莫軍，李博，萬峻

（1.海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266071；2.中國科學(xué)院 海洋環(huán)流波動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071）

數(shù)據(jù)庫與實(shí)測數(shù)據(jù)融合實(shí)現(xiàn)對深海躍層的快速估算

莫軍1,2，李博1，萬峻1

（1.海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266071；2.中國科學(xué)院 海洋環(huán)流波動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071）

海洋躍層的快速估計(jì)對于環(huán)境的態(tài)勢評估具有重要意義，躍層估計(jì)的精度和估計(jì)所用時(shí)間是兩個(gè)主要評估要素?；趯?shí)測的溫度、密度和LEVITUS數(shù)據(jù)庫中的溫度、密度進(jìn)行融合來對躍層進(jìn)行快速估計(jì)，可通過實(shí)測數(shù)據(jù)對數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充和修正，然后利用修正后的數(shù)據(jù)對躍層進(jìn)行快速評估。結(jié)果表明，該方法可以大幅度地縮短躍層估計(jì)的時(shí)間和提高估計(jì)的精度。

數(shù)據(jù)融合；快速估計(jì)；躍層

海洋躍層的快速估計(jì)對于水下環(huán)境的態(tài)勢評估具有重要意義。躍層估計(jì)的精度和估計(jì)所用時(shí)間是兩個(gè)主要的評估要素。躍層估計(jì)的快速性和準(zhǔn)確性是環(huán)境評估的兩個(gè)基本要求[1,2]。但在實(shí)際應(yīng)用中，二者是相互矛盾的。提高空間的測量精度，那么躍層估計(jì)的時(shí)間就長。如果縮短估計(jì)時(shí)間，那么躍層的準(zhǔn)確性可能受到損失。

由于數(shù)據(jù)庫的信息是以月平均的形式存在的，如果完全利用數(shù)據(jù)庫的信息對躍層進(jìn)行估計(jì)，則其準(zhǔn)確性難以保證對環(huán)境評估的實(shí)時(shí)性要求。完全依賴實(shí)測數(shù)據(jù)對躍層進(jìn)行評估，則所耗費(fèi)的時(shí)間過長，也不能滿足快速估算的需要[3-5]。因此，本文在兼顧二者的基礎(chǔ)上，綜合考慮快速和準(zhǔn)確兩個(gè)指標(biāo)，從中找出即能滿足準(zhǔn)確，又能滿足精確的估計(jì)方法。

1 數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)及實(shí)測數(shù)據(jù)

本文所采用的數(shù)據(jù)包括數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)和實(shí)測數(shù)據(jù)。其具體情況如下：

1.1 數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)

LEVITUS海洋四維同化月平均數(shù)據(jù)庫（1951-1995）（ http://ingrid.ldgo.columbia.edu/SOU RCES/.LEVITUS94/.MONTHLY/）。該數(shù)據(jù)包括全球的溫度λ、鹽度和λ密度。本文?研究從該?數(shù)據(jù)庫中截取范圍105 °E～132 °E，13.5 N～36.5 N內(nèi)的海域數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。LEVITUS數(shù)據(jù)庫在垂直方向上分為24層（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，900 m，1 000 m，1 100 m，1 200 m，1 300 m，1 400 m，1 500 m）。水平方向的精度為10′×10′。在垂直方向上，該數(shù)據(jù)庫在上層0～300 m的深度內(nèi)的分層精度比300～1 500 m的高，而0～300 m正是水下環(huán)境評估主要關(guān)注區(qū)域。

圖 1 CTD數(shù)據(jù)站位圖Fig.1 Location of CTD stations

1.2 實(shí)測數(shù)據(jù)的獲取

本文主要針對深海海域的躍層的快速估算。因此，本文采用的數(shù)據(jù)為：1986、1987和 1988年10月中國科學(xué)院海洋研究所西太平洋調(diào)查3個(gè)航次中A、B兩個(gè)站點(diǎn)（分別位于菲律賓海中部和巴士海峽臺(tái)灣東南方黑潮西側(cè)）的CTD資料；1995年10月、1996年5月、1997年7月和1997年12月國家海洋局中日合作西太平洋考察4個(gè)航次3個(gè)站點(diǎn)CTD資料。共有26個(gè)實(shí)測數(shù)據(jù)序列。這些數(shù)據(jù)序列的格式為：測量深度為0－1 500 m，每隔1 m有實(shí)測數(shù)據(jù)。

