CN113252010A - 一种海洋用长时间随涡观测系统及设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及海洋观测设备技术领域,具体涉及一种海洋用长时间随涡观测系统及设计方法。随涡观测系统,包括从海洋表面向下依次设置的海表浮球、包塑钢缆、上阻尼块、升降平台、下阻尼块、张紧锤、系缆、伸缩缆以及水帆;设计方法包括全球涡旋及背景三维流场数据集的收集、涡‑流一致性分析与规律统计、随涡观测系统中水帆部署深度的确定、水帆具体尺寸的设计。随涡观测系统可以实现最大概率地与涡心同步,相比于只受表层流驱动的Drifter、不具备跟流性的Argo等常规移动设备,具有随涡时间长,观测效果好的优势;另外本申请从大数据统计和理论分析等角度上给出了现场观测系统实现长时间随涡的方法论,可为所有随涡观测系统的设计提供理论基础和依据。
Description
技术领域
本发明涉及海洋观测设备技术领域,具体涉及一种海洋用长时间随涡 观测系统及设计方法。
背景技术
海洋涡旋在海洋中无处不在、无时不有、数以万计、大小不一,其水 平尺度从几公里到几百公里、垂直尺度从几十米到几百米、时间尺度从几 天到几年、每天传播速度在公里量级,并具有水平局部搅拌、垂直生化通 量、区域裹挟传输和三维剖面结构特征,是研究物质循环、能量级联和圈 层耦合的理想载体。
随着涡旋海洋学研究的不断深入,贯穿涡旋主要生命阶段的涡旋剖面 多参数获取成为涡旋交叉学科发展的迫切需求。目前用于涡旋观测的卫星 遥感手段仅能观测海表参数信息,尚无法实现剖面三维观测;常规的潜标、 漂流浮标、Argo浮标、Glider等现场观测手段在长期随涡、多传感器搭载、 总剖面数获取等方面均存在一定程度的不足或限制。另外目前观测系统在 涡旋中的投放深度位置通常依靠实践经验进行放置,并没有其确切的方法 论可以参考,观测效果并不理想。因此,发展一种具有长时间跟涡功能和 多参数高分辨剖面获取能力的现场随涡系统尤为迫切且意义重大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种海洋用长时间随涡观测系统及设计方法, 以解决上述背景技术中存在的现有技术问题。
为解决上述的技术问题,本发明提供的技术方案为:提供了一种海洋 用长时间随涡观测系统的设计方法,包括以下步骤:
步骤一:数据集收集;以中国海洋大学海洋信息技术实验室提供的全 球涡旋识别与追踪数据集,和全球监测与预报中心CMEMS提供的全球海 洋三维垂直分层流场再分析数据集GLORYS2V4为来源,共同作为数据分 析的数据基础;
步骤二:涡-流一致性分析与规律统计;基于步骤一中获取的涡旋数据 集和三维流场数据集,开展同一时空下的不同深度处背景流场大小、方向 分别与涡速、涡向的一致性概率统计分析,得到特定海域、不同特征涡旋 的涡向-流向最大概率一致性的深度h1和涡速-流速最大概率一致性的深度 h2这一普适规律;
步骤三:随涡观测系统中水帆部署深度确定;将步骤二中得到的涡向- 流向最大概率一致性出现的深度h1作为水帆的最佳部署深度;
步骤四:水帆具体尺寸计算与设计;基于随涡观测系统与涡旋同步运 动的原则,将水帆作为随涡观测系统的动力源、除水帆以外的其它部件作 为阻力源;针对目标海域的待测涡旋,根据步骤二得到的该区域涡-流一致 性规律,对随涡观测系统的各部件受力情况分析,建立随涡观测系统整体 的动力学方程,计算得到在不同海域、不同涡旋类型、实现长时间跟涡观 测的水帆设计尺寸。
在上述技术方案基础上,所述步骤四中除水帆以外其它部件作为阻力 源的阻力值计算方法包括:
S2,除水帆外的其它部件总迎流影响计算;除水帆外其它部件单位长度 迎流面积分别乘以各自所在深度处流速沿涡向分量大小,积分得到其它部 件在整个剖面流场内的总迎流影响,即A余,总:
其 中,s球、s包塑、s锤、s系缆、s升,总分别为海表浮球、包塑钢缆、张紧锤、系缆 以及升降平台的单部件水下单位长度的迎流面积,H1-H2为海表平面至海表浮 球底端的剖面深度,H2-H3为海表浮球底端至上阻尼块的剖面深度,H3-H4为 上阻尼块至下阻尼块的剖面深度,H4-H5为下阻尼块至张紧锤顶端的剖面深 度,H5-H6为张紧锤的剖面深度,H6-H7为张紧锤底端至水帆顶端的剖面深度;
