卡尔曼滤波在海洋浮标数据预处理中的应用

【目的】优化自动化数据预处理方法,以提高海洋浮标数据质量。【方法】结合海洋浮标数据特征,提出了一种改进的自适应卡尔曼滤波自动化数据预处理方法,该方法通过箱型图进行异常值的检测,并采用方差受限的方法解决测量噪声导致的滤波发散问题。【结果与结论】海上工程应用和仿真实验结果表明,改进的算法计算开销低且不影响浮标系统的正常采集和数据融合工作,浮标数据采集率达100%,云数据中心数据接收率达97%。浮标采集的原始数据经过异常值修正和滤波降噪处理后,数据曲线更为平滑且符合随时间序列变化的规律,数据预处理效果良好。

基于物联网的浮标数据采集与控制系统设计

数据采集与控制技术是浮标观测系统的核心。结合无线通信技术提出了基于物联网的浮标数据采集与控制系统方法,并研制了基于Socket协议的通信控制器和数据融合采集系统,实现了浮标观测系统通过软件配置的方式进行传感器的接入与管理,解决了总线式数据采集与控制技术在传感器可扩展性、即插即用性方面的不足。组网测试结果表明,该系统网络内部数据发送与接收准确率达100%,远程数据中心数据平均接收率大于等于98.3%,且系统接入传感器无须软硬件设计编码,具有数据接收稳定、观测系统扩展复杂度低和新增硬件功耗低等优点,在海洋浮标观测系统应用方面具有良好前景。

南海北部水团及中尺度现象对营养盐时空分布的影响

2019年在南海北部开展了4个季节的现场调查,获取了调查海域海水温度、盐度和营养盐等环境要素的实测数据。珠江口西侧近岸海域营养盐表现出明显的季节性和区域特征,除秋季为潜在的氮限制外,冬、春、夏季均表现为磷限制,且春季最为显著,主要受冲淡水输入和陆架水入侵影响。受西南季风强弱和调查海域海底地形差异的影响,春、夏季珠江口外跨陆架断面(A断面)上升流强度大于海南岛以东跨陆架断面(B断面),且夏季营养盐浓度等值线的爬升高度和范围大于春季。黑潮水入侵稀释了陆架坡折处以外海域的营养盐浓度,冬季75~150m深水体的营养盐浓度相比夏季降低了25%以上;El Niño期间黑潮水入侵增强,春、秋季A断面的东沙群岛附近海域75~150m深水体的营养盐浓度比相邻站位均低20%以上。春季冷涡中心无机氮(dissolved inorganic nitrogen,DIN)、磷酸盐(PO_(4)^(3–)-P)和硅酸盐(SiO_(3)^(2–)-Si)相较于边缘区域分别升高了6.42μmol·L–1、0.71μmol·L^(–1)和10.03μmol·L^(-1),夏季上升流和中尺度涡共同作用造成了A断面营养盐的凹型结构。综上所述,南海北部海域营养盐浓度主要受冲淡水、上升流、黑潮入侵、中尺度涡旋等因素的独立或耦合作用,呈现复杂多变的时空分布。

南海北部东沙岛以西陆坡区2021年秋季内波特征统计与分析

本文利用2021年9-10月布放在南海北部东沙岛以西陆坡区的3套潜标观测数据分析了流花油田区内潮和内孤立波分布特征。调和分析显示,该海域正压潮流较弱,明显小于表底层斜压潮流。通过与全球潮汐模型对比发现,TPXO7.2对于半日分潮的模拟结果要明显优于全日分潮,模型结果低估了O1分潮,而高估了K1分潮的正压潮流振幅。调查海域斜压潮流表现为表底强化的第一斜压模态,O1分潮的斜压潮流椭圆振幅要大于K1分潮。观测期间,共有4次内孤立波群集中出现,且发生时间滞后于吕宋海峡天文大潮期3~4d。LH2站共记录了88个内波过程,其中内孤立波31个,内波波列57个,内波平均振幅31m。该站非线性内波过程集中出现于每日的4-6时、11-13时和18-20时,同时超过45%的单孤立子内波过程发生在4—6时。通过追踪9月8-12日共计5个内孤立波依次经过LH1、LH2和LH3站的传播过程,可以计算内波在LH1至LH2站位间的传播速度为1.23m·s^(-1),在LH2至LH3站位间的传播速度为1.77m·s^(-1),同时根据线性波动方程及Kdv方程计算其理论传播速度为1.55m·s^(-1)。本文的统计分析结果进一步加强了对典型秋季环境下南海北部流花油田区内波特征的理解和认识。

马尼拉地震带海啸对广东沿海影响的数值研究——潮汐与海啸的非线性作用的影响

基于COMCOT数值模型,建立了天文潮与海啸耦合数学模型,对日本"311"海啸进行了模拟验证。针对马尼拉地震带海啸,通过设计海啸震源的计算,分析广东省沿海海啸风险,从数值上得出了海啸引发的最大增水值以及海啸到达广东省沿岸的时间。

