多线段最小二乘拟合计算海洋跃层特征值的方法技术

本发明专利技术公开了多线段最小二乘拟合计算海洋跃层特征值的方法。该方法包括以下步骤：(1)建立由A、B、C、D四条线段组成的数据剖面结构模型；(2)用临界值和最小二乘相结合的方法确定A、B、C、D四条线段的最佳相交点a、b、c；(3)根据a、b、c三点的深度、深度差及所在深度的实测数据，可计算出海洋跃层的特征值，即跃层的深度、厚度、强度。本发明专利技术实施例显示该方法对深海区、陆架坡折区和浅海区的温跃层拐点确定准确，刻画的跃层结构均与实际剖面结构吻合良好，用本发明专利技术方法计算跃层特征值无需因水深的不同而改变跃层评判标准或更换计算方法，具有对海洋跃层自动识别率高的特点。

【技术实现步骤摘要】
多线段最小二乘拟合计算海洋跃层特征值的方法
本专利技术涉及海洋科学研究及应用领域，尤其主要涉及物理海洋学跃层特征值的计算方法。
技术介绍
跃层是发生在海洋里的重要物理现象之一，对渔业生产、海洋资源开发和潜艇活动等有着直接的影响，是物理海洋学研究的一个重要组成部分。海洋跃层按照要素可分为温跃层、盐跃层、密跃层及声速跃层。在跃层的分析中，通常用跃层深度(D)、跃层强度(r)和跃层厚度(H)作为描述跃层的特征值。《海洋调查规范》(GB/T12763.7-2007)对跃层特征值的定义为：“某要素垂直分布曲线上曲率最大的点A、B(习惯上称“拐点”)分别称为顶界和底界(见图1)，A点所在的深度(ZA)为跃层的顶界深度；B点所在的深度(ZB)为跃层的底界深度；ΔZ(ZB-ZA)为跃层厚度，当A、B两点对应的某要素差值为ΔX(XB-XA)时，则跃层的强度为±ΔX/ΔZ”。因此跃层特征值的计算依赖于跃层上界点和下界点的确定。我国海洋研究学者针对跃层上、下界点的确定作了大量的研究，代表性的方法有以下三种：(1)垂向梯度法；(2)曲率极值点法；(3)拟阶梯函数逼近法。下面我们以温度跃层为例对三种方法进行简述。垂向梯度法由毛汉礼先生在1964年编写的《全国海洋综合调查报告》(第三册)中提出，目前仍为我国《海洋调查规范》(GB/T12763.7-2007)所采纳用于跃层特征值的计算。其计算温度跃层特征值的方法是自海面到海底将海水水文要素分为N层，并设各层的温度梯度为R。当一个温度剖面中某一段的垂向梯度大于临界值时(水深≤200m时，临界值为0.2℃/m；水深>200m时，临界值为0.05℃/m)，便确定该段为温度跃层，并以该段顶部水深为跃层上界，该段底部水深为跃层下界，跃层上、下界点的深度差为跃层厚度，该段整个垂向温度梯度的平均值为跃层强度。然而该方法在实际应用中有两个突出的问题：(1)在深海区(水深>200m)和浅海区(水深≤200m)采用两个不同的跃层判别标准，这就会在浅海和深海交汇处造成跃层的不连续；(2)用CTD设备观测的温度剖面数据显示，温度剖面的垂向梯度大于临界值的水层会有多个且不一定连续，如何识别和合并跃层需要人为主观判定。曲率极值点法是用数据曲线的曲率极值这一量化标准确定跃层界点，这个方法在数据曲线比较光滑、跃层拐点比较明显时计算结果较理想，但当跃层的边界不够明显、或出现多阶梯状结构时，就难以确定跃层的上、下界点。目前，用CTD设备观测的温度剖面数据中经常会有多阶梯状结构出现，因此现在很少有人使用这一方法。葛人峰等(2003)提出了拟阶梯函数逼近法计算陆架海区温跃层特征值，用阶梯函数最小二乘逼近的方法计算跃层特征值。这个方法在陆架坡折以浅海域应用效果较好，但对深海区跃层特征值计算适用性较差。郝佳佳等(2008)利用东海以及南海东北部多组资料，对比了拟阶梯函数逼近法和垂向梯度法在浅海区(水深<200m)、陆架坡折海域(水深在200m左右)和深海开阔海区(水深>200m)的应用情况，提出两种方法相结合的建议，即在水深≤200m的海域和陆架坡折海域，采用拟阶梯函数逼近法计算跃层特征值；在水深>200m时采用垂向梯度法计算跃层特征值。他们认为这样判定跃层，在陆架区不受最低跃层标准的限制，可以消除垂向梯度法存在的跃层不连续问题，同时摆脱了一些人为的主观因素。但这种在深海区和浅海区采用不同方法计算跃层特征值的组合办法，所计算的跃层特征值结果的一致性有待商榷，同时其附加了区分水深这一前提条件，不利于跃层的自动识别。综上所述，现有的跃层特征值计算方法中存在浅海与深海跃层评判标准不统一、跃层分析结果在陆架坡折区域不连续、跃层自动识别能力差等问题。
技术实现思路
