劉彬華

(深圳大學(xué) 電子與通信工程學(xué)院,廣東 深圳 518060)

0 引言

我國南海北部是全球內(nèi)波最強(qiáng)的海區(qū)之一,內(nèi)潮和內(nèi)孤立波在呂宋海峽生成并向西傳播到南海北部,是南海北部深海區(qū)(水深＞200 m)海洋動力環(huán)境的最重要組成因素。 內(nèi)孤立波會引起極端的海流(1 ～2 m/s)[1-2],對海上的生產(chǎn)平臺和水下作業(yè)造成較大災(zāi)害性影響。因此,對內(nèi)波尤其是內(nèi)孤立波的研究和預(yù)警是非常重要的一個海洋科學(xué)和工程問題。

目前,南海北部內(nèi)波的測量方法主要是采用布放座底式錨系潛標(biāo)[3],在不同深度布放ADCP 和CTD 進(jìn)行流場、溫度和鹽度的測量。 經(jīng)過一段時間觀測后,回收潛標(biāo),對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。 潛標(biāo)觀測無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時回傳,只能用于研究內(nèi)波的規(guī)律和特征,因此無法完成內(nèi)波的實(shí)時預(yù)警。 有研究者采用衛(wèi)星遙感技術(shù)的方式來研究和測量內(nèi)波,以目前衛(wèi)星遙感的資料,像水色和海表粗糙度(SAR)產(chǎn)品可以從海表信息中提取內(nèi)孤立波信號,但是目前SAR 主要是涉及軍方的衛(wèi)星,定制價格昂貴,海表水色傳感器受到天氣(特別是云層)的干擾較大。

海洋內(nèi)波發(fā)生時,溫躍層的界面發(fā)生上下起伏,內(nèi)孤立波引起的起伏可達(dá)上百米。 因此,如果能夠?qū)Ｑ鬁剀S層處不同深度的溫度進(jìn)行準(zhǔn)確、有效測量,就可以清晰地觀測到內(nèi)波的運(yùn)動。

以往測量內(nèi)波的監(jiān)測系統(tǒng)的潛標(biāo)或浮標(biāo)[4-5],多為定點(diǎn)式觀測,部分可以隨海洋天然動力進(jìn)行被動式移動,但不能夠主動式的移動,且對現(xiàn)場采樣的數(shù)據(jù)缺乏一套完整的在線式穩(wěn)定、實(shí)時傳輸?shù)奈锢硗ǖ?對數(shù)據(jù)分析研究、內(nèi)波預(yù)警具有滯后性,不能真實(shí)反映內(nèi)波運(yùn)動的發(fā)生、傳播、演變、衰亡的全過程。

已有的測量海洋垂直剖面溫度監(jiān)測系統(tǒng)主要存在以下問題和缺陷。

(1)垂直溫度剖面實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)主要工作在近海淺水區(qū)(水深≤50 m),對特定海域的海洋牧場有一定實(shí)用價值,但對于內(nèi)波活躍的深海區(qū)(水深150 ～300 m特殊的應(yīng)用場景)沒有可行的解決方案。

(2)垂直溫度剖面實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)討論支持的傳感器鏈?zhǔn)菃谓M的A/D 數(shù)據(jù)輸入,采用的RS232 接口發(fā)送數(shù)據(jù)的方案,并沒有形成真正意義上的傳感器鏈組網(wǎng),對水下數(shù)據(jù)的傳輸沒有形成有效的解決方案。

(3)在遠(yuǎn)海,垂直溫度剖面實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)對數(shù)據(jù)有效、實(shí)時傳輸沒有形成有效方法,因此對內(nèi)波的預(yù)警并不能夠起到應(yīng)有作用。

(4)目前,垂直溫度剖面實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)多為定點(diǎn)式的潛標(biāo)或浮標(biāo),對于移動式的研究不多,可以借用的方法有限。