S3,除水帆外的其它部件运动速度计算;将除水帆外其它部件作为一个 整体,将总迎流影响A余,总除以总迎流面积S余,总=(S球+S包塑+S升,总+S锤+S系缆), 即得到其它部件沿涡旋运动方向的整体速度大小Vx,余=A余/S余,总;其中,S球、 S包塑、S锤、S系缆、S升,总分别为海表浮球、包塑钢缆、张紧锤、系缆以及升 降平台的单部件的总迎流面积;
S4,除水帆外的其它部件的阻力计算;由于其它部件在水帆带动下,最 终实现与涡旋一致的运动速度V涡,则相对于水帆,其它部件所受阻力大小 为F其它,阻=(1/2)*C*ρ海水*(S球+S包塑+S升,总+S锤+S系缆)*(V涡-Vx,余)2;其中, V涡为涡旋速度大小,C为海水阻力常数,ρ海水为海水密度。
在上述技术方案基础上,所述步骤四中水帆作为随涡观测系统的动力 源的动力值为:
F帆,动=(1/2)*C*ρ海水*S帆*(V流-V涡)2;
根据随涡观测系统的最终运动速度与涡速一致的原则,即阻力源的阻 力值F其它,阻与动力源的动力值F帆,动一致,两者相等则计算得到水帆的具体 尺寸为:
S帆=(S球+S包塑+S升降+S锤+S系缆)*(V涡-Vx,余)2/(V流-V涡)2;其中,V流 为流向与涡向具有最大概率一致性的深度处的流速。
本发明还提供了一种海洋用长时间随涡观测系统,包括从海洋表面向 下依次设置有海表浮球、包塑钢缆、上阻尼块、升降平台、下阻尼块、张 紧锤、系缆、伸缩缆以及水帆,所述海标浮球漂浮在海洋表面,所述包塑 钢缆一端与海表浮球固定连接,另一端与张紧锤固定连接,所述上阻尼块 固定设置在包塑钢缆上,所述升降平台与包塑钢缆单向耦合连接,所述下 阻尼块固定设置在包塑钢缆上且位于升降平台的下方,所述张紧锤设置在 下阻尼块的下方,所述水帆通过系缆以及伸缩缆连接在张紧锤的下方。
在上述技术方案基础上,所述升降平台上搭载有多参数传感器,用于 涡旋剖面的物理、化学、生物、光学等参数观测。
在上述技术方案基础上,所述水帆设置为圆筒形结构且外侧壁上开设 有多个通孔。
本发明提供的技术方案产生的有益效果在于:
本发明中提供了一种海洋用长时间随涡观测系统及设计方法,该观测 系统通过满足最大概率地与涡旋涡心同步,进而实现长时间随涡观测目的, 相比于现有技术中只受表层流驱动的的Drifter、不具备跟流性的Argo、Glider等常规移动设备,具有随涡时间长,观测效果好的优势;另外本申 请中从大数据统计规律和理论角度上给出了观测系统实现长时间随涡的方 法论,可以为所有的随涡观测系统的设计提供理论基础和依据。
附图说明
图1是本发明中随涡观测系统的结构示意图;
图2是基于Drifter的全球表层流速与涡速对比示意图;
图3是涡-流一致性统计规律示意图;
图4是本发明中涡旋随涡性分析的结果示意图;其中,图4a为涡旋 轨迹示意图;图4b为不同深度涡向-流向一致性的概率分布示意图;图4c 为不同深度涡速-流速一致性的概率分布示意图;图4d为背景流畅流速沿 剖面分布规律示意图;
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明:
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、 “连接”、“固定”等术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可 以是可拆卸连接,或成一体;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接 相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领 域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具 体含义。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“左”、“右”、“前”、 “后”、“顶”、“底”、等指示的方位或位置关系均为基于附图所示的 方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗 示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因 此不能理解为对本发明的限制。
