基于无人机光学图像的海流观测方法研究

海流信息在海上航行、海洋资源勘探等方面有着重要的应用,传统的现场和遥感观测方式不能满足大面积、实时观测海流的要求。基于无人机平台的光学海洋遥感技术具有机动灵活、成本低、分辨率高的特点,近年来在海洋环境监测中得到应用。然而,由于小型无人机容易受飞行姿态、太阳耀斑等因素的影响,目前在海流观测方面还不成熟。本文提出了利用小型无人机获取高分辨率海面流场的方法,并分析不同因素对观测结果的影响。首先,对无人机获取的光学海面图像做预处理,消除几何成像和图像噪声等因素的影响,并通过分析图像灰度值均值的变化,减小太阳耀斑对图像的影响;然后,基于三维傅里叶变换和海浪的频散关系反演海流,并将反演结果与浮标实测的海流数据进行对比,验证了该方法的可靠性。其次,结合实验数据详细分析了不同因素对海流反演的影响:在本文的实验条件下(有效波高0.2～1.5m,波浪主波周期3.8～5.7s),当图像空间分辨率为0.15m、反演子图尺寸在波浪主波波长的2～3倍时,海流的反演误差较小;增加图像幅数和提高时间分辨率也有利于提高海流的反演精度。现场观测实验的结果表明,本文提出的无人机观测海流技术可以有效获取海流信息。     

滨海核电站前期工程中的海流观测

核电站海流观测可以获得确定海流运动规律、模型试验、工程设计的重要资料,而核电站海流观测的时空布置包括海流观测站测量范围的规划、平面站位的布置、观测时间的选择、观测仪器的选择等等都是获得有效观测成果的前提,在海流现场观测时由于客观条件的影响增加了准确观测站位的控制、具体观测操作的难度,所以为了获得准确的数据,有效的观测成果,我们必须建立完善的质量保证制度,并需要通过质量保证培训的有经验的人员去操作。     

等密度面P矢量方法在南海环流诊断研究中的应用

海流的直接测量困难而又昂贵,而采用一些数学模式间接获取流场信息也有其局限性,比如初始场、边界条件和黏性参数的确定存在较大的人为性和不确定性等问题.然而,随着海上现场观测资料的增多,近年来利用温盐资料诊断环流的研究工作也越来越多,例如采用β螺旋方法[1]、P矢量方法[2]和改进逆模式方法[3]等等;这些诊断研究成果,在一定程度上弥补了海洋环流研究中,由于海流观测资料不足而带来的缺陷.在众多诊断环流计算方法中,近年来用得较多的是P矢量方法[2,4,5],1).     

试探如何提高海流观测资料的可靠性

本文根据工作实践,对海流观测资料的可靠性和具体观测方法作出分析,并提出问题。对今后改进海流观测方法和提高资料可靠性提供了具体措施和建议,以供同行交流。     

东海黑潮区域水位的低频变化

在世界大洋的海流观测中,黑潮是取得资料最多的区域之一。但是,一旦涉及其时间变化时,仍感资料缺乏。为补充水文观测资料的不足,不少科学工作者对海流附近沿岸水位资料进行了分析、利用。通过研究,初步确认海流的变化与沿岸水位的变化密切相关。这就为研究海流变异提供了方便的途径。     

机械式海流计的电子电路设计与研发

目前业内普遍使用的机械式海流计功耗大,连续工作时间短,姿态测量精度较低,体积较大,存储容量较小,维护复杂,在需要长时间进行海洋观测使用时十分不便。针对这一实际问题,为提高海流计的性能,设计以STM32f103ZE处理器为核心,运用现代锂离子电池技术,存储技术,传感器技术,无线充电技术,无线通信技术,对机械式海流计电子电路进行了重新设计。样机测试结果表明:该设计功耗低,流向精度高,维护简单且可长时间在水下稳定工作,完全满足各种海洋作业中海流测量需求,具有很大的实用价值。     

阵列式高频地波雷达矢量流长周期适用性比测试验数据分析

基于高频地波雷达长周期适用性比测试验数据,主要从以下3个方面系统分析国产阵列式高频地波雷达矢量流控测效果:(1)时间有效采样率和覆盖率的空间分布;(2)与反演的流速匹配的现场观测深度;(3)不同区域的探测精度.长周期的海流验证表明,雷达海流可以有效地反映有效探测区内表层海流及其时空变化,高精度区流速流向的均方根误差(RMS)分别为7.5～19.3cm/s和15.5°～33.7°,尤其是高精度区核心区域的RMS仅为7.5～10.1 cm/s和15.5°～28.5°.边缘区流速流向的RMS为16.1～25.8 cm/s和39.5°～40.7°,与国内外达到业务化运行要求的同类产品实际观测精度相当.     

