基于垂直剖面儀的海洋湍流觀測(cè)技術(shù)及分?jǐn)?shù)階數(shù)據(jù)處理算法研究地理學(xué)專(zhuān)業(yè)

1、基于垂直剖面儀的海洋湍流觀測(cè)技術(shù)及分?jǐn)?shù)階數(shù)據(jù)處理算法研究摘 要海洋湍流對(duì)于認(rèn)知海洋環(huán)流的運(yùn)動(dòng)、研究海洋能量和水體的交換演化機(jī)制起著十分重要的作用，也是驅(qū)動(dòng)海洋混合和大洋環(huán)流與調(diào)節(jié)海洋特性的關(guān)鍵因素。正確地認(rèn)知、預(yù)測(cè)和控制湍流對(duì)揭示海洋環(huán)流運(yùn)動(dòng)機(jī)制具有極其重要的科學(xué)意義。湍流觀測(cè)作為研究海洋湍流的重要手段，其研究成果不斷地幫助人類(lèi)提高對(duì)海洋湍流的理解與認(rèn)識(shí)，其中，湍流觀測(cè)技術(shù)問(wèn)題一直是海洋湍流研究領(lǐng)域面臨的重大課題之一。海洋湍流數(shù)據(jù)的獲取手段與分析方法是人們進(jìn)一步研究湍流混合機(jī)制的基礎(chǔ)。目前，采用高分辨率、高空間響應(yīng)能力及高靈活度的剪切傳感器搭載在不同形式的觀測(cè)平臺(tái)中是海洋湍流極為常用的觀測(cè)手段

2、，以此獲取海洋湍流混合層有效的湍流觀測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋混合層微尺度湍流脈動(dòng)速度梯度及剪切應(yīng)力強(qiáng)度等不同動(dòng)力學(xué)特性的表征，并基于觀測(cè)平臺(tái)非線性振動(dòng)校正和自適應(yīng)融合算法，實(shí)現(xiàn)海洋混合層湍流耗散率的有效估算，為海洋混合層理論和模式研究提供有效的觀測(cè)手段和數(shù)據(jù)支持。面向海洋混合層的微尺度湍流觀測(cè)與認(rèn)知這一關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，針對(duì)目前海洋湍流觀測(cè)技術(shù)中存在的問(wèn)題與制約，自主研發(fā)了一種下放式垂直剖面儀湍流微結(jié)構(gòu)觀測(cè)新平臺(tái)，其設(shè)計(jì)理念完全繼承了垂向觀測(cè)方式的空間廣泛性，剖面儀在下潛過(guò)程中能保持合理而穩(wěn)定的下潛速度和下潛姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)湍流垂向空間的穩(wěn)定有效觀測(cè)，為獲取廣泛的垂向觀測(cè)數(shù)據(jù)提供了觀測(cè)手段。在處理與分析微尺度

3、海洋湍流數(shù)據(jù)時(shí)，觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度是研究湍流特征的基礎(chǔ)，而噪音信號(hào)的消除問(wèn)題一直是數(shù)據(jù)處理過(guò)程中的重點(diǎn)與難點(diǎn)。海洋傳感器在復(fù)雜多變的海洋環(huán)境中工作時(shí)難免會(huì)受到儀器振動(dòng)及環(huán)境渦流的污染，傳統(tǒng)噪音消除算法如傅里葉變換、小波變換等方法均適用于處理確定性的平穩(wěn)線性信號(hào)，而海洋湍流是一種極端復(fù)雜的三維流體運(yùn)動(dòng)，真實(shí)觀測(cè)到的湍流時(shí)間序列通常是不平穩(wěn)非均勻的，而且易受到各種噪音污染。因此，研發(fā)一種有效去除平臺(tái)振動(dòng)及渦致振動(dòng)等噪音的消噪算法對(duì)提高湍流觀測(cè)數(shù)據(jù)的精度是極為必要的，它為研究湍流波數(shù)譜及湍流耗散機(jī)制提供數(shù)據(jù)支持。在對(duì)海洋湍流的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)機(jī)理進(jìn)行的研究方面，基于湍流剪切數(shù)據(jù)的處理分析算法一直是這方面應(yīng)用的

4、一個(gè)熱門(mén)方向，本文以實(shí)際觀測(cè)的微尺度海洋剪切脈動(dòng)數(shù)據(jù)為處理對(duì)象，針對(duì)海洋湍流觀測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)及數(shù)據(jù)處理流程中的關(guān)鍵問(wèn)題，利用自制的湍流觀測(cè)平臺(tái)提出了一種有效湍流觀測(cè)方式，并利用分?jǐn)?shù)階原理提出了一種新的分析湍流機(jī)理特征的方法，最后針對(duì)垂向湍流觀測(cè)平臺(tái)中的渦致振動(dòng)噪音提出了一種新的消噪算法。本論文的主要研究?jī)?nèi)容如下：基于自容式存儲(chǔ)系統(tǒng)的下放式剖面儀設(shè)計(jì)與研究本文提出一種自主研發(fā)的自由下放式剖面儀(Free Fall Vertical Profiler, FFVP)湍流觀測(cè)平臺(tái)，其設(shè)計(jì)思想是充分利用垂向觀測(cè)方式的空間廣泛性優(yōu)勢(shì)，采用自容式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研發(fā)一種適用于深海湍流觀測(cè)的低成本湍流觀測(cè)平臺(tái)。通過(guò)

5、建立下潛過(guò)程動(dòng)力學(xué)模型方程，分析影響下潛速度的力學(xué)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，在理論計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上，結(jié)合已有的結(jié)構(gòu)配置，明確調(diào)節(jié)下潛速度的方法，并計(jì)算該結(jié)構(gòu)下的各力學(xué)參數(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)的擺動(dòng)、姿態(tài)進(jìn)行了分析。確定該結(jié)構(gòu)下湍流儀的擺動(dòng)頻率，及擺動(dòng)幅值衰減特性。分析下潛速度、重浮心距離對(duì)下潛姿態(tài)的影響，。通過(guò)簡(jiǎn)化模型，進(jìn)行流致振動(dòng)分析，得出在水平水流沖擊下儀器的擺動(dòng)特性。基于下放式剖面儀的湍流觀測(cè)技術(shù)及消噪算法海洋湍流的觀測(cè)對(duì)認(rèn)知海洋混合過(guò)程有重要作用，但是實(shí)際觀測(cè)的微尺度剪切時(shí)間序列是非平穩(wěn)的且很容易受到各種噪音的污染。針對(duì)自主研制的下放式剖面儀進(jìn)行海洋湍流觀測(cè)中平臺(tái)下潛速度、姿態(tài)和振動(dòng)的分析，有效證明了平臺(tái)的有

6、效性。為進(jìn)一步消除儀器振動(dòng)噪音，提高湍動(dòng)能耗散率的精度，本文提出利用基于交叉譜的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償校正算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲修正濾除，修正后的剪切譜與標(biāo)準(zhǔn)的Nasmyth譜吻合較好，且耗散率比原始耗散率明顯降低了。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)FVP觀測(cè)平臺(tái)是一個(gè)穩(wěn)定的觀測(cè)平臺(tái)，為觀測(cè)湍流提供了新的平臺(tái)?；诜?jǐn)?shù)階理論的湍流功率譜分析算法在基于分?jǐn)?shù)階理論的基礎(chǔ)上，對(duì)湍流數(shù)據(jù)的功率譜進(jìn)行了探索性的分析。盡管湍流的流體運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜，呈現(xiàn)的是一種三維非定常模式，可是因?yàn)樗碾S機(jī)性，使得其在運(yùn)動(dòng)中又有某種內(nèi)在的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。本節(jié)是在分?jǐn)?shù)維的空間中展開(kāi)對(duì)湍流特性的研究，然后得到其能譜圖，進(jìn)行分析，并充分考慮湍流本身的規(guī)則性以及隨機(jī)性。

7、首先，對(duì)湍流的分形特征進(jìn)行說(shuō)明，然后對(duì)分?jǐn)?shù)維空間內(nèi)的湍流擁有的湍流功率譜的公式形式推導(dǎo)出來(lái)，并以此為基礎(chǔ)，研究一種新方法，展開(kāi)研究如何利用分?jǐn)?shù)維數(shù)來(lái)獲得湍流功率譜，并利用自由下放式剖面儀在西太平洋采集的數(shù)據(jù)與原功率譜進(jìn)行比對(duì)，驗(yàn)證新方法的有效性?；诜?jǐn)?shù)階濾波器的湍流信號(hào)消噪算法觀測(cè)的高精度湍流數(shù)據(jù)集對(duì)研究海洋循環(huán)系統(tǒng)起著重要作用。為消除觀測(cè)信號(hào)中的平臺(tái)振動(dòng)及渦致振動(dòng)污染，本文提出一種基于分?jǐn)?shù)階濾波的消噪算法。首先，我們?cè)趯?duì)振動(dòng)信號(hào)的發(fā)生進(jìn)行分析時(shí)，并確定剪切信號(hào)同加速度之間的關(guān)聯(lián)性，以此為基礎(chǔ)，進(jìn)而提出一種基于分?jǐn)?shù)階濾波器的湍流信號(hào)消噪算法，采用最小化觀測(cè)技術(shù)計(jì)算出全部信號(hào)的加權(quán)平均加速度積

