內(nèi)孤立波診斷模型設(shè)計

內(nèi)孤立波診斷模型設(shè)計

《裝備環(huán)境工程雜志》2023年第三期

1海洋資料處理

內(nèi)波是一種寬頻振動，其頻率范圍在當(dāng)?shù)貞T性頻率到浮力頻率之間。常見的波長為幾十米至幾十千米，周期為幾分鐘至幾十小時，振幅一般為幾米至幾十米，最大振幅可達(dá)一二百米［3］。中國海根本每個季節(jié)都有著明顯的海水層化現(xiàn)象，為內(nèi)波的發(fā)生和傳播供應(yīng)了介質(zhì)，而四周簡單且不穩(wěn)定的流場特征又給內(nèi)波的發(fā)生供應(yīng)了擾動源。因此該海疆內(nèi)波頻發(fā)，其中最為普遍的內(nèi)波是內(nèi)孤立波和內(nèi)潮波。內(nèi)孤立波具有強(qiáng)非線性，經(jīng)常由強(qiáng)內(nèi)潮裂變生成。內(nèi)波的振幅通常以等密度線的起伏來衡量，但因直接測量海水密度特別困難，通常用等溫線或等鹽線的起伏來代替。在海洋中能引起等溫線振動的因素主要有:潮汐、太陽輻射、內(nèi)波、風(fēng)、浪等。

潮汐使海水等溫線發(fā)生周期性的起伏，但其升降幅度等于同天文潮引起的海面的升降幅度，也就幾米的量級。太陽輻射也會使海水溫度增高，使等溫線消失日周期的變化，但這些變化主要集中在海水表層，不會涉及整個水體。因此當(dāng)海水中層或者溫躍層四周的等溫線消失了大的起伏時，一般可以認(rèn)定發(fā)生了內(nèi)波。一般狀況下強(qiáng)度弱的內(nèi)波對水下平臺和武器裝備不會造成大的影響，基于內(nèi)波實(shí)際保障的需求，文中僅考慮當(dāng)海水中層或溫躍層四周的等溫線消失超過10m振幅時，認(rèn)定發(fā)生了內(nèi)波。

由于現(xiàn)場觀測的海洋環(huán)境資料具有不同的格式，需對搜集到的CTD資料和ADCP資料進(jìn)展預(yù)處理，進(jìn)展校對檢驗和格式編排，使資料的數(shù)據(jù)集(物理要素測量值的集合)和元信息(如測量的時間、點(diǎn)、方式、質(zhì)量掌握等)在精確性、標(biāo)準(zhǔn)性方面滿意完整性要求和肯定的規(guī)格指標(biāo)。為便利讀取和自動化處理，對數(shù)據(jù)格式制定了標(biāo)準(zhǔn)，其中對溫鹽流數(shù)據(jù)要求為一成天的多層觀測資料，數(shù)據(jù)的時間間隔要求為1min，垂向深度間隔為1m，現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)假如不滿意要求需先進(jìn)展插值處理。文中利用Akima插值方法，邊界資料采納線性差值。在插值過程中規(guī)定連續(xù)缺少3層以上按缺測處理。Akima方法規(guī)定，在2個實(shí)測點(diǎn)之間進(jìn)展內(nèi)插，除了要用到這2個點(diǎn)的實(shí)測值以外，還用到與這2個點(diǎn)相鄰的4個點(diǎn)上的實(shí)測值，也就是說在2個點(diǎn)之間內(nèi)插需要用到6個實(shí)測點(diǎn)。設(shè)用i(i=1，2，…，6)表示這6個實(shí)測資料的序號，其坐標(biāo)為(xi，yi)，插值點(diǎn)(x，y)位于第3和第4個實(shí)測點(diǎn)之間，即x3＜x＜x4，則插值點(diǎn)y可用式(1)計算:

2內(nèi)波信息提取

2．1用CTD資料提取由于孤立波的非線性較強(qiáng)，其波形一般并不對稱，因此通過計算其半波寬度的方法提取內(nèi)波振幅和周期，選取內(nèi)波到來前和波峰到達(dá)時刻的等溫線所在深度的差值即為內(nèi)波的振幅，二者時間差的2倍即為內(nèi)波的周期。海洋內(nèi)波示意如圖1所示，H2，H1分別表示上層水深和下層水深，ζ表示內(nèi)波振幅，z=H2－ζ。

