[發(fā)明專利]一種淺層海水溫度時(shí)空預(yù)示方法

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• 申請日: 2022-11-02
• 公開（公告）號: CN115729977A
• 公開（公告）日: 2023-03-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馬小兵;紀(jì)皓迪;蔡義坤
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G06F16/2458
• 分類號: G06F16/2458;G06F16/248;G06F17/18;G01K3/00;G01D21/02
• 代理公司: 北京慧泉知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

1.一種淺層海水溫度時(shí)空預(yù)示方法，其特征在于：需建立如下基本設(shè)置：

設(shè)置1：在對海水溫度場進(jìn)行預(yù)測時(shí)，在水平方向上將海水溫度視為隨機(jī)場，根據(jù)地理學(xué)第一定律，地理空間上的所有值都是互相聯(lián)系的，且距離近的值聯(lián)系更強(qiáng)；

設(shè)置2：海水溫度場隨機(jī)過程為固有平穩(wěn)過程，即隨機(jī)場的數(shù)學(xué)期望存在，且與位置無關(guān)；對隨機(jī)場內(nèi)任意兩點(diǎn)，其協(xié)方差函數(shù)僅是點(diǎn)間歐氏距離的函數(shù)；

式中：Z為待插值的估算點(diǎn)，Z_i為第i個(gè)樣本的實(shí)測點(diǎn)，m為參與計(jì)算的實(shí)測樣本個(gè)數(shù)，λ_i為第i個(gè)樣本點(diǎn)的權(quán)重系數(shù)；

設(shè)置3：在海水深度200米以下的海域，設(shè)其海水溫度不隨季節(jié)存在明顯變化，隨深度變化緩慢，在水平方向上僅存在由海水流動引起的微小溫差，海水溫度在10攝氏度浮動；

設(shè)置4：海水表面溫度受太陽輻照影響，具有周期波動特性和隨機(jī)波動特性，總體溫度在年平均值附件周期變化；

設(shè)置5：位于混合層的海水由于大氣風(fēng)場、海水流動的自然環(huán)境因素混合作用，形成了一層物理化學(xué)性質(zhì)相同的區(qū)域，因此設(shè)混合層的海水溫度處相等，對海水溫度垂直結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行簡化；

基于上述基本設(shè)置，步驟如下：

步驟一：采集淺層海水溫度環(huán)境數(shù)據(jù)

充足的海水溫度數(shù)據(jù)是建立海水預(yù)示模型的基礎(chǔ)，為后續(xù)步驟起支撐作用；海水溫度數(shù)據(jù)由兩種渠道獲取，分別為艦船遠(yuǎn)洋航行監(jiān)測數(shù)據(jù)和公開環(huán)境數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)；在艦船遠(yuǎn)洋航行過程中，記錄艦船航行軌跡，使用海水監(jiān)測工作站連續(xù)采集海水環(huán)境數(shù)據(jù)，采集參數(shù)包括采集時(shí)間、海水溫度、海水采集的深度，采集完成后完成艦船遠(yuǎn)洋航行過程中海水環(huán)境數(shù)據(jù)的整理，要求每條數(shù)據(jù)包括海水溫度、經(jīng)緯度、時(shí)間(精確到年、月、日或年、月)、深度四個(gè)指標(biāo)；公開環(huán)境數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)目前包括世界海洋數(shù)據(jù)集(world ocean database,WOD)、全球海洋觀測網(wǎng)(array for real-time geostrophic oceanography,ARGO)、世界氣候數(shù)據(jù)中心(world data center for climate，WDCC)，要求每條從數(shù)據(jù)庫采集的數(shù)據(jù)包括海水溫度、經(jīng)緯度、時(shí)間、深度四個(gè)指標(biāo)；

步驟二：建立海水表面溫度時(shí)序模型

在海洋環(huán)境中，海水表面溫度受太陽輻照的影響而動態(tài)變化，因此具有明顯的隨季節(jié)變化的周期波動特性；此外，洋流和大氣流動也會對海水表面溫度形成擾動，因此海水表面溫度還具有隨機(jī)波動特性；基于海水表面溫度的以上兩種特性，通過三角函數(shù)建立海水表面溫度時(shí)序模型：

式中：T_S(t)表示t月份的海水表面平均溫度，T₀為常數(shù)，用于描述海水表面溫度的季節(jié)性變化特征，T₁為海水表面溫度年波動幅值，τ和為波動周期和相位，與經(jīng)緯度位置有關(guān)；ε(t)為隨機(jī)波動項(xiàng)，通常情況下，ε(t)服從均值為0，方差為σ²(t)的正態(tài)分布，即ε(t)～N(0,σ²(t))；

由于太陽輻照受地球公轉(zhuǎn)影響，因此海水表面溫度的季節(jié)性變化周期為12個(gè)月，即τ＝12，T₀表示了海水表面溫度的年均值，通過計(jì)算海水年均溫度得到；海水表面溫度年波動幅值T₁和相位與太陽直射區(qū)域有關(guān)，是隨經(jīng)緯度變化的，需要通過某一地點(diǎn)的海水表面溫度數(shù)據(jù)具體擬合得到；ε(t)由從溫度數(shù)據(jù)中移除波動項(xiàng)后估計(jì)出，在不考慮海水溫度置信區(qū)間預(yù)示時(shí)能忽略；

