[发明专利]一种海洋用长时间随涡观测系统及设计方法

说明书

本发明涉及海洋观测设备技术领域，具体涉及一种海洋用长时间随涡观测系统及设计方法。随涡观测系统，包括从海洋表面向下依次设置的海表浮球、包塑钢缆、上阻尼块、升降平台、下阻尼块、张紧锤、系缆、伸缩缆以及水帆；设计方法包括全球涡旋及背景三维流场数据集的收集、涡‑流一致性分析与规律统计、随涡观测系统中水帆部署深度的确定、水帆具体尺寸的设计。随涡观测系统可以实现最大概率地与涡心同步，相比于只受表层流驱动的Drifter、不具备跟流性的Argo等常规移动设备，具有随涡时间长，观测效果好的优势；另外本申请从大数据统计和理论分析等角度上给出了现场观测系统实现长时间随涡的方法论，可为所有随涡观测系统的设计提供理论基础和依据。

技术领域

本发明涉及海洋观测设备技术领域，具体涉及一种海洋用长时间随涡观测系统及设计方法。

背景技术

海洋涡旋在海洋中无处不在、无时不有、数以万计、大小不一，其水平尺度从几公里到几百公里、垂直尺度从几十米到几百米、时间尺度从几天到几年、每天传播速度在公里量级，并具有水平局部搅拌、垂直生化通量、区域裹挟传输和三维剖面结构特征，是研究物质循环、能量级联和圈层耦合的理想载体。

随着涡旋海洋学研究的不断深入，贯穿涡旋主要生命阶段的涡旋剖面多参数获取成为涡旋交叉学科发展的迫切需求。目前用于涡旋观测的卫星遥感手段仅能观测海表参数信息，尚无法实现剖面三维观测；常规的潜标、漂流浮标、Argo浮标、Glider等现场观测手段在长期随涡、多传感器搭载、总剖面数获取等方面均存在一定程度的不足或限制。另外目前观测系统在涡旋中的投放深度位置通常依靠实践经验进行放置，并没有其确切的方法论可以参考，观测效果并不理想。因此，发展一种具有长时间跟涡功能和多参数高分辨剖面获取能力的现场随涡系统尤为迫切且意义重大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种海洋用长时间随涡观测系统及设计方法，以解决上述背景技术中存在的现有技术问题。

为解决上述的技术问题，本发明提供的技术方案为：提供了一种海洋用长时间随涡观测系统的设计方法，包括以下步骤：

步骤一：数据集收集；以中国海洋大学海洋信息技术实验室提供的全球涡旋识别与追踪数据集，和全球监测与预报中心CMEMS提供的全球海洋三维垂直分层流场再分析数据集GLORYS2V4为来源，共同作为数据分析的数据基础；

步骤二：涡-流一致性分析与规律统计；基于步骤一中获取的涡旋数据集和三维流场数据集，开展同一时空下的不同深度处背景流场大小、方向分别与涡速、涡向的一致性概率统计分析，得到特定海域、不同特征涡旋的涡向-流向最大概率一致性的深度h₁和涡速-流速最大概率一致性的深度h₂这一普适规律；

步骤三：随涡观测系统中水帆部署深度确定；将步骤二中得到的涡向-流向最大概率一致性出现的深度h₁作为水帆的最佳部署深度；

步骤四：水帆具体尺寸计算与设计；基于随涡观测系统与涡旋同步运动的原则，将水帆作为随涡观测系统的动力源、除水帆以外的其它部件作为阻力源；针对目标海域的待测涡旋，根据步骤二得到的该区域涡-流一致性规律，对随涡观测系统的各部件受力情况分析，建立随涡观测系统整体的动力学方程，计算得到在不同海域、不同涡旋类型、实现长时间跟涡观测的水帆设计尺寸。

在上述技术方案基础上，所述步骤四中除水帆以外其它部件作为阻力源的阻力值计算方法包括：

S1，分层流场值确定；对该深度内的流场分别进行流速和流向插值，得到第i米深度处的分层流场其中，以涡旋运动方向为x轴正方向；

S2,除水帆外的其它部件总迎流影响计算；除水帆外其它部件单位长度迎流面积分别乘以各自所在深度处流速沿涡向分量大小，积分得到其它部件在整个剖面流场内的总迎流影响，即A_余，总：