吊放式RCM 海流計大面站海流剖面觀測數(shù)據(jù)處理方法

張旭東，毛科峰，王鵬皓，丘仲鋒

（1.南京信息工程大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210044；2.國防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院，江蘇 南京 211102）

傳統(tǒng)海流的觀測方法主要有定點觀測和走航觀測兩種。定點觀測主要依靠錨系測流，即在潛標(biāo)或浮標(biāo)錨鏈的一定深度固定測流儀器，使其能獲得單點的長時間序列的資料，但其不能獲得大范圍的流場資料，且風(fēng)險大、成本高。走航觀測主要為船載聲學(xué)多普勒流速剖面儀（Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP）測流[1]，它只能獲取一定深度的海流資料，并且需要搭載在特定的測船上。因此，如何獲取大面站全海深海流的剖面資料，是海流觀測的難題[2]。

近二十年來，下放式聲學(xué)多普勒海流剖面儀（Lowered Acoustic Doppler Current Profiler，LADCP）已經(jīng)成為國際海洋學(xué)上觀測整層海流剖面使用的最普遍的儀器。其優(yōu)勢體現(xiàn)在可觀測完整的海流垂直剖面、強大的海上作業(yè)可操作性和廣闊的觀測海域范圍，可以在斷面調(diào)查的所有測站上實施觀測，從而獲得大范圍、準(zhǔn)同步、全剖面的海流實測資料[3]。然而由于其開創(chuàng)性的投放式設(shè)計，在進行下放時對下放速度、儀器傾角、電壓等都有嚴(yán)格參數(shù)限制[4]。同時由于換能器的工作影響，會形成測量盲區(qū)，對第一觀測層的數(shù)據(jù)質(zhì)量產(chǎn)生影響[5]。更為重要的是，這種獨特的測量方式導(dǎo)致LADCP 在資料處理方面也會因資料數(shù)量不足、回波信號弱、參考層選取困難等原因產(chǎn)生非常復(fù)雜的技術(shù)問題[6]。

Aanderaa RCM 是挪威Aanderraa 儀器公司生產(chǎn)的一種高精度聲學(xué)多普勒海流計，采用后向散射聲學(xué)多普勒原理，主要被設(shè)計用來進行單點的海流觀測，并在定點錨系比測的實驗中被證明有著較高的精度[7]。也有研究者將Aanderaa RCM 與鉛魚[8]或溫鹽深剖面儀（Conductivity-Temperature-Depth Profiler，CTD）[9]固定，一起下放入海水中進行海流觀測，然而參照物速度和采樣間隔等因素會導(dǎo)致測量的資料精度不高。

LADCP 能夠觀測獲得整個海流剖面，在測量的垂直分辨率上要優(yōu)于Aanderaa RCM 海流計，但是其獲取的海流資料的后處理十分復(fù)雜，常使用的逆方法和剪切方法步驟十分繁瑣。雖然Aanderaa RCM 海流計只能觀測設(shè)定深度的海流，但其在數(shù)據(jù)獲取和處理上要比LADCP 簡便，同時對于一層的海流資料，Aanderaa RCM 具有更高的數(shù)據(jù)精度。將Aanderaa RCM 海流計采用類似LADCP 測流的CTD 捆綁式測量法，運用在大面站全海深的海流剖面測量中是一種新的嘗試，需要對其獲取的海流資料的分析處理方法和觀測效果開展大量研究，因此，本文利用大面觀測中吊放式SeaGuard RCM 海流計（簡稱RCM 海流計）的實測數(shù)據(jù)，分析制約觀測絕對流速剖面的原因，并提出相應(yīng)的處理方法，與同步船載ADCP 實測數(shù)據(jù)進行對比檢驗，以期為大面站全海深的海流剖面觀測提供新思路。

1 基于RCM 海流計的大面站海流剖面觀測方法

1.1 儀器簡介

RCM 海流計是在SeaGuard 數(shù)據(jù)記錄平臺和ZPulse 多普勒海流傳感器基礎(chǔ)上開發(fā)的新一代海流計。RCM 海流計將測量海流得到的數(shù)字信號與安德拉實時數(shù)采軟件、可視化數(shù)據(jù)處理軟件相結(jié)合，可以獲得高時間分辨率、高精度的數(shù)據(jù)，包括溫度、深度、流速、流向等[10]。

