之一。
目前利用常规手段对大面积海域的表面海流实施高频率实时观测几乎是不可能的。传统的定点海流测量设备，无法覆盖大面积的探测区域，只能以一个或多个探测点数据代表区域的海流分布，且耗费的人力、物力、财力和时间成本较高。而卫星遥感资料具有覆盖范围广、时间分辨率和空间分辨率高的特点，研究如何利用实时或准实时获取的卫星遥感资料开展海流反演，具有重要的理论和实践意义。美国国家航空航天局利用卫星测高、测温和测风资料基于地转平衡、Ekman和Stommel剪切动力学以及海表浮力梯度补偿模型构建了实时海洋表层流分析场(Ocean Surface Current Analysis Real-Time,OSCAR)。但对于获取三维实时海流分析场的方法研究尚并不多见。因此，研究一种小型化的三维海流实时快速分析系统加载到舰船上，为舰船航行等提供实时自主海洋环境保障，势在必行。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于卫星遥感的三维海流实时快速分析系统的构建方法。本发明利用实时或准实时卫星观测海面温度(SST)、海面盐度(SSS)和海面高度异常(SSHa)垂向反演得到的三维温度和盐度场同化现场观测温盐剖面资料得到三维温度和盐度分析场，对三维海流再分析背景场进行地转流订正，以及利用卫星观测海面风场计算风海流，对三维海流再分析背景场进行风海流订正，并基于可视化平台构建三维海流实时快速分析系统。该系统以小型化和快速分析为特点，可以加载到舰船上，为其提供实时海洋环境条件保障，包括海面高度、三维海流、温度、盐度和声场等。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
基于卫星遥感的三维海流实时快速分析系统的构建方法，包括以下步骤：
(1)利用海洋再分析产品中的海流再分析数据，获取目标海域逐日海流的三维空间分布，获得逐日实时海流背景场；
(2)将获取的实时或准实时卫星观测海面温度(SST)、海面盐度(SSS)和海面高度异常(SSHa)向水下延拓，获取温度和盐度的三维结构分析场；
(3)由温度和盐度三维结构分析场和卫星观测海面高度异常计算地转流，以及由海洋再分析产品中的温度、盐度和海面高度异常数据计算地转流，计算两个地转流之间的差异即得到逐日的地转流订正项，完成地转流订正模型的构建；
(4)由卫星观测海面风场计算风海流，以及由海洋再分析产品的驱动风场计算风海流，计算两个风海流之间的的差异获得逐日的风海流订正项，完成风海流订正模型的构建；
(5)将地转流订正项和风海流订正项叠加到海流背景场中，获取逐日的三维海流分析场；
(6)通过Fortran及Python软件，从相应的网站下载并处理实时或准实时的卫星海面数据，输入到地转流订正模型和风海流订正模型中，以获得三维温度、盐度和海流的实时分析场，形成一套完整的三维海流实时快速分析系统(Quick Real-Time Ocean CurrentAnalysis System)；
进一步的，步骤(2)中具体包括以下步骤：
(201)温度和盐度剖面观测资料的收集和质量控制；
(202)建立温盐关系模型；
(203)构建由海面温度(SST)、海面盐度(SSS)和海面高度异常(SSHa)联合反演温度和盐度的剖面模型。
进一步的，本发明还提供一种三维海流实时快速分析系统的应用，基于Python构建可视化平台，将三维海流实时快速分析系统得到的三维温度、盐度和海流的实时分析场进行图形展示，便于用户使用。
进一步的，本发明还提供一种三维海流实时快速分析系统的使用方法，包括以下步骤：
1)下载实时或准实时的卫星海面高度，海面温度和来自于GTSPP的温盐剖面观测资料以及海面分析风场数据；
2)对下载的数据进行解压和格式转换，将卫星海面高度，海面温度，盐度剖面和海面风场数据转换成系统需要的格式；