8、分差值，于是就能大致估計(jì)得到振動(dòng)信號(hào)的最優(yōu)形式，并設(shè)法消除該信號(hào)。本文采用自由下放式湍流觀測(cè)平臺(tái)在西太平洋海域觀測(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)算法進(jìn)行驗(yàn)證，并與經(jīng)典交叉譜算法進(jìn)行比對(duì)，最終的結(jié)果說(shuō)明了，采用分?jǐn)?shù)階濾波算法可以將渦致振動(dòng)噪音進(jìn)行有效消除，進(jìn)而獲得具有更高精度的湍流觀測(cè)數(shù)據(jù)。關(guān)鍵詞：海洋湍流；自由下放垂直剖面儀；渦致振動(dòng)；噪音模型；分?jǐn)?shù)階Fourier變換；濾波算法；Ocean Turbulence Observation Techniques Based on the Vertical Profiler and Research on Fractional Data Processing Algor

9、ithmsAbstractKeywords: ocean turbulence; free fall vertical profiler; vortex-induced vibrations; noise modeling; fractional fourier transform; filtering algorithm; III第一章 緒論1.1引言海洋是地球極其重要的組成部分，其面積約占地球表面總面積的七成，海洋為生命的出現(xiàn)提供了必要條件，其中也蘊(yùn)藏著豐富而寶貴的資源，如大量的水產(chǎn)和藻類(lèi)資源、豐富的化學(xué)資源和礦產(chǎn)能源等。自21世紀(jì)以來(lái)，世界各國(guó)加速發(fā)展、經(jīng)濟(jì)日新月異、人口激增，而可利用的

10、資源卻日益減少，人口、資源和環(huán)境等諸多難題日益凸顯。為了得到更好的常態(tài)發(fā)展，海洋資源逐步成為人類(lèi)探索研究的新領(lǐng)域。一方面，海洋對(duì)地球系統(tǒng)的生物循環(huán)、水體和大氣循環(huán)有重要的調(diào)控作用1，另一方面，氣候系統(tǒng)長(zhǎng)期變化的預(yù)測(cè)能力與水平也取決于對(duì)深海大洋的巨大熱容量及熱輸送能力的預(yù)測(cè)能力，因此，物理海洋領(lǐng)域已逐步成為人類(lèi)研究探索的新熱點(diǎn)。世界各國(guó)也日益關(guān)注海洋對(duì)經(jīng)濟(jì)、軍事、生態(tài)環(huán)境的重要作用，開(kāi)始研制先進(jìn)的海洋探測(cè)儀器及海洋觀測(cè)技術(shù)用于海洋領(lǐng)域研究。我國(guó)在這一形勢(shì)發(fā)展之下，也積極投身于海洋領(lǐng)域的探索行列，推出了很多針對(duì)海洋研究的項(xiàng)目，如“863”、“973”等國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目；在“十二五”規(guī)劃中也首次提出發(fā)展

11、藍(lán)色海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展戰(zhàn)略，我們國(guó)家已經(jīng)充分意識(shí)到發(fā)展海洋領(lǐng)域的重要性。有人將世紀(jì)稱(chēng)為“海洋的世紀(jì)”，而對(duì)于海洋的探索還仍處于不斷發(fā)展和進(jìn)步的階段，人們對(duì)海洋的物理機(jī)制還缺乏足夠的認(rèn)知。為了更好地開(kāi)發(fā)與利用海洋資源，增強(qiáng)人們對(duì)海洋環(huán)境極其變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)，海洋觀測(cè)技術(shù)及后續(xù)數(shù)據(jù)處理算法對(duì)推動(dòng)海洋的發(fā)展起著極其重要的作用。在海洋湍流理論中，流體的流動(dòng)狀態(tài)根據(jù)雷諾數(shù)的大小可分為2,3：層流、過(guò)渡流和湍流，根據(jù)不同雷諾數(shù)的值對(duì)他們加以區(qū)分。當(dāng)雷諾數(shù)小于時(shí)，流體分層明顯，流線平穩(wěn)，各層之間沒(méi)有出現(xiàn)混合，稱(chēng)為層流。隨著流速的增加，當(dāng)雷諾數(shù)在之間時(shí)，流線出現(xiàn)波動(dòng)，流體各層之間會(huì)出現(xiàn)波浪式的擺動(dòng)，稱(chēng)為過(guò)渡流。當(dāng)流

12、速繼續(xù)增加到臨界值且雷諾數(shù)大于時(shí)，流線十分混亂，相鄰的流體層之間就會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)和混合狀態(tài)，伴隨著出現(xiàn)很多的漩渦，原本流線型的形態(tài)被徹底打亂，此時(shí)就稱(chēng)為湍流，又叫擾流或紊流。本文主要研究的對(duì)象就是混合層湍流現(xiàn)象的機(jī)理及其能量演化過(guò)程。隨著湍流觀測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)湍流機(jī)制的認(rèn)知逐步加深。近一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，人類(lèi)對(duì)湍流的研究取得了諸多成就，但是由于湍流是一種極其復(fù)雜的三維不規(guī)則流體運(yùn)動(dòng)，人們很難清晰地掌握它的基本運(yùn)動(dòng)原理，截止到目前，湍流的準(zhǔn)確定義也未完全給定。目前，較為公認(rèn)的湍流定義是：湍流是一種帶有渦旋的不規(guī)則的、混沌的流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其實(shí)質(zhì)是一種隨機(jī)的三維非定常流動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)參數(shù)隨著時(shí)間和空間的變

13、化而隨機(jī)地發(fā)生變化，流動(dòng)空間中含有無(wú)數(shù)形狀及大小各異的旋渦(圖1-1)，如湍急的河流、呼嘯的狂風(fēng)、滾滾的濃煙都屬于湍流。海洋湍流是一種高度復(fù)雜的三維帶旋轉(zhuǎn)的非穩(wěn)態(tài)不規(guī)則流體運(yùn)動(dòng)，水體中每一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度是隨機(jī)變化的，即處于一種不穩(wěn)定的紊亂運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。湍流的速度剖面稱(chēng)為“剪切流”面，切向脈動(dòng)速度剖面的梯度變化表明在不同區(qū)域內(nèi)海洋湍流的切應(yīng)力、強(qiáng)度、能量平衡及其其他動(dòng)力學(xué)特征。但是，由于受到實(shí)驗(yàn)觀測(cè)手段和海洋觀測(cè)儀器等條件的限制，目前對(duì)于湍流的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和大部分研究理論都是基于“均勻各向同性”的假設(shè)定理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)湍流演變狀態(tài)的研究。圖1-1湍流漩渦舉例年，在觀測(cè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷改革發(fā)展下， 和

14、4首次提出利用剪切探頭傳感器來(lái)測(cè)量湍流脈動(dòng)量，他詳細(xì)地闡述了剪切探頭的具體工作方式及標(biāo)定校準(zhǔn)規(guī)則。自此，剪切探頭開(kāi)始被廣泛地應(yīng)用于海洋剪切流的測(cè)量中，并為湍流觀測(cè)技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。兩年后，奧基()5同時(shí)使用剪切探頭和熱敏電阻傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)剪切流和快速溫度兩個(gè)參數(shù)的同步觀測(cè)，并比較了這兩種觀測(cè)方式的一致性。世紀(jì)以來(lái)，工程技術(shù)與自然科學(xué)快速發(fā)展如航空航天、水利工程、船舶動(dòng)力、化學(xué)化工、海洋工程及環(huán)境、氣象、海洋科學(xué)等都取得顯著進(jìn)步，逐漸實(shí)現(xiàn)了從研究到應(yīng)用的轉(zhuǎn)變，這也推動(dòng)了湍流的發(fā)展進(jìn)程，為湍流的進(jìn)一步研究提供了有效保障。利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、采用智能化的處理分析方法對(duì)湍流觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析

15、，建立合適的數(shù)值模型，減小計(jì)算誤差，研究湍流能譜、耗散機(jī)制、能量演化規(guī)律、時(shí)間尺度及相關(guān)性等特征參量，形成系統(tǒng)化的數(shù)據(jù)采集處理方式及直觀有效的湍流混合機(jī)制及尺度特征分析算法是湍流發(fā)展研究的大趨勢(shì)?？偠灾?，海洋湍流混合動(dòng)力過(guò)程既控制著海洋中的能量的傳輸，也影響著氣候與環(huán)境的變化，還控制著海洋生態(tài)整體環(huán)境，因此獲取微尺度湍流觀測(cè)數(shù)據(jù)并深入研究其混合機(jī)制是研究的重中之重。研究先進(jìn)的海洋觀測(cè)技術(shù)，獲得高質(zhì)量的原始湍流數(shù)據(jù)資料，創(chuàng)新性地?cái)?shù)據(jù)處理與分析算法，是實(shí)現(xiàn)深入挖掘湍流機(jī)理、完善湍流理論的重要基礎(chǔ)，微尺度湍流觀測(cè)技術(shù)及處理算法對(duì)人們研究湍流特征具有重要意義。1.2研究背景和意義1.2.1課題的研究

