CN116244935A - 一种海底压力场构建、应用方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种海底压力场构建、应用方法和系统，涉及海洋数据处理技术领域。方法包括：对海洋区域进行网格划分后，采用迭代法确定每一网格点的第一密度，基于第一密度和每层海水密度的平均值确定每一网格点的第二密度，采用迭代法基于第二密度确定斜压海底压力，确定海洋区域的正压海底压力，基于斜压海底压力和正压海底压力构建海底压力场。本发明基于可靠的物理法则，充分利用现有观测信息，具备普适性，能够为质量守恒类数值模式开展数值预报提供可靠的海底压力初值，提升该类数值模式的业务预报准确度。

Description

一种海底压力场构建、应用方法和系统
技术领域
本发明涉及海洋数据处理技术领域，特别是涉及一种海底压力场构建、应用方法和系统。
背景技术
海洋数值模式初始化为海洋数值预报业务运行提供起报时刻的计算初值，该计算初值的准确度和动力协调度对数值预报的整体准确度影响巨大。目前海洋数值预报初始化一般需要准确的温度场、盐度场、流场、海表面动力高度场、海底压力场。前四个场都存在一定的卫星观测或现场观测数据，可以通过概率统计方法，结合海洋运动变化的物理规律，建立复杂的数据同化系统。将这些观测信息输入同化系统之后，可以输出新的预报初始场，或者对现有预报初始场的修正场。对于海底压力场，由于缺乏足够的观测数据用于同化，传统方法往往不设置海底压力场，依赖数值模式自身运转过程中调整或者用常数密度根据水柱厚度估算一个海底压力场。
现有数据同化系统适用于观测量丰富的初始化要素订正，对于可靠观测信息少的初始化要素，容易引起同化系统的工作异常，达不到提升初始场准确度的目的。海底压力观测稀少，准确度和时效性较差，现有同化系统对于此类数据信息的吸收利用普遍较差。
同化系统所采用的物理模型也决定了可同化要素的种类。现有海洋数据同化系统普遍采用体积守恒的物理模型，难以解决如海底压力等质量守恒模型特有要素的初始化问题。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种海底压力场构建、应用方法和系统。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种海底压力场构建方法，包括：
对海洋区域进行网格划分；
采用迭代法确定每一网格点的第一密度；
基于所述第一密度和每层海水密度的平均值确定每一网格点的第二密度；
采用迭代法基于所述第二密度确定斜压海底压力；
确定所述海洋区域的正压海底压力；
基于所述斜压海底压力和所述正压海底压力构建海底压力场。
可选地，所述第一密度为ρij：
ρij＝ρ(θij，Sij，Pij)；
式中，ρ(*)为密度函数，θij为第i层第j列海水的位温，Sij为第i层第j列海水的盐度，Pij为第i层第j列海水的压力，i＝1,2,...,8，j＝a,b,...,n。
可选地，所述第二密度为ρ′ij：
Figure BDA0004082122400000021
式中，
Figure BDA0004082122400000022
为第i层海水密度的平均值，ρij为第一密度。
可选地，所述斜压海底压力为Pbtbcl′j：
Figure BDA0004082122400000023
式中，
Figure BDA0004082122400000026
为第5层第j列的海水压力，/>
Figure BDA0004082122400000024
ρ′5j为第5层第j列海水的第二密度，g为重力加速度，δh5j为第5层海水的厚度，/>
Figure BDA0004082122400000025
为第4层第j列的海水压力。
可选地，第a列的所述海底压力场为Pbta：
Pbta＝Pbtbcli′a+Pbtbara
式中，Pbtbcli′a为第a列的斜压海底压力，Pbtbara为第a列的正压海底压力。
一种海底压力场应用方法，包括：
获取海洋数值模型；
采用上述方法构建海底压力场；
将所述海底压力场输入所述海洋数值模型，所述海洋数值模型结合三维的温度、盐度、流场和海洋运动规律的物理算法展开推演，得到未来海洋状态的预报数据。
一种海底压力场构建系统，包括：
网格划分模块，用于对海洋区域进行网格划分；
第一密度确定模块，用于采用迭代法确定每一网格点的第一密度；
第二密度确定模块，用于基于所述第一密度和每层海水密度的平均值确定每一网格点的第二密度；
