潜标平台运动及数据反演研究
在南海这样的深水区，船载调查等常规海洋观测方法难以得到大量连续的数据，而定点潜标观测则解决了这一问题。多个定点潜标可以组成空间阵列，沿着每个潜标的缆线又可以挂载多种海洋仪器，这两种措施大大扩展了潜标观测的水平和垂向范围，使得潜标在海洋观测中得到越来越广泛的应用。随着观测和数据的迅速增加，以及应用范围的扩展，潜标数据质量的好坏也越来越重要;同时，潜标运动、数据缺测等问题对潜标数据质量的影响也变得更加突出和严重。因而及时进行有效的数据质量分析和误差控制，将相关影响减到最低也就变得越来越必要。本文基于大量的南海潜标观测实例，通过方法的创新和多种数据的充分使用，对潜标运动和数据缺测这两类影响潜标数据质量的问题进行了研究。 锚定潜标有一个显著的特点就是它是一个运动的平台，除了固定的底部之外，潜标各部分都随着海水的流动而运动。在垂直方向，通过压力记录，我们可以清楚看到潜标的运动情况;在水平方向，虽然运动更加剧烈，但是由于相关研究的缺乏，我们还得不到准确的运动距离和速度。为此，在充分利用潜标上的测流仪器的姿态数据的基础上，本文提出了一种能够量化潜标三维运动的简单易行的新方法，即在将潜标分段之后，由仪器姿态确定每段线缆的倾斜方向，由压力及潜标布放参数确定其倾斜角度，自下而上积分，从而实现潜标各部分的空间定位。空间位置的时间导数即是潜标的运动速度，原始流速加上该速度即是真实的海水流速。 本文通过对海峡流、潮流、孤立波影响下的典型的潜标案例的分析来研究潜标运动的大小和影响。对于长度为745米、3700米和2000米，偏降为270米、150米和20米的三个潜标，其最大运动速度分别达到6 cm s-1、7 cm s-1和15 cms-1。对于上层的强流来说，潜标速度占比大约为10％，然而随着深度的增加和流速的减弱，这一比例能达到20-60％。可见，对于剧烈运动的潜标来说，流速订正很有必要。对于潮流等变化较缓慢的流场来说，剧烈运动的标志就是大偏降;而对于孤立波等来说，即使是几十米的小偏降也应引起注意。 本文研究揭示出潜标的运动规律:潜标在海流的带动下运动，具有和流速结构类似的频谱关系;某一频率的潮流引起的潜标运动轨迹是椭圆，流速和潜标速度基本垂直，且潜标运动在位相上领先90度，同样大小的潮流所引起的潜标运动速度与其周期成反比;斜压流场和潜标结构不均等会打破理想关系，但实际潜标运动一般被上层强流所主导。 海洋是个复杂多变的环境场，多种仪器组合成的潜标系统长期在其中工作，也就难免产生各种状况，导致部分数据异常或缺失。因而，充分利用潜标系统中的已有数据，实现缺测数据的反演，也就十分难得和有用。 上打ADCP的深度即可通过声学回波信号反演得到。前人的相关研究都没有考虑干扰，但在实际观测中，各beam的声学回波信号之间会有干扰，同时共振、电路等可能原因导致的奇异值也会污染声信号。本文通过分析总结这些干扰的特点和规律，先消除这些影响之后再进行拟合，得到更加准确实用的反演深度。在深度缺测的情况下它是可靠的替代，在观测深度有效的情况下它们可以相互印证并进一步排除奇异值，因而深度反演大大增加了深度这一基础数据的冗余度和安全性。 使用温度链实现海洋上层温度的观测是潜标的一项重要应用，但是受到强流导致的潜标运动的影响，经常出现顶部温度的缺测。如何较准确地实现缺测温度的补偿和反演，是一个有挑战的新问题，本文就此进行了研究。理论上可以通过以下方法进行温度反演:通过ADCP回波得出的反演深度和观测深度对比，再结合ADCP实测声速就能得到ADCP到海表的实际平均声速，从该声速中去掉温度链观测即可得到顶层缺测部分的平均温度值，该值作为控制条件，以SST和温度链顶端观测为温度的上、下边界条件，再结合缺测时段前后的温跃层结构，即可实现缺测部分的温度反演。
海洋观测;潜标平台运动;数据反演
中国海洋大学
博士
物理海洋学
田纪伟
2015
中文
P715.2
101
2016-01-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）