一种海洋次中尺度锋面调查方法-尊龙凯时官方app下载

文档序号:36405379发布日期:2023-12-16 11:31阅读:9来源:国知局
一种海洋次中尺度锋面调查方法

1.本发明涉及海洋调查技术领域,具体涉及一种海洋次中尺度锋面调查方法



背景技术:

2.高度计卫星观测表明,海洋中充满了漩涡状的“涡旋”。
这些涡旋的空间尺度在几十到几百千米之间,称为中尺度涡旋

高分辨率卫星观测和数值模拟表明,大洋中还广泛分布着比中尺度更小一个尺度的现象,称为次中尺度,通常表现为锋面

细丝以及涡旋等

如果将中尺度涡旋比喻成大气中的高

低压天气系统,那么次中尺度锋面可以比作与剧烈天气相关的冷

暖锋

海洋次中尺度锋面被认为是继中尺度涡之后物理海洋学研究的下一个重大突破口

海洋次中尺度锋面长度可达数百千米,但宽度仅有
1—10 km。
次中尺度锋面空间尺度小

时间变化快的特点,使得对其观测仍然是一个难题

卫星观测海表面高度和海表面温度是识别海洋中小尺度过程的有效手段

但前者只能识别中尺度涡;后者由于时间分辨率限制,只能识别次中尺度锋面的静态信息

传统的走航和大面站调查方法只适用于空间尺度大

时间尺度长的大尺度和中尺度现象,不适合海洋次中尺度锋面的观测

迄今为止,尚未能直接观测到海洋次中尺度锋面的完整三维结构



技术实现要素:

3.本发明要解决的技术问题:针对现有技术的上述问题,提供一种海洋次中尺度锋面调查方法

本发明海洋次中尺度锋面调查方法旨在解决对空间尺度小

时间变化快的海洋次中尺度锋面定位难

观测难的问题

4.为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案为:一种海洋次中尺度锋面调查方法,包括:
s101
,获取指定海域的海表面测高数据,根据海表面测高数据绘制等高线和流场图,基于等高线和流场图识别出中尺度涡;
s102
,获取指定海域的海表面温度数据,根据海表面温度数据绘制海表面温度及其梯度图,在识别出中尺度涡的基础上识别出次中尺度锋面;
s103
,针对指定的次中尺度锋面,通过投放中性漂流浮标进行次中尺度锋面追踪,并对次中尺度锋面进行水文调查

大气波导调查和声学调查中的至少一种调查

5.可选地,步骤
s101
中基于等高线和流场图识别出中尺度涡包括:
s201
,在等高线和流场图中通过一个指定大小的移动窗口来寻找海表面高度的最大值和最小值,以此来判断确定涡旋中心;
s202
,针对每一个涡旋中心,从涡旋中心向外递增
/
递减指定的海表面高度值绘制闭合等值线,且最外围的闭合等值线与涡旋中心之间的海表面高度值之差大于设定值;
s203
,针对每一个涡旋中心,根据水体旋转的类型确定涡旋的类型,在北半球,若水体旋转为气旋式则判定涡旋的类型为冷涡,若水体旋转为反气旋式则判定涡旋的类型为暖涡;在南半球,若水体旋转为反气旋式则判定涡旋的类型为冷涡,若水体旋转为气旋式则
判定涡旋的类型为暖涡;
s204
,针对冷涡和暖涡的大小进行筛选,从而得到筛选出的中尺度涡

6.可选地,步骤
s204
中针对冷涡和暖涡的大小进行筛选是指保留大小在
10-100 km
量级的冷涡和暖涡

7.可选地,步骤
s102
中根据海表面温度数据绘制海表面温度及其梯度图时,海表面温度的梯度的计算函数表达式为:,上式中,表示海表面温度
sst
的梯度,和分别为纬向和径向矢量

8.可选地,步骤
s102
中在识别出的中尺度涡基础上识别出次中尺度锋面,包括:首先将海表面温度的梯度大于设定值包围区域视为锋面,在每条经线上最大的海表面温度的梯度所在的位置视为锋面的主轴位置,对应的水平海表面温度梯度大小为锋面的主轴强度,从而确定所有的锋面;然后在识别出的中尺度涡的基础上,将中尺度涡边缘的锋面作为识别出的次中尺度锋面