如图1至图4所示,一种海洋用长时间随涡观测系统的设计方法,包 括以下步骤:
步骤一:数据集收集;以中国海洋大学海洋信息技术实验室提供的全 球涡旋识别与追踪数据集,和全球监测与预报中心CMEMS提供的全球海 洋三维垂直分层流场再分析数据集GLORYS2V4为来源,共同作为数据分 析的数据基础;
步骤二:涡-流一致性分析与规律统计;基于步骤一中获取的涡旋数据 集和三维流场数据集,开展同一时空下的不同深度处背景流场大小、方向 分别与涡速、涡向的一致性概率统计分析,得到特定海域、不同特征涡旋 的涡向-流向最大概率一致性的深度h1和涡速-流速最大概率一致性的深度 h2这一普适规律;
步骤三:随涡观测系统中水帆部署深度确定;将步骤二中得到的涡向- 流向最大概率一致性出现的深度h1作为水帆的最佳部署深度;
步骤四:水帆具体尺寸计算与设计;基于随涡观测系统与涡旋同步运 动的原则,将水帆作为随涡观测系统的动力源、除水帆以外的其它部件作 为阻力源;针对目标海域的待测涡旋,根据步骤二得到的该区域涡-流一致 性规律,对随涡观测系统的各部件受力情况分析,建立随涡观测系统整体 的动力学方程,计算得到在不同海域、不同涡旋类型、实现长时间跟涡观 测的水帆设计尺寸。
在上述技术方案基础上,所述步骤四中除水帆以外其它部件作为阻力 源的阻力值计算方法包括:
S2,除水帆外的其它部件总迎流影响计算;除水帆外其它部件单位长度 迎流面积分别乘以各自所在深度处流速沿涡向分量大小,积分得到其它部 件在整个剖面流场内的总迎流影响,即A余,总:
其 中,s球、s包塑、s锤、s系缆、s升,总分别为海表浮球、包塑钢缆、张紧锤、系缆 以及升降平台的单部件水下单位长度的迎流面积,H1-H2为海表平面至海表浮 球底端的剖面深度,H2-H3为海表浮球底端至上阻尼块的剖面深度,H3-H4为 上阻尼块至下阻尼块的剖面深度,H4-H5为下阻尼块至张紧锤顶端的剖面深 度,H5-H6为张紧锤的剖面深度,H6-H7为张紧锤底端至水帆顶端的剖面深度;
S3,除水帆外的其它部件运动速度计算;将除水帆外其它部件作为一个 整体,将总迎流影响A余,总除以总迎流面积S余,总=(S球+S包塑+S升,总+S锤+S系缆), 即得到其它部件沿涡旋运动方向的整体速度大小Vx,余=A余/S余,总;其中,S球、 S包塑、S锤、S系缆、S升,总分别为海表浮球、包塑钢缆、张紧锤、系缆以及升 降平台的单部件的总迎流面积;
S4,除水帆外的其它部件的阻力计算;由于其它部件在水帆带动下,最 终实现与涡旋一致的运动速度V涡,则相对于水帆,其它部件所受阻力大小 为F其它,阻=(1/2)*C*ρ海水*(S球+S包塑+S升,总+S锤+S系缆)*(V涡-Vx,余)2;其中, V涡为涡旋速度大小,C为海水阻力常数,ρ海水为海水密度。
在上述技术方案基础上,所述步骤四中水帆作为随涡观测系统的动力 源的动力值为:
F帆,动=(1/2)*C*ρ海水*S帆*(V流-V涡)2;
根据随涡观测系统的最终运动速度与涡速一致的原则,即阻力源的阻 力值F其它,阻与动力源的动力值F帆,动一致,两者相等则计算得到水帆的具体 尺寸为:
S帆=(S球+S包塑+S升降+S锤+S系缆)*(V涡-Vx,余)2/(V流-V涡)2;其中,V流 为流向与涡向具有最大概率一致性的深度处的流速。
随涡观测系统的设计原理:
任何示踪物在随涡旋旋转过程中,由于其离心运动时的迎流阻力提供 随涡旋旋转的向心力,所以只要示踪物离开涡心即涡旋中心,将会加速离 开涡旋,直至被甩出涡旋边界。基于此我们若要实现长时间随涡观测,只 有使观测系统尽可能地与涡心同步,提高观测系统在涡心的驻留时间,将 在一定程度上大大提升观测系统的跟涡性能,这也是本发明随涡观测系统 设计方法的基本出发点。