表1 SeaGuard RCM、RCM9、RCM11 海流計技術(shù)參數(shù)對比

1.2 大面站海流剖面觀測方法

RCM 海流計在測量時最常使用的方法為錨系測量法。通過浮標(biāo)或潛標(biāo)，RCM 能夠有多種錨系應(yīng)用。將RCM 海流計安裝在系泊架上，無需拆卸系泊纜即可輕松安裝和拆卸儀器。

除了錨系測量法外，由于RCM 海流計緊湊的設(shè)計和較小的阻力，在大面站調(diào)查中，可以直接將其用一個簡單的絞車吊放投入到海中，在需觀測的深度進行停放。考慮到RCM 海流計的采樣頻率為0.05 Hz，過短的停放時間間隔會導(dǎo)致數(shù)據(jù)量過少，過長的停放時間導(dǎo)致船體漂泊對海流觀測造成的影響變大，因此將停留時間設(shè)定為5 min，進行該深度層海流流速、流向觀測，如圖1 所示。本次實測采用該方法，將RCM 海流計與CTD 一同固定于鐵架上，如圖2 所示，利用絞車以勻速從海表面下放至近底層，再將其從近底層回收至海表面，在回收過程中對海流等數(shù)據(jù)進行觀測。在本次試驗中，將Zpulse 傳感器Enable Tilt Compensation（啟用傾斜補償）設(shè)置為激活狀態(tài)，傳感器將自動補償傾斜，可以一定程度上提高海流資料的質(zhì)量。RCM 海流計本身自帶壓力傳感器，可以比較準(zhǔn)確地得到其所處的深度。為了獲取高精度數(shù)據(jù)，采用了標(biāo)準(zhǔn)層測量法，即在底層向表層施測過程中選擇適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)層令RCM 進行停留，最終可以獲得全海深標(biāo)準(zhǔn)層的海流資料；同時，船載ADCP 進行同步觀測、利用船載GPS 獲取同步的船速、航向數(shù)據(jù)。

圖1 RCM 海流計吊放測量法示意圖

圖2 RCM 海流計實測照片

2 吊放式RCM 海流計海流剖面數(shù)據(jù)處理方法

2.1 吊放式RCM 海流計觀測海流剖面的誤差來源分析

當(dāng)利用吊放式RCM 海流計進行海流剖面觀測時，船體運動和儀器本身會產(chǎn)生誤差，主要有以下原因。

（1）在RCM 海流計下放過程中需要停船進行操作，然而在停船時由于表面流和風(fēng)場的共同作用，船舶平臺會緩慢地進行低速漂泊。雖然船體移動的速度和距離都很小，但是對于海流的測量來說不可以忽略，因此，需要對停船時船體移動的速度和方向與海流的測量值進行訂正。

（2） RCM 海流計在測量時采取的是標(biāo)準(zhǔn)層停留的方法，即在0 m、10 m、20 m、30 m、50 m、75 m、100 m、125 m、150 m、200 m、250 m、300 m、400 m、500 m、600 m、700 m、800 m、1 000 m、1 200 m、1 500 m 共20 層進行懸停5 min。懸停期間，RCM 海流計會產(chǎn)生上下震蕩，為準(zhǔn)確得到標(biāo)準(zhǔn)層的海流，上下震蕩期間的數(shù)據(jù)需進行處理。

（3）為了使觀測的海流更加準(zhǔn)確，在下放RCM海流計時不懸停，而選擇在往上回收RCM 海流計時在標(biāo)準(zhǔn)層停留。這導(dǎo)致獲得的海流數(shù)據(jù)是從近底層到海表面逆序列排列，不便于后續(xù)使用，因此在處理數(shù)據(jù)時應(yīng)將數(shù)據(jù)進行重新排列。