9.可选地,步骤
s103
中通过投放中性漂流浮标以进行次中尺度锋面追踪时,包括在次中尺度锋面的主轴位置的起始位置投放一个定深在指定深度的中性漂流浮标,使得中性漂流浮标在次中尺度锋面流场的作用下沿着次中尺度锋面的主轴向下游移动,并通过声学手段对中性漂流浮标进行定位以追踪次中尺度锋面的主轴位置

10.可选地,步骤
s103
中进行水文调查包括:沿着中性漂流浮标的运行轨迹,利用调查船和船载拖曳设备
mvp
以锯齿状形式绕次中尺度锋面的主轴进行走航观测,每次调查船与锋面主轴交汇时即投放或回收船载拖曳设备
mvp
以获取被调查次中尺度锋面的剖面数据,所述剖面数据包括海水温度

盐度和声速,同时利用调查船上的船载声学多普勒流速剖面仪
adcp
获取被调查次中尺度锋面的流速和流向数据

11.可选地,步骤
s103
中进行大气波导调查包括:在所述利用调查船和船载拖曳设备
mvp
以锯齿状形式绕次中尺度锋面的主轴进行走航观测时,按照指定的时间间隔投放探空火箭以获取海面上空的气象要素垂直廓线数据

12.可选地,所述气象要素垂直廓线数据包括温度

湿度

气压

风向和风速

13.可选地,步骤
s103
中进行声学调查包括:在所述利用调查船和船载拖曳设备
mvp
以锯齿状形式绕次中尺度锋面的主轴进行走航观测时,首先在次中尺度锋面上投放1套声学潜标,所述声学潜标按照上层密集下层稀疏的规则布放自容式水听器
usr
,用于采集和存储爆炸声源和声学发射潜标发射的声波;然后按照预设的距离投放定深爆炸声源,且投放定深爆炸声源时轮流投放两种不同定深的定深爆炸声源,以用于获取海洋环境变化对声起伏的影响

14.和现有技术相比,本发明主要具有下述优点:结合中尺度分辨的海表面高度数据和次中尺度分辨的甚高分辨率海表面温度观测数据识别出中尺度涡边缘的次中尺度锋面,解决了次中尺度锋面定位难问题;利用中性漂流浮标对次中尺度锋面进行跟踪,解决了次中尺度锋面跟踪难问题;利用船载拖曳
mvp
设备以锯齿状航线进行采样,解决了次中尺度锋面三维结构观测难问题

本发明海洋次中尺度锋面调查方法能够有效解决对空间尺度小

时间变化快的海洋次中尺度锋面的定位难

观测难的问题

附图说明
15.图1为本发明实施例方法的基本流程示意图

16.图2为本发明实施例中绘制的等高线和流场图

17.图3为本发明实施例中绘制的海表面温度图

18.图4为本发明实施例中绘制的海表面温度的梯度图

19.图5为本发明实施例中一条典型的次中尺度锋面

20.图6为本发明实施例中叠加海表面地转流后的次中尺度锋面

21.图7为本发明实施例中锯齿状形式的走航调查路线

22.图8为本发明实施例中的声学测线及声学潜标示意图

23.图9为本发明实施例中的声学调查站位示意图

具体实施方式
24.如图1所示,本实施例海洋次中尺度锋面调查方法包括:
s101
,获取指定海域的海表面测高数据,根据海表面测高数据绘制等高线和流场图,基于等高线和流场图识别出中尺度涡;
s102
,获取指定海域的海表面温度数据,根据海表面温度数据绘制海表面温度及其梯度图,在识别出中尺度涡的基础上识别出次中尺度锋面;
s103
,针对指定的次中尺度锋面,通过投放中性漂流浮标进行次中尺度锋面追踪,并对次中尺度锋面进行水文调查