涡-流一致性规律:
利用卫星高度计的涡旋识别与追踪数据集,人们已大致了解涡旋运动 的主要纬向分布及风场、流场的动力驱动机制,并有学者通过全球表层 Drifter轨迹揭示了海洋涡旋运动的纬带状分布特征,这充分表明涡旋运动 与海洋背景流场存在着某种内在关系;基于此,能反映表层流场分布的 Drifter数据常被海洋学家们用来开展涡旋海洋学研究。但是,我们对基于Drifter的全球表层流速与涡速进行系统比较后发现,表层流速一般比涡速高出50%以上,有些强流区可高达几倍,具体如图2所示。由此推测,Drifter 可能并不是最佳的随涡系统,有学者专门对中尺度涡旋的Drifter裹挟性 进行了系统分析,结果发现Drifter的平均随涡时间仅为7.6天,因此亟 待具有随涡时间长、跟涡效果好的观测系统的改进发展。
事实上涡旋作为一个具有三维结构的旋转流体,垂直尺度可达几百米, 如果涡旋的整体移动与背景流场有关,那么应该是整个背景流场综合驱动 的结果,而非仅表层流场。此外,由于背景流场分布有一定的区域规律且 是稳定的,因此在每个区域都应该存在着某一特定深度范围,其流速流向 与涡速涡向存在最大概率的一致符合性。基于此设想,我们进一步利用全 球涡旋识别与追踪数据集和GLORYS2V4再分析三维流场数据集,其时间分 辨率都为1天、空间分辨率都为0.25°×0.25°,数据分别来源于中国海 洋大学信息技术实验室和全球监测与预报中心CMEMS,二者结合开展数据统 计分析;最新结果发现,在海洋三维背景流场中,确实存在流速流向与涡 速涡向存在最大概率的一致性的深度范围且具有区域性特征,如图3所示。 也就是说,对于大部分涡旋来说,其水平移动特征与所在区域某一深度的 背景流场基本一致,我们称之为涡-流一致性规律。
我们以北太平洋亚热带海域为例来说明涡-流一致性规律的两个基本 共性特点,具体如图3所示:(1)涡向-流向一致性的最大概率出现的位 置深度为h1,而涡速-流速一致性的最大概率出现的位置深度为h2。(2) 二者对应深度稍有偏离,一般h1<h2;由于风生环流产生的背景流场速度垂 直向下减少,h2以浅深度的涡速-流速一致性的最大概率之所以偏低,主要 原因是背景流场的流速往往大于涡速,如图4d所示。或者说,在涡向-流 向具有最大概率一致性的深度h1附近,涡速-流速一致性的最大概率偏低则 反过来说明流速大于涡速的概率更高,而这个特性恰好为我们设计随涡观 测系统提供了必要条件。需要说明的是,上述提及的h2以浅深度是指较h2更浅的深度范围。
如果我们在涡向-流向具有最大概率一致性的深度h1附近部署一个具 有优异随流性的水帆,同时考虑水帆以上剖面内的其它部件阻力影响,那 么,只要我们根据剖面流场分布和区域涡旋运动特征,背景流场分布和涡 旋区域运动特征通常较为稳定,就可以通过合理设计水帆尺寸,保证该系 统的整体运动速度与涡速具有较大概率的一致性,从而提升系统在涡心附 近的驻留时间,减缓被甩出去的时间和概率,达到长时间随涡的目的。基于此设想,我们提出了本申请中的长时间随涡观测系统的具体结构,以期 实现长期跟涡效果,同时开展涡旋剖面多学科参数的高分辨连续同步观测, 具体结构如下所述。
本发明还提供了一种海洋用长时间随涡观测系统,如图1所示,包括 从海洋表面向下依次设置有海表浮球1、包塑钢缆2、上阻尼块3、升降平 台4、下阻尼块5、张紧锤6、系缆7、伸缩缆8以及水帆9,所述海表浮球 1漂浮在海洋表面,所述包塑钢缆2一端与海表浮球1固定连接,另一端与 张紧锤6固定连接,所述上阻尼块3固定设置在包塑钢缆2上,所述升降平台4与包塑钢缆2单向耦合连接,所述下阻尼块5固定设置在包塑钢缆2 上且位于升降平台4的下方,所述张紧锤6设置在下阻尼块5的下方,所 述水帆9通过系缆7以及伸缩缆8连接在张紧锤6的下方。在上述技术方 案基础上,所述升降平台4上搭载有多参数传感器,用于涡旋剖面的物理、 化学、生物、光学等参数观测。所述升降平台4的实现方式可以以本实验室之前申请并公开的申请号为201811475281.0的发明专利中的浮标平台为 例;所述升降平台4能实现在上阻尼块3与下阻尼块5之间的包塑钢缆2 上进行自主往复运动,配合升降平台4搭载的多参数传感器,实现对涡旋 剖面的多参数观测。在上述技术方案基础上,所述水帆9设置为圆筒形结 构且外侧壁上开设有多个通孔91。更优选的,所述水帆9的材质选用尼龙 制成。
