[发明专利]一种识别海洋湍流惯性副区的方法

说明书

本发明涉及一种识别海洋湍流惯性副区的方法，包括下列步骤：将声学多普勒点式流速仪垂直平稳地放置在海底，进行定点高频观测，测量记录地球坐标系下单点高频垂向流速数据；对高频垂向流速数据进行分段，去掉平均流变化趋势，获得垂向脉动流速；对获得的垂向脉动流速做傅里叶变换得到垂向脉动流速频率谱；在垂向脉动流速频率谱中，确定频率谱密度φ(f)与频率f之间关系；若要在垂向脉动流速频率谱中识别出湍流惯性副区，就是使β值接近‑5/3，利用界定出湍流惯性副区频率上界时所对应的γ值估计出代表海洋湍流耗散强度的关键指标。

技术领域

本发明涉及物理海洋学的海洋观测领域，具体涉及一种识别海洋湍流惯性副区的方法。

背景技术

海洋湍流不仅控制着能量耗散，还对动量输运起作用，是驱动物质输运的关键因子。湍动能耗散率是衡量海洋湍流耗散强度的重要指标，对其进行量化至关重要。声学多普勒点式流速仪的出现使得人们可以直接从湍流能谱中去认识原位观测湍流特性。著名的Kolmogorov“-5/3”惯性副区理论的提出实现了从湍流能谱中估计出湍动能耗散率的方式。通过声学多普勒点式流速仪测量的脉动流速能够估计出湍动能耗散率，这个过程中最为关键的就是在湍流能谱中确定湍流惯性副区。目前针对海洋湍流能谱惯性副区的确定仍是采用目视解译等人工手动判别的方式。随着声学多普勒点式流速仪器性能的不断提升后，其可以具备长时间连续高频观测，获取大量的脉动流速数据。对于大量湍流能谱数据分析，若再采用人工手动判别等方式既费时又费力，还容易增加估计误差，无法快速得到高质量的湍动能耗散率资料。因此，本文发明了一种自动识别海洋湍流惯性副区的方法，能够快速识别和准确计算得到高质量的湍动能耗散率，为海洋湍流混合研究提供最大的技术支持。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种识别海洋湍流惯性副区的方法，目的在于提高海洋湍流参数估计精度和避免数据处理复杂及容易产生误差的问题，实现高分辨率的海洋湍流观测，技术方案如下：

一种识别海洋湍流惯性副区的方法，包括下列步骤：

(1)将声学多普勒点式流速仪垂直平稳地放置在海底，进行定点高频观测，测量记录地球坐标系下单点高频垂向流速数据；

(2)对高频垂向流速数据进行分段，去掉平均流变化趋势，获得垂向脉动流速；

(3)对获得的垂向脉动流速做傅里叶变换得到垂向脉动流速频率谱；

(4)在垂向脉动流速频率谱中，频率谱密度φ(f)与频率f之间存在以下关系：

其中，U_m表示流速大小，α表示一维Kolmogorov普适常数，取为0.71，将式(1)以f为变量取对数求得：

则定义log₁₀[φ(f)]与log₁₀(f)之间的关系如下：

log₁₀[φ(f)]＝βlog₁₀(f)+γ (3)

其中，β和γ表示拟合参数值；

(5)根据式(2)和式(3)可知，若要在垂向脉动流速频率谱中识别出湍流惯性副区，就是使β值接近-5/3，步骤如下：

[1]在垂向脉动流速频率谱中，定义一个初始样本窗，让初始样本窗从频率谱的低频段开始，对落在初始样本窗内的φ(f)与f值根据式(3)做线性最小二乘拟合，求出β值，也就是拟合的斜率值，将其记录下来；

[2]然后将初始样本窗向右侧移动1个频率间隔，再根据落在初始样本窗内的φ(f)与f值求出β值并记录下来，依次类推，直到求出β值和-5/3的误差小于5％时则可界定为湍流惯性副区频率下界；