3)利用海面温度反演温度剖面模型、海面高度反演温度剖面模型、海面温度与海面高度联合反演温度剖面模型以及温盐关系模型，结合实时或准实时的卫星海面温度、海面高度数据来反演温盐剖面；
4)对来自GTSPP的温盐剖面数据进行质量控制，包括区域检验、重复深度检验、深度颠倒检验、温盐范围检验、温度与盐度梯度检验和密度稳定性检验；
5)以卫星海面温度和海面高度联合反演的温盐剖面为背景场，利用多重网格三维变分数据同化方法，同化实时或准实时的温盐剖面观测数据，获得实时的温盐分析场；
6)利用实时的温盐分析场数据以及卫星观测海面高度异常数据计算地转流，以及利用海洋再分析产品中的温度、盐度和海面高度异常数据计算地转流，计算两个地转流之间的差异，获得地转流订正项；
7)利用海面分析风场数据计算风海流，以及利用由研制海洋再分析产品时所使用的风场驱动场的累年逐日统计分析风场计算风海流，计算两个风海流之间的差异，获得风海流订正项；
8)以对海洋再分析产品进行累年逐日统计后得到的逐日海流统计分析产品为海流背景场，将上述地转流订正项和风海流订正项叠加到背景场中，获得三维实时海流分析场；
9)最后利用可视化软件，生成温度、盐度、密度、声速和海流等要素的水平分布图、区域水平分布图、断面图和剖面图等可视化图形。
进一步的，本发明还提供一种用于三维海流实时快速分析系统的可视化平台，所述可视化平台能够实现以下几个功能：
a.进行任一时间任一深度处温度、盐度、密度、声速和海面高度的等值线图绘制；
b.进行任一时间任一纬度处温度、盐度、密度和声速的断面图绘制；
c.绘制任一时间任一深度处的海流矢量图；
d.对任一时间、任一深度处温度、盐度和海面高度等值线图分别与海流矢量图进行叠加绘制；
e.对任意一段时间内任一深度处各海洋要素的等值线图及海流矢量图变化进行动画展示；
f.对当前时刻各海洋要素图形进行实时展示。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1.本发明以海洋再分析数据获得逐日的海流作为背景场，分别利用实时或准实时获取的卫星观测的海面温度(SST)、海面盐度(SSS)和海面高度异常(SSHa)计算地转流的订正项、实时或准实时获取的卫星观测海面风场计算风海流的订正项，三者相叠加，即获得逐日的三维海流分析场，再通过可视化技术将得到的海流分析场进行实时展示。
2.本发明能够实现海洋三维流场实时快速分析，对数据的处理效率高，能够即时获得海表以下的温度盐度以及海洋环流的状况。
3.本发明实现了海洋三维流场的可视化，可以将海洋三维流场以图片以及动图的形式呈现，可读性更强。用户可以通过操作可视化界面查询实时海流信息及所需其他海洋要素，例如温度、盐度、密度、声速等信息。
4.本发明不依赖于高性能的计算平台，普通的计算机即可完成程序的运转。这一点使得本发明可以搭载在舰船上，为其提供实时海洋环境条件保障，包括海面高度、三维海流、温度、盐度和声场等，提高其遂行海洋环境保障能力。
5.本发明应用范围广，可以被用于很多民用和军事领域，例如海上船只航行安全、搜救、溢油灾害处置以及武器平台等，因此具有较大的科学意义和应用价值。
附图说明
图1为基于卫星观测资料的三维海流实时快速分析系统构建流程图。
图2为三维海流实时快速分析系统的可视化平台界面组成示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为本发明三维海流实时快速分析系统的构建流程图，结合图1对系统构建过程以及原理进行描述。
本实施例中以西北太平洋海域(99°E～150°E，10°S～52°N)为试验海区，主要包括三维海流实时快速分析系统和可视化平台建设两项任务。
通过以下几个步骤构建三维海流实时快速分析系统并实现平台可视化：
步骤一、地转流订正模型的建立
(1)逐日海流背景场的获取；
采用海洋再分析产品CORA(China Ocean Reanalysis)进行累年逐日统计，获得逐日的海流统计分析产品作为海流的背景场(ur,vr)。