具体地,包塑钢缆2是升降平台4上下运动时的骑行通道,之所以包 塑处理,一方面可保证与升降平台内的单向装置耦合得更紧密,另一方面 提供水下感应耦合模块的数据传输通道;系缆7一端连接张紧锤6的底端, 另一端通过伸缩缆8与水帆9连接,所述系缆7的长度等于水帆9部署深 度与升降平台4观测深度的差。伸缩缆8主要用于缓冲海表浮球1在波浪 作用下起伏对水帆9在垂向上的拉伸影响,一方面保持水帆9所在深度, 同时不影响海表浮球1的正常起伏,以保证波浪能的传递效率,进而使升 降平台4沿包塑钢缆2上下高效运动。伸缩缆8长度较短,可忽略不计, 更优选的,所述伸缩缆8选用橡胶管或弹簧。
涡旋随涡性分析及现场观测:
(1)选取涡旋并根据涡-流一致性规律,分析系统的随涡性能:
现对随机选取的涡旋进行随涡性分析,该涡旋为北太平洋的一条中长 寿涡,该涡旋于2014年1月5日产生,向西运动,到2014年7月18日消 亡,寿命226天,如图4a所示。在涡旋所在背景流场的240米深度左右, 流向与涡向一致性的最大概率为87%,如图4b所示;相应地表层Drifter 所在的15m深度处的流向与涡向一致性的最大概率仅有50%。在涡旋所在背 景流场的270米深度左右,流速与涡速一致性的最大概率约为53%,如图4c所示;相应地表层Drifter所在的15米深度处的概率只有35%。另外, 从图4d可知,背景流场的流速沿垂向向下急剧减小,所以在流速-涡速具 有最大概率一致性的深度即270米以浅深度一致性概率较低35~53%的原因 主要是流速大于涡速。
为定量分析,我们选择240米附近作为最佳部署深度。首先,从涡向- 流向的一致性角度考虑,该深度的方向一致性概率即87%是表层15米处的 概率即50%的1.74倍;其次,再从涡速-流速的一致性角度考虑,240米深 度的速度一致性概率约为50%是表层15米处速度一致性概率约为35%的 1.43倍。因此,综上所述,相比于现有的表层Drifter,随涡观测系统对 该涡旋的跟踪时间(概率)将提高至2.5倍。
(2)设计水帆的具体尺寸:
当选定待测涡旋后,根据事先建立的针对涡旋运动特性和区域背景流 场特征的涡-流一致性规律,选择涡向与流向具有最大概率一致性的深度作 为随涡观测系统水帆的部署深度,再根据背景流场中该深度处的流速、观 测系统迎流面积、待测涡旋涡速等参数计算水帆尺寸。
具体过程为:假设涡旋速度为V涡,涡向与流向具有最大概率一致性的 深度处的流速为V流,海表浮球、包塑钢缆、张紧锤、系缆以及升降平台的 迎流面积分别为S球、S包塑、S锤、S系缆、S升,总且为已知量。为准确计算除水 帆外的其它部分受到海流的影响,需要对水帆以上的三维背景流场进行分 析。
首先,对该深度内的流场分别进行流速和流向插值,得到第i米深度 处的分层流场 以涡旋运动方向为x轴正方向。然后, 求解除水帆外的其它部件在剖面分层内的迎流面积分布;其中,海表浮球、 包塑钢缆、张紧锤、系缆、伸缩缆在水下单位长度的迎流面积分别为s球、 s包塑、s锤、s系缆,由于伸缩缆较短,其单位长度迎流面积与系缆一起考虑, 可根据各部件长度及总面积求解出。因升降平台沿包塑钢缆上下运动,为 进一步细化其在不同深度处的迎流影响,考虑到升降平台沿缆剖面运动特 点即稳定快速、循环运动,剖面周期短等,我们可将升降平台的迎流影响 均匀地分摊在其剖面深度内,即将升降平台的总迎流面积S升,总均分在其剖 面深度H3-H4内,得到在该剖面深度内升降平台的迎流面积为S升,总/ (H4-H3)。最后,H1至H7剖面深度内的除水帆外的其它部分在涡旋运动 方向的总迎流影响可通过各部分迎流面积乘以各深度处流速沿涡向分量, 积分得到即A余,总;需要说明的是,这里之所以不考虑垂直分量,是由于背 景流场和涡旋运动总体方向是水平一致的,垂直方向可忽略不计;