16、背景海洋與人類(lèi)生活密不可分的聯(lián)系，湍流也與人類(lèi)生存發(fā)展有千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系。在自然界中，絕大多數(shù)流體運(yùn)動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生湍流現(xiàn)象，如航行器在空中的飛行過(guò)程、機(jī)動(dòng)車(chē)在地上的行駛過(guò)程、輪船在海上的航行過(guò)程，甚至是人類(lèi)體內(nèi)也時(shí)常會(huì)發(fā)生湍流現(xiàn)象。但是，由于湍流方程的時(shí)空復(fù)雜性和不封閉性6,7等因素的限制，湍流理論研究面臨著諸多難題，如何準(zhǔn)確地描述無(wú)規(guī)則的湍流流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及求解流體運(yùn)動(dòng)方程既是研究的重點(diǎn)也是研究的難點(diǎn)。湍流的最基本特征是它具有隨機(jī)性，流體運(yùn)動(dòng)與分子運(yùn)動(dòng)有相似性，在時(shí)間及空間上都具有不規(guī)則的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)特征，其運(yùn)動(dòng)參數(shù)也是隨機(jī)量，但一定程度上還是符合統(tǒng)計(jì)概率規(guī)律的。湍流服從自然界中的最基本的定律：擬序結(jié)

17、構(gòu)8存在于湍流流場(chǎng)當(dāng)中，絕大部分以大尺度旋渦為特征。通過(guò)設(shè)定合理的假設(shè)條件， 柯?tīng)柲缏宸?)在世紀(jì)年代發(fā)現(xiàn)了湍流能譜在慣性區(qū)域內(nèi)的普適規(guī)律，根據(jù)這些普適規(guī)律提出新模型并找到了湍流脈動(dòng)速度的標(biāo)定律。通過(guò)數(shù)值模擬方法模擬各向同性湍流，發(fā)現(xiàn)了間歇性特征，在此基礎(chǔ)上又提出了湍流能量級(jí)串理論及標(biāo)度律。通過(guò)深入研究湍流理論知識(shí)，發(fā)現(xiàn)這些理論僅適用于雷諾系數(shù)較大且假設(shè)湍流是各向同性的條件基礎(chǔ)上。年，雷諾() 9提出了湍流應(yīng)力輸運(yùn)方程和時(shí)均動(dòng)量方程(即方程)，由于湍流方程的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)和不封閉特性，給實(shí)際的工程應(yīng)用研究中帶來(lái)很多的困難與障礙，雷諾認(rèn)識(shí)到采用確定的方法來(lái)描述湍流運(yùn)動(dòng)的時(shí)間、空間變化特征是基本不現(xiàn)

18、實(shí)的，故采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法來(lái)處理湍流的平均運(yùn)動(dòng)，如時(shí)間平均法、概率平均法(或系綜平均法)和整體平均法。在湍流的實(shí)際研究中，通常使用海流的速度、溫度、壓強(qiáng)、鹽度等參數(shù)的局部流動(dòng)量的均值來(lái)表示湍流，各參數(shù)的瞬時(shí)值等于平均量與脈動(dòng)量之和，而平均量的平均仍為該平均值，脈動(dòng)量的平均值為零10。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)納維斯托克斯()方程11的不封閉性問(wèn)題提出很多解決的方法。年，泰勒()首次提出了湍流脈動(dòng)速度的關(guān)聯(lián)函數(shù)：在湍流流場(chǎng)中，空間內(nèi)的任意兩個(gè)相鄰點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)具有一定的關(guān)聯(lián)性或相關(guān)性，如速度之間的關(guān)聯(lián)性、速度與壓強(qiáng)之間的關(guān)聯(lián)性等。年后，柯?tīng)柲缏宸?) 12提出了湍流脈動(dòng)速度的結(jié)構(gòu)函數(shù)，開(kāi)創(chuàng)了湍流統(tǒng)計(jì)理論的研究工

19、作的先河。世紀(jì)年代，我國(guó)研究員周培源等人13 開(kāi)展對(duì)湍流模式的研究并提出了求解平均渦流結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)理論方法。隨著人們對(duì)湍流及其理論方法理解的不斷深化，湍流從求解維納斯托克斯()方程，逐步發(fā)展為探究湍流擬序結(jié)構(gòu)8、研究湍流統(tǒng)計(jì)理論14、探索湍流模式15等問(wèn)題。目前，湍流理論的研究成果已廣泛應(yīng)用于眾多科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)，如環(huán)境問(wèn)題16、預(yù)測(cè)模擬問(wèn)題17、流體機(jī)械18、新能源開(kāi)發(fā)19、航空航天20等。湍流理論的研究對(duì)工程技術(shù)的發(fā)展具有理論指導(dǎo)意義，反過(guò)來(lái)，工程技術(shù)的進(jìn)步終有一日也會(huì)成功打破湍流理論認(rèn)知的屏障。由于湍流運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，很難在現(xiàn)實(shí)中實(shí)現(xiàn)湍流環(huán)境的模擬，因而湍流的研究與發(fā)展嚴(yán)重依賴(lài)著湍流觀測(cè)技術(shù)及儀器

20、觀測(cè)獲取的真實(shí)湍流數(shù)據(jù)，湍流數(shù)據(jù)的實(shí)測(cè)工作也就成為研究湍流內(nèi)部機(jī)制的奠基石。計(jì)算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)及湍流理論的日益完善推動(dòng)了湍流觀測(cè)方式的進(jìn)步引領(lǐng)了湍流脈動(dòng)參數(shù)的測(cè)量技術(shù)方法的發(fā)展，使得探究湍流內(nèi)部運(yùn)動(dòng)機(jī)理有了可靠的數(shù)據(jù)支持。湍流觀測(cè)技術(shù)主要與傳感器的電子電路及觀測(cè)平臺(tái)相關(guān)，目前剪切探頭和熱敏電阻成為測(cè)量湍流脈動(dòng)速度的兩大主流傳感器，湍流觀測(cè)技術(shù)也成為工程方面的研究重點(diǎn)方向。不同的觀測(cè)方式要求的觀測(cè)平臺(tái)也不一樣，例如垂向測(cè)量方式要求觀測(cè)系統(tǒng)在布放過(guò)程中處于垂直狀態(tài)；水平觀測(cè)方式則要求觀測(cè)儀器在水平方向處于平衡狀態(tài)；觀測(cè)深海湍流時(shí)要求儀器有足夠的耐壓能力；觀測(cè)淺海湍流時(shí)系統(tǒng)必須盡量避免風(fēng)浪過(guò)大導(dǎo)致

21、的系統(tǒng)傾斜晃動(dòng)。儀器在進(jìn)行外海試驗(yàn)前需要先在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)水槽中進(jìn)行配平實(shí)驗(yàn)以及對(duì)其他相關(guān)設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行檢驗(yàn)，觀測(cè)的儀器姿態(tài)數(shù)據(jù)也要進(jìn)行全面分析，從而驗(yàn)證水下儀器是否符合設(shè)計(jì)原理、能否滿足海洋觀測(cè)的條件以及觀測(cè)數(shù)據(jù)的有效性。以海洋湍流的觀測(cè)試驗(yàn)為基礎(chǔ)，不斷發(fā)展創(chuàng)新觀測(cè)平臺(tái)及觀測(cè)方式是湍流研究的重點(diǎn)方向，具有非常廣泛的應(yīng)用前景。湍流試驗(yàn)的主要目的是獲取真實(shí)的湍流數(shù)據(jù)，并深入研究湍流運(yùn)動(dòng)的規(guī)律和特征。目前，湍流能譜和湍動(dòng)能耗散率( Energy)21是兩個(gè)重要的統(tǒng)計(jì)參量，主要描述了湍流脈動(dòng)流場(chǎng)的特征和湍流能量在時(shí)間及空間上的變化狀態(tài)。湍流能譜通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)的理論譜進(jìn)行比對(duì)，來(lái)衡量觀測(cè)湍流數(shù)據(jù)的質(zhì)量并判斷數(shù)據(jù)的

22、可信度，因此湍流能譜是研究湍流特征中的重要參考量。湍動(dòng)能耗散率主要描述湍流能量耗散過(guò)程中的能量演變規(guī)律，它的量級(jí)越低代表儀器觀測(cè)的數(shù)據(jù)越好、儀器的精度越高。此外，湍流數(shù)據(jù)觀測(cè)過(guò)程中的噪音信號(hào)會(huì)在一定程度上影響耗散率的計(jì)算精度，因此湍流信號(hào)的噪聲消除問(wèn)題也是研究湍流特征過(guò)程中需要解決的關(guān)鍵性問(wèn)題22，對(duì)提高湍流觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量具有重要作用。綜上所述，人類(lèi)研究湍流的終極目標(biāo)為正確的預(yù)測(cè)湍流，進(jìn)而控制湍流并有效利用湍流，如何研究、控制及預(yù)測(cè)湍流已經(jīng)成為專(zhuān)家學(xué)者研究的熱點(diǎn)課題之一。由于湍流的極端復(fù)雜性和隨機(jī)性，統(tǒng)計(jì)平均方法、真海實(shí)驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算與理論分析是重要的研究手段。以湍流真海試驗(yàn)觀測(cè)為基礎(chǔ)，獲取真實(shí)