大气波导调查和声学调查中的至少一种调查

25.参见图1可知,本实施例海洋次中尺度锋面调查方法中的次中尺度锋面现象识别又分为两个步骤:中尺度涡旋和次中尺度锋面,分别使用不同的卫星观测资料进行识别

26.本实施例中,步骤
s101
中获取指定海域的海表面测高数据,根据海表面测高数据绘制等高线和流场图时,利用哥白尼海洋环境监测中心(
copernicus marine environment monitoring service

cmems
)发布的近实时(
near-real-time

nrt
)逐日海表面高度数据

该数据融合了多源卫星高度计资料,包括
topex/poseidon、jason-1

ers/envisat

european remote sensing satellite/ environmental satellite
)等,水平分辨率为(
1/4

°×

1/4

°
,时间分辨率为逐日,使用的要素包括海表面高度异常和地转速度异常

利用上述步骤获取的卫星测高数据,绘制海表面高度异常,并叠加地转流


2023
年5月3日黑潮延伸体为例,从图2可以看出,该海域分布着多个闭合的正
/
负海表面高度闭合等值线,伴随着反气旋和气旋式环流

图2中,黑潮主轴位于
35
°n附近,是黑潮流速最大的流速带,也是黑潮的核心部分

反气旋式涡旋为暖涡,气旋式涡旋为冷涡

图2中,横坐标为经度(e为东经),纵坐标为纬度(n为北纬)

单位:
m。
27.步骤
s101
中基于等高线和流场图利用闭合等值线法识别出中尺度涡

闭合等值线法识别中尺度涡的基本原理是反气旋
/
气旋涡旋伴随的辐聚
/
辐散导致海表面高度异常升高
/
降低,出现局部高值
/
低值中心

本实施例步骤
s101
中基于等高线和流场图识别出中尺度涡包括:
s201
,在等高线和流场图中通过一个指定大小的移动窗口(如5°×5°
)来寻找海表
面高度的最大值和最小值,以此来判断确定涡旋中心;
s202
,针对每一个涡旋中心,从涡旋中心向外递增
/
递减指定的海表面高度值绘制闭合等值线,且最外围的闭合等值线与涡旋中心之间的海表面高度值之差大于设定值(如
3cm
);
s203
,针对每一个涡旋中心,根据水体旋转的类型确定涡旋的类型,在北半球,若水体旋转为气旋式则判定涡旋的类型为冷涡,若水体旋转为反气旋式则判定涡旋的类型为暖涡;在南半球,若水体旋转为反气旋式则判定涡旋的类型为冷涡,若水体旋转为气旋式则判定涡旋的类型为暖涡;
s204
,针对冷涡和暖涡的大小进行筛选,从而得到筛选出的中尺度涡

28.其中,步骤
s204
中针对冷涡和暖涡的大小进行筛选是指保留大小在
10-100 km
量级的冷涡和暖涡

在北半球通常表现出顺时针和逆时针旋转,分别称之为反气旋涡旋和气旋涡旋

根据上述涡旋识别方法,可从图2可以看出,黑潮延伸体海域广泛分布着中尺度冷涡和暖涡,其边缘是海洋次中尺度锋面发生的活跃区域

但使用中尺度分辨的卫星高度计数据无法识别出海洋次中尺度锋面,需使用次中尺度分辨的卫星观测海表面温度数据进行补充

29.本实施例中,步骤
s102
中获取指定海域的海表面温度数据,根据海表面温度数据绘制海表面温度及其梯度图时,以多尺度超高分辨率(
multi-scale ultra-high resolution

mur
)海面温度(
sea surface temperature

sst
)为例,其为通过融合多个
level-2
卫星
sst
数据集创建的全球数据集,提供近实时的逐日

水平分辨率为
1km

sst
数据

利用
mur sst
数据绘制海表面温度图


2023
年5月3日黑潮延伸体海域为例,如图3所示,可以发现
sst
分布与海表面高度(图2)有类似的地方,在黑潮延伸体南北两侧分别对应着暖水和冷水

此外,伴随着中尺度涡旋,出现闭合的高温或低温

图3中,横坐标为经度(e为东经),纵坐标为纬度(n为北纬)

单位:
℃。
30.本实施例中,步骤
s102
中根据海表面温度数据绘制海表面温度及其梯度图时,海表面温度梯度的计算函数表达式为:,上式中,表示海表面温度
sst
的梯度,和分别为纬向和径向矢量

