基于candela方法的船載adcp斷面重復(fù)走航資料潮流分離計(jì)算

基于candela方法的船載adcp斷面重復(fù)走航資料潮流分離計(jì)算

傳統(tǒng)的流動(dòng)測(cè)流方法不滿足對(duì)整個(gè)海域或整個(gè)斷面空間流場(chǎng)的了解，因此很難組織大規(guī)模的海流觀測(cè)或釋放測(cè)流潛標(biāo)。隨著海洋測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步，觀測(cè)海洋數(shù)據(jù)的方法可以解決用傳統(tǒng)方法難以解決的問(wèn)題。然而，海洋數(shù)據(jù)的時(shí)間和空間分布是不均勻的。傳統(tǒng)的協(xié)調(diào)分析方法不能有效地分離船寬數(shù)據(jù)中的趨勢(shì)。因此，為了更好地應(yīng)用和分析船寬數(shù)據(jù)中的趨勢(shì)，有必要通過(guò)其他方法有效分離船寬數(shù)據(jù)中的趨勢(shì)。如果趨勢(shì)是從船載的adcp數(shù)據(jù)中分離出來(lái)，則可以獲得船寬和其他海上趨勢(shì)的空間結(jié)構(gòu)，并分析流程的動(dòng)態(tài)和運(yùn)動(dòng)學(xué)特征。因此，通用域名格式中的趨勢(shì)分離方法具有廣闊的應(yīng)用前景。Foreman等在1991年提出了使用潮汐預(yù)報(bào)的數(shù)值模型從船載ADCP資料中去除潮流的方法,并對(duì)范庫(kù)弗峰島西南沿岸3d的ADCP資料進(jìn)行了潮流分離.但是這種方法過(guò)于依賴潮汐預(yù)報(bào)數(shù)值模型的精度,而且對(duì)于比較復(fù)雜的海區(qū)誤差較大.Candela等于1992年在傳統(tǒng)調(diào)和分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行邏輯推廣,提出了新的潮流分離方法,并對(duì)中國(guó)黃海5d的ADCP資料進(jìn)行潮流分離.該方法主要是把測(cè)得的海流表示成潮流和余流的總和,然后用最小二乘法計(jì)算潮流和余流函數(shù)的系數(shù),最后得到潮流分離結(jié)果.此后的一些潮流分離方法都是在Candela方法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的.這些方法的應(yīng)用同時(shí)推動(dòng)了船載ADCP測(cè)量方法廣泛地應(yīng)用于海洋調(diào)查和科學(xué)研究.我們的方法是在Candela方法的基礎(chǔ)上,選用高斯函數(shù)作為基函數(shù),采用Matlab運(yùn)算程序,對(duì)船載ADCP斷面重復(fù)走航資料進(jìn)行潮流分離計(jì)算的.為了與傳統(tǒng)準(zhǔn)調(diào)和分析方法區(qū)別,在下文中把我們的方法簡(jiǎn)稱為Candela方法.1研究區(qū)域和數(shù)據(jù)處理1.1b計(jì)算點(diǎn)分布研究區(qū)域是廈門港嵩嶼與鼓浪嶼之間嵩鼓水道的一條斷面(圖1).該斷面從嵩嶼海岸向外200m水深快速增加,直到水深12～16m,在斷面中部水深最大達(dá)到14～18m左右,向東到鼓浪嶼水深基本在6～8m.大潮和小潮的最高和最低水位時(shí)的地形圖如圖2所示.計(jì)算點(diǎn)分布,從嵩嶼到鼓浪嶼分成14個(gè)計(jì)算點(diǎn),分別記為S1、S2、S3…S14,如圖3所示.1.2船載adcp的觀測(cè)資料及處理數(shù)據(jù)采用“廈門西海域暨同安灣整治開(kāi)發(fā)相關(guān)的水動(dòng)力和懸浮泥沙全潮變化調(diào)查研究”中嵩鼓水道船載ADCP斷面重復(fù)走航觀測(cè)的海流資料.其中包含2003年4月18日12時(shí)至19日15時(shí)共大約27h,及2003年4月24日12時(shí)至25日15時(shí)大約27h,總共大約54h的觀測(cè)資料,每9s一組垂向觀測(cè)數(shù)據(jù).