為了對內(nèi)波形成機(jī)制、原理、分析、預(yù)警進(jìn)行有效的研究,本研究試圖從移動式、在線實(shí)時、溫躍層溫度變化等幾個因素進(jìn)行考慮,自研一套應(yīng)用于海洋的移動式溫度鏈實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng),記錄內(nèi)波來臨時海洋垂直剖面溫度的變化,從而實(shí)現(xiàn)對內(nèi)波有效觀測、實(shí)時預(yù)警,并進(jìn)行相應(yīng)研究工作。

1 移動式溫度鏈實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

自主設(shè)計用于研究內(nèi)波的移動式溫度鏈實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[6],主要包括自主設(shè)計的300 m 動態(tài)纜、溫度(溫深)傳感器鏈、控制系統(tǒng)和在線數(shù)據(jù)實(shí)時處理系統(tǒng)3 部分。 移動式平臺未來考慮采用AUV 或者波浪滑翔機(jī),初期試驗暫時采用試驗?zāi)复扒逖泻Ｔ?”替代。

自主設(shè)計的300 m 動態(tài)纜作為數(shù)據(jù)傳輸通道,也可用來承載水下溫度(溫深)傳感器鏈和調(diào)節(jié)動態(tài)纜的錨系裝置。 溫度(溫深)傳感器鏈主要包括溫深傳感器和溫度傳感器[7],分別對海洋垂直剖面的不同深度的溫度進(jìn)行測量,并對動態(tài)纜的彎曲度進(jìn)行校準(zhǔn)、修正?？刂葡到y(tǒng)和在線數(shù)據(jù)實(shí)時處理系統(tǒng)對測試到的溫度和深度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、計算、處理、傳輸。 移動式溫度鏈實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 移動式深海溫度鏈實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)

移動式溫度鏈實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)說明如下:試驗?zāi)复扒逖泻Ｔ?”號主要為整個系統(tǒng)的移動提供動力支撐。 船總長49.8 m,型寬13 m,排水量1 020 t,續(xù)航力不小于2 000 n mile,自持力不小于30 d,配有四錨定位和動力定位,主甲板設(shè)矩形月池和10 t 吊機(jī)。

300 m 動態(tài)纜:自主設(shè)計的動態(tài)纜總長300 m,從10 m 處開始每隔10 m 做一個分支,共29 個;主纜上端做承重頭,通過連接器將主纜連接在試驗?zāi)复扒逖泻Ｔ?”號上,下端做承重頭,連接配重(或錨鏈)。 動態(tài)纜接線方式采用每個分支端頭接一個微型4 芯連接器,共兩種接線分支:“A”分支與“B”分支。 主纜上端與微型8 芯連接器相連,主纜下端線芯不接出,接頭處雙絞線屏蔽與地線相接,保證主纜的線芯不斷,分支按“A/B/A/B…”排布,共15 個“A”分支與14 個“B”分支。 然后,將接頭位置進(jìn)行硫化,分支長度為0.2 m。

溫度(溫深)傳感器鏈:負(fù)責(zé)水下整個動態(tài)纜剖面溫度數(shù)據(jù)和溫深數(shù)據(jù)的采集,包括溫度傳感器組、溫深傳感器組。

控制系統(tǒng)和在線數(shù)據(jù)實(shí)時處理系統(tǒng):對測試到的溫度和深度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、計算、處理、傳輸、接收,通過岸基接收單元實(shí)時收發(fā)數(shù)據(jù),并監(jiān)測內(nèi)波的形成,并對數(shù)據(jù)實(shí)時分析、從而對內(nèi)波進(jìn)行預(yù)警。

1.2 控制系統(tǒng)和在線數(shù)據(jù)實(shí)時處理系統(tǒng)

控制系統(tǒng)和在線數(shù)據(jù)實(shí)時處理系統(tǒng)是移動式溫度鏈實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的核心,按照功能不同,主要包括4 部分。

