深海錨系式聲學多普勒流速剖面儀數(shù)據(jù)處理質量控制研究

深海錨系式聲學多普勒流速剖面儀數(shù)據(jù)處理質量控制研究

海洋科學是一門基于觀察的科學。在過去幾十年中，海洋觀測受到全球的關注，尤其是物理環(huán)境的觀測，在觀測方法、觀測范圍、觀測技術和觀測精度等方面取得長足進步海洋上層、中層和深層環(huán)流系統(tǒng)的結構特征、變異規(guī)律以及動力學機制間的聯(lián)系無疑是物理環(huán)境觀測的重要方面，所以，現(xiàn)在海洋觀測體系中基本離不開對海流的觀測。聲學多普勒流速剖面儀（AcousticDopplerCurrentProfiler,ADCP）以固定的頻率向水中發(fā)射聲波，然后接收從聲散射體返回的聲波。這些聲散射體在海洋中分布廣泛，通常是一些懸浮粒子或浮游生物，它們的速度跟水流的速度保持一致。因此，我們可以通過ADCP測得海水中懸浮粒子的速度，即海水的流速然而，在實際的海流觀測中，ADCP獲取的數(shù)據(jù)不免會因為外部因素存在一些異常，如魚群的游動導致在某個或某部分深度上測得異常流速信號。雖然ADCP產(chǎn)品性能逐漸提高，數(shù)據(jù)質量水平有明顯改進，但是，當數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯異常時，如條帶狀異常流速數(shù)據(jù)（StripedAbnormalData），技術人員只能依賴手動去除，處理效率低，出錯率高。因此，為了保證科學研究結論的準確性，必須有效地對觀測數(shù)據(jù)進行質量控制。本文將基于深海潛標系統(tǒng)上的錨系式ADCP觀測，開展數(shù)據(jù)質量控制的研究工作，重點解決錨系式ADCP觀測中普遍存在的條帶狀異常問題。1潛標主浮體的流系特征2017年4月，中科院海洋研究所和自然資源部第三海洋研究所利用“科學號”科考船在西太平洋（146oE,30oN）布放了一套深水潛標觀測系統(tǒng)。潛標由錨系、釋放器、浮力部件和主浮體、測量儀器等部分組成，是實現(xiàn)水下定點、長時序連續(xù)觀測的主要設備，潛標布放深度達6183m。次年6月，中科院海洋研究所搭載“科學號”科考船成功對潛標設備進行了回收，獲取了長達429天的定點連續(xù)觀測數(shù)據(jù)。觀測海區(qū)位于副熱帶逆流與黑潮延伸體邊界交叉影響區(qū)域，具有豐富的流系結構和活躍的中尺度渦活動特征在潛標主浮體上下兩端分別各安裝一臺75kHzADCP（圖1）。該型ADCP是TRDI公司研制的WorkHorse系列中一種流速觀測剖面儀。目前，該產(chǎn)品也廣泛應用于環(huán)境監(jiān)測浮標、海上石油鉆井平臺和極地潛標研究等領域，是獲取季節(jié)和年際流場結構的最佳選擇。表1是75kHzADCP主要性能規(guī)格。本研究中，主浮體上75kHzADCP在布放時的配置參數(shù)如下，每次Ensemble發(fā)射Ping的次數(shù)設為30次，Ping指ADCP一次采樣過程，包括準備、脈沖發(fā)射、回波接收和信號處理；每一次Ensemble的間隔為1h,Ensemble指多次Ping的集合平均，即30次采樣計算的平均值；通常Ping數(shù)越高，數(shù)據(jù)越精確。Time-averaginginterval設為最小時長，指Ensemble采樣歷時，在該采樣歷時內(nèi)，所有Ping采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過平均后輸出；深度單元Depthcell(Bin)設置為8m,Bin指ADCP在接收回波信號時將水體劃分為許多深度單元，實測流速是每個單元內(nèi)的流速平均值，水體共74個深度單元。2理論質控參數(shù)在實際海流測量應用中，復雜的水體環(huán)境（如氣泡、魚類等）、海水屬性（躍層）和儀器的姿態(tài)等都可能會對ADCP數(shù)據(jù)的質量造成比較大的影響。因此，在使用ADCP數(shù)據(jù)前對其進行質量控制處理就顯得格外重要?？刂艫DCP數(shù)據(jù)質量的參數(shù)如下。