步驟三：建立淺層海水溫度垂直結(jié)構(gòu)模型

對于淺層海水，垂直剖面溫度結(jié)構(gòu)由混合層、溫躍層構(gòu)成；混合層近似為穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，海水溫度等于海水表面溫度；由于溫躍層內(nèi)海水深度200米以上的海水溫度下降速率隨深度的增加而下降；在海水深度200米以下的區(qū)域，設(shè)其海水溫度不隨季節(jié)存在明顯變化，隨深度變化緩慢，在水平方向上僅存在由海水流動引起的微小溫差，海水溫度在10攝氏度浮動；因此混合層海水溫度等同于表面溫度，溫躍層內(nèi)的海水溫度能表達(dá)為海水表面溫度、溫度梯度參數(shù)和深度的指數(shù)函數(shù)形式：

T_h＝T_S,h＜h_th (4)

T_h＝(T_S-10)·exp[-b·(h-h_th)]+10,h＞h_th (5)

式中：T_h表示深度為h時(shí)的海水溫度，h_th表示海水溫躍層上界，b表示海水溫度梯度參數(shù)；

對于式(4)-(5)的淺層海水溫度垂直結(jié)構(gòu)模型，適用范圍為海平面以下200m深度范圍內(nèi)；在此模型中，海水溫躍層上界h_th需要通過判斷溫度變化速率確定；海水溫躍層上界判別方法采用垂直梯度法，即垂直方向上的最低溫度梯度0.05攝氏度/米來判定溫躍層上界；

步驟四：建立淺層海水溫度垂直結(jié)構(gòu)時(shí)變模型

在淺層海水溫度垂直結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，引入時(shí)變函數(shù)來描述淺層海水溫度垂直結(jié)構(gòu)的時(shí)變特性，即能建立淺層海水溫度垂直結(jié)構(gòu)時(shí)變模型，具體為：

對于使用式(4)-(5)描述的淺層海水溫度垂直結(jié)構(gòu)模型，共含有h_th和b兩個(gè)隨時(shí)間變化的待定參數(shù)，因此引入時(shí)變函數(shù)來描述h_th和b隨季節(jié)變化的特性；海水溫躍層上界h_th隨時(shí)間變化的模型應(yīng)與表面海水溫度一樣：

式中：h_th(t)表示t月份的淺層海水溫躍層上界深度，h₀為常數(shù)，用于描述淺層海水溫躍層上界深度的季節(jié)性變化特征，h₁為淺層海水溫躍層上界深度年波動幅值，τ和為波動周期和相位，與表面海水的波動周期和相位相同；

由于設(shè)置3中限定海平面200米以下深度的海水溫度已不受季節(jié)影響，淺層海水溫度指數(shù)模型的參數(shù)b由混合層溫度決定，而混合層溫度與海水表面溫度相似，因此淺層海水溫度指數(shù)模型的參數(shù)b隨時(shí)間變化的模型也應(yīng)與表面海水溫度相同：

式中：b(t)表示t月份的淺層海水溫度指數(shù)模型的參數(shù)，b₀為常數(shù)，用于描述淺層海水溫度指數(shù)模型的參數(shù)的季節(jié)性變化特征，b₁為淺層海水溫度指數(shù)模型的參數(shù)年波動幅值，τ和為波動周期和相位，與表面海水的波動周期和相位相同；

式(6)和(7)中包含的兩個(gè)常數(shù)h₀和b₀分別反應(yīng)了淺層海水溫躍層上界深度和淺層海水溫度指數(shù)模型的參數(shù)的年均值，通過計(jì)算連續(xù)12個(gè)月的常數(shù)均值得到；h₁和b₁兩個(gè)年波動幅值參數(shù)由擬合回歸得出；

步驟五：建立淺層海水溫度時(shí)空預(yù)示模型

淺層海水溫度垂直結(jié)構(gòu)時(shí)變模型描述了某一地點(diǎn)海水垂直溫度隨時(shí)間變化的規(guī)律，但在海洋自然環(huán)境條件下，海水不僅在時(shí)間尺度上存在連續(xù)的變化，在空間尺度上同樣存在不同的變化規(guī)律；因此在淺層海水溫度垂直結(jié)構(gòu)時(shí)變模型基礎(chǔ)上還需建立海水溫度水平結(jié)構(gòu)模型，以獲取大范圍同步海洋溫度數(shù)據(jù)；采用基于克里金插值方法來描述海水溫度的水平結(jié)構(gòu)，具體為：

將淺層海水溫度垂直結(jié)構(gòu)時(shí)變模型的參數(shù)向量時(shí)間數(shù)據(jù)與經(jīng)緯度對應(yīng)，開展克里金插值計(jì)算，求解克里金方程組，得到的不同經(jīng)緯度下的淺層海水溫度垂直結(jié)構(gòu)時(shí)變模型參數(shù)向量實(shí)現(xiàn)淺層海水溫度時(shí)空預(yù)示功能。