绘制海表面温度的梯度图时,以
2023
年5月3日黑潮延伸体海域为例,如图4所示,可以发现分布着多条狭长的温度梯度线,其最长可达
2000km
,短的只有数十公里

图4中,横坐标为经度(e为东经),纵坐标为纬度(n为北纬)

单位:
℃/km。
31.本实施例中,步骤
s102
中在识别出的中尺度涡基础上识别出次中尺度锋面,包括:首先将海表面温度的梯度大于设定值(例如本实施例中取值为
0.2℃/km
)的包围区域视为锋面,在每条经线上最大的海表面温度的梯度所在的位置视为锋面的主轴位置,对应的水平海表面温度梯度大小为锋面的主轴强度,从而确定所有的锋面;然后在识别出的中尺度涡的基础上,将中尺度涡边缘的锋面作为识别出的次中尺度锋面

以黑潮延伸体为例,次中尺度锋面的长度为数十公里到数千公里不等,但其宽度仅为数公里到几十公里(图4)


2023
年5月3日
146
°
30

e-148
°
30
′e,
36
°
40

n-36
°
55
′n的一条次中尺度锋面为例,如图5所示,其长轴达到
200km
,宽度仅有
15km
,强度达到
0.3℃/km。
图5中,横坐标为经度(e为东经),纵坐标为纬度(n为北纬)

单位:
℃/km。
因此,在识别出的中尺度涡的基础上,将中尺度涡边缘锋面作为识别出的次中尺度锋面

32.上述海洋中尺度涡识别有两个目的,其一为步骤二海洋次中尺度锋面识别提供背景场信息,即提供次中尺度锋面的大概位置;其二为步骤
s103
调查追踪次中尺度锋面提供流场信息

由于次中尺度锋面变化剧烈,几天的时间内就可能完成生消周期,因此需要利用调查船现场作业,以获取次中尺度锋面的动态三维结构

33.本实施例中,步骤
s103
中通过投放中性漂流浮标以进行次中尺度锋面追踪时,包括在次中尺度锋面主轴的起始位置投放一个定深在指定深度的中性漂流浮标,使得中性漂流浮标在次中尺度锋面流场的作用下沿着次中尺度锋面的主轴向下游移动,并通过声学手段对中性漂流浮标进行定位以追踪次中尺度锋面的主轴位置

利用海表地转流和海表面温度梯度数据,如图6所示,可以发现次中尺度锋面基本沿着自东向西的方向流动,锋面主轴为流速最大的区域,最大流速可达
1.34m/s
(约
2.5
节)

由于次中尺度锋面时间变化较快,卫星观测海表面温度无法抓住其变化特征,需要借助于中性漂流浮标的方式予以追踪

中性漂流浮标会根据要求下潜到设定深度随次中尺度锋面漂流,从而获得海面以下特定深度的海水流速和流向

通过船载声呐跟踪,可跟踪定位浮标在水下的位置

本实施例中,浮标不需要反复下潜和上浮,将中性漂流定深在某一深度(在混合层内),利用声学手段对其实时定位,其移动方向即为次中尺度锋面主轴

如在锋面主轴的起始位置(
146
°
30
′e,
36
°
40
′n)投放一个中性漂流浮标,在锋面流场的作用下,其将沿着锋面主轴向下游移动,是追踪次中尺度锋面的依据

图6和图5类似,但叠加了海表面地转流,图中黑色圆点为投放漂流浮标位置

图6中,横坐标为经度(e为东经),纵坐标为纬度(n为北纬)

单位:
℃/km。
34.本实施例中,步骤
s103
中进行水文调查包括:沿着中性漂流浮标的运行轨迹,利用调查船和船载拖曳设备
mvp
以锯齿状形式绕次中尺度锋面的主轴进行走航观测,每次调查船与锋面主轴交汇时即投放或回收船载拖曳设备
mvp
以获取被调查的次中尺度锋面的剖面数据,所述剖面数据包括海水温度

