一种基于垂直微尺度剖面仪的湍流参数处理方法与流程

本发明涉及海洋动力学领域，具体涉及一种基于垂直微尺度剖面仪的湍流参数处理方法。

背景技术：

湍流在海洋中无处不在，相较于分子混合，湍流是海水微团的不规则运动，其导致的混合效应和交换能力要远远大于分子产生的宏观混合，但由于湍流的随机性与高非线性，对于湍流的研究更有赖于对湍流数据的获取以及观测技术的进步。目前对湍流的观测仪器主要包括声学多普勒流速剖面仪(adcp)、声学多普勒流速点式仪(adv)以及垂直微尺度剖面仪(vmp)等。adv虽然能够获取高频流速脉动来估计湍动能耗散率，但只能实现单点的测量，而使用adcp由方差法来估计湍动能生成率，精度较低。相较于前两者，微尺度剖面仪配备有高频的流速剪切、温度及电导率探头，通过积分流速剪切谱直接计算湍动能耗散率，可以实现对全水深的湍流更高质量的观测。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种基于垂直微尺度剖面仪的湍流参数处理方法，目的是利用高频流速剪切得到湍动能耗散率剖面，并进一步推算得到垂向湍扩散系数的剖面，从而获得更为精确的湍流混合观测结果。技术方案如下：

一种基于垂直微尺度剖面仪的湍流参数处理方法，包括以下步骤：

(1)固定海域投放微尺度剖面仪获取随时间变化的高频电压信号，并将信号转换为相应物理单位的流速剪切、温度、电导率原始数据；

(2)对所获得的流速剪切、温度、电导率原始数据进行质量控制：通过计算局部标准差去掉原始数据中的大振幅奇异值，对剪切数据进行带通滤波，去除高频噪音与低频波动的影响；由温度、电导率观测计算水体的位势密度进而得到浮力频率；

(3)计算湍动能耗散率：首先以2m为间隔处理高频剪切数据，利用快速傅里叶转换得到剪切功率谱，之后使用goodman相干噪音去除方法消除仪器振动噪音，以剪切谱可分辨的最低波数作为积分下限，选定剪切谱的极小值点作为积分上限初始值，积分剪切谱得到初始湍动能耗散率，计算对应的理论谱即nasmyth谱并与实测谱进行比较，理论谱小于实测谱时增大积分上限，反之则减小积分上限，反复迭代直至两者的误差最小，确定为最终的积分上限，从而得到该深度处的湍动能耗散率，最后对整个剖面进行50％重叠计算得到空间分辨率为1m的耗散率剖面；

(4)垂向湍扩散系数计算：结合湍动能耗散率与浮力频率计算垂向湍扩散系数。

本发明基于垂直微尺度剖面仪的湍流参数处理方法，利用翼型剪切探头获取高频流速剪切数据，通过找到与实测剪切谱拟合最佳的nasmyth理论谱来确定积分上限，积分剪切谱得到湍动能耗散率与垂向湍扩散系数。相比于声学仪器的观测，微尺度剖面仪可以获得更为高频的剖面数据；相比于以往的处理方法，本发明考虑到仪器采样过程中的噪音污染，直接积分剪切谱来实现对脉动流速剪切方差的计算，可以获得更高质量的湍流参数，方法更加直接，结果更为精确。

附图说明

图1基于垂直微尺度剖面仪的湍流参数处理方法示意图；

图2拟合剪切谱求解湍动能耗散率示意图；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明实施例介绍了一种基于垂直微尺度剖面仪的湍流参数处理方法，目的在于提供一种利用微尺度剖面仪数据计算湍动能耗散率与垂向湍扩散系数的处理思路，具体实施步骤如下：

1、数据获取：将微尺度剖面仪使用船载绞车在调查海域进行定点投放，下放过程中使缆绳保持松弛状态以保证仪器自由下落，避免系缆引起的仪器振动，利用仪器配备的高频探头获得剪切、电导率以及温度的高频电信号，结合相应参数及公式转换为物理单位下的原始数据。

2、对所获得的原始数据进行质量控制，过程如下：

(21)对所有数据通过计算局部标准差的方法去除大振幅奇异值，计算数据对时间的一阶导数及导数的局部标准差，将两者比值超过某一设定阈值的信号作为尖峰去除，并用尖峰两端信号的平均值代替。

(22)剪切数据的进一步处理：使用数字滤波器对剪切数据进行带通滤波以去除低频脉动与高频噪音的影响，低通频率设为98hz(对应波数约140cpm),高通频率设为0.7hz(对应波数约1cpm)(图2(a))。

(23)对温度、电导率数据的进一步处理：结合盐度计算公式与海水状态方程计算盐度、密度，进而利用下式计算水体的浮力频率：

式中g为重力加速度。

3、计算湍动能耗散率：以2m为间隔对处理后的剪切数据运用快速傅里叶转换(fft)得到剪切谱，运用goodman相干噪声去除方法消除仪器振动噪音干扰，利用各项同性湍动能耗散率的计算公式：

计算耗散率，其中v为分子粘性系数，流速脉动剪切的方差可通过积分剪切谱φ(k)来得到，积分下限为剪切谱可分辨的最低波数(k1,约2cpm)，上限则通过找到与普适的nasmyth谱的最佳拟合来确定，由于nasmyth谱是耗散率的关系式，所以需要通过迭代来找到允许误差范围内最终结果，具体方法是首先通过多项式拟合实测波数谱，将多项式极小值点作为积分上限初始值，计算耗散率并得到对应的nasmyth剪切谱，计算观测谱与理论谱的误差：

即实测谱与理论谱比值的对数平均。如果实测谱大于理论谱，说明估算的耗散率偏低，则增大积分上限提高理论谱值使其向上拟合，反之则减小积分下限向下拟合实测谱，反复迭代直至找到误差最小所对应的积分上限，确定该深度范围对应的湍动能耗散率(图2(b),垂线对应积分上限)。之后对整个剖面采取50％的重叠计算(图2(b～e))从而获得1m分辨率的耗散率剖面(图2(f))。

4、结合前面计算的湍动能耗散率ε与浮力频率通过下式计算垂向湍扩散系数：

其中γ为混合效率，通常取为0.2。