吊放式RCM 海流计大面站海流剖面观测数据处理方法

2022-11-08张旭东毛科峰王鹏皓丘仲锋

海洋技术学报 2022年5期

张旭东，毛科峰，王鹏皓，丘仲锋

（1.南京信息工程大学海洋科学学院，江苏南京 210044；2.国防科技大学气象海洋学院，江苏南京 211102）

传统海流的观测方法主要有定点观测和走航观测两种。定点观测主要依靠锚系测流，即在潜标或浮标锚链的一定深度固定测流仪器，使其能获得单点的长时间序列的资料，但其不能获得大范围的流场资料，且风险大、成本高。走航观测主要为船载声学多普勒流速剖面仪（Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP）测流[1]，它只能获取一定深度的海流资料，并且需要搭载在特定的测船上。因此，如何获取大面站全海深海流的剖面资料，是海流观测的难题[2]。

近二十年来，下放式声学多普勒海流剖面仪（Lowered Acoustic Doppler Current Profiler，LADCP）已经成为国际海洋学上观测整层海流剖面使用的最普遍的仪器。其优势体现在可观测完整的海流垂直剖面、强大的海上作业可操作性和广阔的观测海域范围，可以在断面调查的所有测站上实施观测，从而获得大范围、准同步、全剖面的海流实测资料[3]。然而由于其开创性的投放式设计，在进行下放时对下放速度、仪器倾角、电压等都有严格参数限制[4]。同时由于换能器的工作影响，会形成测量盲区，对第一观测层的数据质量产生影响[5]。更为重要的是，这种独特的测量方式导致LADCP 在资料处理方面也会因资料数量不足、回波信号弱、参考层选取困难等原因产生非常复杂的技术问题[6]。

Aanderaa RCM 是挪威Aanderraa 仪器公司生产的一种高精度声学多普勒海流计，采用后向散射声学多普勒原理，主要被设计用来进行单点的海流观测，并在定点锚系比测的实验中被证明有着较高的精度[7]。也有研究者将Aanderaa RCM 与铅鱼[8]或温盐深剖面仪（Conductivity-Temperature-Depth Profiler，CTD）[9]固定，一起下放入海水中进行海流观测，然而参照物速度和采样间隔等因素会导致测量的资料精度不高。

LADCP 能够观测获得整个海流剖面，在测量的垂直分辨率上要优于Aanderaa RCM 海流计，但是其获取的海流资料的后处理十分复杂，常使用的逆方法和剪切方法步骤十分繁琐。虽然Aanderaa RCM 海流计只能观测设定深度的海流，但其在数据获取和处理上要比LADCP 简便，同时对于一层的海流资料，Aanderaa RCM 具有更高的数据精度。将Aanderaa RCM 海流计采用类似LADCP 测流的CTD 捆绑式测量法，运用在大面站全海深的海流剖面测量中是一种新的尝试，需要对其获取的海流资料的分析处理方法和观测效果开展大量研究，因此，本文利用大面观测中吊放式SeaGuard RCM 海流计（简称RCM 海流计）的实测数据，分析制约观测绝对流速剖面的原因，并提出相应的处理方法，与同步船载ADCP 实测数据进行对比检验，以期为大面站全海深的海流剖面观测提供新思路。

1 基于RCM 海流计的大面站海流剖面观测方法

1.1 仪器简介

RCM 海流计是在SeaGuard 数据记录平台和ZPulse 多普勒海流传感器基础上开发的新一代海流计。RCM 海流计将测量海流得到的数字信号与安德拉实时数采软件、可视化数据处理软件相结合，可以获得高时间分辨率、高精度的数据，包括温度、深度、流速、流向等[10]。

表1 SeaGuard RCM、RCM9、RCM11 海流计技术参数对比

1.2 大面站海流剖面观测方法

RCM 海流计在测量时最常使用的方法为锚系测量法。通过浮标或潜标，RCM 能够有多种锚系应用。将RCM 海流计安装在系泊架上，无需拆卸系泊缆即可轻松安装和拆卸仪器。

除了锚系测量法外，由于RCM 海流计紧凑的设计和较小的阻力，在大面站调查中，可以直接将其用一个简单的绞车吊放投入到海中，在需观测的深度进行停放。考虑到RCM 海流计的采样频率为0.05 Hz，过短的停放时间间隔会导致数据量过少，过长的停放时间导致船体漂泊对海流观测造成的影响变大，因此将停留时间设定为5 min，进行该深度层海流流速、流向观测，如图1 所示。本次实测采用该方法，将RCM 海流计与CTD 一同固定于铁架上，如图2 所示，利用绞车以匀速从海表面下放至近底层，再将其从近底层回收至海表面，在回收过程中对海流等数据进行观测。在本次试验中，将Zpulse 传感器Enable Tilt Compensation（启用倾斜补偿）设置为激活状态，传感器将自动补偿倾斜，可以一定程度上提高海流资料的质量。RCM 海流计本身自带压力传感器，可以比较准确地得到其所处的深度。为了获取高精度数据，采用了标准层测量法，即在底层向表层施测过程中选择适当的标准层令RCM 进行停留，最终可以获得全海深标准层的海流资料；同时，船载ADCP 进行同步观测、利用船载GPS 获取同步的船速、航向数据。