盐度和声速,同时利用调查船上的船载声学多普勒流速剖面仪
adcp
获取被调查的次中尺度锋面的流速和流向数据

其中,船载拖曳设备
mvp
全称是走航式多参数剖面测量系统全称,简称为
mvp
,是一种采用不停船走航方式对海洋不同深度各种物理

化学和生物参数等进行剖面测量的系统

声学多普勒流速剖面仪
adcp
是一种测流仪器,利用声学多普勒原理,测量分层水介质散射信号的频移信息,并利用矢量合成方法获取海流垂直剖面水流速度,即水流的垂直剖面分布

中性浮标投放位置即为次中尺度锋面航次调查的起始位置

沿着浮标运行轨迹,利用船载拖曳设备
mvp
以锯齿状形式绕次中尺度锋面主轴(中性浮标移动路径)进行走航观测

利用船载拖曳
mvp
设备以锯齿状航线进行高频采样,解决了次中尺度锋面三维结构观测难问题

如图7所示,每次调查船与锋面主轴交汇时即投放(回收)
mvp
,可以连续获取到次中尺度锋面的剖面数据,如海水温度

盐度

声速等,图7中,横坐标为经度(e为东经),纵坐标为纬度(n为北纬)

单位:
℃/km。。
同时利用船载声学多普勒流速剖面仪
adcp
,获取流速

流向数据

本实施例中,沿锋面主轴
mvp
的分辨率约为
1km。
与锋面垂直航行距离按照船速和漂流浮标的速度确定

按照锋面主轴长度
200 km
计算,调查船共需航行
200
个来回

35.为了获取海洋次中尺度锋面的海气边界层特性,开展相关大气波导调查

本实施例步骤
s103
中进行大气波导调查包括:在所述利用调查船和船载拖曳设备
mvp
以锯齿状形式绕次中尺度锋面的主轴进行走航观测时,按照指定的时间间隔投放探空火箭以获取海面上空的气象要素垂直廓线数据

本实施例中,气象要素垂直廓线数据包括温度

湿度

气压

风向和风速

本实施例中的走航调查期间,每小时投放一枚探空火箭

按作业时间
55.6
小时计,共需
55
枚火箭

利用探空火箭可以获取到海面上空的温度

湿度

气压

风向和风速等气象要素垂直廓线数据

36.为了获取海洋次中尺度锋面的声传播特性,开展相关声学调查

本实施例步骤
s103
中进行声学调查包括:在所述利用调查船和船载拖曳设备
mvp
以锯齿状形式绕次中尺度锋面的主轴进行走航观测时,首先在次中尺度锋面上投放1套声学潜标,所述声学潜标按照上层密集下层稀疏的规则布放自容式水听器
usr
,用于采集和存储爆炸声源和声学发射潜标发射的声波;然后按照预设的距离投放定深爆炸声源,投放定深爆炸声源时轮流投放两种不同定深的定深爆炸声源,以用于获取海洋环境变化对声起伏的影响

本实施例中,声学调查部分包括1条约
200 km
声学爆炸测线(方框)和1套声学潜标(三角形,投放浮标位置),如图8所示

爆炸声源分为定深
50 m

200 m
,调查过程中由调查船负责投放,建议两种定深爆炸声源交替投放,投放间隔为
1 km
(与
mvp
观测的水平分辨率相同,即调查船与锋面主轴交汇的位置)

按照锋面主轴长度
200 km
计算,共需
200
个爆炸弹

同时调查船上的船载测深仪可记录声学测线上的海深

位置固定的声学潜标可用于研究海洋环境变化对声起伏的影响

声学潜标按照上层密集下层稀疏的规则布放自容式水听器
usr
,用于采集和存储爆炸声源和声学发射潜标发射的声波

如图9所示,由于次中尺度锋面过程主要发生在海洋上层,因此在
0-300 m
深度加密观测

拟在
50-300 m
间隔
50 m
深度布放6个自容式水听器
usr[50 100 150 200 250 300]

300 m
以深布放深度为
[400 500 600 800 1000 1200 1400 1600 临界深度
]。
同时也需要配置一些温度仪
td
用于观测温度随时间的变化,具体如图9所示

[0037]
以上所述仅是本发明的优选实施方式,本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例,凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围

应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围

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