[发明专利]一种海洋监测数据时空同步化方法及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种实现海洋监测数据时空同步的方法及其应用，尤其是能解决海洋水质监测站的位置时空同步和监测浓度值的修正问题。

背景技术

海洋环境质量评价指的是根据不同目的要求和环境质量标准，按一定的评价原则和方法，对海域环境要素（水质、底质、生物）的质量进行评价和预测，它为海域环境规划和管理以及污染防治提供科学依据。海洋环境质量调查是海洋环境质量评价的工作基础。以海水水质为例，目前海洋水质环境质量调查的实际操作方法是由一条或多条海监船按预先设定的监测站位置，依次航行到指定地点对海水进行采样分析，以获得监测数据。由于海洋水域宽广，监测站点位置分散，在资源有限的条件下，对所有监测站点完成海水水体采样所需花费的时间就较长。对同一条海监船而言，各监测站数据的采样时间均不在同一时刻。由于海水本身是流动的，经过一定时间，采样水质点会有一定距离的移动，与预设的监测站位置产生偏差。同时，对同一海水质点，随着时间的推移，在其流动过程中，采样水质点中所含物质的浓度会因对流和扩散的共同作用而发生改变。虽然海洋浮标监测系统可以做到同步采样，然而在每个监测站均设置浮标，需要投入大量的人力物力，将造成资源浪费。而且浮标系统一般适用于长期监测，在潮流动力强烈复杂的开放海域，尤其是繁忙的航道等功能区海域，设置多个浮标系统进行长期监测会影响海域功能的正常发挥，不具有实际操作性。

在对海洋水质环境的数值模拟研究中，往往采用海洋水质环境调查的监测站实际监测数据对海洋水质数值模型进行校验。为了提高模型的精确度，有时需要采用将特定时刻的物质浓度模拟值和监测站物质浓度实测值进行对比的方法进行模型校验。依前述，简单的将监测结果作为某时刻的物质浓度情况，将不能十分准确的反映该时刻海洋水质环境的真实条件，尤其在海洋水质环境质量出现较大空间差异的时候，将出现更大误差。

发明内容

为了克服现有的海洋水质环境质量调查的监测数据（以下简称水质数据）在时间和空间上不完全同步的不足，本发明提供一种海洋监测数据时空同步化方法及其应用，可以解决因实际监测条件有限而引起的数据时空不同步的现象，并对在时间推移过程中，因物质对流扩散从而产生的浓度偏差进行修正。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

    一种海洋监测数据时空同步化方法，采用拉格朗日跟踪法来实现海洋监测采样水质点的空间位置同步，结合对流扩散方程对所述的采样水质点的监测数据进行因物质对流扩散产生的误差修正。

所述的监测数据适用于海洋环境监测中所获取的海水水质数据，包括化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、无机氮、非离子氮、活性磷酸盐、总氮、总磷、石油类、重金属物质浓度。

首先选用数值模型对海洋水质环境质量调查所在海域进行区域潮流场模拟，获得潮流场数据，包括各时刻海域空间各点的流速流向数据。在此基础上，选用拉格朗日跟踪法来求解水质点在各时刻的空间坐标位置。由于水质数据是由对海水进行采样分析的方法获得的，因此以采样水质点表征水质数据进行空间位置求解。在求解特定时刻各采样水质点的空间位置时，同时考虑因对流扩散引起的采样水质点中物质浓度的变化，选用对流扩散方程求解对应时刻采样水质点中的物质浓度值。通过统计采样水质点中物质浓度的变化规律，用以修正水质数据在空间位置同步后产生的浓度误差。

所述的拉格朗日跟踪法基于微分方程（1），采用四阶龙格-库塔（Runge-Kutta）方法求解。

                                                         （1）

式中，为质点坐标，为时间，为坐标处时刻的速度矢量。

所述的四阶龙格-库塔（Runge-Kutta）方法计算过程可由公式（2）～（6）表示，求解过程中需要中间时刻的速度值。

                                                                        （2）

                                                                    （3）

                                                                     （4）

                                                                      （5）