水平速度（HorizontalVelocity）和垂向速度（VerticalVelocity），用來標記大于給定閾值的流速。不同的研究海區(qū)對應的最大流速閾值可能不同，大洋里最為強勁的海流就是北半球的兩只西邊界流，即黑潮和灣流，其最大流速通常小于1.5m/s。良好率（PercentGood），用來確保有效采樣數(shù)（Pings）和理論標準差滿足要求；Ping數(shù)可以用來計算一次Ensemble內(nèi)流速的理論標準差。良好率是評估數(shù)據(jù)質量的一個最重要也是最常用的指標，指標范圍為0～100。如100，則表示深度單元內(nèi)有效Ping數(shù)占總Ping數(shù)的比值為100%?？v搖（Pitch）和橫搖（Roll），用來確保儀器姿態(tài)處于可接受的變化范圍?？v搖是指沿ADCP的前后舷軸方向轉動，而橫搖是指沿ADCP左右舷軸轉動。對于錨系ADCP，傾角一般要求小于30o?；夭◤姸龋‥choIntensity），用來確保污染區(qū)域的數(shù)據(jù)被標記出來，如表層或底層以及任何存在障礙物干擾的數(shù)據(jù)?；夭◤姸扔兄诖_定每個深度單元內(nèi)散射體的相對含量，也可以用來判斷表層、底層或障礙物的位置。相關幅值（CorrelationMagnitude），用來確保使用最優(yōu)的測量數(shù)據(jù)。相關幅值是每個深度單元中Pings脈沖與脈沖間相關性的度量。對于給定的ADCP，相關幅度具有一個恒定的值。隨著相關幅值的降低，數(shù)據(jù)的準確性也隨之降低。75kHzADCP期望的相關幅值是128，低于這個閾值表明信噪比較低。速度誤差（VelocityError），用來確保ADCP每一個聲束（Beam,75kHz具有4個聲束）測量到的速度對應的是同一處水流。ADCP測流假定海水是各向同性的，因此，理論上每個聲束測量的水流速度均相同，見圖2(a）。理論上計算三維流速僅需要3個聲束，冗余的第4個聲束可以用來計算速度誤差，評估同一層內(nèi)水體各向同性的假設是否合理。旁瓣干擾（SideLobeEffects），在旁瓣影響區(qū)內(nèi)，流速測驗數(shù)據(jù)無效。這是由于在主聲束（主瓣）聲波達到底部之前，斜旁瓣聲束（斜瓣）聲波已經(jīng)到達底部而形成的，見圖2(b）。當聲速角為20o時，旁瓣影響區(qū)的厚度約為測量深度的6%;25o時約為10%;30o時約為15%。以上參數(shù)中，良好率和速度閾值是常用的質控參數(shù)。然而，只單獨考慮它們是不夠的，還需要綜合考慮回波強度、相關幅值和速度誤差才能保留有效的數(shù)據(jù)，剔除無效的數(shù)據(jù)。3數(shù)據(jù)異常結果75kHzADCP原始觀測數(shù)據(jù)的水平流場結果顯示，一方面表層存在顯著的數(shù)據(jù)異常，另一方面在不同深度上還存在很多條帶狀的數(shù)據(jù)異常結果（圖3）。因此，ADCP數(shù)據(jù)質量控制流程如圖4所示。3.1散射介質的隨機性圖3顯示，表層出現(xiàn)顯著的數(shù)據(jù)異常。這有可能是表層水體含有較多的氣泡造成的誤差。海表面的氣泡是強散射體，但是海表面的氣泡并不能作為海水中的散射介質，其自身運動方式的隨機性較大，不能代表海水的運動，所以，表層氣泡反射而回的聲波信號會引起較大的觀測誤差。除了氣泡外，表層誤差也與ADCP采樣時旁瓣干擾有關系。因此，首先需要去除旁瓣干擾影響的深度單元。TRDI75kHzADCP的聲束角為20o，則6%深度單元的數(shù)據(jù)是受污染的。因此，表層30m以內(nèi)數(shù)據(jù)是無效的（圖5），需要去除。3.2流場分布的相對重要性通過速度和良好率對ADCP數(shù)據(jù)進行質量控制是最常用的數(shù)據(jù)處理手段。圖6是速度閾值設為2m/s，良好率設為90質控后的流速結果，即當速度大于2m/s、良好率低于90時數(shù)據(jù)為異常，需要去除。一般而言，這兩個閾值可以滿足用戶的基本需求。然而，結果表明速度和良好率質控后的水平流速時間序列仍有很多條帶狀的異常分布，如2017年5月下旬的700—900m剖面，2017年7月初的50—200m剖面等。