基于混合加密的浮标数据安全管理系统研究

针对海洋资料浮标观测数据在公益应用如预报减灾、科学研究等过程中存在易被黑客攻击破坏、非法访问、重要数据泄露等数据安全性问题,文章提出并实现了基于混合加密的浮标数据安全管理系统。系统采用混合加密方案对浮标观测数据进行加密存储,并设计密钥安全管理策略提高加密算法的安全性。在业务数据分发过程中通过密文传输和终端解密来保证数据分发的机密性。安全性分析结果表明,系统在满足业务应用的同时,能够确保原始数据在存储、应用分发过程中的数据安全。

一种新型激光雷达测风浮标设计及海试应用

精确获取剖面风数据对海上风电场规划选址、风能资源评估等至关重要。针对测风塔建设成本高、拆卸移动困难,而传统浮标电源供给较小、摇晃角度大等缺点,设计一种新型激光雷达浮标,实现了对目标海域的风资源剖面数据的观测、解算与自存储。在南海海域进行海试应用,并对观测的剖面风数据和传统大型海洋资料浮标风数据进行同步比测分析。结果表明,激光雷达测风浮标的测量结果与大型浮标测风数据吻合较好,风速R2相关系数达到0.975,风向R2相关系数达到0.932。该研究成果可为激光雷达测风浮标在海上风电开发和开展风场变化的科学研究等提供参考。

南海东北部陆架区台风“卡努”的近惯性振荡响应

基于2017年10月南海东北部陆架区的潜标观测资料,分析了南海东北部陆架区海洋对台风“卡努”的近惯性响应特征,研究了近惯性内波生成、传播和消亡等演变规律。研究结果表明:在动力学响应方面,台风过境期间全水深流速显著增强,表层最大流速达到145 cm/s;近惯性流速在垂向上存在的两个高值区分别位于表层和中层,中层近惯性振荡影响时间最长超过12 d;近惯性振荡e折时间尺度大约为7.6 d。近惯性内波的垂向群速度为0.042 cm/s;近惯性内波会引起波-波相互作用、近惯性波与全日内波的耦合波;在台风“卡努”作用期间存在显著的频率“蓝移”现象。在热力学响应方面,台风会引起表层水温下降,底层水温上升。

在线浪流监测浮标研制及其在深中通道施工海域的应用

深中通道是现代综合运输体系中的重大交通基础设施项目,也是国家“十三五”重点工程。深中通道每节沉管在50km的浮运过程中需要经历7次航道转换,作业海域来往船舶繁多,流系规律复杂多变,需要高精度、高频次、高到报率的实时水文数据以保障沉管浮运安全。基于此需求,南海调查技术中心设计研制了在线浪流监测浮标,浮标系统由浮标体、系留系统、主控系统、观测系统、通讯系统和供电系统组成。为保障浮标数据传输稳定性,设计了CDMA数据堆栈模式和北斗终端自动监测重发机制,并对浮标供电系统进行了详尽的分析计算。为保障浮标在位安全性,对浮标体和系留系统选型进行充分考虑,创新性设计了浮标智能安防监控系统,提高了浮标受威胁与破坏的快速感知能力。在线浪流监测浮标已部署于作业海域4个航道转换关键点,目前已稳定运行2年,为沉管浮运、安装过程中的航行和施工安全提供服务保障,也为同类型的专用型海洋浮标研究提供参考。

Numerical Study on the Effect of the Manila Seismic Tsunami on the Guangdong Coast——The Nonlinear Effects of Tides and Tsunamis

The coupling numerical model between astronomical tide and tsunamis was built based on the data of the COMCOT model, which was verified by the Japan "3·11" tsunami. The tsunami source of the Manila seismic tsunami was designed and computed to analyze the risk of tsunami which will happen in the Guangdong coast. According to the results, the maximum quantity of water increasing and the time of the tsunami arriving at the Guangdong seacoast were calculated. The coupling simulation between astronomical tide and tsunamis has significant meaning for evaluating the risk and early-warning of tsunamis in the Guangdong coastal area.

利用时序InSAR监测兰州市中心城区地面沉降

针对兰州市中心城区的地面沉降问题,该文采用PS-SBAS和PS-InSAR技术,利用2016-01-20—2019-02-21时间段内的39景Sentinel-1A/B降轨数据,使用缓冲区分析技术对兰州市中心城区轨道交通线和铁路线周边100m区域做了沉降影响分析,监测结果表明:基于Sentinel-1A/B数据和时序InSAR技术,可以准确监测城市地表的沉降和轨道交通线的沉降时空规律;沉降区域主要集中在研究区东南部的方家泉村、和平镇和猪咀岭村;软土地基下地铁的施工会导致沉降现象的发生,兰州轨道交通线和铁路线的沉降主要发生在城区东南方向;在监测时段内,使用两种时序InSAR技术监测的同名点在沉降趋势和累计沉降量上保持了良好的一致性和吻合性,但PS-InSAR的时序变化曲线较PS-SBAS更为平缓。