數(shù)據(jù)采集單元:包括6 個溫深傳感器和13 個溫度傳感器。 分布在動態(tài)纜不同位置的13 個溫度傳感器分別對海洋垂直剖面的不同深度的溫度進(jìn)行測量,6 個溫深傳感器主要對分布在動態(tài)纜各個不同位置的溫深傳感器的深度和溫度進(jìn)行測量,并對動態(tài)纜的彎曲度進(jìn)行校準(zhǔn)、修正。 溫度傳感器溫度測量范圍為:(-5 ～35) ℃;測量精度:±0.01 ℃;分辨率:0.001 ℃;響應(yīng)時間:100 ms。

水面數(shù)據(jù)處理及銥星傳輸單元:主要是對測量到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行初步預(yù)處理并傳輸,要求數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時、可靠。 它主要包括數(shù)據(jù)處理模塊、銥星模塊及天線系統(tǒng)、GPS 和北斗二合一模塊。 GPS 和北斗二合一模塊主要用來定位,給出監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時位置信息,銥星通信模塊用于實(shí)時傳輸系統(tǒng)監(jiān)測的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)傳輸單元:數(shù)據(jù)傳輸單元主要作用是把采集到的數(shù)據(jù)從水下部分傳輸?shù)剿嫔系目刂坪蛿?shù)采單元,包括數(shù)據(jù)中繼器、RS485 轉(zhuǎn)網(wǎng)口數(shù)據(jù)模塊、數(shù)據(jù)隔離器。

岸站接收單元:是控制系統(tǒng)和在線實(shí)時處理系統(tǒng)的重要組成部分,主要功能是準(zhǔn)確、可靠、實(shí)時接收和處理控制單元采集到的數(shù)據(jù),具有即時報警、數(shù)據(jù)查詢和統(tǒng)計、遠(yuǎn)程控制等基本功能,可以給用戶研究提供方便,同時系統(tǒng)能通過銥星收發(fā)傳輸數(shù)據(jù),岸站接收單元能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理、顯示和存儲。

1.3 系統(tǒng)軟件及數(shù)據(jù)處理流程

1.3.1 系統(tǒng)軟件及工具

系統(tǒng)軟件使用Visual C#開發(fā),用于對移動式溫度鏈實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)[8]的遠(yuǎn)程控制以及數(shù)據(jù)分析、處理,同時可以根據(jù)需要生成預(yù)警信息并發(fā)送到指定郵箱。 軟件將接收到移動式溫度鏈實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)返回的數(shù)據(jù)保存在電腦中,方便對數(shù)據(jù)分析、處理和查看。 工具包括郵箱設(shè)定、收發(fā)郵件、發(fā)送命令、內(nèi)波預(yù)警、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)保存等基本功能。 左邊的列表為接收到的郵件列表,右邊是對選中的郵件的內(nèi)容進(jìn)行實(shí)時解析,系統(tǒng)軟件工具界面如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)軟件工具界面

1.3.2 數(shù)據(jù)處理流程

用于內(nèi)波實(shí)時預(yù)警的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)流程如圖4 所示。 數(shù)據(jù)處理分為水面和岸站處理兩個部分,水面數(shù)據(jù)處理流程是將低頻率采集的溫度值、深度值在控制系統(tǒng)和在線數(shù)據(jù)實(shí)時處理系統(tǒng)的控制主系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)處理,按照溫度、溫深傳感器模型,將參數(shù)解析成測量的溫度和溫深數(shù)據(jù),判斷溫度參數(shù)是否超過閾值,對疑似有內(nèi)波發(fā)生的處理后的數(shù)據(jù)通過銥星收發(fā)系統(tǒng)發(fā)送到地面岸站接收單元,岸站接收單元按照數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)比對,從而對疑似內(nèi)波進(jìn)行判斷,對確認(rèn)發(fā)生的內(nèi)波發(fā)送預(yù)警信息到郵箱,從而實(shí)現(xiàn)一次內(nèi)波循環(huán)的判斷。

圖2 控制系統(tǒng)和在線數(shù)據(jù)實(shí)時處理系統(tǒng)