ADCP既可以提供流場結構分布，也可以用來計算剪切場。越來越多的學者開始基于ADCP剪切數(shù)據(jù)研究多尺度間的動力過程，如開展中尺度—次中尺度—細尺度之間的能量傳遞和微尺度的湍流混合估算研究3.3主浮體姿態(tài)的變化該海區(qū)具有豐富的流系結構和高頻發(fā)生的中尺度渦，如2018年4月至6月，一個西向傳播的中尺度渦經(jīng)過潛標位置，強勁的流場致使主浮體受到外力而發(fā)生顯著的傾斜，主浮體被下壓的深度最大超過400m。因此，主浮體姿態(tài)的變化可能會對ADCP觀測帶來誤差。通常橫搖和縱搖傾角超過20o的數(shù)據(jù)剔除。在整個觀測時段內(nèi)，除了2017年7月和2018年5月之外，ADCP的姿態(tài)比較穩(wěn)定，且傾角均在20o以內(nèi)（圖8）。特別是從2017年11月至2018年3月，ADCP姿態(tài)相對很穩(wěn)定，但是流速和剪切的條帶狀異常結果仍然出現(xiàn)（圖6和圖7）。因此，儀器的姿態(tài)并非是影響條帶狀異常結果的主要因素。3.4速度誤差閾值質控ADCP測流是基于深度單元內(nèi)水體各向同性假設為前提的，因此，當水體非各向同性時ADCP觀測的速度誤差就會增大，可能會產(chǎn)生數(shù)據(jù)異常。另外，ADCP在發(fā)送Ping脈沖時只有相關幅值足夠大時，測出的流速才是準確的，所以在上文已經(jīng)完成質控的基礎上，進一步通過速度誤差和相關幅值質控剔除異常數(shù)據(jù)。首先，速度誤差閾值設置為0.05m/s，圖9顯示質控后得到流速質量已經(jīng)有較好的改進，明顯的條帶狀異常已經(jīng)去除。然而流速垂向剪切結果顯示，速度誤差閾值質控后仍然存在部分未去除的條帶狀異常（圖10）。相關幅值可以度量深度單元中脈沖與脈沖間的相關性，隨著相關幅值的減小，數(shù)據(jù)的準確性也隨之降低。在比較回波強度和相關幅值關系時發(fā)現(xiàn)異常增大的回波強度對應著大的相關幅值，表明相關幅值太大也是數(shù)據(jù)存在異常的一種體現(xiàn)。因此，本文在速度誤差質控的基礎上進一步對相關幅值設置閾值進行質控。本文將相關幅值范圍定為120～135，超出這個范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)為異常。流速垂向剪切結果顯示經(jīng)過相對幅值質控后，數(shù)據(jù)中的條帶狀異常被有效地去除（圖11），進一步提高了ADCP數(shù)據(jù)質量水平。除此之外，本文也嘗試單獨使用相關幅值進行質控，結果顯示并不能有效地去除條帶狀異常結果。這種條帶狀異常可能是由于不滿足ADCP觀測時要求深度單元內(nèi)水體各向同性假設前提，也可能是由于異常增大的回波強度以及較弱的相關脈沖信號。因此，速度誤差和相關幅值兩種質量控制措施是相輔相成的，需要結合兩者共同開展質量控制，才能有效地去除ADCP條帶狀異常數(shù)據(jù)（圖10和圖11）。4文獻回顧和啟示ADCP條帶狀數(shù)據(jù)異常不僅出現(xiàn)在本文使用的ADCP數(shù)據(jù)中，也出現(xiàn)在其他潛標和海底著陸器站點的ADCP觀測中，但關于這種條帶狀異常數(shù)據(jù)出現(xiàn)的具體原因尚不清楚。本文基于2017年4月在西太平洋（146oE,30oN）布放的一套運行長達429天的深海潛標觀測數(shù)據(jù)，開展了深海錨系潛標ADCP數(shù)據(jù)處理的質量控制研究工作，總結了ADCP質量控制的參數(shù)因子，重點解決了錨系式ADCP流速觀測中存在的條帶狀異常數(shù)據(jù)的質量控制問題。本文得出僅通過速度、良好率、儀器姿態(tài)進行質量控制，水平流速時間序列仍有很多條帶狀的異常分布。特別是流速垂向剪切，異常數(shù)據(jù)仍沒有得到有效地解決，這將不可避免地對研究海洋內(nèi)部能量串級和微尺度的湍流混合估算產(chǎn)生較大的錯誤。本文進一步通過速度誤差和相關幅值對ADCP數(shù)據(jù)進行質量控制，可以有效地去除條帶狀異常數(shù)據(jù)。所以，這種簡單且實用的質量