一种基于高频声学流速仪的海洋湍流参数计算方法

本发明涉及海洋湍流参数计算，尤其涉及一种基于高频声学流速仪的海洋湍流参数计算方法。

背景技术：

1、珊瑚礁的湍流过程决定礁区的热量和能量分配以及泥沙物质输运，最终影响了珊瑚生态健康。珊瑚礁海域湍动力环境变化研究是全面理解和保护我国南海珊瑚岛礁生态健康的关键一环，但目前基于现场观测调查数据认识珊瑚礁湍流过程仍是稀缺，而利用高频声学流速仪计算出海洋湍流参数是关键技术手段。无论是在观测仪器技术还是在数据分析理论层面上，获取高时空分辨率的湍流等相关数据是研究珊瑚岛礁环境动力学必不可少的资料。

2、如何能够合理、准确、同步地获取这些宝贵的现场观测数据资料，并根据针对的科学问题选择最为恰当的分析方法是问题的关键所在。

3、因此，有必要提出一种基于高频声学流速仪的海洋湍流参数计算方法，以解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的是如何基于高频声学流速仪的现场观测数据资料，对海洋湍流参数进行计算的问题。

2、为了解决上述问题，本发明提供了一种基于高频声学流速仪的海洋湍流参数计算方法，包括：

3、s1、基本质量控制与处理；

4、s2、湍流雷诺应力和湍动能生成率估算；

5、s3、湍动能耗散率估算；

6、s4、垂向湍扩散系数与湍涡粘性系数估算。

7、在本发明的一个优选实施方式中，s1中的基本质量控制方法为：检查观测期间高频声学流速仪的姿态数据，包括heading、pitch和roll数据，确定观测的高频压力与流速分量的原始数据有效可用。

8、进一步地，s1中的处理方法为：舍弃范围在0-50的相关系数、信噪比和percentgood所对应的和受旁瓣效应影响的数据；对高频观测数据进行去噪、去尖峰和滤波处理。

9、在本发明的一个优选实施方式中，s2中基于五波束观测仪器数据通过以下公式计算得到湍流雷诺应力分量：

10、

11、

12、其中，u′、v′和w′表示地球坐标系下的脉动流速，b′1、b′2、b′3、b′4表示沿beam方向的脉动流速，b′5表示垂向脉动流速，和分别表示heading、pitch和roll角度，θ表示沿beam方向波束与垂直方向的夹角度，上横划线表示时间平均；

13、基于相邻层的流速差直接计算得到流速剪切，湍流雷诺应力在与平均流速剪切相互作用过程中，不断的将能量从平均流转化到湍流，其转化速率称为湍动能剪切生成率(pt)，即可通过如下公式估算：

14、

15、其中，z表示观测流速层位置。

16、在本发明的一个优选实施方式中，s3中湍动能耗散率ε估算方法为：假定对于高雷诺数流动的各向同性湍流，会存在一个长度尺度(r)的惯性副区(满足r2/3)，能量从大尺度向小尺度传递过程中在惯性副区内始终保持守恒，具体计算过程如下：

17、某层位置(z)沿beam流速脉动(b′)的二阶结构函数定义如下形式：

18、

19、其中，d(z，r)表示距离为r的两点的脉动流速差的均方，上划横线表示时间平均；脉动流速差很大程度上是由与r相当长度尺度的湍涡引起的，且与流速尺度(s′)相关，即存在：

20、d(z，r)～s′2

21、基于泰勒串级理论，惯性副区范围内各向同性湍涡特征长度和特征流速尺度与包含湍涡的湍流区域内的ε，存在关系：

22、ε～s′3/r

23、进而有：

24、d(z，r)～cε2/3r2/3

25、其中，c表示常数，取2.1，d(z，r)与r2/3满足以下关系：

26、d(z，r)＝a0+a1r2/3

27、于是计算ε为：

28、ε＝(a1/c)3/2

29、在本发明的一个优选实施方式中，s4中通过计算单点垂向脉动流速的标准偏差与欧拉积分长度尺度(le)的乘积得到垂向湍扩散系数：

30、

31、

32、

33、其中，x表示平均流指向，r表示空间距离，r＝t×um，t表示时间间隔，um表示平均流速，上划横线表示时间平均；

34、利用观测的每层垂向脉动流速都可计算出dt，最后即可给出dt剖面；

35、垂向湍涡粘性系数(vt)可根据湍动能剪切生成率(pt)与流速剪切平方之比计算得到，即：

36、

37、其中，z表示观测流速层位置，u和v分别表示流速东分量、北分量。

38、实施本发明，具有如下有益效果：

39、本基于高频声学流速仪的海洋湍流参数计算方法，用于计算海洋湍流参数使用，通过高频声学流速仪获取珊瑚礁区现场观测数据资料后，可以根据本方法计算得到珊瑚礁区的湍流雷诺应力、湍动能生成率与耗散率、垂向湍扩散系数以及湍涡粘性系数，为珊瑚礁生态保护提供了有针对性的参考，方法简单可行。

技术特征：

1.一种基于高频声学流速仪的海洋湍流参数计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于高频声学流速仪的海洋湍流参数计算方法，其特征在于，所述s1中的基本质量控制方法为：检查观测期间高频声学流速仪的姿态数据，包括heading、pitch和roll数据，确定观测的高频压力与流速分量的原始数据有效可用。

3.根据权利要求2所述的基于高频声学流速仪的海洋湍流参数计算方法，其特征在于，所述s1中的处理方法为：舍弃范围在0-50的相关系数、信噪比和percent good所对应的和受旁瓣效应影响的数据；对高频观测数据进行去噪、去尖峰和滤波处理。

4.根据权利要求1所述的基于高频声学流速仪的海洋湍流参数计算方法，其特征在于，所述s2中，基于五波束观测仪器数据通过以下公式计算得到湍流雷诺应力分量：

5.根据权利要求1所述的基于高频声学流速仪的海洋湍流参数计算方法，其特征在于，所述s3中湍动能耗散率ε估算方法为：假定对于高雷诺数流动的各向同性湍流，会存在一个长度尺度(r)的惯性副区(满足r2/3)，能量从大尺度向小尺度传递过程中在惯性副区内始终保持守恒，具体计算过程如下：

6.根据权利要求1所述的基于高频声学流速仪的海洋湍流参数计算方法，其特征在于，所述s4中通过计算单点垂向脉动流速的标准偏差与欧拉积分长度尺度(le)的乘积得到垂向湍扩散系数：

技术总结本发明公开了一种基于高频声学流速仪的海洋湍流参数计算方法，包括基本质量控制与处理；湍流雷诺应力和湍动能生成率估算；湍动能耗散率估算；垂向湍扩散系数与湍涡粘性系数估算。本基于高频声学流速仪的海洋湍流参数计算方法，用于计算海洋湍流参数使用，通过高频声学流速仪获取珊瑚礁区现场观测数据资料后，可以根据本方法计算得到珊瑚礁区的湍流雷诺应力、湍动能生成率与耗散率、垂向湍扩散系数以及湍涡粘性系数，为珊瑚礁生态保护提供了有针对性的参考，方法简单可行。技术研发人员：凡仁福受保护的技术使用者：海南省海洋与渔业科学院技术研发日：技术公布日：2024/7/25