除了以上誤差來源外，RCM 海流計還可能因下放傾角、下放速度等原因產(chǎn)生誤差，本文暫不分析。

2.2 處理方法

在讀取XML 格式的RCM 海流計實測數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)導(dǎo)出為Matlab 可讀的mat 格式文件。本方法利用Matlab2016b 軟件進行數(shù)據(jù)處理，技術(shù)路線如圖3 所示。

圖3 技術(shù)路線圖

（1）將實測數(shù)據(jù)依據(jù)深度進行重新排列，得到由表層向底層深度遞增的海流流速、流向數(shù)據(jù)。重新排列后選取深度、流向、流速、時間數(shù)據(jù)構(gòu)造數(shù)組，便于數(shù)據(jù)的時空匹配與后續(xù)資料處理。

（2）判斷數(shù)組中深度維度的數(shù)值與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)層之間的差值，篩選出每一標(biāo)準(zhǔn)層的時間、流速、流向。由于儀器本身誤差和海洋內(nèi)部運動，使得RCM 海流計不能準(zhǔn)確停留在設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)層深度，因此，在數(shù)據(jù)提取時需設(shè)定相應(yīng)的深度閾值。根據(jù)不同深度下數(shù)據(jù)的分布狀態(tài)，設(shè)定閾值為：0～75 m：2 m；100～800 m：5 m；1 000～1 500 m：7 m，獲取閾值內(nèi)海流的所有流速、流向資料。分析每一標(biāo)準(zhǔn)層中RCM 海流計的震蕩狀態(tài)，根據(jù)分析結(jié)果選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)作為該標(biāo)準(zhǔn)層的RCM 海流數(shù)據(jù)。

（3） 讀取船載ADCP 數(shù)據(jù)，包括經(jīng)緯度、時間、流速、流向數(shù)據(jù)。采用的船載ADCP 數(shù)據(jù)為38 K 的長平均和短平均數(shù)據(jù)，獲取經(jīng)緯度、航速、航向數(shù)據(jù)的時間間隔為分別為10 min 和5 min。將船載ADCP 和RCM 海流計的經(jīng)緯度、時間進行匹配，獲取RCM 海流計下放時的經(jīng)緯度、航速、航向數(shù)據(jù)，據(jù)此來繪制停船時的航線圖，計算漂泊距離。

（4） 由于船舶載體的低速漂泊，RCM 海流計測得的海流為相對的流速、流向，需對其進行修正得到絕對流速、流向資料。首先將每一標(biāo)準(zhǔn)層RCM 海流計流速、流向數(shù)據(jù)與對應(yīng)的ADCP GPS 測的航速、航向數(shù)據(jù)進行矢量分解，分解得到海流和船舶載體的東西分量u 和南北分量v。根據(jù)矢量合成原則將u、v 分量進行矢量加減與合成，最終得到修正后的RCM 絕對海流流速、流向數(shù)據(jù)。最后將其與經(jīng)過處理的同期ADCP 海流數(shù)據(jù)進行比較，驗證該處理方法的可行性。

3 結(jié)果分析

3.1 低速漂泊分析

通過船載ADCP 和RCM 海流計數(shù)據(jù)的時空匹配，可以獲得停船時經(jīng)緯度、航速、航向的信息。分析表2 大面站RCM 海流計施測期間停船漂流的軌跡可知，在2018 年11 月23 日23 ∶26 至24 日02 ∶06 施測的160 min 內(nèi)，科考船從159.996 6°E、12.011 2 °N 漂流到了159.979 9 °E、12.032 9 °N，總共漂流的距離為3 038.2 m，科考船的低速漂泊軌跡如圖4 所示，最大的瞬時速度為72.7 cm/s，最小瞬時速度為19.8 cm/s，平均速度為46.97 cm/s，即0.91 kn。這個速度雖然很小，但是對于海流觀測是一個不可忽略的較大量。因此不能簡單地將RCM 測得的相對速度作為定點大面站的海流觀測值，而是科考船低速漂泊時的相對流速。在后續(xù)數(shù)據(jù)中應(yīng)當(dāng)考慮科考船載體的航速、航向與海流速度之間的關(guān)系，從而得到海流的絕對流速、流向。