图1 RCM 海流计吊放测量法示意图

图2 RCM 海流计实测照片

2 吊放式RCM 海流计海流剖面数据处理方法

2.1 吊放式RCM 海流计观测海流剖面的误差来源分析

当利用吊放式RCM 海流计进行海流剖面观测时，船体运动和仪器本身会产生误差，主要有以下原因。

（1）在RCM 海流计下放过程中需要停船进行操作，然而在停船时由于表面流和风场的共同作用，船舶平台会缓慢地进行低速漂泊。虽然船体移动的速度和距离都很小，但是对于海流的测量来说不可以忽略，因此，需要对停船时船体移动的速度和方向与海流的测量值进行订正。

（2） RCM 海流计在测量时采取的是标准层停留的方法，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 层进行悬停5 min。悬停期间，RCM 海流计会产生上下震荡，为准确得到标准层的海流，上下震荡期间的数据需进行处理。

（3）为了使观测的海流更加准确，在下放RCM海流计时不悬停，而选择在往上回收RCM 海流计时在标准层停留。这导致获得的海流数据是从近底层到海表面逆序列排列，不便于后续使用，因此在处理数据时应将数据进行重新排列。

除了以上误差来源外，RCM 海流计还可能因下放倾角、下放速度等原因产生误差，本文暂不分析。

2.2 处理方法

在读取XML 格式的RCM 海流计实测数据后，将数据导出为Matlab 可读的mat 格式文件。本方法利用Matlab2016b 软件进行数据处理，技术路线如图3 所示。

图3 技术路线图

（1）将实测数据依据深度进行重新排列，得到由表层向底层深度递增的海流流速、流向数据。重新排列后选取深度、流向、流速、时间数据构造数组，便于数据的时空匹配与后续资料处理。

（2）判断数组中深度维度的数值与设定的标准层之间的差值，筛选出每一标准层的时间、流速、流向。由于仪器本身误差和海洋内部运动，使得RCM 海流计不能准确停留在设定的标准层深度，因此，在数据提取时需设定相应的深度阈值。根据不同深度下数据的分布状态，设定阈值为：0～75 m：2 m；100～800 m：5 m；1 000～1 500 m：7 m，获取阈值内海流的所有流速、流向资料。分析每一标准层中RCM 海流计的震荡状态，根据分析结果选择适当的数据作为该标准层的RCM 海流数据。

（3）读取船载ADCP 数据，包括经纬度、时间、流速、流向数据。采用的船载ADCP 数据为38 K 的长平均和短平均数据，获取经纬度、航速、航向数据的时间间隔为分别为10 min 和5 min。将船载ADCP 和RCM 海流计的经纬度、时间进行匹配，获取RCM 海流计下放时的经纬度、航速、航向数据，据此来绘制停船时的航线图，计算漂泊距离。

（4）由于船舶载体的低速漂泊，RCM 海流计测得的海流为相对的流速、流向，需对其进行修正得到绝对流速、流向资料。首先将每一标准层RCM 海流计流速、流向数据与对应的ADCP GPS 测的航速、航向数据进行矢量分解，分解得到海流和船舶载体的东西分量u 和南北分量v。根据矢量合成原则将u、v 分量进行矢量加减与合成，最终得到修正后的RCM 绝对海流流速、流向数据。最后将其与经过处理的同期ADCP 海流数据进行比较，验证该处理方法的可行性。

3 结果分析

3.1 低速漂泊分析

通过船载ADCP 和RCM 海流计数据的时空匹配，可以获得停船时经纬度、航速、航向的信息。分析表2 大面站RCM 海流计施测期间停船漂流的轨迹可知，在2018 年11 月23 日23 ∶26 至24 日02 ∶06 施测的160 min 内，科考船从159.996 6°E、12.011 2 °N 漂流到了159.979 9 °E、12.032 9 °N，总共漂流的距离为3 038.2 m，科考船的低速漂泊轨迹如图4 所示，最大的瞬时速度为72.7 cm/s，最小瞬时速度为19.8 cm/s，平均速度为46.97 cm/s，即0.91 kn。这个速度虽然很小，但是对于海流观测是一个不可忽略的较大量。因此不能简单地将RCM 测得的相对速度作为定点大面站的海流观测值，而是科考船低速漂泊时的相对流速。在后续数据中应当考虑科考船载体的航速、航向与海流速度之间的关系，从而得到海流的绝对流速、流向。