對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)控等處理,主要條件如下:(1)船載ADCP數(shù)據(jù)資料的完好率在80%以上;(2)船速小于6kn;(3)選擇水深為5m的數(shù)據(jù);(4)把流速分解為東分量和北分量,時(shí)間采用JULIAN格式,單位為h.2兩種方法的對(duì)比對(duì)于傳統(tǒng)準(zhǔn)調(diào)和分析方法,就某一特定測(cè)點(diǎn)(在離該點(diǎn)17m范圍內(nèi),即認(rèn)為是該點(diǎn)的數(shù)據(jù))而言,僅數(shù)個(gè)船載ADCP觀測(cè)資料尚不足以對(duì)該測(cè)點(diǎn)進(jìn)行短期的潮流準(zhǔn)調(diào)和分析.經(jīng)過(guò)初步分析表明在該測(cè)點(diǎn)20次以上的ADCP觀測(cè)可以通過(guò)短期的潮流準(zhǔn)調(diào)和分析方法得到該測(cè)點(diǎn)實(shí)用的潮流調(diào)和常數(shù).當(dāng)然隨著觀測(cè)次數(shù)的增加,分析結(jié)果的精度可進(jìn)一步提高.本研究利用船載ADCP,分別于大潮和小潮大約27h的時(shí)間內(nèi),在廈門港嵩鼓水道進(jìn)行斷面多次的重復(fù)走航觀測(cè),使在某一特定測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)次數(shù)達(dá)到30次以上,進(jìn)行短期的準(zhǔn)調(diào)和分析,對(duì)Candela方法進(jìn)行驗(yàn)證.對(duì)于Candela方法,在某一觀測(cè)層次水深,海流分解為東分量u(海流北分量v與之相似),表示如下:u(x,y,t)=u0(x,y)+∑Ni=1aicos(ωit?θi)=u0(x,y)+∑Ni=1{bi(x,y)cos(ωit)+ci(x,y)sin(ωit)}u(x,y,t)=u0(x,y)+∑Νi=1aicos(ωit-θi)=u0(x,y)+∑Νi=1{bi(x,y)cos(ωit)+ci(x,y)sin(ωit)}其中:ai=(b2i+c2i)1/2?θi=arctan(cibi)ai=(bi2+ci2)1/2?θi=arctan(cibi)式中:u(x,y,t)是給定水深某點(diǎn)(x,y)t時(shí)刻觀測(cè)值的東分量,u0(x,y)是選定網(wǎng)格內(nèi)的余流東分量,ωi、ai和θi分別是第i個(gè)分潮的頻率、振幅和相位,N為分潮的個(gè)數(shù).我們?cè)谟?jì)算中,選用高斯函數(shù)作為基函數(shù),把u0(x,y)、bi(x,y)和ci(x,y)分別表示如下:u0(x,y)=λiexp[?(x?xi)2+(y?yi)22L2]bi(x,y)=αiexp[?(x?xi)2+(y?yi)22L2]ci(x,y)=βiexp[?(x?xi)2+(y?yi)22L2]u0(x,y)=λiexp[-(x-xi)2+(y-yi)22L2]bi(x,y)=αiexp[-(x-xi)2+(y-yi)22L2]ci(x,y)=βiexp[-(x-xi)2+(y-yi)22L2]式中L=0.05,選擇節(jié)點(diǎn)數(shù)為K=9.通過(guò)計(jì)算λi、αi和βi后可計(jì)算余流和各分潮要素.所計(jì)算的分潮為M2、S2、K1、O1、M4和MS4等6個(gè)分潮.3計(jì)算結(jié)果和分析3.1兩種方法計(jì)算結(jié)果對(duì)比對(duì)14個(gè)計(jì)算點(diǎn)的余流計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析比較,共有14個(gè)樣本數(shù)據(jù).如圖4a、b所示,Candela方法計(jì)算所得余流與傳統(tǒng)準(zhǔn)調(diào)和分析法計(jì)算所得余流在大、小潮時(shí)總體上是非常的相近.3.1.1余流方向的相關(guān)性大潮時(shí),Candela方法計(jì)算所得余流與傳統(tǒng)準(zhǔn)調(diào)和分析法計(jì)算所得余流的相關(guān)性很高,其相關(guān)系數(shù)為0.9697;相應(yīng)的余流方向的相關(guān)性更高,其相關(guān)系數(shù)為0.9982(圖5a、b).小潮時(shí),Candela方法計(jì)算所得余流與傳統(tǒng)準(zhǔn)調(diào)和分析法計(jì)算所得余流的相關(guān)性比大潮的低,不過(guò)其系數(shù)也達(dá)到0.8521;相應(yīng)的余流方向的相關(guān)性也很高,相關(guān)系數(shù)為0.9865(圖5c、d).3.1.2兩種方法計(jì)算的平均相對(duì)誤差大潮時(shí),Candela方法計(jì)算所得余流與傳統(tǒng)準(zhǔn)調(diào)和分析法計(jì)算所得余流的平均相對(duì)誤差為0.065,其相應(yīng)的流向平均相對(duì)誤差為0.023.