EMD在海洋內(nèi)波研究中的應(yīng)用＊

（海軍潛艇學院 青島 266071）

1 引言

內(nèi)波過程是非線性的，對其觀測資料進行的處理分析往往是建立在一些必要假定的基礎(chǔ)上［1］。在對內(nèi)波資料進行處理分析的過程中，如果能盡量減少對假定性條件的依賴，在實際應(yīng)用中就很有意義。黃鍔提出了一種新的數(shù)據(jù)處理方法—經(jīng)驗?zāi)７纸夥椒ǎ?～4］，它的特點是能夠?qū)Ψ蔷€性、非平穩(wěn)過程的數(shù)據(jù)進行線性化和平穩(wěn)化處理，并在分解的過程中保留了數(shù)據(jù)本身的特性，再對各分量進行Hilbert變換，得到各自的瞬時頻率和瞬時振幅，而瞬時振幅在頻率—時間平面上的分布就是Hilbert譜，Hilbert譜在客觀性和分辨率方面都具有明顯的優(yōu)越性。與此同時，它也解決了非線性、非平穩(wěn)過程數(shù)據(jù)距平值變量的求取問題［5～6］。而對于實測內(nèi)波波動資料中內(nèi)波信息的提取，通常采用濾波的方法，對于內(nèi)波垂向模態(tài)，以往多為通過方程解算得到，而通過實測數(shù)據(jù)獲取垂向模態(tài)目前并沒有較實用的方法［7～10］。

2 采用數(shù)據(jù)描述

實驗時間為2010年6月30日到7月6日，實驗地點為E111°12′，N19°30′，實驗儀器為溫度鏈與CTD。溫度鏈共18個探頭，其中兩個深度探頭，16個溫度探頭，采樣頻率為1min，從海表至海底16個溫度探頭對應(yīng)深度為10m、18m、20．5m、23m、28m、33m、38m、43m、48m、53m、58m、63m、68m、73m、75．5m、81m、89m。CTD測量是利用實驗船側(cè)邊小吊勾吊CTD入水測取垂向溫鹽密剖面，采樣間隔為1m，采樣頻率為1h，因躍層處的溫度波動最明顯，我們?nèi)≤S層深度處的溫度波動，如圖2所示。

3 基于EMD 分解方法的內(nèi)波溫度波動分析

取此次測量過程中一次明顯的內(nèi)波過程，圖1為2010年7月2日4點到11點的溫度等值線圖，其中橫軸為時間，縱軸為深度，從圖中可以看出明顯的內(nèi)波波動。

圖2為取整個內(nèi)波過程時間范圍內(nèi)各測層溫度的時間平均為該測量點未產(chǎn)生內(nèi)波時的海水溫度值，即平衡位置時的溫度。

圖1 2010年7月2日溫度等值線圖

圖3中，圖3（a）為躍層處溫度隨時間波動圖，圖3（b）～圖3（g）為內(nèi)波波動EMD 分解的六個模態(tài)，圖3（h）為EMD 分解的余項。

圖2 躍層處溫度等值線圖

圖3 海洋內(nèi)波溫度波動及其EMD 分量IMF與余項

余項表示的是整個溫度波動的大趨勢，從圖3（h）中可以看出，整個波動過程中溫度的整體趨勢為下降的，觀測時間段內(nèi)，從4 點～11 點的過程中，天氣轉(zhuǎn)陰，海面風力加大，海面溫度降低，水體的溫度整體降低，這與實際相符。

摒除高頻部分的干擾，采用正弦曲線逼近與fourier曲線逼近兩種方法，對低頻模態(tài)IMF4、IMF5、IMF6和余項進行函數(shù)擬合并疊加，圖4為IMF4、IMF5、IMF6和余項的擬合函數(shù)疊加構(gòu)造的波動函數(shù)與原溫度波動的對比，其中紅色線為擬合的波動函數(shù)，藍色線為原溫度波動曲線。

介于直接對原溫度波動進行擬合的難度，采取EMD 分解后，對低頻模態(tài)分解并疊加的方法能較好地解決這一問題，且從圖4中可以看出，其擬合的效果較好。

4 基于EMD 分解方法的內(nèi)波垂向模態(tài)獲取

4．1 垂向位移的求取方法

圖5中紅線為沿圖1中a線由海表至測深底層截取的溫度垂向分布，藍線表示圖2中相應(yīng)時刻平均溫度從海表至海底的垂向分布，在圖6中選取藍線上的b點，其深度為h1，其對應(yīng)的相對于平衡點的溫度波動深度為圖中黑線對應(yīng)的坐標軸點c，記深度為h2，則b點對應(yīng)的內(nèi)波垂向位移即為h1～h2，對垂向上各個測深點做相應(yīng)的計算，可以得到垂向上的位移分布如圖6a所示。

4．2 應(yīng)用EMD 方法獲取垂向模態(tài)函數(shù)

對圖6a的垂向位移分布EMD 分解，其余項部分表示位移在垂向上的變化趨勢，將余項部分歸一化，所得的圖6d即為內(nèi)波在該時刻該測點的垂向模態(tài)函數(shù)，由于測深并未沿至海底，垂向模態(tài)函數(shù)只表示到測深80m 左右。

圖4 各模態(tài)擬合函數(shù)疊加圖

圖5 截取時間點的垂向溫度分布與平均溫度垂向分布對比

圖6 海洋內(nèi)波垂向位移分布及其EMD分量IMF與余項

圖7 測點的垂向密度分布

圖8 根據(jù)密度計算所得的垂向模態(tài)函數(shù)

圖7為圖1a線時刻CTD 同步測得的垂向密度分布，圖8為根據(jù)圖7的密度分布計算得到的第一模態(tài)的垂向模態(tài)函數(shù)，通過對比圖8和圖6（d），兩者存在很高的一致性，進一步驗證了上述求取垂向模態(tài)函數(shù)方法的有效性。

5 結(jié)語

本文從EMD 方法入手，對內(nèi)波引起的溫度時間波動進行了分析，采用對低頻模態(tài)的擬合，構(gòu)造出了溫度時間波動的函數(shù)，經(jīng)對比與原溫度波動相似度較高。采用了一種新的根據(jù)實測溫度鏈數(shù)據(jù)利用EMD 方法獲取內(nèi)波垂向模態(tài)的新思路，經(jīng)實測CTD 密度數(shù)據(jù)計算驗證，該方法獲得的經(jīng)驗?zāi)B(tài)函數(shù)有效性較高。

由于該方法計算量較大，所以目前的計算量還無法覆蓋全部的觀測數(shù)據(jù)，下一步要加大計算量，對觀測到的內(nèi)波數(shù)據(jù)進行批量的計算，充分驗證上述的兩個方法。

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