顾及海洋动力机制的Argo浮标剖面三维坐标生成工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种顾及海洋动力机制的Argo浮标剖面三维坐标生成工艺，包括以下步骤：首先，对Argo浮标设备在剖面信息采集阶段的受力情况进行计算，构建Argo浮标上升过程的运动模型。接着，结合Argo浮标的自身重量与海洋三维动力场中的海水经向

【技术实现步骤摘要】
顾及海洋动力机制的Argo浮标剖面三维坐标生成工艺


[0001]本专利技术涉及海洋建模领域中的Argo浮标数据的位置获取技术，具体来说是给出了一种顾及了海洋动力机制的Argo浮标剖面三维坐标生成工艺。

技术介绍

[0002]Argo浮标是采用拉格朗日环流法对海洋次表层温度、盐度、深度和其他生物地球化学要素信息进行剖面测量的海洋环境要素探测器。Argo浮标通过周期性上浮下潜运动来完成目标海域垂直面内的海洋生物地球化学参数的测量。在一个完整的运动周期内，Argo浮标通过浮力调节系统进行回油和充油改变排水体积，实现上浮和下潜运动。Argo浮标一个完整的运行周期一般为10天，主要有“下潜
‑
定深漂流
‑
再次下潜
‑
上浮
‑
海面漂浮”5个运动过程。从海面布放时和卫星通讯获取刚投放时的经纬度信息，之后经过3～4小时自动潜入深海的等密度层，在滞留深度(通常为1000m)随海流保持中性漂浮，并在此深度上滞留约9天；之后Argo浮标进行最大深度(通常为2000m)下潜，到达预定时间浮标经6小时左右自动上升到海面。从预设深度上升到海面的过程中进行温度、盐度和生物地球化学要素等信息的采样，可以得到包含深度和时间的二维剖面数据。上升至海面与卫星连接后与卫星通讯并进行剖面测量数据的传输。完成一次数据传输后，浮标再次下潜到预定深度，重新开始下一个自动循环过程。
[0003]针对Argo浮标采样数据的精度无法满足需求的问题，现有的研究中，例如，论文《ARGO稀损数据插补与三维海洋要素场重构研究》(刘巍.《西南交通大学》,2012)中提到Argo资料存在空间上稀疏分布，时间上不连续的固有缺陷，且未经过优化处理的Argo数据难以被有效利用，并进行了Argo稀疏数据的插值、缺失数据的拟合与三维温盐场的重构。但Argo浮标的采样过程是在海面以下进行的，整个方法只是针对海表的Argo数据进行插值，对不同深度的温盐数据进行三维温盐场的重构，对如何提高Argo浮标水下采样数据精度的问题完全没有涉及。
[0004]针对模拟Argo浮标的运动轨迹的问题，论文《基于机器学习的海洋浮标寿命及轨迹预测》(陈若冰,陈萱,董明媚,等.《海洋通报》,2021,40(03):262
‑
273)给出了一种基于机器学习的Argo浮标漂浮轨迹预测方法。该方法可以提高Argo浮标投放位置与时间的精确度，但Argo浮标大部分时间是在海面以下运动的，该方法仅仅是对Argo浮标海面的漂移轨迹进行模拟，并未考虑Argo浮标的水下运动轨迹。
[0005]然而，Argo浮标从预设深度上升到海面的采样过程并不是垂直的，不同深度下的采样数据却仅有海面的一个经纬度值。这是由于Argo浮标在水下运动过程中无法与卫星进行连接，导致Argo浮标在上升阶段采样的数据即使不在同一个位置却共用海面的经纬度值，使Argo剖面数据与实际值之间有误差。通过现有观测技术无法获取到Argo浮标在海面以下的位置信息。因此，如何补全Argo浮标剖面数据缺失的时空信息并提高剖面数据的精度，是目前亟待解决的问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术提供了一种顾及海洋动力机制的Argo剖面数据精度提升方法，其目的在于对现有的Argo浮标剖面数据中所缺失的空间位置信息进行补充，提升剖面数据的精度。
[0007]本专利技术采用如下技术方案：包括下列步骤：
[0008]步骤1、建立洋流影响下的Argo浮标运动模型。Argo浮标在上浮过程中受到垂直方向的重力、浮力、阻力和水平方向海水粘滞力的作用。
[0009]浮标在水平方向受到的粘滞力F
N
，公式如(1)所示：
[0010]F
N
＝3πμL
A
v(1)
[0011]式中，μ为动力粘滞系数；L
A
表示线度，是Argo浮标的长度；v表示Argo浮标某时刻相对海流运动的水平方向上的速度。
[0012]因此，得到Argo浮标在水平方向上的速度v
hor
可表示为：
[0013][0014]式中，m
A
表示Argo浮标的质量；t表示Argo浮标的运动时间。