圖4 2018 年11 月23—24 日大面站低速漂泊船軌跡圖

表2 2018 年11 月23—24 日科考船低速漂泊軌跡

3.2 RCM 海流計震蕩分析

在RCM 海流計施測懸停期間，海流計會因海洋內(nèi)部的運動和海面波浪而產(chǎn)生上下方向的震蕩。本文統(tǒng)計了大面站0～1 500 m 共計20 個標(biāo)準(zhǔn)層的RCM 海流計的震蕩數(shù)據(jù)，如圖5 所示。除去異常值，92%的RCM 海流計震蕩距離都集中在2 m 內(nèi)，最大震蕩距離為4.7 m，平均震蕩距離為1.3 m。相對于待測區(qū)域的海深來說，震蕩的距離為一較小量，可以認(rèn)為觀測的海流為同一標(biāo)準(zhǔn)層海流。

圖5 RCM 海流計震蕩距離圖

當(dāng)RCM 海流計在標(biāo)準(zhǔn)層停留并震蕩時，為了驗證是否存在鐵架上浮，纜繩松弛導(dǎo)致RCM 測得的海流數(shù)據(jù)為不受科考船漂泊影響的絕對流速、流向數(shù)據(jù)。分析了RCM 海流計在各個標(biāo)準(zhǔn)層內(nèi)震蕩時測得的海流數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)海流數(shù)據(jù)在RCM 上浮和下沉?xí)r差別不大，并未出現(xiàn)上浮導(dǎo)致海流計測得的數(shù)據(jù)產(chǎn)生大幅度變化的情況。表3 為75 m 標(biāo)準(zhǔn)層停留時的RCM 測流情況，以該層為例：當(dāng)深度小于77m時視為上浮狀態(tài)，深度大于77 m 時視為下沉狀態(tài)，從表3 中可以看出上浮和下沉的流速、流向數(shù)據(jù)并未出現(xiàn)很大差別，且沒有因為鐵架的上浮或下沉產(chǎn)生相應(yīng)的規(guī)律性變動。因此，在一個標(biāo)準(zhǔn)層內(nèi)，可以認(rèn)為纜繩不會因鐵架的震蕩產(chǎn)生松弛，纜繩與鐵架為一剛性整體，同時受到科考船低速漂泊影響。

表3 75 m 標(biāo)準(zhǔn)層RCM 海流計震蕩流速、流向

綜合以上結(jié)果可以看出，RCM 海流計在施測期間雖然會出現(xiàn)小范圍的震蕩，但震蕩的區(qū)間并不大，震蕩區(qū)間內(nèi)海流的變化不明顯，且并未因震蕩狀態(tài)的不同產(chǎn)生較大數(shù)據(jù)差異。因此，可以采用震蕩區(qū)間內(nèi)所有海流的流速流向觀測值取平均值的方法，將得到的結(jié)果作為該標(biāo)準(zhǔn)層的海流數(shù)據(jù)。

3.3 矢量合成與驗證

船載ADCP 對實時航速和航向的采樣時間間隔為10 min（長平均） 和2 min（短平均），RCM 海流計在每個標(biāo)準(zhǔn)層停留的時間為5 min，因此根據(jù)時空匹配的原則，將船載ADCP 測量的航速、航向匹配到相應(yīng)的RCM 海流計標(biāo)準(zhǔn)層海流數(shù)據(jù)。根據(jù)式（1）將航向、航速與經(jīng)過平均處理的RCM 標(biāo)準(zhǔn)層海流的流速、流向進行分解。

式中，u 和v 分別代表東西方向上的流速（航速）分量和南北方向上的流速（航速）分量；V 表示流速（航速）；θ 表示流向（航向）。將分解后的海流數(shù)據(jù)與航速、航向數(shù)據(jù)進行矢量合成，即可將RCM 海流計觀測得到的相對流速修正為沒有載體速度影響的絕對流速。

