[發明專利]一種基于三維正壓淺海大陸架模型的深層海流反演方法

在審

• 申請號: 201810366515.1
• 申請日: 2018-04-23
• 公開（公告）號: CN108562896A
• 公開（公告）日: 2018-09-21
• 發明（設計）人: 李自立;劉奧琦;馬駿
• 申請（專利權）人: 廣西師范大學
• 主分類號: G01S13/88
• 分類號: G01S13/88
• 代理公司: 桂林市華杰專利商標事務所有限責任公司 45112
• 代理人: 周雯

一種基于三維正壓淺海大陸架模型的深層海流反演方法，屬高頻地波雷達遙感探測技術領域，采用歸一化的坐標系的三維非線性正壓淺海大陸架模式，利用高頻地波雷達探測到的海洋表面流數據，考慮復雜地形的邊界問題，參數化物理過程，簡化海洋控制方程組，再建立三維網格，采用差分法求解離散方程組進而反演得到相應的深層流數據信息，包括步驟：選擇坐標系；導出歸一化坐標系下的控制方程組；參數化物理過程；迭代法求解方程組得出深層流信息；實測數據與反演結果對比分析。本發明對比試驗結果發現，實測數據曲線圖和反演結果曲線圖的整體趨勢接近，反演曲線可以反映出海洋深層流變化的整體趨勢，符合海洋動力學運動規律。

技術領域

本發明涉及高頻地波雷達遙感探測技術領域，尤其涉及一種基于三維正壓淺海大陸架模型的深層海流反演方法。

背景技術

為了獲得海洋表面以下海流的運動信息，現有技術采用直接接觸測量水體的方式，所以獲得大面積水域的數據則需要投放相當數量的直接測量儀器。該方法對周圍測量環境的要求高，成本高，探測效率低。高頻地波雷達遙感技術是近三十年來發展起來的探測海洋表面動力學參數的技術，覆蓋范圍廣，探測精度和效率都較高。但是由于電磁波在水體中的衰減嚴重，使得高頻地波雷達遙感探測技術僅限于探測海洋水體表面，不能直接獲得海洋內部水體運動的相關信息是高頻地波雷達遙感技術在測量海洋流參數方面的不足。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明所解決的問題是利用高頻地波雷達探測得到的海洋表面流參數信息即可得到深層流參數信息。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是一種基于三維正壓淺海大陸架模型的深層海流反演方法，采用歸一化的坐標系的三維非線性正壓淺海大陸架模式，利用高頻地波雷達探測到的海洋表面流數據，考慮復雜地形的邊界問題，參數化物理過程，簡化海洋控制方程組，再建立三維網格，采用差分法求解離散方程組進而反演得到相應的深層流數據信息，包括如下步驟：

(1)選擇σ坐標系；

假設在高頻地波雷達所探測的每場數據的累積時間內，海水在垂直方向上處于靜力學平衡狀態；海水處于正壓模式，海水不可壓縮，海水的運動速度不隨時間變化而變化；為了便于分層，采用歸一化的σ坐標系，使水淺處與水深處海水都具有相同的垂向分層數，并且每一層的側邊界不再變化，從海底到海面的高度處處規范化為1；

在σ坐標系下x軸和y軸不變，用σ取代z軸，其中z和σ的轉換關系如下：

坐標變換后，設總的海水深度為H＝h+ζ，海洋表面z＝ζ,σ＝0，在海底z＝-h,σ＝-1；

(2)導出歸一化坐標系下的控制方程組；

在σ坐標系中，利用dσ和dz之間的微分系數關系將海洋基本控制方程組中各個方程轉化為如下形式：

1)連續方程表達式如下：

2)方向動量方程的非線性項采用能量二次守恒的半動量形式，表達式如下：

3)流體靜力學方程如下：

表達式中的u、v、w分別代表流速在x、y、σ方向上的分量；H＝h+ζ是總海深；ζ是靜止海面狀態下的浪高；h是靜態水域深度；ρ是海水密度；R是地球半徑；是維度；是科氏參數；Ω是地轉角速度；A_H是水平方向渦動粘滯系數，取常數5000m²/s；A_V是垂直方向渦動粘滯系數；ξ_x,ξ_y是在水平方向渦動粘滯系數中由于海底地形和水位有關的量，接近無窮小，忽略不計；

由公式(02)得到垂直流速的表達式如下：