(2)地转流订正项的计算；
1)温度和盐度三维结构分析场的获取
构建卫星观测的海面温度(SST)、海面盐度(SSS)和海面高度异常(SSHa)与水下温度(T)和盐度(S)相关关系模型，进而基于该模型将实时或准实时获取的卫星观测SST、SSS和SSHa向水下延拓，获取温度和盐度三维结构分析场。主要包括温度和盐度剖面观测资料的收集和质量控制、温盐关系模型的建立以及由SST、SSS和SSHa联合反演温度和盐度剖面的模型构建三个步骤的工作。具体如下：
①温度和盐度剖面观测资料的收集和质量控制
系统地收集南海区域历史温度和盐度剖面观测资料，例如来自于Argo、GTSPP、WOD18、EN4等国内外历史数据集的温盐观测资料。对这些收集的资料进行严格的质量控制，包括格式转换、排重以及位置和时间日期、逆深度、重复深度、连续梯度、密度逆等检验。之后对上述观测层数据进行标准层插值，并对插值后的标准层数据进行密度逆检验。
②温盐关系模型的建立
采用如下公式构建温盐关系模型：
其中，
式中，bi,j是局域相关函数：
bi,j＝exp{-[(xi-xj)/Lx]2-[(yi-yj)/Ly]2-[(ti-tj)/Lt]2} (5)
其中，下标i、j、k分别代表纬向、经向、垂向网格点指标；x和y分别为东西和南北的位置；t是一年中的时间；Lx、Ly和Lt分别为长度和时间尺度，SO表示盐度的观测值，
表示盐度的气候态平均值，TO表示温度的观测值，
表示温度的气候态平均值。时间尺度由试验进行确定，长度尺度依赖于纬度，也由试验来最终确定。
③由SST、SSS和SSHa联合反演温度和盐度剖面的模型的构建
构建模型采用如下公式：
其中，下标i、j、k分别代表纬向、经向、垂向网格点指标，某变量头顶上的横杠代表该变量的气候态平均值，系数a和b分别为线性回归参数，不同的上标分别代表由不同种类变量的回归参数。它们需要采用温度和盐度的历史观测资料或海洋再分析中的温度和盐度结果来回归统计计算得到。
2)地转流订正项的计算
基于地转平衡公式，计算由卫星观测海面高度异常和温盐分析场诊断出来的地转流，以及由海洋再分析累年逐日统计分析产品的温盐诊断出来的地转流，计算两者的差异，得到地转流的订正项(dug,dvg)。
由于温盐场对流场的作用主要由压力场p来体现，而在静力平衡下压力p是由水位η、温度T、盐度S和所处深度z决定的，即p(η,T,S,z)，因此本实施例拟考虑压力场p(η,T,S,z)与流场(u,v)的协调一致调整，采用如下地转平衡计算地转流
其中，x为纬向坐标，y为经向坐标，ρ为密度，f为惯性频率，ug为地转流东分量，vg为地转流北分量。在赤道附近，惯性频率很小，地转近似条件不再适用，但可以采用下式作为流场和温、盐场的动力约束条件
其中，β为f随纬度的变化率，依照下式可以计算地转流订正项
其中，
为由CORA海洋再分析产品统计得到的累年年平均海面高度，SSHaSAT为卫星观测海面高度异常，SSHar为CORA海洋再分析累年逐日统计分析得到的海面高度异常，Ta和Sa为卫星反演并同化了现场观测的温度和盐度分析场，Tr和Sr为CORA海洋再分析累年逐日统计分析得到的温度和盐度场。
步骤二、风海流订正模型的建立；
基于风海流计算公式，计算由海面风分析场诊断出来的风海流，以及由研制海洋再分析产品时所使用的风场驱动场的累年逐日统计分析风场诊断出来的风海流，计算两者的差异，得到风海流的订正项(duw,dvw)。
令ω为地球自转角频率，
为地理纬度，Az为垂向湍流扩散系数，则
为1985年UNESCO No.45规定的Ekman深度，H为当地水深，z为所处深度，ρ为海水密度，(Uw,Vw)为海面10米风场的东分量和北分量，
和
为风应力东分量和北分量，ρa为空气密度，Cd为风拖曳系数，
为风应力的大小，θ为风的去向与正北方向的夹角，顺时针为正，以风的去向为y轴，以风的去向的右边90°方向为x轴，z轴向下为正，则可以得到局地风海流为：