23、數(shù)據(jù)資料為研究湍流特征提供了客觀依據(jù)，逐步完善湍流統(tǒng)計(jì)理論，改進(jìn)湍流數(shù)據(jù)處理方法可以極大地加快湍流研究的發(fā)展進(jìn)程，這對(duì)研究海洋湍流的運(yùn)動(dòng)機(jī)理及特征具有重要的理論意義。1.2.2課題的研究意義海洋湍流在認(rèn)知大洋環(huán)流的運(yùn)動(dòng)機(jī)制、改進(jìn)并完善海洋環(huán)流及氣候模型、研究海洋能量與水體的傳遞機(jī)制、解決人類(lèi)能源危機(jī)等諸多問(wèn)題中具有不可替代的作用，與此同時(shí)，它也廣泛地影響著海洋生態(tài)系統(tǒng)與水生生物系統(tǒng)的平衡，有助于人類(lèi)更好地了解全球氣候變化情況。因此，海洋湍流在不同時(shí)間及空間尺度上的能量變化規(guī)律和內(nèi)部混合機(jī)制成為海洋科學(xué)中至關(guān)重要的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域之一。究其本質(zhì)湍流運(yùn)動(dòng)其實(shí)就是一個(gè)大尺度旋渦快速裂變的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程

24、中，湍流通過(guò)強(qiáng)化運(yùn)輸熱量和水體中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、沉積物、有機(jī)物等不斷地影響著水生生態(tài)系統(tǒng)，有機(jī)物質(zhì)及運(yùn)輸機(jī)制的變化又會(huì)造成環(huán)境的改變，進(jìn)而形成生物物理之間的循環(huán)作用過(guò)程。海洋湍流的運(yùn)動(dòng)不僅影響海洋的活動(dòng)與海洋氣候的變化，在給人類(lèi)社會(huì)帶來(lái)有利方面的同時(shí)，也會(huì)給人類(lèi)帶來(lái)難以預(yù)料的困擾甚至災(zāi)難。如果人類(lèi)能夠正確認(rèn)識(shí)湍流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及規(guī)律特征，就能減少弊端并充分利用湍流的優(yōu)勢(shì)造福人類(lèi)社會(huì)。正確認(rèn)知海洋湍流不僅能夠幫助人們完善和改進(jìn)海洋環(huán)流和氣候模型，還對(duì)認(rèn)知海洋環(huán)流如何運(yùn)動(dòng)及認(rèn)知海洋生態(tài)環(huán)境和懸浮物質(zhì)的分布具有重要作用23。因此，我們不僅要正確認(rèn)識(shí)湍流，還要能夠通過(guò)預(yù)測(cè)和完善湍流模型揭示深海海洋的物理-生物地

25、球化學(xué)-生態(tài)系統(tǒng)的變化過(guò)程以及相互作用機(jī)制，認(rèn)識(shí)湍流能量演化機(jī)制對(duì)深海大洋環(huán)境影響的時(shí)空分布特征及機(jī)理，對(duì)預(yù)測(cè)深海大洋環(huán)境及氣候變化，掌握海洋資源變動(dòng)情況等有非常重要的科學(xué)價(jià)值。目前，海洋湍流已成為海洋科學(xué)的重要研究領(lǐng)域之一，而海洋湍流數(shù)據(jù)的測(cè)量技術(shù)作為研究湍流的重要手段也不斷引起專(zhuān)家學(xué)者的廣泛關(guān)注與研究。湍流是一種不穩(wěn)定的、隨機(jī)的、不規(guī)則的流體運(yùn)動(dòng)，其流動(dòng)參數(shù)在三維空間內(nèi)時(shí)刻發(fā)生不規(guī)則變化，形狀及大小各異的旋渦隨機(jī)分布在流動(dòng)空間內(nèi)，湍流脈動(dòng)速度在空間上的隨機(jī)變動(dòng)會(huì)形成較為顯著的梯度變化，在分子粘性力的作用下，這種速度梯度通過(guò)分子內(nèi)部不間斷的摩擦運(yùn)動(dòng)，使得湍流的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成分子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，最終再

26、以熱能的形式耗散完。但是，目前人們尚對(duì)湍流混合層的各種物理過(guò)程缺乏充分的認(rèn)知，而導(dǎo)致這種情況發(fā)生的主要原因在于：缺乏針對(duì)該物理過(guò)程的觀測(cè)儀器和數(shù)據(jù)處理算法，直接導(dǎo)致無(wú)法對(duì)這些物理過(guò)程進(jìn)行有效地觀測(cè)也就缺乏直接的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證海洋湍流的混合機(jī)制。因此，開(kāi)展基于實(shí)測(cè)湍流數(shù)據(jù)和算法的研究工作，探究海洋混合層的湍流生成、發(fā)展與演化機(jī)制，實(shí)現(xiàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的湍流統(tǒng)計(jì)建模與相干結(jié)構(gòu)研究，有重要的理論和應(yīng)用價(jià)值。近年來(lái)，湍流數(shù)據(jù)處理方法取得長(zhǎng)足發(fā)展，產(chǎn)生了多樣化和智能化的處理算法，在真海中獲取大量湍流數(shù)據(jù)資料并采用智能化、精確化的處理方法成為湍流研究的熱點(diǎn)。如何將電子電路板采集的時(shí)域內(nèi)的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成物

27、理信號(hào)及剪切信號(hào)，并在頻域及波數(shù)域內(nèi)進(jìn)行能譜分析，同時(shí)有效識(shí)別及濾除觀測(cè)過(guò)程中產(chǎn)生的干擾信號(hào)，是海洋數(shù)據(jù)處理與分析的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。由于噪聲的產(chǎn)生具有隨機(jī)性和不可預(yù)測(cè)性，簡(jiǎn)單的數(shù)字濾波方法24并不能完全消除噪音，反而將一部分有用信號(hào)一并濾除掉，如何根據(jù)不同的湍流觀測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)及數(shù)據(jù)特點(diǎn)，選擇合適的消噪算法已成為人們研究湍流機(jī)制的難點(diǎn)。湍動(dòng)能耗散率和能譜作為表征海洋混合層復(fù)雜動(dòng)力學(xué)的關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)研究海洋環(huán)流的能量傳遞過(guò)程及物理機(jī)制有重要作用。湍流能譜主要描述湍流流場(chǎng)的變化，常用的衡量觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的方法是檢驗(yàn)實(shí)際觀測(cè)譜是否匹配能譜的規(guī)律12以及觀測(cè)譜型與標(biāo)準(zhǔn)譜25的擬合程度，湍動(dòng)能耗散率是表征湍流能量

28、轉(zhuǎn)移與耗散的重要參數(shù)，它代表了湍流脈動(dòng)在時(shí)間及空間上的大小，能譜的質(zhì)量將直接影響湍流耗散率的精度。因此，如何消除噪聲的干擾，提高湍流能譜的質(zhì)量，對(duì)后續(xù)研究湍流耗散率及其能量演化機(jī)制起著關(guān)鍵性作用。創(chuàng)新性的提出新的湍流觀測(cè)數(shù)據(jù)處理方法對(duì)構(gòu)建準(zhǔn)確的數(shù)值模型、預(yù)測(cè)海洋變化，甚至推動(dòng)海洋科學(xué)的發(fā)展有著重要的理論意義。如何有效解決海洋湍流耗散率的觀測(cè)與認(rèn)知這一關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，針對(duì)目前海洋短期湍流觀測(cè)存在的問(wèn)題和制約，研制并提出一種新的海洋湍流觀測(cè)平臺(tái)與處理算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋混合層垂向空間結(jié)構(gòu)的同步時(shí)空湍流通量觀測(cè)平臺(tái)和算法，獲取湍流混合復(fù)雜動(dòng)力過(guò)程表征的關(guān)鍵參數(shù)，并建模其物理機(jī)制和時(shí)空演化規(guī)律，為海洋混合層

29、理論和模式研究提供觀測(cè)手段和數(shù)據(jù)支持，是搭建海洋與大氣耦合模式的重要橋梁，對(duì)于揭示海洋環(huán)流與循環(huán)過(guò)程具有重要的科學(xué)意義。1.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3.1海洋湍流傳感器及觀測(cè)平臺(tái)國(guó)外研究現(xiàn)狀由于在物理海洋學(xué)中，會(huì)出現(xiàn)各種各樣的空間尺度，因此會(huì)讓海洋湍流也會(huì)出現(xiàn)各種不同的子域，比方說(shuō)，耗散子域，慣性子域，以及含能子域等等。子域的不同就會(huì)具有不同的能量，相應(yīng)采用的測(cè)量原理與設(shè)備就會(huì)有所差異。對(duì)于其中的耗散子域，會(huì)假設(shè)局部湍流的信號(hào)都是朝著同一個(gè)方向流動(dòng)的，然后將高頻的剪切流速信號(hào)測(cè)量出來(lái)，進(jìn)而計(jì)算得到湍流動(dòng)能耗散功率值。早在世紀(jì)年代, 等人用熱膜流速計(jì)代替早期的鉑制熱阻絲探頭，通過(guò)采集與儀器運(yùn)動(dòng)方向平