[0015]Argo浮标在垂直方向的合力F
Z
表示为：
[0016]F
z
＝F
b
‑
G
‑
(D
f
+D
p
)(3)
[0017]式中，G表示Argo浮标自身的重力；F
b
表示Argo浮标受到的浮力；D
f
表示Argo浮标运动时受到的摩擦阻力；D
p
表示Argo浮标运动时受到的压强阻力。
[0018]浮标在垂直方向上的速度V
ver
，如公式(4)所示：
[0019][0020]步骤2、将Argo浮标上浮至海面首次卫星定位成功时的经纬度坐标Start_lon、Start_lat作为模拟的起始点，使用现有海洋三维动力场中的u、v流速值，结合步骤1中Argo浮标在上升过程中的运动模型，反向计算Argo浮标在剖面测量过程中的三维轨迹。由于三维动力场在水平方向上常使用格网剖分，在垂直方向上亦被分为多层，因此，需要分别模拟Argo浮标在水平格网中与垂向各层上的运动状态。
[0021]计算海洋三维动力场中海水垂向分层中第n与n+1层间的间距floor_depth，则Argo浮标在第n层格网中运动时间计算公式为：
[0022][0023]其中，t_floor表示Argo浮标在第n层格网中的停留时间；v
ver
表示浮标运动时的垂向速度。
[0024]计算Argo浮标在海洋三维动力场水平方向格网中运动的位置。浮标每进入一个格元，都要获取当前格元存储的海水的纬向速度u、经向速度v的大小和方向，沿着当前方向运动，直到进入下一个格元后改变运动方向。浮标从一个格元运动到下一个格元的时间表示为Δt，若Δt＜t_floor，则继续计算在该层格网中的位移；若Δt＞t_floor，则表示浮标在该层格网中的运动结束，进入下一层格网继续计算。重复此过程即可得到浮标在每层格网中的运动轨迹点。
[0025]将浮标在水平方向的运动轨迹点与深度值结合得到三维轨迹点坐标。重复步骤2，
直至求出浮标从海面至最大下潜深度的全部三维轨迹点，将所有轨迹点相连，得到Argo浮标的三维运动轨迹，并对Argo浮标的上升
‑
下潜周期进行序列重构。
[0026]步骤3、利用步骤2中模拟的浮标运动三维轨迹，结合原始Argo浮标剖面数据中的深度值，得到三维轨迹中与Argo浮标剖面文件记录的深度值相对应的经纬度值，重新设计的Argo浮标剖面三维数据组织结构。该数据组织结构和原始的Argo二维剖面数据相比，不仅在数据文件表头包含经纬度值，而且不同深度下的各项生物地球化学要本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种顾及海洋动力机制的Argo浮标剖面三维坐标生成工艺，其特征在于，其包括以下步骤：步骤1：结合海洋三维动力场，对Argo浮标上升采样的过程进行受力分析，建立Argo浮标水平方向与垂直方向的运动模型；步骤2：基于原始Argo浮标剖面数据，结合海洋三维动力场，通过计算Argo浮标在水平方向与垂直方向的位移得到Argo浮标在水下采样阶段的空间位置，将空间位置点相连生成浮标的三维运动轨迹，对Argo浮标的上升
‑
下潜周期进行序列重构；步骤3：利用步骤2中模拟的浮标运动三维轨迹，结合原始Argo剖面数据中的深度值，得到三维轨迹中与Argo浮标剖面文件记录的深度值相对应的经纬度值，重新设计Argo浮标剖面三维数据组织结构并生成新的Argo浮标剖面数据。2.根据权利要求1所述的一种顾及海洋动力机制的Argo浮标剖面三维坐标生成工艺，其特征在于，所述步骤1中，利用每个Argo浮标记录的工作日志文件，依据Argo浮标在上浮过程中受到垂直方向的重力、浮力、阻力和水平方向海水粘滞力的作用，，通过对Argo浮标在水下上升采样阶段的运动过程分析，构建出Argo浮标在水平方向与垂直方向的运动模型。3.根据权利要求2所述一种顾及海洋动力机制的Argo浮标剖面三维坐标生成工艺，其特征在于，Argo浮标在水平方向受到的粘滞力F
N
，公式如(1)所示：F
N
＝3πμL
A
v(1)式中，μ为动力粘滞系数；L
A
表示线度，是浮标的长度；v表示Argo浮标某时刻相对海流运动的水平方向上的速度。因此，得到Argo浮标在水平方向上的速度v
hor
可表示为：式中，m
A
表示浮标的质量；t表示浮标的运动时间。4.根据权利要求2所述的一种顾及海洋动力机制的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张艺璇，闾国年，周良辰，张卓，乐松山，
申请(专利权)人：南京师范大学，
类型：发明
国别省市：