而在小潮時(shí),Candela方法計(jì)算所得余流與傳統(tǒng)準(zhǔn)調(diào)和分析法計(jì)算所得余流的平均相對(duì)誤差為0.150,其相應(yīng)的流向平均相對(duì)誤差為0.027.3.1.3傳統(tǒng)調(diào)和分析法可信由上述分析可見(jiàn),這兩種方法計(jì)算的余流及其方向的相關(guān)性很高(在樣本數(shù)為14,置信度為α=1%時(shí),相關(guān)系數(shù)大于0.6610,可認(rèn)為結(jié)果是可信的),而平均相對(duì)誤差也很小.據(jù)此,可認(rèn)為在傳統(tǒng)調(diào)和分析法可信的情況下,Candela方法的分析也是可信的.3.2分潮分析對(duì)14個(gè)計(jì)算點(diǎn)的M2、S2、K1、O1、M4和MS4等6個(gè)分潮的計(jì)算結(jié)果(共有84個(gè)樣本數(shù)據(jù))進(jìn)行分析比較.3.2.1分潮長(zhǎng)度和分潮短軸的相關(guān)性分析大潮時(shí),Candela方法計(jì)算所得分潮長(zhǎng)軸與傳統(tǒng)準(zhǔn)調(diào)和分析法計(jì)算所得長(zhǎng)軸的相關(guān)性很高,其相關(guān)系數(shù)為0.9838;相應(yīng)分潮長(zhǎng)軸方向的相關(guān)性也很高,相關(guān)系數(shù)為0.8960;相應(yīng)分潮短軸的相關(guān)性系數(shù)為0.2335(圖6a-c).小潮時(shí),Candela方法計(jì)算所得分潮長(zhǎng)軸與傳統(tǒng)準(zhǔn)調(diào)和分析法計(jì)算所得長(zhǎng)軸的相關(guān)性很高,其相關(guān)系數(shù)為0.9656;相應(yīng)的分潮長(zhǎng)軸方向的相關(guān)性很高,相關(guān)系數(shù)為0.7555;相應(yīng)分潮短軸的相關(guān)性系數(shù)為0.2209(圖6d-f).3.2.2分潮長(zhǎng)度和短軸相對(duì)誤差大潮時(shí),Candela方法計(jì)算所得分潮長(zhǎng)軸與傳統(tǒng)準(zhǔn)調(diào)和分析法計(jì)算所得長(zhǎng)軸的平均相對(duì)誤差為0.375,其相應(yīng)的分潮長(zhǎng)軸方向平均相對(duì)誤差為0.071,相應(yīng)的分潮短軸平均相對(duì)誤差為0.753;而在小潮時(shí),Candela方法計(jì)算所得分潮長(zhǎng)軸與傳統(tǒng)準(zhǔn)調(diào)和分析法計(jì)算所得長(zhǎng)軸的平均相對(duì)誤差為0.287,其相應(yīng)的分潮長(zhǎng)軸方向平均相對(duì)誤差為0.254,相應(yīng)的分潮短軸平均相對(duì)誤差為0.849.3.2.3分潮長(zhǎng)度與相關(guān)系數(shù)由上述分析可見(jiàn),兩種方法計(jì)算的分潮長(zhǎng)軸及其方向的相關(guān)性很高(在樣本數(shù)為84,置信度為α=1%時(shí),相關(guān)系數(shù)大于0.283,認(rèn)為結(jié)果是可信的),相應(yīng)的分潮長(zhǎng)軸的相關(guān)性略低.但是在樣本數(shù)為84,置信度為α=5%時(shí),相關(guān)系數(shù)均大于0.217,也認(rèn)為在置信度為α=5%時(shí),計(jì)算結(jié)果是可信的;而平均相對(duì)誤差則略顯較大.總體認(rèn)為在傳統(tǒng)準(zhǔn)調(diào)和分析法可信的情況下,Candela方法的分析也是可信的,而分潮的誤差略大.4兩種方法對(duì)于分潮的計(jì)算通過(guò)對(duì)結(jié)果的分析比較,說(shuō)明我們采用的船載ADCP資料的潮流分離方法是比較成功的,總結(jié)如下:(1)Candela方法與傳統(tǒng)準(zhǔn)調(diào)和分析方法計(jì)算得到的余流相關(guān)性非常高,相對(duì)誤差也很小.(2)Candela方法對(duì)分潮的計(jì)算,長(zhǎng)軸和長(zhǎng)軸方向與采用傳統(tǒng)調(diào)和分析方法計(jì)算得到的相