褚福碩 , 司宗尚 , 龐重光 , 俞建成

(1. 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所海洋環(huán)流與波動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266071; 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京100049; 3. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋動(dòng)力過程與氣候功能實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島266237; 4. 中國(guó)科學(xué)院海洋大科學(xué)研究中心, 山東 青島 266071; 5. 中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所, 遼寧 沈陽 110016)

水下滑翔機(jī)是一種新型自主水下航行觀測(cè)平臺(tái),其通過改變浮力及俯仰角可以在海洋中實(shí)現(xiàn)垂直及水平運(yùn)動(dòng)[1], 一般水下滑翔機(jī)完成1次1 000 m浮潛測(cè)量需要4~6 h。相比錨定和走航式海洋觀測(cè)平臺(tái),水下滑翔機(jī)可以實(shí)現(xiàn)高精度海洋觀測(cè)并通過全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)實(shí)時(shí)傳輸觀測(cè)數(shù)據(jù)。除提供如溫度和鹽度等基本海洋水文要素外, 利用水下滑翔機(jī)還可以測(cè)量剖面的深度平均流[2-3]。

利用航位推算技術(shù), Davis等[4-5]計(jì)算Seaglider水下滑翔機(jī)相對(duì)于陸地完成1次下潛獲得的理論出水速度與利用GPS獲得的實(shí)際速度之差從而獲得深度平均流, 并通過均方根進(jìn)行誤差分析, 其結(jié)果顯示深度平均流精度為0.01 m/s; Todd等[6]利用船載聲學(xué)多普勒剖面儀 (ADCP)與Slocum水下滑翔機(jī)測(cè)量3年加利福尼亞沿岸流對(duì)比分析指出其深度平均流不確定性仍為0.01m/s; Rudnick等[7]指出受海洋生物影響, 長(zhǎng)期Spray水下滑翔機(jī)觀測(cè)誤差隨時(shí)間逐漸增大, 導(dǎo)致深度平均流均方根誤差從0.014 m/s增大到0.017 m/s, 因此在每次使用前需對(duì)測(cè)量?jī)x器精度漂移誤差進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)量校準(zhǔn)。

深度平均流是水下滑翔機(jī)作為海洋觀測(cè)平臺(tái)的獨(dú)特觀測(cè)要素。通過實(shí)時(shí)計(jì)算深度平均流, 水下滑翔機(jī)可以穿越或跟隨復(fù)雜的海洋水流環(huán)境從而更高效的進(jìn)行觀測(cè)。除此之外, 通過積分水下滑翔機(jī)連續(xù)觀測(cè)剖面可以獲得水體通量, 該通量評(píng)估的準(zhǔn)確性依賴深度平均流的精度, 如0.01 m/s 的流速誤差在水平100 km和水深1 000 m尺度上會(huì)產(chǎn)生1 Sv輸送誤差, 因此利用深度平均流作為參考可以計(jì)算包含正壓輸送的絕對(duì)地轉(zhuǎn)流, 從而使得水下滑翔機(jī)在邊界流觀測(cè)上具有重要的應(yīng)用價(jià)值[8]。

自2003年起, 中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所及天津大學(xué)分別開展了水下滑翔機(jī)基礎(chǔ)研究工作, 并成功利用研發(fā)出的多種型號(hào)海翼水下滑翔機(jī)和海燕水下滑翔機(jī)取得一系列研究成果, 如Huang等[9]提出一種迭代算法優(yōu)化水下滑翔機(jī)路徑追蹤技術(shù); Ma等[10]利用水下滑翔機(jī)理論下水模型成功反演出南海內(nèi)孤立波[10]; 針對(duì)海洋流場(chǎng), Ma等[11]通過水下滑翔機(jī)搭載ADCP和校準(zhǔn)水下滑翔機(jī)模型參數(shù)發(fā)現(xiàn)利用ADCP測(cè)量海水經(jīng)向和緯向流速誤差均少于0.06 m/s等。

近幾年, 中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所研發(fā)的海翼水下滑翔機(jī)在南海開展了一系列海上觀測(cè)項(xiàng)目[12], 基于獲得溫度、鹽度, 經(jīng)緯度, 航向角及俯仰角數(shù)據(jù), 我們?cè)u(píng)估了利用海翼水下滑翔機(jī)獲得的深度平均流數(shù)據(jù)以及地轉(zhuǎn)流數(shù)據(jù), 并利用船載ADCP校正技術(shù)對(duì)深度平均流誤差做出分析, 同時(shí)利用深度平均流計(jì)算水下滑翔機(jī)穿越西沙群島冷渦時(shí)的絕對(duì)地轉(zhuǎn)流。