30、行的速度脈動(dòng)參量來(lái)獲得湍流信息，但這種熱膜探頭極易受到溫度的干擾，使得測(cè)量的數(shù)據(jù)很不準(zhǔn)確。多倫多大學(xué)的和最早提出采用翼型剪切流探頭()的構(gòu)想，年，首次對(duì)剪切傳感器進(jìn)行了改進(jìn)，并將其應(yīng)用于流體測(cè)量。年，由奧斯本() 26首次將翼型剪切探頭應(yīng)用到微尺度海洋湍流觀測(cè)中，從此以后，剪切探頭成為測(cè)量耗散子域下湍流耗散率的最常用傳感器，但是此時(shí)剪切探頭沒(méi)有準(zhǔn)確的標(biāo)定準(zhǔn)則。在年， 和等人4應(yīng)用翼型剪切探頭進(jìn)行海洋測(cè)量，并首次給出了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)工作原理及校準(zhǔn)、標(biāo)定方法，是的對(duì)海洋湍流的觀測(cè)變的更準(zhǔn)確，翼型剪切探頭開(kāi)始被廣泛地應(yīng)用于海洋湍流的測(cè)量中。兩年后，奧基()等人5首次同時(shí)利用剪切流數(shù)據(jù)和溫度梯度數(shù)據(jù)計(jì)算海洋

31、湍流能量耗散率，比較了兩種探頭觀測(cè)數(shù)據(jù)的一致性，并對(duì)誤差產(chǎn)生的原因及平均運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行了定量分析，主要包括剪切探針頻率響應(yīng)誤差、電路采集誤差、標(biāo)定誤差和振動(dòng)噪聲誤差等。世紀(jì)末，和 27,28通過(guò)改進(jìn)傳感器的耐水性來(lái)延長(zhǎng)傳感器的水下測(cè)量時(shí)間，為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)提供了條件，他們還探討了剪切探頭測(cè)量湍流的不確定性，然后利用與理論譜間的校驗(yàn)總結(jié)了一套估算偏差的新方法。隨后和29 在年提出了剪切探頭的空間相應(yīng)模型，大大降低了剪切探頭在測(cè)量湍流動(dòng)能耗散率時(shí)數(shù)值偏小的問(wèn)題。德國(guó)公司生產(chǎn)的系列傳感器和加拿大 公司研制的系列傳感器，是目前最成熟也是最具代表性的兩類(lèi)傳感器，被國(guó)內(nèi)外眾多研究機(jī)廣泛使用。國(guó)際上常用的湍

32、流傳感器大致分為如下幾類(lèi)（圖1-2）：加拿大海洋研究所()的等人30研制的剪切流傳感器；美國(guó)俄勒岡州立大學(xué)()的等人31研制的剪切流傳感器，其直徑約為，靈敏度為；德國(guó)公司()的 32研制的系列剪切流傳感器，以翼型傳感器為例，它的直徑為，靈敏度約為1´10-4V/Pa；加拿大 公司研制的系列傳感器，其直徑為，靈敏度為。基于以上剪切流傳感器開(kāi)發(fā)了不同的觀測(cè)平臺(tái)33-35，用于海洋湍流的觀測(cè)試驗(yàn)。圖1-2國(guó)外常用的剪切流傳感器圖湍流觀測(cè)儀器的研制最早可追溯到20世紀(jì)中葉，由于測(cè)量平臺(tái)在深海海洋中運(yùn)動(dòng)軌跡以及平臺(tái)測(cè)量方式的不同36，湍流觀測(cè)平臺(tái)大致可分為：水平觀測(cè)平臺(tái)、垂直觀測(cè)平臺(tái)、移動(dòng)觀測(cè)

33、平臺(tái)和錨系觀測(cè)平臺(tái)48四大類(lèi)。水平觀測(cè)平臺(tái)技術(shù)水平觀測(cè)平臺(tái)是以海中的運(yùn)行軌跡為準(zhǔn)水平的觀測(cè)平臺(tái)，又稱(chēng)為水平剖面儀()。水平觀測(cè)平臺(tái)主要分為：拖曳式平臺(tái)()37、潛水艇式平臺(tái)()38,39和潛水器式平臺(tái)()40等。海洋微尺度觀測(cè)技術(shù)最早始于上世紀(jì)中葉，是由格蘭特()等人領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)小組在加拿大太平洋海軍實(shí)驗(yàn)室()開(kāi)展海洋湍流測(cè)量的。起初水平測(cè)量平臺(tái)是一種海洋中緩慢運(yùn)動(dòng)的拖帶模式()(圖1-3)，后來(lái)格蘭特等人對(duì)熱膜傳感器進(jìn)行了改進(jìn)。年，實(shí)驗(yàn)室41中斷了拖曳式的測(cè)量實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)設(shè)備轉(zhuǎn)讓給了加拿大海洋科學(xué)研究所，、等人接棒研發(fā)將原設(shè)備改進(jìn)成為一種新型的流線型拖曳體。整個(gè)湍流觀測(cè)平臺(tái)新增了運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償絞車(chē)

34、線纜和整流罩，極大地減小了因船體運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致的拖體設(shè)備深度變化，拖帶模式取得了一定的成果，奠定了海洋湍流觀測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)。利用拖曳式測(cè)量平臺(tái)在近海岸觀測(cè)到了三個(gè)脈動(dòng)速度相對(duì)較大但是海洋環(huán)境溫度相對(duì)變化較小的湍流序列，由于這幾組數(shù)據(jù)序列幾乎不受周?chē)h(huán)境溫度的影響，后來(lái)成為人們用于衡量其他譜型的標(biāo)準(zhǔn)，即標(biāo)準(zhǔn)譜。通過(guò)研究數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)湍流在垂直剖面上具有間歇性特點(diǎn)，間歇性分布的尺度大小為到之間，為空間上的間歇性分布特征提供了有效證明。由于拖帶模式的觀測(cè)儀器采用熱膜風(fēng)速計(jì)探頭并由船舶牽引來(lái)測(cè)量湍流，船體的不穩(wěn)定性會(huì)直接影響測(cè)量探頭在水下的速度，試驗(yàn)儀器自身的振動(dòng)會(huì)影響測(cè)量數(shù)據(jù)的精度，而測(cè)量探頭又易受海水溫度、環(huán)

35、境及浮游生物附著等因素的影響而產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾信號(hào)。因此，為解決上述問(wèn)題，和等人在后續(xù)的研究中用剪切探頭代替了之前的熱線熱膜傳感器42。在年前后，拖曳式的海洋湍流觀測(cè)儀器在加拿大、美國(guó)等國(guó)家得到了快速發(fā)展，解決了測(cè)量溫度的污染和機(jī)械振動(dòng)問(wèn)題。圖1-3水平拖曳模式觀測(cè)平臺(tái)與第二代拖曳體觀測(cè)平臺(tái)年，和等人43對(duì)長(zhǎng)線拖體技術(shù)進(jìn)行了新的改進(jìn)，研發(fā)出第二代拖曳體測(cè)量平臺(tái)(,) (圖 1-3)，平臺(tái)主體上下使用兩個(gè)桅桿來(lái)代替原有的長(zhǎng)線，將和溫度傳感器置于中間體與上下兩個(gè)桅桿之間，用重物懸掛在下桅桿的底部，以此加強(qiáng)儀器俯仰角的穩(wěn)定性。和等人44在平臺(tái)上同時(shí)搭載了熱敏電阻和剪切探頭傳感器，同時(shí)對(duì)快速溫度和垂向剪

36、切脈動(dòng)速度進(jìn)行測(cè)量，這種海洋湍流水平觀測(cè)系統(tǒng)至今仍有廣泛使用。水平觀測(cè)平臺(tái)技術(shù)的主要缺點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)儀器在湍流觀測(cè)時(shí)的穩(wěn)定性較差，容易受到船體的晃動(dòng)和儀器自身的振動(dòng)影響而產(chǎn)生干擾噪音，影響實(shí)際觀測(cè)到的湍流數(shù)據(jù)質(zhì)量和精度。由于拖曳式湍流觀測(cè)平臺(tái)的局限性，目前該平臺(tái)已逐漸退出歷史舞臺(tái)。垂直觀測(cè)平臺(tái)技術(shù)海洋儀器的運(yùn)動(dòng)軌跡是基于單點(diǎn)的垂向剖面觀測(cè)的平臺(tái)為稱(chēng)為垂直觀測(cè)平臺(tái)，即垂直剖面儀()。剪切探頭的軸線方向垂直于海平面，用于記錄水平方向脈動(dòng)流速的垂向剪切，進(jìn)而獲取垂直方向的微尺度湍流速度梯度譜和波數(shù)譜，剖析湍流混合過(guò)程及微結(jié)構(gòu)的空間尺度特征。這種剖面儀通常是長(zhǎng)圓筒形且表面光滑，傳感器安裝在不受干擾的壓力倉(cāng)前