斜压海底压力确定模块，用于采用迭代法基于所述第二密度确定斜压海底压力；
正压海底压力确定模块，用于确定所述海洋区域的正压海底压力；
海底压力场构建模块，用于基于所述斜压海底压力和所述正压海底压力构建海底压力场。
一种海底压力场应用系统，包括：
模型获取模块，用于获取海洋数值模型；
海底压力场构建模块，用于采用本发明提供的上述方法构建海底压力场；
预报数据生成模块，用于将所述海底压力场输入所述海洋数值模型，所述海洋数值模型结合三维的温度、盐度、流场和海洋运动规律的物理算法展开推演，得到未来海洋状态的预报数据。
一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机软件程序；所述计算机软件程序用于实施本发明提供的上述方法。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的海底压力场构建、应用方法和系统，从海洋质量变化的成因出发，建立使用现有观测重建海底压力场的方法，为质量守恒类数值模式提供了可靠的海底压力初值条件。其中，海底压力场构建方法基于可靠的物理法则，充分利用现有观测信息，具备普适性，能够为质量守恒类数值模式开展数值预报提供可靠的海底压力初值，提升该类数值模式的业务预报准确度，其既可用于全球海洋预报系统，也可用于区域海洋预报系统，还可作为业务化海洋数值预报初始化子系统的补充。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的海底压力场构建方法流程图；
图2为本发明实施例提供的海底压力计算示意图；
图3为本发明实施例提供的逐层压力和密度迭代计算流程图；
图4为本发明实施例提供的海底压力场构建及应用实施流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种海底压力场构建、应用方法和系统，可以为质量守恒类数值模式开展数值预报提供可靠的海底压力初值，提升该类数值模式的业务预报准确度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供的一种海底压力场构建方法，包括：
步骤100：对海洋区域进行网格划分。
步骤101：采用迭代法确定每一网格点的第一密度。第一密度为ρij：
ρij＝ρ(θij，Sij，Pij)。
式中，ρ(*)为密度函数，θij为第i层第j列海水的位温，Sij为第i层第j列海水的盐度，Pij为第i层第j列海水的压力，i＝1,2,...,8，j＝a,b,...,n。
步骤102：基于第一密度和每层海水密度的平均值确定每一网格点的第二密度。第二密度为ρ′ij：
Figure BDA0004082122400000051
式中，
Figure BDA0004082122400000052
为第i层海水密度的平均值，ρij为第一密度。
步骤103：采用迭代法基于第二密度确定斜压海底压力。斜压海底压力为Pbtbcl′j：
Figure BDA0004082122400000053
式中，
Figure BDA0004082122400000054
为第5层第j列的海水压力，/>
Figure BDA0004082122400000055
ρ′5j为第5层第j列海水的第二密度，g为重力加速度，δh5j为第5层海水的厚度，/>
Figure BDA0004082122400000056
为第4层第j列的海水压力。
步骤104：确定海洋区域的正压海底压力。
步骤105：基于斜压海底压力和正压海底压力构建海底压力场。其中，第a列的海底压力场为Pbta：
Pbta＝Pbtbcli′a+Pbtbara
式中，Pbtbcli′a为第a列的斜压海底压力，Pbtbara为第a列的正压海底压力。
基于上述描述，本发明还提供了一种海底压力场应用方法，包括：
获取海洋数值模型。
采用上述方法构建海底压力场。
将海底压力场输入海洋数值模型，海洋数值模型结合三维的温度、盐度、流场和海洋运动规律的物理算法展开推演，得到未来海洋状态的预报数据。
下面以构建第a列的海底压力场以及海洋数值预报应用为例，对本发明上述提供的海底压力场构建及应用方法的具体实施过程进行说明。
该实施例的基本技术原理如下：