其中
进行坐标变换，即可得到与局地经纬度相平行的正交直角坐标系下的风海流为：
依照下式可以计算风海流订正项：
其中，
和
分别为10米海面风分析场的东分量和北分量，
和
分别为研制CORA海洋再分析产品时所使用驱动风场的累年逐日统计分析东分量和北分量。
最后，将上述地转流订正项(dug,dvg)和风海流订正项(duw,dvw)叠加到海流背景场(ur,vr)中：
由此，即可获取逐日的三维海流分析场。
步骤三、三维海流实时快速分析系统的构建；
在地转流订正和风海流订正模型构建完成后，通过Fortran及Python软件，从相应的网站下载并处理实时或准实时的卫星海面数据，输入到上述构建的地转流订正模型和风海流订正模型中，以获得三维温度、盐度和海流的实时分析场，从而形成三维海流实时快速分析系统。
在三维海流实时快速分析系统中，进行程序编译时需将所选海域进行网格化划分。选择网格分辨率为1/4°×1/4°，在西北太平洋海域(99°E～150°E，10°S～52°N)内共计205×249个网格点。
首先通过连接Internet网络下载实时或准实时的卫星观测SST、SSS和SSHa以及GTSPP的温盐剖面数据，在特定的Fortran和Python运行环境下，得到三维温盐反演场数据，进而得到密度、声速、经向地转流和纬向地转流数据。具体实现过程如下：
(1)下载实时或准实时的卫星海面高度，海面温度和来自于GTSPP的温盐剖面观测资料。
(2)对下载的数据进行解压和格式转换，将卫星海面高度，海面温度和温盐剖面数据转换成系统需要的格式。
(3)利用海面温度反演温度剖面模型、海面高度反演温度剖面模型、海面温度与海面高度联合反演温度剖面模型以及温盐关系模型，结合实时或准实时的卫星海面温度、海面高度数据来反演温盐剖面。
(4)对来自GTSPP的温盐剖面数据进行严格的质量控制，包括：区域检验、重复深度检验、深度颠倒检验、温盐范围检验、温度与盐度梯度检验和密度稳定性检验等。
(5)以卫星海面温度和海面高度联合反演的温盐剖面为背景场，利用多重网格三维变分数据同化方法，同化实时或准时实的温盐剖面观测数据，获得实时的温盐分析场。
(6)利用实时的温盐分析场数据，计算密度声速等要素，形成实时分析场数据。
(7)最后利用可视化软件，生成温、盐、密、声等要素的水平分布图、区域水平分布图、断面图和剖面图等可视化图形。
其次进行地转流及风海流的订正，网格划分同上，最终得到三维海流分析场结果。由此，三维海流实时快速分析系统构建完成。
步骤四、可视化平台的实现
最后基于Python软件构建可视化平台，将上述三维海流实时快速分析系统与可视化界面连接起来，进而达到将得到的三维温盐流等数据以可视化图形的形式进行展示的目的。可视化平台的界面组成具体见图2，可视化平台以三维海流实时快速分析系统(QuickReal-Time Ocean Current Analysis System)为技术支撑。
该平台可以实现以下功能：
(1)进行某一时间某一深度处温度、盐度、密度、声速和海面高度的等值线图绘制；
(2)进行某一时间某一纬度处温度、盐度、密度和声速的断面图绘制；
(3)绘制某一时间任一深度处的海流矢量图；
(4)对某一时间、某一深度处温度、盐度和海面高度等值线图分别与海流矢量图进行叠加绘制；
(5)对某段时间内任一深度处各海洋要素的等值线图及海流矢量图变化进行动画展示；
(6)对当前时刻各海洋要素图形进行实时展示。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.基于卫星遥感的三维海流实时快速分析系统的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)利用海洋再分析产品中的海流再分析数据，获取目标海域逐日海流的三维空间分布，获得逐日实时海流背景场；