2．2用ADCP資料提取利用ADCP資料可提取內(nèi)波波致流和內(nèi)波傳播方向。將實(shí)測海流進(jìn)展標(biāo)準(zhǔn)化處理獲得多個時間相應(yīng)、長度相等的實(shí)測流的時間序列。采納梯形積分公式計算得到平均全流時間序列，再由諸實(shí)測流與平均全流時間序列之差，獲得各變差流的時間序列。定點(diǎn)ADCP海流觀測資料分解為北重量u(z，t)和東重量v(z，t)，以北重量為例:u(z，t)=珔u(z)+珘u(z，t)+Δu(z，t)(5)對每個確定的深度z，其中不隨時間變化局部珔u(z)為:考慮到背景余流等的影響，當(dāng)躍層上下側(cè)平均變差流的相位差約180°+10°，同時對應(yīng)著一個持續(xù)時間為5～40min的流速激增過程時，表示內(nèi)孤立波的發(fā)生過程。依據(jù)內(nèi)波理論可知，假如內(nèi)波流的剪切層深度小于水深的一半，說明該內(nèi)波為下凹型內(nèi)孤立波，由此對應(yīng)上層變差流方向即為內(nèi)波的傳播方向。反之說明內(nèi)波為上凸型內(nèi)孤立波，對應(yīng)下層變差流方向即為內(nèi)波的傳播方向，同時上層和下層變差流的大小即為內(nèi)波流的振幅。內(nèi)波動力診斷流程構(gòu)架如圖2所示。

3海洋內(nèi)波信息診斷個例

本文利用2023年南海東沙群島四周海疆溫度鏈資料和ADCP資料診斷南海孤立波的特征要素。由于不同海疆背景的水文條件和天文潮流等不同，內(nèi)孤立波的振幅大小并不全都，南海東沙群島四周內(nèi)孤立波最大振幅可達(dá)170m，而淺海大陸架區(qū)內(nèi)孤立波振幅一般為10～40m左右。依據(jù)前面所述的辨識標(biāo)準(zhǔn)，針對東沙海疆實(shí)例進(jìn)展了分析。對溫度鏈資料處理后得到的等溫線隨時間的演化如圖3所示?？梢钥闯?，圖3中曲線為一個包含8個孤立子的下凹型內(nèi)孤立波列，經(jīng)計算選定孤立子的振幅18m，周期為22．5min。選定時刻內(nèi)波流的矢量分布如圖4所示?？梢钥闯觯瑑?nèi)波傳播方向為西北偏西，內(nèi)波流最大可達(dá)0．5m/s，剪切流最大可達(dá)0．75m/s。星號所示位置明顯消失約20min的流速增大過程，流速增大到0．4m/s，明顯高于當(dāng)?shù)?．2m/s的背景流，在45m深處存在一個剪切界面，由此可認(rèn)為這是一個內(nèi)孤立波的過境過程。依據(jù)內(nèi)波理論可知，上層海流的方向為內(nèi)波的傳播方向。

4結(jié)語

海洋內(nèi)波對海洋聲學(xué)、海洋資源開發(fā)、海洋生態(tài)環(huán)境愛護(hù)、海洋軍事和海洋工程等方面都具有重要影響，海洋內(nèi)波討論是一個國際性討論熱點(diǎn)。海洋內(nèi)波信息診斷分析技術(shù)是討論內(nèi)波特性的根底。依據(jù)海洋內(nèi)波動力學(xué)理論與方法，建立提取海洋內(nèi)波特征的診斷模型，對實(shí)測的溫度鏈、潛標(biāo)、ADCP等連續(xù)觀測資料進(jìn)展動力分析診斷，可以診斷出內(nèi)波周期、內(nèi)波振幅、變差流矢量時間序列及內(nèi)波波致流、內(nèi)波傳播方向等內(nèi)波特征要素。由于海洋內(nèi)波特性非常簡單，目前