37、端，采取自由落體形式或準(zhǔn)自由下落的布放方式，從而讓剖面儀與部署的平臺(tái)完全分離。除了一些基礎(chǔ)的配置外，由于估算湍動(dòng)能耗散率時(shí)需要用到儀器的下放速度，因此需要配載壓力傳感器，用獲取的深度數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算下放速度，儀器的下放速度一般要控制在之間。早在上世紀(jì)后期，半自由落體和自由落體湍流觀測(cè)平臺(tái)的出現(xiàn)成功解決了水平拖曳體受船舶和儀器自身振動(dòng)產(chǎn)生的噪音污染問(wèn)題，而且翼型剪切探頭的使用減小了受海水溫度的影響。年，由加拿大哥倫比亞大學(xué)的奧斯本() 45研制出第一臺(tái)搭載翼型剪切探頭的垂直剖面儀，隨后美國(guó)、加拿大、日本、歐洲等國(guó)家也陸續(xù)研制出垂向系列的剖面儀。如圖1-4所示：加拿大公司的 ()系列等；美國(guó)第一臺(tái)微觀結(jié)

38、構(gòu)湍流剖面儀 ()46,47、伍茲霍爾海洋研究所研制的高分辨率剖面儀HRP ()50等；日本研發(fā)圖1-4 各國(guó)研制的垂向剖面儀的海洋湍流微觀剖析儀器系列52等；歐洲國(guó)家英國(guó)的第一臺(tái)海洋溫度與剪切同步觀測(cè)的混合剖面儀 ( )53、德國(guó)的系列剖面儀 54和垂向微尺度剖面儀等。目前，國(guó)際上比較著名的微尺度垂直剖面儀研制機(jī)構(gòu)具體包括：海洋研究所、加拿大海洋技術(shù)公司、歐洲的和公司和日本的公司。其中，加拿大海洋技術(shù)公司研制的系列是較為成熟的垂直湍流儀，該公司根據(jù)不同的觀測(cè)參數(shù)需求研發(fā)了一系列不同深度級(jí)別的產(chǎn)品, 如、 (圖1-5)。每種剖面儀的基本配置有剪切探頭和快速溫度傳感器、壓力傳感器及加速度傳感器等

39、，另外，可以根據(jù)觀測(cè)環(huán)境決定是否搭載微結(jié)構(gòu)溫度傳感器、電導(dǎo)率傳感器、電導(dǎo)率及濁度傳感器等海洋傳感器，該系列剖面儀的主要指標(biāo)如下：表1-1 VMP系列剖面儀主要指標(biāo)型號(hào)長(zhǎng)度重量最高采樣頻率最大下潛深度耗散率范圍數(shù)據(jù)讀取方式實(shí)時(shí)實(shí)時(shí)實(shí)時(shí)自容實(shí)時(shí)圖1-5 加拿大Rockland公司VMP系列剖面儀目前，湍流觀測(cè)平臺(tái)中應(yīng)用最廣泛的是垂直剖面儀，其優(yōu)勢(shì)在于平臺(tái)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，缺點(diǎn)是測(cè)量的范圍較單一、僅限于垂向、測(cè)量方式依賴(lài)船體時(shí)間。移動(dòng)觀測(cè)平臺(tái)所謂移動(dòng)觀測(cè)方式是將湍流剖面儀搭載在可移動(dòng)的水下航行器平臺(tái)上進(jìn)行湍流的測(cè)量，如水下滑翔機(jī)()55和自治式水下機(jī)器人()等56?；铏C(jī)攜帶式()測(cè)量平臺(tái)(如圖1-

40、6)將剪切探頭等傳感器安裝在滑翔機(jī)的頭部位置，滑翔器上浮下潛時(shí)剪切探頭進(jìn)行測(cè)量水平和垂直方向的剪切。年，第一臺(tái)用于測(cè)量微尺度結(jié)構(gòu)湍流的被啟用，該的鼻端搭載了兩個(gè)剪切探頭、一個(gè)快速溫度探頭以及三維振動(dòng)姿態(tài)傳感器，前兩者用于海洋湍流脈動(dòng)信號(hào)的觀測(cè)，后者用于測(cè)量平臺(tái)的水下運(yùn)動(dòng)姿態(tài)及儀器自身振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)。移動(dòng)平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)不僅限于單一深度，可同時(shí)測(cè)得湍流的空間分布數(shù)據(jù)。缺點(diǎn)是觀測(cè)平臺(tái)受限于船時(shí)海況的影響，布放回收過(guò)程比較困難，需專(zhuān)業(yè)的工作人員操作，只能進(jìn)行短期的數(shù)據(jù)測(cè)量。錨系潛標(biāo)觀測(cè)平臺(tái)圖1-6 移動(dòng)觀測(cè)平臺(tái)和定點(diǎn)觀測(cè)平臺(tái)比較典型的錨系觀測(cè)平臺(tái)是定點(diǎn)湍流觀測(cè)系統(tǒng)(如圖1-6)，用纜繩將湍流儀、海流

41、計(jì)、重力錨等連接在一起，觀測(cè)深海某一固定深度處(定點(diǎn))的湍流。1997年，等人通過(guò)多年的研究，成功研制出了一套潛標(biāo)系統(tǒng)，并在后來(lái)的實(shí)際應(yīng)用中也被證明了該系統(tǒng)是能夠長(zhǎng)期對(duì)湍流進(jìn)行自主測(cè)量的。該種測(cè)量方式的優(yōu)點(diǎn)是不受船時(shí)、海況及操作人員的限制，可進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)的大范圍湍流觀測(cè)，耗費(fèi)成本較小。缺點(diǎn)是測(cè)量數(shù)據(jù)較為單一；回收布放過(guò)程比較繁瑣；當(dāng)流體流經(jīng)纜繩時(shí)會(huì)形成卡門(mén)渦街現(xiàn)象，即旋渦的脫落會(huì)引起纜繩的振動(dòng)，間接引起剪切探頭的振動(dòng)，從而破壞了湍流觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。1.3.2海洋湍流傳感器及觀測(cè)平臺(tái)國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀微尺度湍流儀在國(guó)外的研制與應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，國(guó)外湍流儀經(jīng)過(guò)多年發(fā)成已經(jīng)相對(duì)成熟，但對(duì)我國(guó)實(shí)施技術(shù)封鎖

42、且售價(jià)高昂。目前，我國(guó)在海洋湍流觀測(cè)領(lǐng)域還處于起步發(fā)展階段，在傳感器的制造工藝技術(shù)方面相對(duì)缺乏經(jīng)驗(yàn)，大部分湍流觀測(cè)儀器上都采用國(guó)外的剪切探頭。國(guó)內(nèi)相關(guān)科研院所、高校大多引進(jìn)國(guó)外的相關(guān)儀器，進(jìn)行海洋湍流測(cè)量并對(duì)海洋湍流儀器的數(shù)據(jù)處理算法開(kāi)展相關(guān)研究。進(jìn)入世紀(jì)后，我國(guó)開(kāi)始對(duì)翼型剪切流傳感器及其搭載儀器進(jìn)行研究。2007年，天津大學(xué)率先展開(kāi)研究，基于壓電陶瓷設(shè)計(jì)自主研發(fā)了具有國(guó)際水平的微尺度結(jié)構(gòu)剪切流傳感器樣機(jī)()57 (如圖1-7)，最后也選擇在中國(guó)南海開(kāi)展相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明我國(guó)研制剪切探頭的水平已基本達(dá)到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(表1-2所示)；近年來(lái)，我國(guó)在國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃的支持下相繼開(kāi)始研制湍

43、流剖面儀。天津大學(xué)最早于年開(kāi)展對(duì)湍流儀的研究，通過(guò)多年的研究，他們終于成功研制出了一套湍流傳感器和垂直剖面儀的工程樣機(jī)58 (圖1-8)，在此基礎(chǔ)上做了大量理論研究對(duì)儀器進(jìn)行多次優(yōu)化，目前已成功研制出第三代微尺度湍流儀，通過(guò)搭載自己研發(fā)的剪切流傳感器59,60和國(guó)外系列傳感器在中國(guó)南海進(jìn)行了比對(duì)實(shí)驗(yàn)。中國(guó)科學(xué)院海洋研究所在國(guó)家“”計(jì)劃的支持下，也逐步研制出一套能夠搭載快速溫度傳感器的，具有對(duì)高頻溫度信號(hào)進(jìn)行探測(cè)的工程實(shí)驗(yàn)機(jī)，該實(shí)驗(yàn)機(jī)在年開(kāi)展了具體的海洋試驗(yàn)，結(jié)果成功獲得了大量的海洋湍流關(guān)于溫度脈動(dòng)的數(shù)據(jù)信息，通過(guò)開(kāi)展與日本同步的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)證明自制儀器與的采集結(jié)果非常統(tǒng)一，這表明我國(guó)研制的樣機(jī)能夠