2 采樣樣式的確定

利用實(shí)測數(shù)據(jù)對海洋要素進(jìn)行重構(gòu)，其關(guān)鍵是測量深度的選擇，深度的選擇主要考慮兼顧估算的速度和精度。合適測量方式將在最短的時(shí)間估算出垂直方向上海區(qū)聲速場的變化規(guī)律。為了評估數(shù)據(jù)的采樣間隔的大小對躍層估計(jì)的影響。本文采用了以下方法：將實(shí)測數(shù)據(jù)序列作為樣本，從樣本中按照采樣間隔2 －75 m每隔1 m設(shè)定一個(gè)采樣樣式，以此獲取實(shí)測數(shù)據(jù)，然后利用模態(tài)進(jìn)行聲速的重構(gòu)，將重構(gòu)后的聲速與實(shí)測的聲速結(jié)果進(jìn)行比對。

圖2為26個(gè)實(shí)測序列上不同采樣間隔引起的平均誤差分布，從結(jié)果可以看出，隨著采樣間隔的增大，重構(gòu)的誤差也逐漸增大，但采樣間隔在20 m以內(nèi)時(shí)所引起的誤差分布比較平均，變化不大。如果能保持相同的精度，采樣間隔越大越好。因此，采樣間隔取為20 m左右是比較合適的。

在確定采樣間隔后，重構(gòu)結(jié)果在不同深度的誤差也是不一樣。取采樣間隔為15 m，利用模態(tài)重構(gòu)與其對應(yīng)的實(shí)測數(shù)據(jù)序列進(jìn)行比對，可分析誤差隨水深的變化。圖3為26個(gè)實(shí)測序列的平均誤差隨水深的變化。水深40～220 m為誤差較大處，尤其是50～100 m處是誤差的最大區(qū)域。因此在該區(qū)域應(yīng)縮小采樣間隔。

圖 2 不同采樣間隔對聲速重構(gòu)的誤差分布Fig.2 Error distribution of different sampling distances to sound speed reconstruction

圖 3 誤差隨水深的分布Fig.3 Error distribution varing with depths

根據(jù)以上分析，基本采樣間隔為20 m，在誤差較大處縮小采樣間隔以增加實(shí)測數(shù)據(jù)。本文設(shè)定采樣樣式為：采樣深度為8 m、20 m、50 m、60 m、70 m、80 m、90 m、100 m、120 m、150 m、175 m、200 m、250 m。

3 數(shù)據(jù)庫信息和實(shí)測數(shù)據(jù)的融合

為了充分利用數(shù)據(jù)庫中的信息，將數(shù)據(jù)庫的信息融入到數(shù)據(jù)重構(gòu)中。數(shù)據(jù)庫信息作為環(huán)境背景場的形態(tài)描述，而將實(shí)測數(shù)據(jù)作為環(huán)境的現(xiàn)場信息，將二者進(jìn)行融合處理可使二者的信息都得到有效的利用，從而提高聲場評估的精度。融合處理的思想為：數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)描述的是月平均的聲速場的變化，在深水處聲速場的變化比較穩(wěn)定，因此可以數(shù)據(jù)庫為主構(gòu)建融合數(shù)據(jù)鏈。在表層，溫度的變化比較劇烈，由于數(shù)據(jù)庫是背景場的粗略描述，而實(shí)測值表達(dá)了最新的信息，盡可能在表層進(jìn)行測量，表層數(shù)據(jù)鏈的融合以實(shí)測值為主，同時(shí)適當(dāng)借鑒數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)所描述的背景場的變化規(guī)律。