2018 年11 月23 日，在 位 于159.996 6°E、12.011 2°N 的1 號大面站進行了科考船低速漂泊情況下RCM 海流計與ADCP 的比測實驗。RCM 海流計下放的深度為1 486 m，科考船的速度約為0.91 kn。RCM 海流計觀測到的原始海流資料如圖6（a）所示。由于是未經(jīng)處理的相對海流速度，不論是在方向還是速度大小方面，都與ADCP 測得的海流數(shù)據(jù)有較大差距。在海流流速大小方面存在明顯偏大的現(xiàn)象，海流方向的變化不明顯，同時沒有展現(xiàn)出該地區(qū)具有明顯特征的海流。例如150 m 深度存在的西向流和300～400 m 層存在的西北向海流在RCM 海流計的測流結(jié)果中均未體現(xiàn)。

經(jīng)過時空匹配和矢量合成，得到該大面站RCM 海流計測得的絕對流速并與ADCP 測得的流速進行對比，結(jié)果如圖6（b）和圖6（c）所示，表面經(jīng)過修正后的RCM 流速資料與ADCP 流速資料有較好的一致性，速度的大小和方向都與ADCP 更為接近，也更好地展現(xiàn)了該大面站較明顯的海流特征；同時，經(jīng)過2 min 分辨率GPS 數(shù)據(jù)匹配處理后的RCM 海流資料較10 min 分辨率的有更高的精度，特別在0～200 m 深度的海流資料上與ADCP 測流具有更好的一致性。同時，RCM 海流計較船載ADCP 能獲得更深層的海流剖面。

圖6 1 號大面站RCM 與ADCP 海流觀測結(jié)果對比圖

將處理前后RCM 海流計測得的海流速度大小和方向分別進行對比，結(jié)果如圖7 所示。從圖中看出，經(jīng)過修正的RCM 海流數(shù)據(jù)解決了原始數(shù)據(jù)流速大小過大和流向變化不明顯的問題，與ADCP的測流數(shù)據(jù)更加接近。從表4 中可以看出，經(jīng)過修正后，RCM 海流計與ADCP 測得的海流方向和速度大小的均方根誤差都有減小，分別從修正前的89.84°和37.24 cm/s 減小到17.63°、12.75°和7.429 cm/s、3.560 cm/s，且高時間分辨率的GPS 對RCM 海流計的修正有促進作用，流向和流速的誤差分別降低4.88°和3.869 cm/s。

表4 修正前后RCM 海流計與ADCP 測流方向與速度大小均方根誤差

4 結(jié) 論

本文嘗試將高精度SeaGuard RCM 海流計運用在大面站調(diào)查中，采用吊放方式開展海流剖面觀測，并針對調(diào)查過程中船舶平臺低速漂泊、儀器震蕩等影響海流觀測結(jié)果的因素，提出了相應(yīng)的資料處理方法，提高了RCM 測流的精度。本文結(jié)論如下。

（1） 在大面站調(diào)查中，船舶低速漂泊時的船速、航向會對RCM 海流計的測流產(chǎn)生影響。研究發(fā)現(xiàn)漂泊船速與流速大小相當(dāng)，因此船舶漂泊是影響海流剖面觀測的主要因素。

（2）在標(biāo)準(zhǔn)層觀測中，RCM 海流計在停放的標(biāo)準(zhǔn)層內(nèi)的垂向震蕩很小，對海流測量的影響較小。

（3）經(jīng)過矢量合成、標(biāo)準(zhǔn)層平均等方法能有效訂正測流過程中因船舶平臺低速漂泊、儀器震蕩等產(chǎn)生的誤差，并與同步實測的船載ADCP 數(shù)據(jù)進行對比驗證，發(fā)現(xiàn)RCM 海流剖面數(shù)據(jù)精度較高，且較船載ADCP 能獲得更深層的海流剖面。

（4）GPS 的時間分辨率會影響RCM 海流計的校正精度，高時間分辨率航速、航向數(shù)據(jù)有助于海流的矢量合成，從而提高RCM 海流資料的準(zhǔn)確度。

本文為探索大面站全海深的海流剖面觀測新手段做出了有益嘗試，研究提出的吊放式RCM 海流計海流剖面觀測資料處理方法未考慮下放速度、下放纜繩的傾角、海況等因素，后續(xù)還需開展大量研究驗證。