南海北部内波活动下的声速剖面重构方法研究

在内波条件下,水声信道稳定性变差,声速剖面的重构具有一定难度。与其他方法相比,经验正交分解法优点在于能用少量参数进行重构,而不需要引入大量的参数。利用南海北部陆坡测量的温度链数据,采用经验正交分解法对声速剖面进行重构。结果表明:在内波剧烈的南海北部海域,通过经验正交分解法重构声速剖面具有可行性,其前3个模态累计贡献率达到96.7%。分析样本的周期覆盖率对重构结果的影响后发现,当样本覆盖完整的海洋潮汐活动周期时,基于EOF分析对本组声速剖面的重构均方根误差小于1.1 m/s,重构声速剖面结果理想;而当采集的样本不能覆盖完整周期时,误差较大。

声速剖面EOF重构的实测数据采样深度研究

经验正交函数(experiential orthogonal functions,EOF)是重构声速剖面(sound speed profile,SSP)的一种有效方法,利用部分实测数据结合历史剖面资料可以重构当前位置的声速剖面。针对实测数据的采样深度难以确定这一问题,本文介绍了一种基于历史声速剖面资料的实测数据采样深度选取方法,根据EOF空间函数的方差贡献率确定数据量,进而采用EOF算法重构全海深声速剖面。实验结果表明:采用该方法得到的数据重构的声速剖面与实测声速剖面具有较好的一致性,基于常梯度声线跟踪法得到的水深数据能够满足0.25%倍水深限差,有效波束比达到了100%,为实际测量作业中声剖数据的采样深度提供了参考。

基于经验正交函数的剖面重构及其物理意义分析

为了降低声速剖面在水声学逆问题中未知参数的维度,通常将海洋声速剖面表示为恒定的背景剖面与扰动项的叠加,通过提取样本扰动的主成分,使用若干阶经验正交函数EOF和投影系数描述声速剖面。EOF作为一种数值统计方法,实质上是样本数据矩阵的特征,没有明确的物理意义。为了提升对EOF方法反演结果的解析,本文基于中美联合实验在南海北部测量的温度链数据对EOF系数扰动与海洋变化规律进行了讨论,分析第一、二阶投影系数所对应的物理意义和前两阶投影系数时间变化率与内波之间的联系。研究结果表明:一阶投影系数与等声速线扰动具有强相关;跃层梯度受到二阶模态控制;根据一个内孤立波动力学周期内的密度层扰动规律,可以通过双振荡结构识别内孤立波,相关的结果可以为声速剖面相关的反演提供参考。

舟山海区声速结构及其扩展经验正交函数分析

利用2014年6月26日在浙江舟山桃花岛海区一个航次的CTD测量仪测量得到的数据,分析了当日该海域的温度、盐度变化特点以及它们与声速变化的关系;分析发现,舟山桃花岛海区的声速受盐度的影响较大。由于桃花岛海区属于浅海海区,海底地形起伏较大,导致各采样点的测量深度不同,因此使用传统经验正交函数(EOF)重构声速剖面只能计算到声速样本中最浅剖面的深度,无法重构浅海全海深的声速剖面。使用扩展经验正交函数(EEOF)的方法可解决这一问题。首先对各采样点测量得到的温度和盐度数据进行等值扩展,根据声速经验公式计算全海深的样本声速,再使用提取出的经验正交函数重构声速剖面。通过本文的数据分析,使用前三阶重构的声速剖面均方根误差为0.048m/s。因此,等值扩展方法能够有效地重构桃花岛海域的声速剖面。