融合處理方法包括水平方向的態(tài)勢估計(jì)和垂直方向的延拓處理。進(jìn)行態(tài)勢估計(jì)主要是因?yàn)閷?shí)測數(shù)據(jù)是近實(shí)時(shí)的信息，能比較真實(shí)地反映環(huán)境的實(shí)際情況，而數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)是月平均，因此，利用實(shí)測數(shù)據(jù)對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進(jìn)行平移，使結(jié)果在總體態(tài)勢上更接近實(shí)際情況。垂直方向的延拓是在垂直方向上利用實(shí)測數(shù)據(jù)構(gòu)建垂直方向的海洋要素?cái)?shù)據(jù)鏈。

3.1 態(tài)勢平移

態(tài)勢平移是對實(shí)測與數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進(jìn)行整體的移動(dòng)。消除因二者之間的巨大差異所引起的誤差。

設(shè)測量深度為Si，相應(yīng)的海洋要素測量值為Pi，其中i表示測量的次序，且i∈[1,N]。一般情況下，測量的次數(shù)有限，N≤5。根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)計(jì)算出N次測量的平均值：

從數(shù)據(jù)庫中取出對應(yīng)測量深度的海洋要素值為Qi，同樣計(jì)算其平均值:

則平移量δ為：

3.2 垂直延拓處理

垂直延拓是利用實(shí)測數(shù)據(jù)對經(jīng)過平移的數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)化處理，也就是將非等間隔的數(shù)據(jù)表示成等間隔，并盡可能多地利用實(shí)測數(shù)據(jù)。如果僅按常規(guī)采用采用線性函數(shù)或階梯函數(shù)來表示，將忽略實(shí)測數(shù)據(jù)的作用。某一深度的海洋要素值為Pi，其中i表示溫度測量的次序，且為經(jīng)過平移的LVTITUS數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，由于利用海洋模態(tài)進(jìn)行重構(gòu)需要將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為間隔為1 m的數(shù)據(jù)鏈。因此，在實(shí)測數(shù)據(jù)與平移后的數(shù)據(jù)之間需要合并進(jìn)行修正，修正后的海洋要素的垂直分布為Fk，k為常數(shù)，k表示從海表面垂直向下的間隔為1 m的水深，且垂直延拓算法是利用指數(shù)加權(quán)方法對實(shí)測數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進(jìn)行修補(bǔ)產(chǎn)生修補(bǔ)數(shù)據(jù)鏈。由于物理參量的變化隨深度的增加逐漸減弱。將實(shí)測值作為上邊界，數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)作為下邊界，垂直延拓后的海洋要素為

遺忘因子b要經(jīng)實(shí)驗(yàn)確定，一般取0.95～0.99。

dk為實(shí)測數(shù)據(jù)的加權(quán)系數(shù)，它隨水深的增加而逐漸減小，在100 m以后比較微弱。也就是當(dāng)達(dá)到100 m以后，也就是說此時(shí)可以忽略實(shí)測數(shù)據(jù)的影響而完全按照經(jīng)過平移后的數(shù)據(jù)來代替。所以在此處，

而在水面至第一次溫度測量數(shù)據(jù)的水深S1的范圍內(nèi)，由于表層無法獲得溫度數(shù)據(jù)，可采用第一次測量的數(shù)據(jù)來近似代替，在這個(gè)范圍內(nèi)溫度的變化不會(huì)太劇烈，而且，水下環(huán)境評估所關(guān)注區(qū)域的深度都要大于這個(gè)范圍，因此這種處理是比較合理的。而在其他層次上，都采用線性內(nèi)插來處理。

密度采用同樣的方法進(jìn)行處理。然后按照前面所述的模態(tài)方法對聲速進(jìn)行估算。

4 結(jié)果分析

圖4、圖5為站點(diǎn)110和111的數(shù)據(jù)庫重構(gòu)和融合后重構(gòu)的結(jié)構(gòu)。實(shí)測數(shù)據(jù)的采樣格式為：間隔為8 m、20 m、50 m、60 m、70 m、80 m、90 m、100 m。從結(jié)果中可看出：