44、有效地測(cè)得快速溫度信號(hào)，在快速溫度傳感器的研制方面取得了初步成功；表1-2 國(guó)內(nèi)外湍流傳感器對(duì)比機(jī)構(gòu)名稱(chēng)傳感器型號(hào)點(diǎn)分辨率靈敏度加拿大公司 德國(guó)公司天津大學(xué)圖17 剪切傳感器圖1-8 國(guó)產(chǎn)湍流剖面儀年，中國(guó)海洋大學(xué)自主研制了基于潛標(biāo)系統(tǒng)的定點(diǎn)湍流觀測(cè)儀器，并搭載國(guó)外進(jìn)口的系列湍流傳感器在中國(guó)南海海域開(kāi)展湍流現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)，在國(guó)際上首次成功獲取了長(zhǎng)達(dá)天的長(zhǎng)期連續(xù)定點(diǎn)湍流觀測(cè)數(shù)據(jù)61，為海洋湍流的研究人員提供龐大的數(shù)據(jù)資料。隨后，中國(guó)海洋大學(xué)結(jié)合定點(diǎn)湍流觀測(cè)平臺(tái)和垂向剖面儀的優(yōu)點(diǎn)，研制了一種基于浮力驅(qū)動(dòng)機(jī)制的自治測(cè)量方錨系平臺(tái)往復(fù)式剖面儀48(圖1-8)，并成功將其試用于南海試驗(yàn)觀測(cè)中。在已有研究成

45、果的基礎(chǔ)上，根據(jù)湍流觀測(cè)需要又研發(fā)了新一代自由下放式剖面儀(Free Fall Vertical Profiler, FFVP) (圖1-9)湍流觀測(cè)平臺(tái)，該儀器根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化與改進(jìn)，在滿足性能要求的同時(shí)降低了制造成本，并成功完成多次海試試驗(yàn)。圖1-9 中國(guó)海洋大學(xué)自由下放式剖面儀綜合分析湍流傳感器及觀測(cè)技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，我國(guó)在研制湍流觀測(cè)儀器和研究海洋湍流混合機(jī)制等方面仍處于起步階段，較國(guó)外先進(jìn)的儀器還存在很大差距，海洋湍流相關(guān)理論的研究還有待進(jìn)一步完善。隨著湍流觀測(cè)技術(shù)的不斷進(jìn)步及全球海洋經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我們需要不斷自主研制海洋湍流儀器，打破國(guó)外對(duì)我國(guó)在這方面長(zhǎng)期持久的技術(shù)

46、封鎖局面，對(duì)推動(dòng)我國(guó)在海洋湍流測(cè)量?jī)x器研制方面的進(jìn)展有著深遠(yuǎn)的影響。1.3.3湍流數(shù)據(jù)處理算法研究現(xiàn)狀隨著湍流觀測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)湍流理論的了解不斷深入。由于海洋湍流是一種不規(guī)則的三維流體運(yùn)動(dòng)，很難正確有效地進(jìn)行模擬，相關(guān)研究只能依賴(lài)湍流觀測(cè)儀器在海試中采集的數(shù)據(jù)，因此，一種有效的湍流數(shù)據(jù)處理算法對(duì)海洋湍流的研究至關(guān)重要，這也是深入研究湍流內(nèi)部機(jī)理及規(guī)律的基礎(chǔ)。然而，由于海洋環(huán)境的復(fù)雜性及多變性，湍流脈動(dòng)信號(hào)在采集、量化和傳輸?shù)倪^(guò)程中不可避免地受到深海浮游生物以及船舶或儀器的振動(dòng)、旋渦脫落等多種因素的影響，觀測(cè)的剪切流脈動(dòng)信號(hào)因噪音的干擾而精度降低，特別是在脈動(dòng)速度相對(duì)較小的湍流信號(hào)中,

47、 噪聲的干擾會(huì)嚴(yán)重影響觀測(cè)的信號(hào)，如何正確有效地消除噪聲信號(hào)，提高采集數(shù)據(jù)的信噪比，成為國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者爭(zhēng)相研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。近年來(lái)，為盡可能地消除湍流觀測(cè)時(shí)產(chǎn)生的噪音信號(hào)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了算法應(yīng)用于湍流信號(hào)的消噪中。比較常見(jiàn)的湍流信號(hào)消噪算法有：傅里葉變換消噪法、數(shù)字濾波器法、小波變換消噪法、交叉譜修正方法等。傅里葉變換消噪算法傅里葉變換消噪算法62,63的基本思想是對(duì)原始含噪信號(hào)作傅里葉變換后，用低通或帶通濾波器濾除噪聲頻率，再用傅里葉逆變換恢復(fù)原始信號(hào)。但是傅里葉變換的局限性非常大，很難將頻域較寬的噪聲信號(hào)從混合信號(hào)中高效地抽離出來(lái)，只能消除固定頻率的噪音，而現(xiàn)實(shí)生活中的大部分噪音的頻率是很

48、難預(yù)先估測(cè)的，因此傅里葉變換更多的應(yīng)用于頻譜分析中。數(shù)字濾波器法根據(jù)頻域特性數(shù)字濾波器24,64一般可以分為四種類(lèi)型；低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器及帶阻濾波器。由于湍流的噪聲信號(hào)是隨機(jī)的、無(wú)法預(yù)知的，傳感器的機(jī)械共振造成的部分窄頻尖峰可利用帶阻濾波器來(lái)濾除。數(shù)字濾波器算法實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較容易，而且具有比較高的可靠性，但會(huì)消耗單片機(jī)的資源，導(dǎo)致它的使用具有一定的局限性。小波變換消噪法基于小波變換消噪算法67,68是一種非平穩(wěn)信號(hào)處理的工具，其基本原理是建立在原始信號(hào)與噪音信號(hào)的小波系數(shù)具有不同尺度特性基礎(chǔ)上的，通過(guò)不同頻帶上的小波系數(shù)來(lái)區(qū)分噪聲信號(hào)，根據(jù)信號(hào)特征選擇合適的小波基函數(shù)，去除與殘留

49、噪聲的小波系數(shù)，將處理之后的的小波系數(shù)重新構(gòu)造出消噪后的信號(hào)，從而達(dá)到消噪目的。彼拉()等人69將小波消噪算法應(yīng)用于微尺度溫度數(shù)據(jù)的消噪問(wèn)題中，小波的多尺度特性在70尺度下的湍流中是特別有效的?；谛〔夹g(shù)的分析算法既可以獲得信號(hào)的空間多尺度特性及特定尺度下的有效數(shù)據(jù)71，又可有效消除噪聲的污染。但是，小波技術(shù)在選取和構(gòu)造基函數(shù)時(shí)特別困難，而且缺乏一定的自適應(yīng)特性。因此，張斌等人72提出了一種改進(jìn)的小波閾值消噪算法，通過(guò)小波能量熵來(lái)自適應(yīng)選取閾值，仿真實(shí)驗(yàn)及真實(shí)湍流信號(hào)表明改進(jìn)的算法具有自適應(yīng)選取閾值、連續(xù)性好、偏差小等特點(diǎn)，彌補(bǔ)了現(xiàn)有小波閾值算法的不足。由于湍流環(huán)境的極端復(fù)雜性，基于小波變換

50、技術(shù)的消噪算法在湍流信號(hào)處理的應(yīng)用中仍需進(jìn)一步改善及優(yōu)化。交叉譜修正方法1999年，Levine和Lueck等人73提出一維交叉譜消噪算法，這種算法只考慮一個(gè)軸方向的振動(dòng)來(lái)消除噪音。于2006年，和等人74對(duì)算法進(jìn)行了改進(jìn)，用三軸方向的振動(dòng)代替一維方向的振動(dòng)，充分利用了三軸加速度的振動(dòng)特點(diǎn)，提高算法的性能。他們利用自主水下航行器 ()進(jìn)行湍流觀測(cè)試驗(yàn)，通過(guò)數(shù)值積分法計(jì)算剪切與三維振動(dòng)信號(hào)的自功率譜和互功率譜，得到振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換到剪切的傳遞函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)噪聲的有效消除。和 75將這種算法應(yīng)用到熱敏電阻觀測(cè)的快速溫度脈動(dòng)梯度信號(hào)的消噪中，結(jié)果表明消噪效果明顯?；诮徊孀V的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償消噪算法在海洋動(dòng)力學(xué)

51、中得到了廣泛的應(yīng)用，因其消噪效果顯著且算法簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，現(xiàn)已被許多學(xué)者應(yīng)用到湍流信號(hào)的消噪問(wèn)題中。雖說(shuō)湍流運(yùn)動(dòng)是一種運(yùn)動(dòng)速度及不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，可是由于統(tǒng)計(jì)得到的湍流能譜信息具有隨機(jī)的特點(diǎn)，因此湍流能譜會(huì)具有某種統(tǒng)計(jì)學(xué)的規(guī)律，而在研究湍流能譜的過(guò)程中，其研究的重心主要是放在對(duì)能量空間上的特征分布，以及能譜標(biāo)度規(guī)律上的研究，這也為后來(lái)對(duì)湍流統(tǒng)計(jì)理論的系統(tǒng)研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。國(guó)外的很多科學(xué)家曾經(jīng)對(duì)自變量為波數(shù)的湍流能譜展開(kāi)過(guò)大量的研究，尤其是通過(guò)研究湍流的各向上的同性特征，得到了多種不同形式下的湍流能譜數(shù)據(jù)，其意義重大。在年，泰勒() 49通過(guò)研究指出，對(duì)各項(xiàng)同性的湍流進(jìn)行均勻處理，然后采用拉格