图4 2018 年11 月23—24 日大面站低速漂泊船轨迹图

表2 2018 年11 月23—24 日科考船低速漂泊轨迹

3.2 RCM 海流计震荡分析

在RCM 海流计施测悬停期间，海流计会因海洋内部的运动和海面波浪而产生上下方向的震荡。本文统计了大面站0～1 500 m 共计20 个标准层的RCM 海流计的震荡数据，如图5 所示。除去异常值，92%的RCM 海流计震荡距离都集中在2 m 内，最大震荡距离为4.7 m，平均震荡距离为1.3 m。相对于待测区域的海深来说，震荡的距离为一较小量，可以认为观测的海流为同一标准层海流。

图5 RCM 海流计震荡距离图

当RCM 海流计在标准层停留并震荡时，为了验证是否存在铁架上浮，缆绳松弛导致RCM 测得的海流数据为不受科考船漂泊影响的绝对流速、流向数据。分析了RCM 海流计在各个标准层内震荡时测得的海流数据，发现海流数据在RCM 上浮和下沉时差别不大，并未出现上浮导致海流计测得的数据产生大幅度变化的情况。表3 为75 m 标准层停留时的RCM 测流情况，以该层为例：当深度小于77m时视为上浮状态，深度大于77 m 时视为下沉状态，从表3 中可以看出上浮和下沉的流速、流向数据并未出现很大差别，且没有因为铁架的上浮或下沉产生相应的规律性变动。因此，在一个标准层内，可以认为缆绳不会因铁架的震荡产生松弛，缆绳与铁架为一刚性整体，同时受到科考船低速漂泊影响。

表3 75 m 标准层RCM 海流计震荡流速、流向

综合以上结果可以看出，RCM 海流计在施测期间虽然会出现小范围的震荡，但震荡的区间并不大，震荡区间内海流的变化不明显，且并未因震荡状态的不同产生较大数据差异。因此，可以采用震荡区间内所有海流的流速流向观测值取平均值的方法，将得到的结果作为该标准层的海流数据。

3.3 矢量合成与验证

船载ADCP 对实时航速和航向的采样时间间隔为10 min（长平均）和2 min（短平均），RCM 海流计在每个标准层停留的时间为5 min，因此根据时空匹配的原则，将船载ADCP 测量的航速、航向匹配到相应的RCM 海流计标准层海流数据。根据式（1）将航向、航速与经过平均处理的RCM 标准层海流的流速、流向进行分解。

式中，u 和v 分别代表东西方向上的流速（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）。将分解后的海流数据与航速、航向数据进行矢量合成，即可将RCM 海流计观测得到的相对流速修正为没有载体速度影响的绝对流速。

2018 年11 月23 日，在位于159.996 6°E、12.011 2°N 的1 号大面站进行了科考船低速漂泊情况下RCM 海流计与ADCP 的比测实验。RCM 海流计下放的深度为1 486 m，科考船的速度约为0.91 kn。RCM 海流计观测到的原始海流资料如图6（a）所示。由于是未经处理的相对海流速度，不论是在方向还是速度大小方面，都与ADCP 测得的海流数据有较大差距。在海流流速大小方面存在明显偏大的现象，海流方向的变化不明显，同时没有展现出该地区具有明显特征的海流。例如150 m 深度存在的西向流和300～400 m 层存在的西北向海流在RCM 海流计的测流结果中均未体现。

经过时空匹配和矢量合成，得到该大面站RCM 海流计测得的绝对流速并与ADCP 测得的流速进行对比，结果如图6（b）和图6（c）所示，表面经过修正后的RCM 流速资料与ADCP 流速资料有较好的一致性，速度的大小和方向都与ADCP 更为接近，也更好地展现了该大面站较明显的海流特征；同时，经过2 min 分辨率GPS 数据匹配处理后的RCM 海流资料较10 min 分辨率的有更高的精度，特别在0～200 m 深度的海流资料上与ADCP 测流具有更好的一致性。同时，RCM 海流计较船载ADCP 能获得更深层的海流剖面。

图6 1 号大面站RCM 与ADCP 海流观测结果对比图

将处理前后RCM 海流计测得的海流速度大小和方向分别进行对比，结果如图7 所示。从图中看出，经过修正的RCM 海流数据解决了原始数据流速大小过大和流向变化不明显的问题，与ADCP的测流数据更加接近。从表4 中可以看出，经过修正后，RCM 海流计与ADCP 测得的海流方向和速度大小的均方根误差都有减小，分别从修正前的89.84°和37.24 cm/s 减小到17.63°、12.75°和7.429 cm/s、3.560 cm/s，且高时间分辨率的GPS 对RCM 海流计的修正有促进作用，流向和流速的误差分别降低4.88°和3.869 cm/s。