圖 4 站點(diǎn)110重構(gòu)后的聲速分布Fig.4 Sound speed distribution of station 110 after the reconstruction

圖 5 站點(diǎn)111重構(gòu)后的聲速分布Fig.5 Sound speed distribution of station 111 after the reconstruction

單純利用數(shù)據(jù)庫重構(gòu)的結(jié)果在深水處能反應(yīng)聲速的變化規(guī)律。但在淺水區(qū)存在一定的誤差。因?yàn)樯蠈雍Ｋ淖兓S時(shí)間的變化很快，受影響的因素較多，而深層海水的性質(zhì)比較穩(wěn)定。而數(shù)據(jù)庫與實(shí)測值進(jìn)行融合后，其重構(gòu)的聲速結(jié)果與實(shí)測值比較接近，而且聲速的變化趨勢和躍層的深度比較接近，能大致估計(jì)出躍層的深度。但在躍層的強(qiáng)度方面還存在一定的誤差，但對躍層的性質(zhì)和躍層的深度還是比較準(zhǔn)確的。

圖 6 數(shù)據(jù)庫和融合后的誤差分布Fig.6 Database and error distribution after the merging

圖 7 數(shù)據(jù)庫和融合的相對誤差分布Fig.7 Database and relative error distribution of the merging

圖6為所有站點(diǎn)的數(shù)據(jù)庫重構(gòu)和融合后重構(gòu)的誤差分布圖。圖7為數(shù)據(jù)重構(gòu)與融合重構(gòu)之間的相對誤差分布。從圖6的誤差分布結(jié)果來看，數(shù)據(jù)庫和實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行融合后的重構(gòu)結(jié)果有明顯的提高。在水下150 m處左右，數(shù)據(jù)庫重構(gòu)存在的最大的誤差分布。通過數(shù)據(jù)融合后得到大幅度降低。但在50 m躍層變化強(qiáng)烈區(qū)，數(shù)據(jù)融合的誤差雖然有一定程度的弱化，但仍在整個(gè)水深中處于最大區(qū)域。從圖7可看出，利用實(shí)測數(shù)據(jù)融合對150 m左右的誤差有很大的改善，但對50 m左右的誤差僅有部分改善。

5 結(jié) 論

本文通過對數(shù)據(jù)庫和少量的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行融合對聲速進(jìn)行快速估計(jì)重構(gòu)。結(jié)果證明該方法是有效的，以20 m以內(nèi)的采樣間隔獲取的實(shí)測數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫融合就能實(shí)現(xiàn)聲速的快速估算。特別是對躍層的深度和躍層的性質(zhì)，結(jié)果令人滿意。但在躍層變化的強(qiáng)烈區(qū)，對躍層的強(qiáng)度估計(jì)仍有一定的誤差。下一步應(yīng)對此問題進(jìn)行深入研究，通過對躍層強(qiáng)烈區(qū)進(jìn)行精細(xì)處理來解決。

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Research on rapid assessment of ocean-cline using merged data serial

MO Jun1,2, LI Bo1, WAN Jun1

(1.Navy Submarine Academy, Qingdao 266071, China; 2.Ocean Circulation And Wave Key Laboratory of Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China )

Rapid assessment of ocean-cline is important to the underwater warfare.Both precision and time of assessment can decide operational efficiency.This paper puts forward a new method that constructs fuse data serial based on temperature and density delivered by real-time measured and LEVITUS database.It fused data of database by real-time data, then assessed ocean-cline by the new data serial.The result shows that the method not only can shorten the assessment time, but also can improve the precision.

data fuse; rapid assessment; ocean-cline

P732

A

1001-6932(2011)03-0272-05

2009-07-09；收修改稿日期：2011-03-21

中國科學(xué)院海洋環(huán)流波動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金（KLOCAW0807）。

莫軍 ( 1972－ )，男，博士，主要從事物理海洋學(xué)研究。電子郵箱：marchel_j@163.com。

林榮澄，研究員。電子郵箱：rclin@public.xm.fj.cn。