海洋数值预报需要完整的初始条件，包括三维的温度、盐度、流场和正压场。对于体积守恒模式，正压场表现为海表面高度。对于质量守恒模式，正压场表现为海底压力。由于海表面高度易于卫星观测，因此有大量的卫星携带高度计观测出了海表面高度信息，使体积守恒模式业务初始化相对容易。而海底压力不容易观测，导致质量守恒类数值模式业务初始化信息缺失。
针对这一问题，本发明利用海洋的静力平衡关系提出了一套构建质量守恒数值模式海底压力初值的方法(即上述的海底压力场构建方法)。
在海洋中，静力平衡关系占主导地位，因此利用这一关系可以较准确的构建海底压力。静力平衡关系一般式为：
P＝ρgh (1)
其中，P为海水压力，ρ为海水密度，g为重力加速度，h为海水厚度。已知每一点海水的温盐状态值，便可以由海水状态方程估算出每一点的海水密度，为：
ρ＝ρ(θ，S，P) (2)
式中，θ为海水的位温，S为海水的盐度。
由上述基本原理出发，本实施例中海底压力场的构建及应用可分为以下步骤：第一步、用迭代法求取每个网格点准确密度。第二步、求取斜压压力异常，用压力相对异常值取代绝对压力。第三步、利用海表面观测求取正压压力。第四步、合并正压压力和斜压压力得到海底压力初始场。第五步、带入质量守恒数值模式开展预报计算。
第一步、用迭代法求取每个网格点准确密度。
以图2为例，计算由海表面开始，积分累加至海底。数值模式运算和初始化都以网格的形式展开，假定示例网格由垂直深度坐标为1、2、3…8和水平坐标网格a、b、c…n组成，深度坐标1为海表面，8为最深处网格，深海灰色网格表示海底固体地形。以网格1a为例，该网格中海水的位温、盐度、密度、压力θ1a，S1a，ρ1a，P1a都定义在网格中心位置，该网格底部的压力标记为
Figure BDA0004082122400000071
该网格的厚度δh1a和θ1a，S1a是已知的，ρ1a，P1a，/>
Figure BDA0004082122400000072
是未知的，需要用迭代法求解。首先依据经验假定ρ1a＝ρ0＝1027kg/m3，可按如图3所示顺序计算准确得到ρ1a，P1a，
Figure BDA0004082122400000073
每一层都按此法迭代，直至ρ1a变化小于千分之一为止，此使可认为P1a是准确压力，ρ1a是该层的准确密度(即第一层第a列的第一密度)。迭代计算过程中
Figure BDA0004082122400000074
为上一层网格底部压力，计算P2a时取/>
Figure BDA0004082122400000075
可设为0。准确密度可用于下一步计算每一层海水的平均密度和每层任一格点海水相对于平均密度的密度异常。
第二步、求取斜压压力异常，用压力相对异常值取代绝对压力。
由于海底地形的存在，不同位置的海底压力差异巨大，深海海底压力远远大于浅海，直接将此海底压力应用于数值模式计算会引起计算不稳定。事实上，数值模式动力过程仅需要质量输运和密度变化引起的海底压力变化，而不需要海底压力包含的不变部分。因此，可将不变的部分扣除，减少地形变化引起的压力变化。
首先计算每层海水密度的平均值：
Figure BDA0004082122400000076
之后计算每个网格点的密度异常和网格底部压力异常：
Figure BDA0004082122400000077
Figure BDA0004082122400000078
式中，ρ′1a为第1层第a列网格的第二密度。
同样的，
Figure BDA0004082122400000079
可设为0，由上至下积分累加完成后，可得a列网格由温盐密度异常引起的斜压海底压力(即斜压海底压力异常)为：
Figure BDA0004082122400000081
第三步、利用海表面观测求取正压压力
除斜压海底压力异常外，正压部分的海底压力异常对质量守恒模式初始化也非常重要，该部分可直接由海表面高度计算得出：
Pbtbara＝ρ0gηa (6)
其中，η为海表面高度，Pbtbara为网格a列的正压海底压力。
第四步，综合得出模式可用的海底压力初始场为：
Pbta＝Pbtbcli′a+Pbtbara (7)
依同样方法可得b、c、d…n列的海底压力初始场Pbt。
第五步，将海底压力场输入数值模式中，数值模式会结合三维的温度、盐度、流场和海洋运动规律的物理算法展开推演，最终得到未来海洋状态的预报数据。
该实施例的整体实施流程如图4所示。
此外，本发明还提供了一种海底压力场构建系统，包括：
网格划分模块，用于对海洋区域进行网格划分。
第一密度确定模块，用于采用迭代法确定每一网格点的第一密度。
第二密度确定模块，用于基于第一密度和每层海水密度的平均值确定每一网格点的第二密度。