圖4 數(shù)據(jù)處理流程

研究人員可對低頻采集的溫度值、深度值的數(shù)據(jù)預(yù)處理后,通過銥星收發(fā)系統(tǒng)全部發(fā)送到岸站接收單元存儲、處理、分析,以便實(shí)時調(diào)用數(shù)據(jù)。 由于此次海試時間較短,主要完成了監(jiān)測系統(tǒng)搭建,系統(tǒng)軟件工具界面有關(guān)數(shù)據(jù)處理部分的功能有待完善。

2 海上試驗

2.1 海上試驗過程

海試團(tuán)隊采用清華大學(xué)試驗?zāi)复扒逖泻Ｔ?”號,于2020 年9 月6 日至9 月10 日在南海東沙附近海域,流花油田16-2 以東(北緯20°25′01″,東經(jīng)115°24′30″,水深500 m)開展了為期5 d 海試。

在目標(biāo)油田附近海區(qū),內(nèi)波大致為每天早晚各一次,此次海上試驗任務(wù)多且繁重,試驗期間完成移動式溫度鏈實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)布放兩次,每次時間在2 小時左右。 其中,9 月9 日上午的布放成功對內(nèi)波進(jìn)行完整的監(jiān)測工作。 內(nèi)波來臨前表層海流的水平流速＜0.2 m/s,深處的流速＜0.07 m/s。

2.2 試驗數(shù)據(jù)處理

本研究截取了內(nèi)波來臨前與內(nèi)波發(fā)生過程中兩組數(shù)據(jù),對深度傳感器讀取的原始深度值進(jìn)行校準(zhǔn),得到反映動態(tài)鏈上傳感器組實(shí)際深度值和測試到的溫度值數(shù)據(jù)。 在內(nèi)波來臨前、內(nèi)波發(fā)生過程中,各溫度、溫深傳感器組的數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 內(nèi)波來臨前與內(nèi)波發(fā)生過程中溫度與深度數(shù)據(jù)對照

通過表1 內(nèi)波來臨前、內(nèi)波發(fā)生過程中溫度與深度數(shù)據(jù)對照,對兩組數(shù)據(jù)插值擬合,得到內(nèi)波來臨前與內(nèi)波發(fā)生過程中溫度隨深度變化對比曲線如圖5 所示(a 曲線為內(nèi)波發(fā)生前,b 曲線為內(nèi)波經(jīng)過期間)。 通過曲線圖對比發(fā)現(xiàn):溫躍層50～100 m 溫度傳感器采集的溫度數(shù)據(jù)變化明顯,且內(nèi)波到來后對動態(tài)纜的影響比較大,動態(tài)纜在水中傾斜彎曲比較厲害,這與內(nèi)波來臨前與內(nèi)波發(fā)生過程中實(shí)際情況相吻合。

圖5 內(nèi)波來臨前與內(nèi)波發(fā)生過程中溫度隨深度變化對比曲線

比對分析通過移動式溫度鏈實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)采集到的內(nèi)波到來前后全時間段的所有溫度、深度數(shù)據(jù),形成圖6 和圖7 內(nèi)波發(fā)生時各深度剖面溫度隨時間變化曲線圖。 結(jié)果顯示,內(nèi)波到來前后時間段,動態(tài)纜所處各深度的溫度傳感器采集到的溫度數(shù)據(jù)隨深度不同發(fā)生劇烈變化,曲線圖很好反映了內(nèi)波到來前后的溫度變化規(guī)律和內(nèi)波演進(jìn)過程中溫度變化梯度。

全部6 個溫深傳感器的壓力數(shù)據(jù)隨時間變化數(shù)據(jù)如圖6 所示(6 條曲線表示6 個不同溫深傳感器,a,b,c,d,e,f 曲線依次表示50 m,100 m,150 m,200 m,250 m,280 m 的不同深度隨時間變化的溫度數(shù)據(jù))。在內(nèi)孤立波經(jīng)過時(9.38 ～9.40),由于水平流速較大(可達(dá)2 m/s),溫度鏈發(fā)生嚴(yán)重傾斜,最底部的傳感器只觀測到了深度100 m 左右的位置。 不過這幾個傳感器的傾斜狀況正好與內(nèi)孤立波的強(qiáng)弱對應(yīng),基本上可以看出,最初顯示一個主內(nèi)孤立波經(jīng)過(0.02 d 即28 min),然后緊接著又一個弱點(diǎn)的波峰經(jīng)過(9.44 d 左右)。