1 方法

1.1 深度平均流

深度平均流的計(jì)算是基于理論出水速度與實(shí)際出水速度之差獲得[7], 假定水下滑翔機(jī)下潛角為φ(相對(duì)于水平面), 垂直位移dz, 水下滑翔機(jī)航向角θ,滑翔時(shí)間為t, 則其理論出水速度為:

1.2 絕對(duì)地轉(zhuǎn)流

根據(jù)(5)、(6)可以計(jì)算絕對(duì)地轉(zhuǎn)流, 首先在深度上積分熱成風(fēng)公式[8,13]:

其中,Vn為跨軌跡速度,H為水下滑翔機(jī)下潛最大深度,0ρ為參考密度,f為科氏力參數(shù),g為重力加速度,VDAC為深度平均流, (10)式左邊第一項(xiàng)為絕對(duì)地轉(zhuǎn)流,右邊第一和第二項(xiàng)為地轉(zhuǎn)流正壓項(xiàng), 第三項(xiàng)為地轉(zhuǎn)流斜壓項(xiàng)[13]。

2 結(jié)果分析

2.1 深度平均流

中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所于2018—2019在南海西沙群島附近開展了一系列水下滑翔機(jī)觀測(cè)計(jì)劃, 我們選取其中一組數(shù)據(jù)評(píng)估深度平均流, 該水下滑翔機(jī)自2018年9月3日至2019年3月31日沿既定軌跡(110.22°E, 17.15°N~111.25°E, 15.18°N)連續(xù)重復(fù)觀測(cè)(圖1), 最大下潛深度1 012 m, 本次航行共獲得933組觀測(cè)數(shù)據(jù), 包括溫度、鹽度、深度、航向角及經(jīng)緯度數(shù)據(jù)。水下滑翔機(jī)在海表面通過衛(wèi)星傳輸數(shù)據(jù), 下潛時(shí)通過改變排水體積的方法改變浮力, 其利用回油路上電磁閥帶動(dòng)液壓泵反向旋轉(zhuǎn)減小載體外皮囊充油量, 從而減小排水體積完成下潛, 上浮時(shí)通過直流電機(jī)帶動(dòng)液壓泵增大外皮囊充油量, 從而增大排水體積完成上浮?；铏C(jī)在水下保持22°傾角航行,下潛(上浮)時(shí)受密度影響其凈浮力通量隨深度逐漸增大(減小), 因此其下潛(上浮)速度逐漸減小(增大), 其中速度擾動(dòng)受海洋高頻信號(hào)如內(nèi)波影響, 但由于水下滑翔機(jī)在水中的下潛深度及傾角保持相對(duì)恒定, 水面的深度與水平距離曲線不受內(nèi)波的影響, 因此其通過水面的水平速度約為0.23 m/s (圖2)。

圖1 2018年9月—2019年4月海翼水下滑翔機(jī)航行軌跡(紅線), 等值線代表500 m及2 000 m等深線Fig. 1 Sea Wing glider tracking (red line) from September 2018 to April 2019, Isolines represent 500 m and 2 000 m Isobaths

圖2 水下滑翔機(jī)垂直速度與時(shí)間隨壓力的變化Fig. 2 Glider vertical speed and time changes with pressure

根據(jù)公式(1)—(4), 我們計(jì)算933組剖面數(shù)據(jù)的理論出水速度與實(shí)際出水速度, 如圖3, 在12月25日前計(jì)算理論速度與實(shí)際速度相差不大, 表明流場(chǎng)較弱, 在12月30日后理論速度與實(shí)際速度相差較大,表明該段時(shí)間流場(chǎng)變化較大, 這是由于隨著季風(fēng)轉(zhuǎn)換, 冬季南海北部盛行東北風(fēng)使得南海北部存在一支東南向的沿岸流, 該沿岸流沿著南海北部流經(jīng)西沙群島隨后沿越南東岸向南一部分經(jīng)海峽流出南海, 一部分向東流入南海南部, 同時(shí)由于西沙群島地理環(huán)境影響, 西傳的中尺度渦能量經(jīng)背風(fēng)波及次中尺度過程耗散, 使得該區(qū)域流場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜。在觀測(cè)期間一個(gè)冷渦自東北向西南經(jīng)過西沙群島并在越南東岸耗散(圖4), 通過改變觀測(cè)路徑, 該水下滑翔機(jī)于1月3日—2月16日自南向北穿過冷渦, 我們根據(jù)式(1)—(5)計(jì)算其深度平均流, 為了驗(yàn)證深度平均流的準(zhǔn)確性, 我們假定水下滑翔機(jī)下潛最大深度為零動(dòng)力面, 并在深度上獲得平均地轉(zhuǎn)流, 結(jié)果顯示緯向深度平均流及地轉(zhuǎn)流相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.95, 表明水下滑翔機(jī)獲得深度平均與地轉(zhuǎn)流的一致性, 其不同可能來自深度平均流誤差、海洋高頻信號(hào)及零動(dòng)力面的選取, 因此下文將利用水下滑翔機(jī)獲得的深度平均流計(jì)算中尺度渦的絕對(duì)地轉(zhuǎn)流。