(2)将获取的实时或准实时卫星观测海面温度、海面盐度和海面高度异常向水下延拓，获取温度和盐度的三维结构分析场；
(3)由温度和盐度三维结构分析场和卫星观测海面高度异常计算地转流，以及由海洋再分析产品中的温度、盐度和海面高度异常数据计算地转流，计算两个地转流之间的差异即得到逐日的地转流订正项，完成地转流订正模型的构建；
(4)由卫星观测海面风场计算风海流，以及由海洋再分析产品的驱动风场计算风海流，计算两个风海流之间的的差异获得逐日的风海流订正项，完成风海流订正模型的构建；
(5)将地转流订正项和风海流订正项叠加到海流背景场中，获取逐日的三维海流分析场；
(6)通过Fortran及Python软件，从相应的网站下载并处理实时或准实时的卫星海面数据，输入到地转流订正模型和风海流订正模型中，以获得三维温度、盐度和海流的实时分析场，形成一套完整的三维海流实时快速分析系统。
2.根据权利要求1所述基于卫星遥感的三维海流实时快速分析系统的构建方法，其特征在于，步骤(2)中具体包括以下步骤：
(201)温度和盐度剖面观测资料的收集和质量控制；
(202)建立温盐关系模型；
(203)构建由海面温度、海面盐度和海面高度异常联合反演温度和盐度的剖面模型。
3.根据权利要求1所述基于卫星遥感的三维海流实时快速分析系统的构建方法，其特征在于，该方法能够基于Python构建可视化平台，将三维海流实时快速分析系统得到的三维温度、盐度和海流的实时分析场进行图形展示，便于用户使用。
4.一种三维海流实时快速分析系统的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)下载实时或准实时的卫星海面高度，海面温度和来自于GTSPP的温盐剖面观测资料以及海面分析风场数据；
2)对下载的数据进行解压和格式转换，将卫星海面高度，海面温度，盐度剖面和海面风场数据转换成系统需要的格式；
3)利用海面温度反演温度剖面模型、海面高度反演温度剖面模型、海面温度与海面高度联合反演温度剖面模型以及温盐关系模型，结合实时或准实时的卫星海面温度、海面高度数据来反演温盐剖面；
4)对来自GTSPP的温盐剖面数据进行质量控制，包括区域检验、重复深度检验、深度颠倒检验、温盐范围检验、温度与盐度梯度检验和密度稳定性检验；
5)以卫星海面温度和海面高度联合反演的温盐剖面为背景场，利用多重网格三维变分数据同化方法，同化实时或准实时的温盐剖面观测数据，获得实时的温盐分析场；
6)利用实时的温盐分析场数据和卫星观测海面高度异常数据计算地转流，以及利用海洋再分析产品中的温度、盐度和海面高度异常数据计算地转流，计算两个地转流之间的差异，获得地转流订正项；
7)利用海面分析风场数据计算风海流，以及利用由研制海洋再分析产品时所使用的风场驱动场的累年逐日统计分析风场计算风海流，计算两个风海流之间的差异，获得风海流订正项；
8)以对海洋再分析产品进行累年逐日统计后得到的逐日海流统计分析产品为海流背景场，将上述地转流订正项和风海流订正项叠加到背景场中，获得三维实时海流分析场；
9)最后利用可视化软件，生成温度、盐度、密度、声速、海面高度和海流的可视化图形。
5.根据权利要求3所述基于卫星遥感的三维海流实时快速分析系统的构建方法，其特征在于，所述可视化平台能够实现以下几个功能：
a.进行任一时间任一深度处温度、盐度、密度、声速和海面高度的等值线图绘制；
b.进行任一时间任一纬度处温度、盐度、密度和声速的断面图绘制；
c.绘制任一时间任一深度处的海流矢量图；
d.对任一时间、任一深度处温度、盐度和海面高度等值线图分别与海流矢量图进行叠加绘制；
e.对任意一段时间内任一深度处各海洋要素的等值线图及海流矢量图变化进行动画展示；
f.对当前时刻各海洋要素图形进行实时展示。
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