则H1至H7深度内的系统看作一个整体的话,其总迎流面积为海表浮 球水下部分、包塑钢缆、升降平台、张紧锤、系缆以及伸缩缆总面积之和, 即S余,总=(S球+S包塑+S升,总+S锤+S系缆),则折合的沿涡旋运动方向速度为Vx,余 =A余,总/S余,总;由于随涡观测系统设计的最终运动速度与涡速一致,即来自 水帆的动力等于随涡系统中除水帆外其他部件的阻力;
水帆动力值为:F帆,动=(1/2)*C*ρ海水*S帆*(V流-V涡)2,
随涡系统中除水帆外其他部件的阻力值为:
F其它,阻=(1/2)*C*ρ海水*(S球+S包塑+S升降+S锤+S系缆)*(V涡-Vx,余)2,
二者相等即计算得到水帆的设计尺寸为:
S帆=(S球+S包塑+S升降+S锤+S系缆)*(V涡-Vx,余)2/(V流-V涡)2
从上式可知,水帆的尺寸至少取决于海表浮球、包塑钢缆、升降平台、 张紧锤、系缆以及伸缩缆的总迎流面积,涡速以及背景流速。
(3)随涡观测系统的投放使用:
选定待观测区域和候选涡旋,根据已建立的针对不同海域、不同涡旋 类别的随涡观测系统模型,确定水帆部署深度和具体尺寸。然后,在卫星 高度计对候选涡旋识别预报与实时指导下,将搭载有生地化多参数传感器 的随涡观测系统布放在待测涡旋的涡心处,开始现场随涡观测。
以上内容描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点,对于本 领域技术人员而言,显然本发明不限于上述示范性实施例的细节,而且在 不背离本发明的精神或基本特征的情况下,能够以其他的具体形式实现本 发明。因此,无论从哪一点来看,均应将实施例看作是示范性的,而且是 非限制性的,本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定,因此旨 在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外,应当理解,虽然本说明书按照实施方式加以描述,但并非每个 实施方式仅包含一个独立的技术方案,说明书的这种叙述方式仅仅是为清 楚起见,本领域技术人员应当将说明书作为一个整体,各实施例中的技术 方案也可以经适当组合,形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (6)
1.一种海洋用长时间随涡观测系统的设计方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一:数据集收集;以中国海洋大学海洋信息技术实验室提供的全球涡旋识别与追踪数据集和全球监测与预报中心CMEMS提供的全球海洋三维垂直分层流场再分析数据集GLORYS2V4为来源,共同作为统计分析的数据基础;
步骤二:涡-流一致性分析与规律统计;基于步骤一中获取的涡旋数据集和三维流场数据集,开展同一时空下的不同深度处背景流场大小、方向与涡速、涡向的一致性概率统计分析,得到特定海域、不同特征涡旋的涡向-流向最大概率一致性的深度h1和涡速-流速最大概率一致性的深度h2;
步骤三:随涡观测系统中水帆部署深度确定;将步骤二中得到的涡向-流向最大概率一致性出现的深度h1作为水帆的最佳部署深度;
步骤四:水帆具体尺寸计算与设计;基于随涡观测系统与涡旋同步运动的原则,将水帆作为随涡观测系统的动力源、除水帆以外的其它部件作为阻力源,针对目标海域的待测涡旋,根据步骤二得到的该区域涡-流一致性规律,对随涡观测系统的各部件受力情况分析,建立随涡观测系统整体的动力学方程,计算得到在不同海域、不同涡旋类型、实现长时间跟涡观测的水帆设计尺寸。
2.根据权利要求1所述的一种海洋用长时间随涡观测系统的设计方法,其特征在于,所述步骤四中除水帆以外其它部件作为阻力源的阻力值计算方法包括:
S2,除水帆外的其它部件总迎流影响计算;除水帆外其它部件单位长度迎流面积分别乘以各自所在深度处流速沿涡向分量大小,积分得到其它部件在整个剖面流场内的总迎流影响,即A余,总:
其中,s球、s包塑、s锤、s系缆、s升,总分别为海表浮球、包塑钢缆、张紧锤、系缆以及升降平台的单部件水下单位长度的迎流面积,H1-H2为海表平面至海表浮球底端的剖面深度,H2-H3为海表浮球底端至上阻尼块的剖面深度,H3-H4为上阻尼块至下阻尼块的剖面深度,H4-H5为下阻尼块至张紧锤顶端的剖面深度,H5-H6为张紧锤的剖面深度,H6-H7为张紧锤底端至水帆顶端的剖面深度;
S3,除水帆外的其它部件运动速度计算;将除水帆外其它部件作为一个整体,将总迎流影响A余,总除以总迎流面积S余,总=(S球+S包塑+S升,总+S锤+S系缆),即得到其它部件沿涡旋运动方向的整体速度大小Vx,余=A余/S余,总;其中,S球、S 包塑、S锤、S系缆、S升,总分别为海表浮球、包塑钢缆、张紧锤、系缆以及升降平台的单部件的总迎流面积;
S4,除水帆外的其它部件的阻力计算;由于其它部件在水帆带动下,最终实现与涡旋一致的运动速度V涡,则相对于水帆,其它部件所受阻力大小为F 其它,阻=(1/2)*C*ρ海水*(S球+S包塑+S升,总+S锤+S系缆)*(V涡-Vx,余)2;其中,V涡为涡旋速度大小,C为海水阻力常数,ρ海水为海水密度。
3.根据权利要求2所述的一种海洋用长时间随涡观测系统的设计方法,其特征在于,所述步骤四中水帆作为随涡观测系统的动力源的动力值为:
F帆,动=(1/2)*C*ρ海水*S帆*(V流-V涡)2;
根据随涡观测系统的最终运动速度与涡速一致的原则,即阻力源的阻力值F其它,阻与动力源的动力值F帆,动一致,两者相等则计算得到水帆的具体尺寸为:
S帆=(S球+S包塑+S升降+S锤+S系缆)*(V涡-Vx,余)2/(V流-V涡)2;其中,V流为流向与涡向具有最大概率一致性的深度处的流速。
4.一种根据权利要求1-3任一项所述的设计方法得到的海洋用长时间随涡观测系统,其特征在于,包括从海洋表面向下依次设置有海表浮球(1)、包塑钢缆(2)、上阻尼块(3)、升降平台(4)、下阻尼块(5)、张紧锤(6)、系缆(7)、伸缩缆(8)以及水帆(9),所述海表浮球(1)漂浮在海洋表面,所述包塑钢缆(2)一端与海表浮球(1)固定连接,另一端与张紧锤(6)固定连接,所述上阻尼块(3)固定设置在包塑钢缆(2)上,所述升降平台(4)与包塑钢缆(2)单向耦合连接,所述下阻尼块(5)固定设置在包塑钢缆(2)上且位于升降平台(4)的下方,所述张紧锤(6)设置在下阻尼块(5)的下方,所述水帆(9)通过系缆(7)以及伸缩缆(8)连接在张紧锤(6)的下方。
5.根据权利要求4所述的一种海洋用长时间随涡观测系统,其特征在于,所述升降平台(4)上搭载有多参数传感器,用于涡旋剖面的物理、化学、生物、光学等参数观测。
6.根据权利要求4所述的一种海洋用长时间随涡观测系统,其特征在于,所述水帆(9)设置为圆筒形结构且外侧壁上开设有多个通孔(91)。
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114299377A (zh) * | 2021-12-31 | 2022-04-08 | 中山大学 | 一种基于宽度学习的涡旋识别方法及装置 |
WO2022222900A1 (zh) * | 2021-04-20 | 2022-10-27 | 中国海洋大学 | 一种海洋用长时间随涡观测系统及设计方法 |
CN115291615A (zh) * | 2022-10-10 | 2022-11-04 | 中国海洋大学 | 一种自适应追涡观测系统及其控制方法、装置 |
Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN115964546B (zh) * | 2023-01-06 | 2023-05-30 | 中国海洋大学 | 一种基于边绑定的涡旋迁移通道提取及可视化方法 |
CN115789476B (zh) * | 2023-01-18 | 2023-04-25 | 黄河水利委员会济南勘测局 | 水文测深仪多功能安装支架 |
CN116597085B (zh) * | 2023-05-18 | 2023-12-12 | 中山大学 | 一种三维流场重构方法、系统、电子设备及存储介质 |