圖3 水下滑翔機(jī)計(jì)算深度平均流Fig. 3 Depth average current calculated from the glider’s observation

2.2 誤差分析

深度平均流的誤差受GPS定位誤差、依靠水下滑翔機(jī)浮力、俯仰、橫滾和航向模擬獲得理論水動(dòng)力模型誤差、CTD、壓力傳感器精度誤差等多種因素影響, 考慮到可能存在的潛在誤差, 我們采用校正船載ADCP觀測(cè)數(shù)據(jù)方法定量分析深度平均流誤差。由于船載ADCP直接獲得海水相對(duì)于船體的流速, ADCP坐標(biāo)系與船體坐標(biāo)系的相對(duì)偏差會(huì)導(dǎo)致測(cè)量流速和大小的誤差, 為了消除這種誤差, Joyce采用一組坐標(biāo)變化α、β去除航向產(chǎn)生的角度誤差和噪聲, 其真實(shí)水速由船速與修正后ADCP測(cè)量水速之差得到[15]?；谝陨显? 我們假定水下滑翔機(jī)按航行路徑航行, 在每一次轉(zhuǎn)彎前后測(cè)量的流速相同(圖5), 為了排除海洋高頻信號(hào)影響, 我們對(duì)數(shù)據(jù)做如下處理: 1) 48小時(shí)低通濾波深度平均流; 2) 對(duì)轉(zhuǎn)彎前后5個(gè)剖面數(shù)據(jù)平均;3) 剔除單次轉(zhuǎn)彎俯沖角度相對(duì)于水面大于55°的數(shù)據(jù); 4) 剔除在轉(zhuǎn)彎前或轉(zhuǎn)彎后單次位移角度大于20°的數(shù)據(jù); 5) 剔除GPS數(shù)據(jù)信號(hào)丟失數(shù)據(jù)。在做以上處理后, 我們共獲得23次轉(zhuǎn)彎數(shù)據(jù), 其中3組轉(zhuǎn)彎由于誤差過大被排除, 基于Joyce的方法,我們假定水下滑翔機(jī)獲得誤差可以通過一組坐標(biāo)變化修正[15-16], 即:

圖5 轉(zhuǎn)彎前后深度平均流及測(cè)量誤差強(qiáng)度、振幅、擬合曲線Fig. 5 Depth average current, observation error intensity, amplitude, and fitting curve before and after the glider turns

其中,ug1、ug2為水下滑翔機(jī)轉(zhuǎn)彎前后深度平均流,ur為實(shí)際流速, 假定海洋流速恒定以及滑翔機(jī)測(cè)量沒有誤差, 則γ恒等于1, 若存在測(cè)量誤差, 則測(cè)量誤差受測(cè)量角度和測(cè)量誤差強(qiáng)度β影響，定義誤差：

根據(jù)以上公式, 我們計(jì)算20組水下滑翔機(jī)轉(zhuǎn)彎誤差強(qiáng)度和角度(表1), 振幅β表明深度平均流計(jì)算過高估計(jì)0.01 m/s, 誤差精度約為0.036 m/s, 低于其他作者描述精度, 這可能是由于 1) 沒有對(duì)GPS進(jìn)行磁力校正; 2) 長(zhǎng)時(shí)間投放水下滑翔機(jī)使得測(cè)量精度產(chǎn)生漂移; 3) 長(zhǎng)時(shí)間斷面觀測(cè)使得轉(zhuǎn)彎前后數(shù)據(jù)過少。

