河口底边界层湍流观测后处理技术方法分析.pdf

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1、第34卷第5期2012年9月海洋学报ACTAOCEANOLOGICASINICAV01．34，No．5September2012河口底边界层湍流观测后处理技术方法分析鲁远征1’2，吴加学¨，刘欢1(1．中山大学近岸海洋科学与技术研究中心，广东广州510275；2．中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境国家重点实验室，广东广州510301)摘要：河口底边界层过程是河口海岸研究与工程应用中的重要内容。三维点式高频流速仪(ADV)已经成为湍流现场观测的最有效的工具之一，然而受测量状态、复杂的波流环境、底床几何结构等因素的影响，湍流观测的后处理目

2、前还不成熟。在前人工作的基础上，提出了河口底边界层湍流观测后处理的综合技术方法，包括测量状态判断、数据质量检测、坐标系旋转、去除毛刺及滤波，探讨了这些处理方法中的某些步骤及处理顺序对湍流参数估算可能产生的影响，提出了综合后处理技术的准确性评估方法。该研究对于近岸海洋湍流混合、泥沙输运等重要问题的解决可以提供较为扎实的技术支持。关键词：ADV；数据后处理；底边界层；湍流；珠江河口中图分类号：P731．26文献标志码：A文章编号：0253—4193(2012)05—0039—111引言河口底边界层流是河口基本的物理过程，底边界层动量转换、物

3、质交换和能量平衡对河口环流结构、泥沙再悬浮及沉降、河床侵蚀与堆积、底栖生物过程等具有重要的影响[1--4]。河口底边界层流的认识明显依赖于现场观测技术的发展，尤其是高分辨率声学多普勒探测技术。底边界层观测设备有座底三(或四)脚架、电磁流速仪(EMCM)、脉冲相干多普勒剖面仪(PC—ADP)、三维点式声学多普勒流速仪(ADV)、声学多普勒流速剖面仪(ADcP)，以及湍流微尺度剖面仪(如MSS)，其中ADV已经成为现场湍流观测仪器中最为有效的观测工具之一[5]。尽管如此，目前海洋及近岸河口的湍流特征参量的测量还远未形成统一的标准[6_7]。

4、ADV与传统的EMCE或ADCP相比，具有非接触、采样体积小(85～255mm3)、采样频率高(内部采样频率最大为250Hz，最大输出频率为64Hz)、流速精度高(±0．5％或4-0．1cm／s)等特点L8J。然而采用座底三脚架观测发现，ADV测量底边界层湍流的效果易受环境干扰，主要包括：(1)座底三脚架状态的偏移程度直接影响到ADV测量数据的有效性；(2)水体气泡、大颗粒悬浮物、边界回声及脉动强度等因素影响ADV测量的相关系数，导致信噪比下降凹3；(3)实际流速超过了ADV预设流速，底边界复杂的几何结构等因素会造成多普勒信号失真，测量

5、数据出现明显的毛刺点[1叩；(4)河口动力环境复杂，波浪一湍流相互作用明显，有时分离湍流与波浪比较困难[11

6、。因此原始ADV瞬时速度数据可能混入了大量的噪声与毛刺信息，对高分辨率湍流观测数据进行后处理就成为底边界层流研究的关键步骤之一，不恰当的数据处理会对分析结果带来较大的影响[5’12_1州。Voulgaris和Trowbridge[5’15]采用谱分离法消除多普勒噪声，但未对明显存在的毛收稿日期：201卜1115；修订日期：2012—04—17。基金项目：国家自然科学基金项目(40976053；40676056；41006050)

7、。作者简介：鲁远征(1985一)，男，河南省新乡市人，硕士，主要从事海洋、近岸与河口动力研究。E—mail：luyuanzheng@scsio．ac．cn*通信作者：吴加学(1968)，教授，博士，主要从事河口海岸动力沉积过程与地貌演变、河口物质通量与陆海相互作用研究。Email：wujiaxUC@mail．8ysu．edu．cn40海洋学报34卷刺干扰进行处理。Goring和Nikora[1o]首次引入庞加莱映射思想提出了相空间法去除数据中的毛刺点，虽能够成功的判别毛刺，但也会误将部分有效数据判断为毛刺，而毛刺点的替代又可能受到附近毛

8、刺点的干扰，冈此WahlLl63利用最大绝对期望中值来代替标准差对相空间法进行了改进，Parsheh等¨们提出最近有效值点替代毛刺点更为合理。Chanson等』13。则指出在数据处理前须对数据质量进行检测。因此对于原始ADV数据后处理问题，前人分别从数据质量检测、毛刺点去除、噪声影响等单一或某几项探讨了数据后处理[1”2⋯，而尚未形成一套规范的处理程序。在前人工作的基础上，本文将利用珠江河口底边界层湍流观测与资料分析，尝试建立一套合理的底边界层湍流观测综合后处理技术方法，进一步探讨这些处理方法对湍流参量估算可能产生的影响。2数据来源与A

9、DV设置采用自主研制完成的底边界层座底三脚架观测系统(专利号：20l120052746．9)，于2007年7月17—18日，在珠江黄茅海河口湾YM01站(22。5’58．036”N，113。5’17．38”