基于candela方法的船載adcp斷面重復(fù)走航資料潮流分離計算

基于candela方法的船載adcp斷面重復(fù)走航資料潮流分離計算

傳統(tǒng)的流動測流方法不滿足對整個海域或整個斷面空間流場的了解，因此很難組織大規(guī)模的海流觀測或釋放測流潛標。隨著海洋測量技術(shù)的進步，觀測海洋數(shù)據(jù)的方法可以解決用傳統(tǒng)方法難以解決的問題。然而，海洋數(shù)據(jù)的時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。因此，為了更好地應(yīng)用和分析船寬數(shù)據(jù)中的趨勢，有必要通過其他方法有效分離船寬數(shù)據(jù)中的趨勢。如果趨勢是從船載的adcp數(shù)據(jù)中分離出來，則可以獲得船寬和其他海上趨勢的空間結(jié)構(gòu)，并分析流程的動態(tài)和運動學(xué)特征。因此，通用域名格式中的趨勢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)報的數(shù)值模型從船載ADCP資料中去除潮流的方法,并對范庫弗峰島西南沿岸3d的ADCP資料進行了潮流分離.但是這種方法過于依賴潮汐預(yù)報數(shù)值模型的精度,而且對于比較復(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)上進行邏輯推廣,提出了新的潮流分離方法,并對中國黃海5d的ADCP資料進行潮流分離.該方法主要是把測得的海流表示成潮流和余流的總和,然后用最小二乘法計算潮流和余流函數(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)展起來的.這些方法的應(yīng)用同時推動了船載ADCP測量方法廣泛地應(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運算程序,對船載ADCP斷面重復(fù)走航資料進行潮流分離計算的.為了與傳統(tǒng)準調(diào)和分析方法區(qū)別,在下文中把我們的方法簡稱為Candela方法.1研究區(qū)域和數(shù)據(jù)處理1.1b計算點分布研究區(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的地形圖如圖2所示.計算點分布,從嵩嶼到鼓浪嶼分成14個計算點,分別記為S1、S2、S3…S14,如圖3所示.1.2船載adcp的觀測資料及處理數(shù)據(jù)采用“廈門西海域暨同安灣整治開發(fā)相關(guān)的水動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)走航觀測的海流資料.其中包含2003年4月18日12時至19日15時共大約27h,及2003年4月24日12時至25日15時大約27h,總共大約54h的觀測資料,每9s一組垂向觀測數(shù)據(jù).對數(shù)據(jù)進行質(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,時間采用JULIAN格式,單位為h.2兩種方法的對比對于傳統(tǒng)準調(diào)和分析方法,就某一特定測點(在離該點17m范圍內(nèi),即認為是該點的數(shù)據(jù))而言,僅數(shù)個船載ADCP觀測資料尚不足以對該測點進行短期的潮流準調(diào)和分析.經(jīng)過初步分析表明在該測點20次以上的ADCP觀測可以通過短期的潮流準調(diào)和分析方法得到該測點實用的潮流調(diào)和常數(shù).當(dāng)然隨著觀測次數(shù)的增加,分析結(jié)果的精度可進一步提高.本研究利用船載ADCP,分別于大潮和小潮大約27h的時間內(nèi),在廈門港嵩鼓水道進行斷面多次的重復(fù)走航觀測,使在某一特定測點的觀測次數(shù)達到30次以上,進行短期的準調(diào)和分析,對Candela方法進行驗證.對于Candela方法,在某一觀測層次水深,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(x,y)t時刻觀測值的東分量,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個分潮的頻率、振幅和相位,N為分潮的個數(shù).我們在計算中,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)點數(shù)為K=9.通過計算λi、αi和βi后可計算余流和各分潮要素.所計算的分潮為M2、S2、K1、O1、M4和MS4等6個分潮.3計算結(jié)果和分析3.1兩種方法計算結(jié)果對比對14個計算點的余流計算結(jié)果進行分析比較,共有14個樣本數(shù)據(jù).如圖4a、b所示,Candela方法計算所得余流與傳統(tǒng)準調(diào)和分析法計算所得余流在大、小潮時總體上是非常的相近.3.1.1余流方向的相關(guān)性大潮時,Candela方法計算所得余流與傳統(tǒng)準調(diào)和分析法計算所得余流的相關(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,Candela方法計算所得余流與傳統(tǒng)準調(diào)和分析法計算所得余流的相關(guān)性比大潮的低,不過其系數(shù)也達到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).3.1.2兩種方法計算的平均相對誤差大潮時,Candela方法計算所得余流與傳統(tǒng)準調(diào)和分析法計算所得余流的平均相對誤差為0.065,其相應(yīng)的流向平均相對誤差為0.023.而在小潮時,Candela方法計算所得余流與傳統(tǒng)準調(diào)和分析法計算所得余流的平均相對誤差為0.150,其相應(yīng)的流向平均相對誤差為0.027.3.1.3傳統(tǒng)調(diào)和分析法可信由上述分析可見,這兩種方法計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,相關(guān)系數(shù)大于0.6610,可認為結(jié)果是可信的),而平均相對誤差也很小.據(jù)此,可認為在傳統(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14個計算點的M2、S2、K1、O1、M4和MS4等6個分潮的計算結(jié)果(共有84個樣本數(shù)據(jù))進行分析比較.3.2.1分潮長度和分潮短軸的相關(guān)性分析大潮時,Candela方法計算所得分潮長軸與傳統(tǒng)準調(diào)和分析法計算所得長軸的相關(guān)性很高,其相關(guān)系數(shù)為0.9838;相應(yīng)分潮長軸方向的相關(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,Candela方法計算所得分潮長軸與傳統(tǒng)準調(diào)和分析法計算所得長軸的相關(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分潮長度和短軸相對誤差大潮時,Candela方法計算所得分潮長軸與傳統(tǒng)準調(diào)和分析法計算所得長軸的平均相對誤差為0.375,其相應(yīng)的分潮長軸方向平均相對誤差為0.071,相應(yīng)的分潮短軸平均相對誤差為0.753;而在小潮時,Candela方法計算所得分潮長軸與傳統(tǒng)準調(diào)和分析法計算所得長軸的平均相對誤差為0.287,其相應(yīng)的分潮長軸方向平均相對誤差為0.254,相應(yīng)的分潮短軸平均相對誤差為0.849.3.2.3分潮長度與相關(guān)系數(shù)由上述分析可見,兩種方法計算的分潮長軸及其方向的相關(guān)性很高(在樣本數(shù)為84,置信度為α=1%時,相關(guān)系數(shù)大于0.283,認為結(jié)果是可信的),相應(yīng)的分潮長軸的相關(guān)性略低.但是在樣本數(shù)為84,置信度為α=5%時,相關(guān)系數(shù)均大于0.217,也認為在置信度為α=5%時,計算結(jié)果是可信的;而平均相對誤差則略顯較大.總體認為在傳統(tǒng)準調(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.4兩種方法對于分潮的計算通過對結(jié)果的分析比較,說明我們采用的船載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)準調(diào)和分析方法計算得到的余流相關(guān)性非常高,相對誤差也很小.(2)Candela方法對分潮的計算,長軸和長軸方向與采用傳統(tǒng)調(diào)和分析方法計算得到的相