CN1299124C

CN1299124C - 海洋表层流场的获取方法

Info

Publication number: CN1299124C
Application number: CNB200410036470XA
Authority: CN
Inventors: 韩树宗; 兰健; 宗海波
Original assignee: Ocean University of China
Current assignee: Ocean University of China
Priority date: 2004-12-09
Filing date: 2004-12-09
Publication date: 2007-02-07
Anticipated expiration: 2024-12-09
Also published as: CN1619335A

Abstract

本发明涉及一种海洋表层流场的获取方法。将海态监测分析雷达单站采集的海区表层径向流速U1和以POM海洋模式获取的该海区表层径向流速U2求差E1，并以E1构造人工趋势项；再将POM模式中的三维海流动力学控制方程与生成的人工趋势项合成构建成Nudging技术下的海流动力学方程；并以此获取该海区表层流场及表层径向流速U3；且以U1，U3的差值E2并考虑误差，最后的到最优流场。由此构筑的本发明可以获取精度高的海洋表层流场，为天气预报，海浪预报等提供风场，流场以及海浪等资料。

Description

海洋表层流场的获取方法

技术领域

本发明涉及一种海洋表层流场的获取方法。

背景技术

自1955年Crombie第一次用13.56MHz的高频表面波雷达进行海面散射实验，并正确解释了海洋雷达回波的Bragg散射机制以来，世界上许多国家广泛开展了利用高频地波雷达探测海洋表层流、表面动力要素(诸如海浪，表面风等)的理论和实验研究。由于高频地波雷达较之天波雷达、卫星遥感等所表现出的造价低、测量精度高和全天候工作等优点，高频地波雷达遥感海洋环境技术得到了迅速发展。但是，为了保证海洋表面动力要素的测量精度，目前采用高频地波雷达在测量海洋表层流时，大多采用双站异地同步测量方式得到海洋表层流场。

但是，双站异地同步测量选址难度大，而且费用昂贵，利用单站高频地波雷达来获取海洋表层流场，能大大降低成本，减少投入，提高观测效率。另外，现有的利用高频地波雷达单站获取海洋表层流的方法大多数是在基于运动学方法，在获取其径向流速的基础上，利用数学方法进行径向流速的合成，从而得到海洋表层流场，其得到的表层海流的精度和分辨率都比较低，因而在实际应用中，其得到的海洋表层流场对于海洋表面动力要素的获取没有实用价值。

已有的Nudging技术是一种基于动力松弛方法的数据同化技术。自1974年Robert Kistler将Nudging技术应用在薄层流体模式中以来，Nudging技术在海洋模式中得以广泛应用，被证明是一种有效的数据同化技术。

发明内容

本发明的目的是克服已有技术的不足，提供一种获取高精度的海洋表层流场的方法。

本发明以已设置的高频地波雷达单站测得的径向流速数据为原始资料，再利用当今公认的Nudging同化技术。其具体方法：

用海态监测分析雷达单站采集的选定海区表层径向流速U1和以Princeton海洋模式获取的该海区表层径向流速U2求差E1；并以E1构造人工趋势项，即在Nudging技术中人工趋势项的一般形式中代入E1构造人工趋势项；将POM模式中的三维海流动力学控制方程与生成的人工趋势项相加构建成Nudging技术下的海流动力学方程；并以此获取该海区表层流场，进而获取该海区表层径向流速U3；再求取U1，U3的差，即为E2；最后判断E2是否小于一个设定值，如果小于设定值，得到最优流场，如果大于等于设定值，则用E2代替E1进行迭代运算直至得到最优流场。

附图说明

图1为本发明的总体流程图

具体实施方式

该方法的详细步骤如下：

(1)利用型号为OSMAR2000的海态监测分析雷达地面单站采集选定海区表层径向流速U1；

(2)Princeton海洋模式(Princeton Ocean Model，简称POM模式)是由美国Princeton大学提出的一种三维海洋动力学模型，现已被公认和广泛应用。根据选定海区开边界处的M2，S2，K1，O1四个分潮的调和常数求取开边界处的水位，作为POM模式的开边界控制条件获取该海区表层径向流速U2；