本专利技术拟解决的技术问题是提供一种多线段最小二乘拟合计算跃层特征值的方法，以提高跃层的自动识别能力。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案如下：为了描述方便，以下仅以温度剖面为例进行描述，本专利技术同样适用于密度跃层、盐度跃层、声速跃层的特征值计算。基于海洋跃层分为季节性跃层和永久性跃层的理论，本专利技术把跃层划分为两层结构形式，用上均匀层、第一跃层、第二跃层、下均匀层组成4层简化的温度剖面结构，用A、B、C、D四条线段拟合实测温度剖面曲线(见图2)，其数学表达式如下：在公式(1)中，为拟合计算的数据；zi为深度数据，a为A、B线段的相交点，即第一跃层上界点深度；b是B、C线段的相交点，即第一跃层下界点深度，同时也是第二跃层的上界点深度；c是C、D线段的相交点，即第二跃层下界点深度，同时也是下均匀层上界点深度；β是上均匀层的平均值，且r1为B线段的斜率，即代表第一跃层强度；r2为C线段的斜率，即代表第二跃层强度；r3是线段D的斜率；tc是c点的实测数据，td是d点的实测数据。跃层厚度由a、b、c差值计算：第一跃层厚度H1＝b-a；第二层厚度H2＝c-b；平均跃层厚度H＝c-a。用临界值和最小二乘相结合的方法确定a、b、c三点的深度，大体步骤见图3，详细计算过程如下：1.选1m深度间隔的温度剖面数据，从表层到底层共有N层数据，设深度和温度分别为Z＝z1,z2,......,zN，T＝t1,t2,......,tN；计算各层的温度梯度获得温度梯度序列R＝r1,r2,......,rN-1；参照我国《海洋调查规范》(GB/T12763.7-2007)中温跃层的选取标准，选0.05℃/m作为温跃层临界值，找出ri≥0.05(℃/m)的所有数据；设这些数据所对应的最小深度和最大深度分别为a'和c'，确定c'点作为C、D线段的相交点c，令：c＝c'。2.暂设a'、c'之间的水层为跃变层，其包n层数据,即n＝c'-a'+1；令x(1:n)＝t(a':c')；y(1:n)＝z(a':c')；用B、C两条线段拟合a'、c'之间的数据曲线，求B、C两条线段的最佳相交点b'，步骤如下：2.1令i＝2:n-1循环，依次把这n层实测数据分为两组；每组数据两端连线的斜率分别为:2.2将(2)、(3)式变换得到(4)、(5)式：x'1i＝x1+r1i(y1-yi)(i＝2,3,......,n)(4)x'2i＝xn+r2i(yn-yi)(i＝1,2,......,n-1)(5)把实测数据yi以及利用(2)、(3)式计算得出的r1i、r2i代入(4)、(5)式求出拟合数据x'i。2.3求实测数据xi与拟合数据x'i的方差ΔSi(即实测温度与拟合温度的方差)：2.4选取均方差最小的两条线段的相交点:即则k点为两线段最佳相交点。2.5k点所对应的深度为b'点深度，即：b'＝y(k)。3.重新精确计算第一跃层上界点a:首先计算上均匀层平均温度β'，假设最小观测深度从1m开始，则令ti＝β'(i＝1,2,......,a)；然后令n＝b'；x(1:n)＝t(1:b')；y(1:n)＝z(1:b')；重复上述2.1—2.4的步骤；得出的k'点所对应的深度为a点：即a＝y(k')。4.重新精确计算跃层分界点b:由于a可能在a'附近有所变化，就需要重新定位跃层分界点b。令n＝c-a+1；x(1:n)＝t(a:c)；y(1:n)＝z(a:c)；重复上本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.多线段最小二乘拟合计算海洋跃层特征值的方法，其主要特征在于包括以下步骤：(1)建立由A、B、C、D四条线段组成的数据剖面结构模型；所述A线段代表上均匀层，所述B线段代表第一跃层，所述C线段代表第二跃层，所述D线段代表下均匀层；所述A、B、C、D四条线段的数学表达如下：

【技术特征摘要】
1.多线段最小二乘拟合计算海洋跃层特征值的方法，其主要特征在于包括以下步骤：(1)建立由A、B、C、D四条线段组成的数据剖面结构模型；所述A线段代表上均匀层，所述B线段代表第一跃层，所述C线段代表第二跃层，所述D线段代表下均匀层；所述A、B、C、D四条线段的数学表达如下：在公式(1)中，为拟合计算的数据；zi为深度数据，a为A、B线段的相交点，即第一跃层上界点深度；b是B、C线段的相交点，即第一跃层下界点深度，同时也是第二跃层的上界点深度；c是C、D线段的相交点，即第二跃层下界点深度，同时也是下均匀层上界点深度；β是上均匀层的平均值，且r1为B线段的斜率，即代表第一跃层强度；r2为C线段的斜率，即代表第二跃层强度；r3是线段D的斜率；tc是c点的实测数据，td是d点的实测数据。(2)确定A、B、C、D四条...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙佳慧，
申请(专利权)人：南通晟霖格尔电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32