海流测量技术发展及应用

海流是海洋科学研究、海洋工程、资源开发利用等方面的重要输入参数之一,海流测量方法按照测量原理可划分成:漂浮法、机械式、电磁感应式、声学式和表层海流遥感观测等方法,对这些测量方法的原理、发展、应用、优缺点和典型设备等方面进行了介绍。我国海流测量设备相比国外还存在一定的差距,应该制定一定的保护措施大力扶植国产设备的研发和推广,加快产品化进程,保障观测资料安全,并通过制定和完善相关标准以及完善观测设备安全保护机制,提高国内海流测量的技术水平。     

南海北部海流观测结果及其谱分析

为了掌握南海北部海区的海流及潮流情况,利用2000年8-11月在南海北部海区75天的ADCP定点流速观测资料,对海流的观测结果、海流前进矢量图、海流的日平均流速、海流随时间和深度的变化情况、正压流速的矢量旋转谱和斜压流速的二维矢量频率波数谱以及正压潮流进行了分析研究。结果表明,此处海流主要为逆时针方向旋转,并且K1和M2为主要分量。这说明南海北部海区的海流及潮流变化比较复杂,需要大范围的长期观测才能更好她掌握其特征与变化规律。     

CTD观测资料中“峰值”产生的原因及其避免的措施

通常所说的海洋观测技术,它包括观测方法以及有关仪器设备的使用方法两个方面。近年来随着电子技术的发展,海洋仪器也得到了迅速的发展。特别是微机被应用到现场观测之后,海洋观测仪器的自动化程度大大前进了一步,使它由过去只能指示或记录数据,发展到能在现场对原始数据进行初步分析处理,提高了观测资料的精确度,加速了海洋研究工作的进程。仪器的高速度发展,要求调查人员必须迅速地掌握正确的观测方法,对观测资料的可靠性具有分析判断能力,这样方能充分发挥现代化仪器的作用,提高海洋调查工作的水平。     

高频雷达OSMAR流速探测精度的对比验证

高频雷达探测海洋表面流与常规海流计测量海流是两种不同的测量方式。本文根据 2种观测方法所获取资料的不同特点 ,对引起 2种测量方法流速测量差异的主要误差进行了分析 ,并采用合适的方法对这些主要误差进行了量化估计。研究发现 ,2种测量方法取样的空间差异、时间差异以及仪器的观测误差等是构成高频雷达与常规海流计测量结果差异的主要因素。充分考虑这些因素对流速测量的影响能较大的提高高频雷达流速对比验证的精度     

杭州湾地波雷达观测的海流数据取样率分析

根据杭州湾口区两台地波雷达5个半月观测的资料,对其中的3 189个有效观测时次的海流数据取样率(CSR)在空间和时间上的变化规律进行了分析,结果表明,在两台雷达波交叉观测的中心区域各测点的地波雷达观测的海流数据取样率高于外围区域,在中心区域海流数据取样率可达98%以上,向外围区域海流数据取样率逐渐平缓递减,到边缘区域海流数据取样率仅在20%以下;地波雷达观测的海流数据取样率有明显的日变化,白天海流数据取样率明显低于夜间;17时海流数据平均取样率达到最低值(约49%),然后很快上升,至02时达最高值(约74%),然后再缓慢下降至17时为止。同时在10时和20时地波雷达观测的海流数据取样率呈现两个相对低值点,可能与人们在这两个时段通讯繁忙所造成的干扰有一定的关系。海流流速对地波雷达观测的海流数据取样率也有较大影响,呈负相关,流速大时海流数据取样率比流速小时的要低,在海流数据取样率大于98%的中心区域,流速和海流数据取样率的相关系数小于-0.8,在海流数据取样率大于60%的区域,流速和海流数据取样率的相关系数小于-0.6,体现明显的相互关联。地波雷达观测的海流数据取样率和潮汐有着每日4次的良好相干,而似乎和风没有显著的关系。希望这些分析对地波雷达以后的推广使用能积累一些经验和参考意见。     