(3)求取U1，U2的差，即为E1；

(4)构造人工趋势项：构造人工趋势项是为了将采集的流速U1应用到POM模式中，使POM模式获取的海区表层流场趋近于真实流场。求取Nudging技术中的人工趋势项是以公式

G_{U} \cdot Σ_{i}^{N} w_{i} \cdot ({U 1}_{i} - {U 2}_{i})

代入上述的雷达采集的流速U1，模式获取的流速U2，构造出的人工趋势项为：

G_{U} \cdot Σ_{i}^{N} w_{i} \cdot {E 1}_{i} - - - < I >;

其中G_U是Nudging因子，用来反映人工趋势项相对于POM模式中物理强迫项的重要性，w_i是分析权重。

(5)在POM模式中三维海流动力学方程

\frac{&PartialD; U}{&PartialD; t} = F (U, \overset{&RightArrow;}{X}, t) - - - < II >

的右边加上方程<I>，构成Nudging技术下的海流动力学方程：

\frac{&PartialD; U}{&PartialD; t} = F (U, \overset{&RightArrow;}{X}, t) + G_{U} \cdot Σ_{i}^{N} w_{i} \cdot {E 1}_{i} - - - < III >

其中U代表流场，

代表方程中各物理强迫项。

人工趋势项作为驱动项并通过步骤(8)所述的迭代运算，使模式获取的该海区表层流场趋近真实流场；

(6)利用方程<III>，并考虑到上述的海区开边界处的M2，S2，K1，O1四个分潮的调和常数求取开边界处的水位作为方程<III>的开边界条件，获取该海区表层流场，进而获取该海区表层径向流速U3；

(7)求取U1，U3的差，即为E2；

(8)根据要求的精度，设定U3允许的误差值即为e，e一般取0.01～0.0001，作为输出最优流场的判断依据。判断E2是否小于e，如果小于e，以步骤(6)获取的流场作为该海区的最优流场，如果大于等于e，则用E2代替E1进行迭代运算直至得到最优流场。

由此构筑的本发明可以获取精度高的海洋表层流场，进而可用来获取达到实用要求的海洋表面动力要素，为天气预报，海浪预报等提供风场，流场以及海浪等资料。

Claims

1一种海洋表层流场的获取方法，其特征是将海态监测分析雷达单站采集的海区表层径向流速U1和以POM海洋模式获取的该海区表层径向流速U2求差E1，并以此构造人工趋势项，再将POM模式中的三维海流动力学控制方程与生成的人工趋势项合成以构建成Nudging技术下的海流动力学方程，并以该方程获取海区表层流场和表层径向流速U3，再以U1，U3的差E2与设定的误差值比较，如果E2小于设定的误差值，即得到最优流场，如果E2大于或等于设定的误差值，则用E2代替E1进行迭代运算直至得到最优流场。

2如权利要求1所述的一种海洋表层流场的获取方法，其特征是所述的构造人工趋势项是以公式

C_{U} \cdot Σ_{i}^{N} w_{i} \cdot ({U 1}_{i} - {U 2}_{i})

代入雷达采集的流速U1，模式获取的流速U2

其中G_U是Nudging因子，w_i是分析权重，构造出的人工趋势项为：

G_{U} \cdot {Σ w_{i}}_{i}^{N} \cdot {E 1}_{i} - - - < I >

式中E1是海态监测分析雷达单站采集的海区表层径向流速U1和以POM海洋模式获取的该海区表层径向流速U2的差。

3如权利要求1所述的一种海洋表层流场的获取方法，其特征是上述的构建Nudging技术下的海流动力学方程是在POM模式中三维海流动力学方程

\frac{&PartialD; U}{&PartialD; t} = F (U, \overset{&RightArrow;}{X}, t) - - - < II >

的右边加上方程<I>，构成Nudging技术下的海流动力学方程：

\frac{&PartialD; U}{&PartialD; t} = F (U, \overset{&RightArrow;}{X}, t) + G_{U} \cdot Σ_{i}^{N} w_{i} \cdot {E 1}_{i} - - - < III >

其中U代表流场，

代表方程中各物理强迫项，G_U是Nudging因子，用来反映人工趋势项相对于POM模式中物理强迫项的重要性，参数w_i是分析权重，t是时间，是空间矢量。