表1 誤差強(qiáng)度振幅與相位Tab. 1 Error intensity and phase

2.3 絕對(duì)地轉(zhuǎn)流

利用深度平均流以及熱成風(fēng)公式, 我們計(jì)算水下滑翔機(jī)穿越冷渦時(shí)的絕對(duì)地轉(zhuǎn)流, 如圖6, 水下滑翔機(jī)自南向北穿過冷渦(圖4), 受觀測(cè)計(jì)劃影響, 冷渦外圍觀測(cè)密度較大, 絕對(duì)地轉(zhuǎn)流顯示出冷渦特征,在15.95°N以南, 絕對(duì)地轉(zhuǎn)流為東向流, 速度剪切在上層500 m較強(qiáng), 在500米以下較弱, 最大流速約為0.48 m/s, 最大深度處平均流速約為–0.015 m/s, 在15.95°N 以北, 絕對(duì)地轉(zhuǎn)流為西向流, 地轉(zhuǎn)流速稍弱于冷渦南側(cè), 冷渦最大深度到達(dá)500 m, 最大流速約為0.47 m/s, 最大深度處平均流速約為–0.028 m/s, 最大深度處速度受地轉(zhuǎn)影響在冷渦南部為東向流, 在冷渦北部為西向流。根據(jù)式(10), 絕對(duì)地轉(zhuǎn)流包含利用溫鹽計(jì)算獲得斜壓地轉(zhuǎn)流及利用深度平均流計(jì)算獲得水下滑翔機(jī)最大深度處正壓地轉(zhuǎn)流, 因此相比絕對(duì)地轉(zhuǎn)流, 利用零動(dòng)力面假設(shè)獲得相對(duì)地轉(zhuǎn)流計(jì)算流量將產(chǎn)生一定輸送誤差(如假定獲得最大深度處速度精度為0.03 m/s在水平100 km和水深1 000 m尺度上會(huì)產(chǎn)生3 Sv 輸送誤差)。

圖6 緯向絕對(duì)地轉(zhuǎn)流和緯向最大深度處速度Fig. 6 Zonal absolute geostrophic current and zonal maximum depth velocity

3 總結(jié)

利用水下滑翔機(jī)觀測(cè)溫鹽及經(jīng)緯度數(shù)據(jù)可以計(jì)算深度平均流, 其計(jì)算是根據(jù)GPS理論出水速度與實(shí)際水下滑翔機(jī)出水速度之差獲得, 本文利用中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所海翼水下滑翔機(jī)在南海西沙群島附近獲得的溫鹽剖面數(shù)據(jù)評(píng)估深度平均流,并利用地轉(zhuǎn)流數(shù)據(jù)驗(yàn)證深度平均流的準(zhǔn)確性, 結(jié)果顯示深度平均流與深度平均地轉(zhuǎn)流相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.95,表明流場(chǎng)的一致性, 假定水下滑翔機(jī)在每次轉(zhuǎn)彎前后速度一致, 其誤差可以用船載ADCP校正法做誤差分析, 結(jié)果顯示深度平均流計(jì)算誤差高約0.01 m/s,精度約為0.036 m/s 低于其他作者計(jì)算精度, 其原因可能是用于未修正的GPS 精度以及西沙群島復(fù)雜流場(chǎng)導(dǎo)致, 未來應(yīng)考慮對(duì)照ADCP數(shù)據(jù)對(duì)深度平均流做進(jìn)一步精度分析; 利用深度平均流可以計(jì)算最大深度處地轉(zhuǎn)速度, 從而計(jì)算絕對(duì)地轉(zhuǎn)流, 本文利用水下滑翔機(jī)穿越一個(gè)冷渦并計(jì)算穿越冷渦時(shí)水下滑翔機(jī)獲得的絕對(duì)地轉(zhuǎn)流, 結(jié)果顯示冷渦南部絕對(duì)地轉(zhuǎn)流速略大于冷渦北部, 在冷渦南部絕對(duì)地轉(zhuǎn)流及最大深度處流速為東向流, 流核在表層至500 m處, 在冷渦北部絕對(duì)地轉(zhuǎn)流及最大深度處流速為西向流, 流核在上層300 m處, 受觀測(cè)計(jì)劃及地轉(zhuǎn)流速影響, 冷渦外圍觀測(cè)密度較大。

水下滑翔機(jī)作為一種新型觀測(cè)載體, 其具有高精度、長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)優(yōu)勢(shì), 使得其正越來越多的應(yīng)用在世界各大洋尤其邊界流區(qū)域, 然而受流場(chǎng)以及海洋生物影響, 需對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)做有意義的數(shù)據(jù)預(yù)處理, 利用更加嚴(yán)格、標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)將提高水下滑翔機(jī)的可應(yīng)用性, 尤其在邊界流區(qū)域, 考慮到計(jì)算的深度平均流精度以及觀測(cè)樣本間隔問題, 本文未對(duì)流量做出估計(jì)。