便携式高频地波雷达海流探测长周期工作性能试验

2013年1月29日至3月15日在台湾海峡西南部海域进行了OSMAR-S100便携式高频地波雷达与浮标观测海流数据的长周期对比试验,验证了雷达系统在探测海流方面的准确性、可靠性和稳定性.通过实测海流与雷达矢量流的复相关分析,选定3 m层的海流为对比代表层.试验期间实测流速为0.0~120.0 cm/s,雷达海流有效探测区内的矢量流流速、流向的观测误差较小,能够满足实时监测海洋表层流的需要,高精度区流速、流向的均方根误差分别为9.1 cm/s和24.8°,边缘区的均方根误差为13.3~24.8 cm/s和39.4°~39.6°,与国内外达到业务化运行要求的同类产品实际观测精度相当.     

浅海测流浮标阵

为了执行海湾及浅海(水深在20米内)多点同步连续昼夜(或多日)和长期(一月以上)的海流观测任务,我所在海上采用同时投放五个测站的一昼夜观测浮标及二个测站(一月更换一次)的长期观测浮标系统,浮标系统工作正常.这样构成一组测量海流的浮标阵,取得了大量的、良好的海流资料.现将该浮标阵介绍如下.     

轴对称定常台风作用下的一个线性海流模式

自从V.W.Ekman提出著名的风漂流理论,以及B.Helland-Hansen提出著名的梯度流公式以来,海流理论获得了极其迅速的发展。K.Hidka and Y.Akiba,J.J.O'Brienand R.O.Reid,J.E.Geisler,B.丑.Ry~oB,C.Cooper and B.Pearce等已经做了十分有意义的台风流的现场观测、数值模拟和理论研究工作。 本文为台风海流研究的初始阶段结果。其目的在于,探讨轴对称定常台风作用下的海流结构,从而使我们对它的流速和水温的空间分布,有些探索性的了解。     

西风带海洋环境观测技术研究

南大洋海况常年较恶劣,导致现场观测资料匮乏。中国首套南大洋西风带环境观测浮标于2019年1月1日布放在新西兰东南近53°S海域,现场实时观测并传输风向、风速、气温、气压、相对湿度、海表层温盐、海流、波浪等数据资料。该套锚定浮标也是我国首次布放超过4 500 m水深的极端环境观测浮标系统。布放运行结果表明,我国已具备研发极端环境海洋资料浮标的技术基础和深海浮标布放作业经验,研发的西风带环境观测浮标可长期运行在南大洋西风带海域,进行长期海上水文气象和动力环境参数观测。     

地波雷达海流观测数据验证的软件实现及初步分析

利用Matlab语言及其图形交互界面编程技术,将OSMAR高频地波雷达观测数据与现场测流数据的比对验证方法集成在软件中。利用该软件输入OSMAR地波雷达、海流计、ADP和美国CODAR雷达的试验海流数据得到了误差统计特征值,初步分析了不同比测站点和不同比测仪器对雷达数据验证工作的影响。     

海流观测与资料整理过程中主要误差引进

在测流过程中和资料整理时会有各种各样误差引进。但是,其中有三种误差是主要的: 1.船体的影响。铁船体本身具有磁性。它能改变海流计中磁罗经的方向,船体对表层海流流速也有影响,一般来说铁船体可使流向差的方均根值达30°～49°,流速差的方均根值达4～10厘米/秒。 2.余流是低频的流动,具有3、5、10,15天,甚至更高的变化周期。在一个定点站只观测25小时的海流资料,是得不出准确的余流值,要尽可能延长观测资料的时间序列长度。 3.用观测24小时的海流资料序列来分析余流要比用25小时海流资料序列分析余流误差大,引起最大误差可达±4%。     

利用海流观测资料检验近海内波

本文基于分层流体中内波流的切变效应,从不可压缩流体的连续方程出发,导出了流体中可能存在内波的必要条件和不存在内波的充分条件,作者利用某些测站海流计垂直阵列的观测结果,对上述条件进行了验证,在观测资料的处理中,首先用福里哀分析方法将实测海流中的潮周期成分分离出来,然后又依据某些考虑将潮周期内波流从实测海流的潮周期成分中分离出来,观测结果与理论分析相当一致,并由此得出内波的一些性质,从而得出结论:海流计垂直阵列的观测资料是检验近海内波的重要手段.     

锦州湾附近水域波浪和海流特征初探

根据戎芦岛海洋站长期波浪观测资料和锦州湾实测海流数据的处理和分析，阐述了研究海区波浪和海流的基本特征及其变化规律。