圖6 6 個溫深傳感器的時間序列

經(jīng)過深度校準(zhǔn)和處理之后,得到了溫度隨時間和深度的變化情況(見圖7)。 內(nèi)孤立波經(jīng)過時,混合層底部(60 m 深處)的等溫線被明顯下壓(9.385 d),下壓的深度大概為40 m。 內(nèi)孤立波經(jīng)過之后,混合層底部的等溫線明顯變稀疏,表明內(nèi)孤立波引起了較強(qiáng)的垂直混合。 此圖說明,內(nèi)孤立波對混合層底部的溫度層造成較大改變,導(dǎo)致混合層底部發(fā)生明顯再層化的現(xiàn)象。

圖7 校準(zhǔn)后得到內(nèi)波發(fā)生前后溫度(橫軸)和深度(縱軸)剖面隨時間變化曲線

2.3 海上試驗分析

(1)基于300 m 動態(tài)纜移動式溫度鏈實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng),能夠通過溫度傳感器和溫深傳感器實(shí)時采集到海洋剖面各溫度層的溫度和深度數(shù)據(jù),初步分析溫度值和深度值有效且可靠。

(2)基于300 m 動態(tài)纜移動式溫度鏈實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)整套方案在內(nèi)波到來前后及整個發(fā)生過程中,溫度鏈上的溫度、傳感器上的溫度值有較為明顯的變化,能夠?qū)崟r監(jiān)測到整個溫度鏈在海洋剖面各溫度層的變化梯度。 系統(tǒng)能夠很好地在內(nèi)波到來前進(jìn)行預(yù)警。 其分析曲線反映了內(nèi)波到來前后的溫度變化規(guī)律和內(nèi)波演進(jìn)過程中溫度變化梯度。

3 結(jié)語

采用特殊設(shè)計定制的300 m 動態(tài)纜為物理通道,通過溫度(溫深)傳感器鏈測量溫度、深度的數(shù)值,利用自主研發(fā)的控制系統(tǒng)和在線數(shù)據(jù)實(shí)時處理系統(tǒng)分析數(shù)據(jù),組合成的整套移動式溫度鏈實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)能夠有效、可靠觀測內(nèi)波演進(jìn)過程中溫度變化的梯度,以單一溫度數(shù)據(jù)反映內(nèi)波的應(yīng)用研究簡單而實(shí)用,能夠充分反映內(nèi)波發(fā)生、傳播、演變、衰亡的全過程,最終為內(nèi)波預(yù)警提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。 基于移動式溫度鏈實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)測量內(nèi)波方法具有廣大的應(yīng)用前景和科學(xué)價值。

通過5 d 南海東沙附近海域試驗,本研究驗證了移動式溫度鏈實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、有效性、穩(wěn)定性、安全性,同步驗證了算法和整體系統(tǒng)方案可行。 通過移動式溫度鏈實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時在線獲取的海洋剖面不同溫度層溫度、深度等重要參數(shù),并對海洋剖面不同深度的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,這些數(shù)據(jù)為后續(xù)開展內(nèi)波研究及海洋科考積累了寶貴經(jīng)驗,對海洋科學(xué)、海洋工程都具有重要的意義。

因試驗前幾天海上風(fēng)浪作業(yè)不理想和受船體作業(yè)的影響及基于移動式溫度鏈實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)溫度鏈整體布放復(fù)雜,整套系統(tǒng)設(shè)備試驗時間較短、獲取數(shù)據(jù)有限。 后期工作的重點(diǎn)是對整套系統(tǒng)在海洋不同氣候和條件下進(jìn)行更多試驗數(shù)據(jù)的采集,以便更好優(yōu)化系統(tǒng),并完成內(nèi)波預(yù)警算法的優(yōu)化。