斜压海底压力确定模块，用于采用迭代法基于第二密度确定斜压海底压力。
正压海底压力确定模块，用于确定海洋区域的正压海底压力。
海底压力场构建模块，用于基于斜压海底压力和正压海底压力构建海底压力场。
一种海底压力场应用系统，包括：
模型获取模块，用于获取海洋数值模型。
海底压力场构建模块，用于采用本发明提供的上述方法构建海底压力场。
预报数据生成模块，用于将海底压力场输入海洋数值模型，海洋数值模型结合三维的温度、盐度、流场和海洋运动规律的物理算法展开推演，得到未来海洋状态的预报数据。
一种计算机可读存储介质，其特征在于，计算机可读存储介质存储有计算机软件程序。计算机软件程序用于实施本发明提供的上述方法。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器、随机存取存储器、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种海底压力场构建方法，其特征在于，包括：
对海洋区域进行网格划分；
采用迭代法确定每一网格点的第一密度；
基于所述第一密度和每层海水密度的平均值确定每一网格点的第二密度；
采用迭代法基于所述第二密度确定斜压海底压力；
确定所述海洋区域的正压海底压力；
基于所述斜压海底压力和所述正压海底压力构建海底压力场。
2.根据权利要求1所述的海底压力场构建方法，其特征在于，所述第一密度为ρij：
ρij＝ρ(θij，Sij，Pij)；
式中，ρ(*)为密度函数，θij为第i层第j列海水的位温，Sij为第i层第j列海水的盐度，Pij为第i层第j列海水的压力，i＝1,2,...,8，j＝a,b,...,n。
3.根据权利要求1所述的海底压力场构建方法，其特征在于，所述第二密度为ρ′ij：
Figure FDA0004082122390000011
式中，
Figure FDA0004082122390000012
为第i层海水密度的平均值，ρij为第一密度。
4.根据权利要求1所述的海底压力场构建方法，其特征在于，所述斜压海底压力为Pbtbcl′j：
Figure FDA0004082122390000013
式中，
Figure FDA0004082122390000014
为第5层第j列的海水压力，/>
Figure FDA0004082122390000015
ρ′5j为第5层第j列海水的第二密度，g为重力加速度，δh5j为第5层海水的厚度，/>
Figure FDA0004082122390000016
为第4层第j列的海水压力。
5.根据权利要求1所述的海底压力场构建方法，其特征在于，第a列的所述海底压力场为Pbta：
Pbta＝Pbtbcli′a+Pbtbara
式中，Pbtbcli′a为第a列的斜压海底压力，Pbtbara为第a列的正压海底压力。
6.一种海底压力场应用方法，其特征在于，包括：
获取海洋数值模型；
采用如权利要求1-5任意一项所述方法构建海底压力场；
将所述海底压力场输入所述海洋数值模型，所述海洋数值模型结合三维的温度、盐度、流场和海洋运动规律的物理算法展开推演，得到未来海洋状态的预报数据。
7.一种海底压力场构建系统，其特征在于，包括：
网格划分模块，用于对海洋区域进行网格划分；
第一密度确定模块，用于采用迭代法确定每一网格点的第一密度；
第二密度确定模块，用于基于所述第一密度和每层海水密度的平均值确定每一网格点的第二密度；
斜压海底压力确定模块，用于采用迭代法基于所述第二密度确定斜压海底压力；
正压海底压力确定模块，用于确定所述海洋区域的正压海底压力；
海底压力场构建模块，用于基于所述斜压海底压力和所述正压海底压力构建海底压力场。
8.一种海底压力场应用系统，其特征在于，包括：
模型获取模块，用于获取海洋数值模型；
海底压力场构建模块，用于采用如权利要求1-5任意一项所述方法构建海底压力场；
预报数据生成模块，用于将所述海底压力场输入所述海洋数值模型，所述海洋数值模型结合三维的温度、盐度、流场和海洋运动规律的物理算法展开推演，得到未来海洋状态的预报数据。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机软件程序；所述计算机软件程序用于实施如权利要求1-5任意一项所述的方法。
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