[发明专利]多线段最小二乘拟合计算海洋跃层特征值的方法

说明书

技术领域

本发明涉及海洋科学研究及应用领域，尤其主要涉及物理海洋学跃层特征值的计算方法。

背景技术

跃层是发生在海洋里的重要物理现象之一，对渔业生产、海洋资源开发和潜艇活动等有着直接的影响，是物理海洋学研究的一个重要组成部分。海洋跃层按照要素可分为温跃层、盐跃层、密跃层及声速跃层。在跃层的分析中，通常用跃层深度(D)、跃层强度(r)和跃层厚度(H)作为描述跃层的特征值。《海洋调查规范》(GB/T12763.7-2007)对跃层特征值的定义为：“某要素垂直分布曲线上曲率最大的点A、B(习惯上称“拐点”)分别称为顶界和底界(见图1)，A点所在的深度(Z_A)为跃层的顶界深度；B点所在的深度(Z_B)为跃层的底界深度；ΔZ(Z_B-Z_A)为跃层厚度，当A、B两点对应的某要素差值为ΔX(X_B-X_A)时，则跃层的强度为±ΔX/ΔZ”。因此跃层特征值的计算依赖于跃层上界点和下界点的确定。我国海洋研究学者针对跃层上、下界点的确定作了大量的研究，代表性的方法有以下三种：(1)垂向梯度法；(2)曲率极值点法；(3)拟阶梯函数逼近法。下面我们以温度跃层为例对三种方法进行简述。

垂向梯度法由毛汉礼先生在1964年编写的《全国海洋综合调查报告》(第三册)中提出，目前仍为我国《海洋调查规范》(GB/T12763.7-2007)所采纳用于跃层特征值的计算。其计算温度跃层特征值的方法是自海面到海底将海水水文要素分为N层，并设各层的温度梯度为R。当一个温度剖面中某一段的垂向梯度大于临界值时(水深≤200m时，临界值为0.2℃/m；水深>200m时，临界值为0.05℃/m)，便确定该段为温度跃层，并以该段顶部水深为跃层上界，该段底部水深为跃层下界，跃层上、下界点的深度差为跃层厚度，该段整个垂向温度梯度的平均值为跃层强度。然而该方法在实际应用中有两个突出的问题：(1)在深海区(水深>200m)和浅海区(水深≤200m)采用两个不同的跃层判别标准，这就会在浅海和深海交汇处造成跃层的不连续；(2)用CTD设备观测的温度剖面数据显示，温度剖面的垂向梯度大于临界值的水层会有多个且不一定连续，如何识别和合并跃层需要人为主观判定。

曲率极值点法是用数据曲线的曲率极值这一量化标准确定跃层界点，这个方法在数据曲线比较光滑、跃层拐点比较明显时计算结果较理想，但当跃层的边界不够明显、或出现多阶梯状结构时，就难以确定跃层的上、下界点。目前，用CTD设备观测的温度剖面数据中经常会有多阶梯状结构出现，因此现在很少有人使用这一方法。

葛人峰等(2003)提出了拟阶梯函数逼近法计算陆架海区温跃层特征值，用阶梯函数最小二乘逼近的方法计算跃层特征值。这个方法在陆架坡折以浅海域应用效果较好，但对深海区跃层特征值计算适用性较差。

郝佳佳等(2008)利用东海以及南海东北部多组资料，对比了拟阶梯函数逼近法和垂向梯度法在浅海区(水深<200m)、陆架坡折海域(水深在200m左右)和深海开阔海区(水深>200m)的应用情况，提出两种方法相结合的建议，即在水深≤200m的海域和陆架坡折海域，采用拟阶梯函数逼近法计算跃层特征值；在水深>200m时采用垂向梯度法计算跃层特征值。他们认为这样判定跃层，在陆架区不受最低跃层标准的限制，可以消除垂向梯度法存在的跃层不连续问题，同时摆脱了一些人为的主观因素。但这种在深海区和浅海区采用不同方法计算跃层特征值的组合办法，所计算的跃层特征值结果的一致性有待商榷，同时其附加了区分水深这一前提条件，不利于跃层的自动识别。

综上所述，现有的跃层特征值计算方法中存在浅海与深海跃层评判标准不统一、跃层分析结果在陆架坡折区域不连续、跃层自动识别能力差等问题。

发明内容

本发明拟解决的技术问题是提供一种多线段最小二乘拟合计算跃层特征值的方法，以提高跃层的自动识别能力。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

为了描述方便，以下仅以温度剖面为例进行描述，本发明同样适用于密度跃层、盐度跃层、声速跃层的特征值计算。

基于海洋跃层分为季节性跃层和永久性跃层的理论，本发明把跃层划分为两层结构形式，用上均匀层、第一跃层、第二跃层、下均匀层组成4层简化的温度剖面结构，用A、B、C、D四条线段拟合实测温度剖面曲线(见图2)，其数学表达式如下：