CN116609030B (zh) * | 2023-07-20 | 2023-11-03 | 自然资源部第一海洋研究所 | 一种波浪驱动式剖面运动平台的实验系统及方法 |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20110007946U (ko) * | 2010-02-04 | 2011-08-10 | (주)미래해양 | 수심 측정 장치 |
CN107655460A (zh) * | 2017-08-07 | 2018-02-02 | 熊学军 | 水下滑翔机的中尺度涡观测方法 |
CN109084736A (zh) * | 2018-06-19 | 2018-12-25 | 中国科学院南海海洋研究所 | 一种海洋流速断面观测系统及观测方法 |
CN109725053A (zh) * | 2019-01-22 | 2019-05-07 | 中国人民解放军国防科技大学 | 基于高分辨率海洋再分析产品获取水声场特性数据的方法 |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007308078A (ja) * | 2006-05-22 | 2007-11-29 | Nec Corp | 海洋観測システム、自己浮上型海洋観測装置および発射装置 |
CN109572936B (zh) * | 2018-12-04 | 2023-09-12 | 中国海洋大学 | 一种多功能波浪能剖面浮标系统 |
CN109878638A (zh) * | 2019-03-26 | 2019-06-14 | 中国海洋大学 | 一种应用于海洋涡旋三维剖面结构现场观测的浮标系统 |
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Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20110007946U (ko) * | 2010-02-04 | 2011-08-10 | (주)미래해양 | 수심 측정 장치 |
CN107655460A (zh) * | 2017-08-07 | 2018-02-02 | 熊学军 | 水下滑翔机的中尺度涡观测方法 |
CN109084736A (zh) * | 2018-06-19 | 2018-12-25 | 中国科学院南海海洋研究所 | 一种海洋流速断面观测系统及观测方法 |
CN109725053A (zh) * | 2019-01-22 | 2019-05-07 | 中国人民解放军国防科技大学 | 基于高分辨率海洋再分析产品获取水声场特性数据的方法 |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
薛宇欢等: "《船载涡动相关观测系统及其有效性研究》", 《中国海洋大学学报》 * |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2022222900A1 (zh) * | 2021-04-20 | 2022-10-27 | 中国海洋大学 | 一种海洋用长时间随涡观测系统及设计方法 |
CN114299377A (zh) * | 2021-12-31 | 2022-04-08 | 中山大学 | 一种基于宽度学习的涡旋识别方法及装置 |
CN114299377B (zh) * | 2021-12-31 | 2024-03-22 | 中山大学 | 一种基于宽度学习的涡旋识别方法及装置 |
CN115291615A (zh) * | 2022-10-10 | 2022-11-04 | 中国海洋大学 | 一种自适应追涡观测系统及其控制方法、装置 |
CN115291615B (zh) * | 2022-10-10 | 2023-02-28 | 中国海洋大学 | 一种自适应追涡观测系统及其控制方法、装置 |
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