52、朗日與歐拉相關(guān)理論描述了湍流的脈動(dòng)場(chǎng)，以及湍流的具體擴(kuò)散能力，這也進(jìn)一步推動(dòng)了湍流統(tǒng)計(jì)理論的深入發(fā)展。到了年, 柯?tīng)柲缏宸?)根據(jù)相關(guān)的物理模型進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了12，湍流能耗散率的內(nèi)尺度參數(shù)與時(shí)間、尺度沒(méi)有關(guān)系，不隨之變化而改變，是一個(gè)固定的常數(shù)，與尺度譜中的湍流能量流是基本上相等的。另外，他們還得出了一個(gè)結(jié)論，即湍能動(dòng)能耗散率在相應(yīng)的慣性子域中，會(huì)唯一對(duì)湍渦的統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)起到?jīng)Q定性作用，于是就能認(rèn)定，中等尺度的湍流能譜同波數(shù)，它的次會(huì)與湍能動(dòng)能耗散率正相關(guān)，這就是大家所熟知的慣性區(qū)次能譜冪次標(biāo)度規(guī)律。當(dāng)旋渦運(yùn)動(dòng)尺度不同時(shí)，也就是波數(shù)不一樣時(shí)，它的湍流能量轉(zhuǎn)移速率也會(huì)有所差異，可是到了中等尺

53、度范圍時(shí)，這個(gè)湍流能量的轉(zhuǎn)移速率就會(huì)變成一個(gè)固定的常數(shù)值。上述的研究成果也算得上是上個(gè)世紀(jì)的兩個(gè)相當(dāng)偉大的發(fā)現(xiàn)了，這兩個(gè)理論成果也是后來(lái)科學(xué)家們研究湍流能譜的一個(gè)基礎(chǔ)。在年時(shí)，彼拉()等人69在研究中使用小波識(shí)別技術(shù)對(duì)湍流的尺度進(jìn)行計(jì)算，得到了與譜51，分別和譜25進(jìn)行對(duì)比，將得到的結(jié)果當(dāng)做是對(duì)耗散率進(jìn)行計(jì)算的一個(gè)普適性的標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)采用溫度微結(jié)構(gòu)儀來(lái)對(duì)湍流信號(hào)進(jìn)行采集，此時(shí)可以使用溫度譜65對(duì)耗散率進(jìn)行計(jì)算，基本上已經(jīng)將譜的使用給替代了66。上述的大部分研究都是建立在湍流普的普適性規(guī)律基礎(chǔ)上展開(kāi)的，未來(lái)以研究能譜的湍流噪聲為基礎(chǔ)去對(duì)湍流能譜進(jìn)行深入研究將是一個(gè)大的趨勢(shì)。綜上所述，湍流信號(hào)的噪音

54、消除問(wèn)題一直是海洋動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域備受關(guān)注的研究熱點(diǎn)，尤其是對(duì)于真海實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。由于在采集、傳輸過(guò)程中難免摻雜噪聲信號(hào)，這種噪音會(huì)干擾后續(xù)處理與分析湍流的真實(shí)特征。傳統(tǒng)的湍流消噪方法大部分是基于傳統(tǒng)分?jǐn)?shù)階傅里葉變換的，在消除噪聲信號(hào)的同時(shí)也會(huì)消除部分有用信號(hào)，而且去噪效果也不是十分理想仍然會(huì)遺留部分具有較強(qiáng)能量的噪聲。因此，如何消除背景噪聲信號(hào)，盡可能地還原出干凈的原始信號(hào)，是研究湍流特征的關(guān)鍵因素。本文將利用分?jǐn)?shù)階理論在處理非平穩(wěn)、非線性信號(hào)方面的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合海洋環(huán)境中采集的湍流信號(hào)及噪音的來(lái)源特點(diǎn)，提出了具有自主創(chuàng)新性的湍流數(shù)據(jù)分析新方法和消噪新算法。1.4論文的內(nèi)容與結(jié)構(gòu)1.4.1 主要研究?jī)?nèi)容本

55、文以實(shí)際觀測(cè)的微尺度海洋剪切脈動(dòng)數(shù)據(jù)為處理對(duì)象，針對(duì)海洋湍流觀測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)及數(shù)據(jù)處理流程中的關(guān)鍵問(wèn)題，利用自制的湍流觀測(cè)平臺(tái)提出了一種有效湍流觀測(cè)方式，并利用分?jǐn)?shù)階原理提出了一種新的分析湍流機(jī)理特征的方法，最后針對(duì)垂向湍流觀測(cè)平臺(tái)中的渦致振動(dòng)噪音提出了一種新的消噪算法。本論文的主要研究?jī)?nèi)容如下：基于自容式存儲(chǔ)系統(tǒng)的下放式剖面儀設(shè)計(jì)與研究本文提出一種自主研發(fā)的自由下放式剖面儀(Free Fall Vertical Profiler, FFVP)湍流觀測(cè)平臺(tái)，其設(shè)計(jì)思想是充分利用垂向觀測(cè)方式的空間廣泛性優(yōu)勢(shì)，采用自容式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研發(fā)一種適用于深海湍流觀測(cè)的低成本湍流觀測(cè)平臺(tái)。通過(guò)建立下潛過(guò)程動(dòng)力

56、學(xué)模型方程，分析影響下潛速度的力學(xué)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，在理論計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上，結(jié)合已有的結(jié)構(gòu)配置，明確調(diào)節(jié)下潛速度的方法，并計(jì)算該結(jié)構(gòu)下的各力學(xué)參數(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)的擺動(dòng)、姿態(tài)進(jìn)行了分析。確定該結(jié)構(gòu)下湍流儀的擺動(dòng)頻率，及擺動(dòng)幅值衰減特性。分析下潛速度、重浮心距離對(duì)下潛姿態(tài)的影響，。通過(guò)簡(jiǎn)化模型，進(jìn)行流致振動(dòng)分析，得出在水平水流沖擊下儀器的擺動(dòng)特性?；谙路攀狡拭鎯x的湍流觀測(cè)技術(shù)及消噪算法海洋湍流的觀測(cè)對(duì)認(rèn)知海洋混合過(guò)程有重要作用，但是實(shí)際觀測(cè)的微尺度剪切時(shí)間序列是非平穩(wěn)的且很容易受到各種噪音的污染。針對(duì)自主研制的下放式剖面儀進(jìn)行海洋湍流觀測(cè)中平臺(tái)下潛速度、姿態(tài)和振動(dòng)的分析，有效證明了平臺(tái)的有效性。為進(jìn)一步消

57、除儀器振動(dòng)噪音，提高湍動(dòng)能耗散率的精度，本文提出利用基于交叉譜的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償校正算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲修正濾除，修正后的剪切譜與標(biāo)準(zhǔn)的Nasmyth譜吻合較好，且耗散率比原始耗散率明顯降低了。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)FVP觀測(cè)平臺(tái)是一個(gè)穩(wěn)定的觀測(cè)平臺(tái)，為觀測(cè)湍流提供了新的平臺(tái)?；诜?jǐn)?shù)階理論的湍流功率譜分析算法在基于分?jǐn)?shù)階理論的基礎(chǔ)上，對(duì)湍流數(shù)據(jù)的功率譜進(jìn)行了探索性的分析。盡管湍流的流體運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜，呈現(xiàn)的是一種三維非定常模式，可是因?yàn)樗碾S機(jī)性，使得其在運(yùn)動(dòng)中又有某種內(nèi)在的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。本節(jié)是在分?jǐn)?shù)維的空間中展開(kāi)對(duì)湍流特性的研究，然后得到其能譜圖，進(jìn)行分析，并充分考慮湍流本身的規(guī)則性以及隨機(jī)性。首先，對(duì)湍流的分

58、形特征進(jìn)行說(shuō)明，然后對(duì)分?jǐn)?shù)維空間內(nèi)的湍流擁有的湍流功率譜的公式形式推導(dǎo)出來(lái)，并以此為基礎(chǔ)，研究一種新方法，展開(kāi)研究如何利用分?jǐn)?shù)維數(shù)來(lái)獲得湍流功率譜，并利用自由下放式剖面儀在西太平洋采集的數(shù)據(jù)與原功率譜進(jìn)行比對(duì)，驗(yàn)證新方法的有效性?；诜?jǐn)?shù)階濾波器的湍流信號(hào)消噪算法觀測(cè)的高精度湍流數(shù)據(jù)集對(duì)研究海洋循環(huán)系統(tǒng)起著重要作用。為消除觀測(cè)信號(hào)中的平臺(tái)振動(dòng)及渦致振動(dòng)污染，本文提出一種基于分?jǐn)?shù)階濾波的消噪算法。首先，我們?cè)趯?duì)振動(dòng)信號(hào)的發(fā)生進(jìn)行分析時(shí)，并確定剪切信號(hào)同加速度之間的關(guān)聯(lián)性，以此為基礎(chǔ)，進(jìn)而提出一種基于分?jǐn)?shù)階濾波器的湍流信號(hào)消噪算法，采用最小化觀測(cè)技術(shù)計(jì)算出全部信號(hào)的加權(quán)平均加速度積分差值，于是就能大致估計(jì)得到振動(dòng)信號(hào)的最優(yōu)形式，并設(shè)法消除該信號(hào)。本文采用自由下放式湍流觀測(cè)平臺(tái)在西太平洋海域觀測(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)算法進(jìn)行驗(yàn)證，并與經(jīng)典交叉