海水冷皮效应和日暖层效应研究的海气界面协同观测方法

本发明涉及海洋观测，尤其涉及一种海水冷皮效应和日暖层效应研究的海气界面协同观测方法。

背景技术：

1、海表温度（sea surface temperature, sst）作为表征海洋与大气物质能量交换的核心海气界面参量，其垂向精细结构（尤其是近表层数米内的温度梯度）直接决定了上层海洋层结稳定性及海气热通量的计算精度。近年来，海洋学界的关注焦点已从单一的“表层水温”逐渐延伸至具有显著分层结构和日变化的海表数十厘米到数米深度内的温度垂向精细结构特征。这一深度内的海水温度垂向精细结构的形成主要受冷皮效应（cool skineffect）和日暖层效应（warm layer effect）的共同影响。

2、目前针对冷皮效应和日暖层效应研究的观测手段，通常是利用浮标温度链得到海表温度剖面数据，再从临近的气象站得到海表气象数据，这种观测手段存在时间和空间上的失配，而冷皮效应和日暖层效应对温度和气象的变化又极为敏感，导致观测得到的数据与实际情况存在较大误差。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出了一种海水冷皮效应和日暖层效应研究的海气界面协同观测方法，旨在解决现有观测数据误差较大的问题。

2、一种海水冷皮效应和日暖层效应研究的海气界面协同观测方法，所述方法包括：

3、按照预设的采集周期采集测温杆上多个海水温度测点的温度数据、所述测温杆上水深测点的压力数据和所述测温杆的姿态数据；

4、按照所述采集周期同步采集所述测温杆所处区域内的气象数据；

5、根据所述姿态数据、压力数据和各个所述海水温度测点的预设水深，校正各个所述海水温度测点的所处水深，得到各个所述海水温度测点的实际水深；

6、将所述海水温度测点对应的所述温度数据和实际水深、以及所述气象数据传输至岸基数据中心。

7、进一步地，所述姿态数据包括所述测温杆的横摇角和纵摇角；

8、所述根据所述姿态数据、压力数据和各个所述海水温度测点的预设水深，校正各个所述海水温度测点的所处水深，得到各个所述海水温度测点的实际水深，包括：

9、对所述横摇角、所述纵摇角、所述压力数据和各个所述海水温度测点的预设水深，利用空间坐标变换算法计算各个所述海水温度测点的所述实际水深。

10、进一步地，所述对所述横摇角、所述纵摇角、所述压力数据和各个所述海水温度测点的预设水深，利用空间坐标变换算法计算各个所述海水温度测点的所述实际水深，包括：

11、采用下式计算各个所述海水温度测点的所述实际水深，

12、d_i=d_end-(l-l_i)·cos(roll)·cos(pitch)；

13、其中，d_i为第i个海水温度测点的实际水深，d_end为所述压力数据反映出的所述水深测点实际所处水深，(l-l_i)为第i个海水温度测点的预设水深，l为所述测温杆的长度，l_i为第i个海水温度测点距离测温杆顶端的固定长度，roll为横摇角，pitch为纵摇角。

14、进一步地，所述方法还包括：

15、在采集到所述压力数据和所述姿态数据后，若所述横摇角和所述纵摇角均位于预设区间内，且d_end与预设参照值之间的偏差超过预设偏差阈值，则向所述岸基数据中心进行异常告警。

16、进一步地，所述多个海水温度测点等间距设置在所述测温杆上，相邻所述海水温度测点的间距在1厘米至50厘米之间。

17、进一步地，所述方法还包括：

18、在任一个所述采集周期，使用同一系统时钟源同步采集各个所述海水温度测点的温度数据、所述压力数据、所述姿态数据和所述气象数据，并赋予相同的时间戳；

19、所述气象数据包括风速、风向、空气温度、大气压力、相对湿度、太阳短波辐射、长波辐射和海表皮温中的至少一个。

20、进一步地，在所述将所述海水温度测点对应的所述温度数据和实际水深、以及所述气象数据传输至岸基数据中心之前，所述方法还包括：

21、对采集的所述温度数据进行数据质量控制，所述数据质量控制包括气候学阈值检查、垂向一致性检查和时间一致性检查；

22、在所述气候学阈值检查中，将温度数据超出预设温度范围的海水温度测点标记为可疑；

23、在所述垂向一致性检查中，将相邻海水温度测点的温度数据差异值超出预设差异范围的海水温度测点标记并保留原始的温度数据；

24、在所述时间一致性检查中，将当前时刻温度数据与上一时刻同海水温度测点温度数据的变化率超出预设变化率阈值的海水温度测点标记。

25、进一步地，所述方法还包括：

26、在任一所述采集周期，通过第一类通道采集各个所述海水温度测点的温度数据和所述压力数据，通过第二类通道采集所述姿态数据和气象数据。

27、进一步地，所述方法还包括强化观测模式，所述强化观测模式包括日暖层效应强化观测模式和冷皮效应强化观测模式；

28、在日出前至日落前期间，运行所述日暖层效应强化观测模式，在所述日暖层效应强化观测模式下，数据采集频率加密至预设的第一采集频率；

29、在夜间稳定层结条件下，运行所述冷皮效应强化观测模式，在所述冷皮效应强化观测模式下，数据采集频率加密至预设的第二采集频率，其中，所述夜间稳定层结条件包括风速要求和净热通量要求。

30、一种用于海水冷皮效应和日暖层效应研究的海气界面协同观测装置，包括温度剖面观测模块、气象观测模块、姿态传感器和数据采集控制器；

31、所述温度剖面观测模块用于采集温度数据和压力数据，所述温度剖面观测模块包括测温杆、设置于所述测温杆上的温度链传感器以及设置于所述测温杆末端的压力传感器，所述温度链传感器在所述测温杆上形成多个海水温度测点；

32、所述气象观测模块用于采集气象数据，所述气象观测模块包括一体式自动气象站、净辐射传感器和红外温度传感器，所述一体式自动气象站用于测量风速、风向、空气温度、大气压力和相对湿度，所述净辐射传感器用于测量太阳短波辐射与长波辐射，所述红外温度传感器用于非接触式测量海表皮温；

33、所述数据采集控制器分别与所述温度链传感器、所述压力传感器、所述气象观测模块和所述姿态传感器电连接，所有传感器通道共享同一系统时钟源，所述数据采集控制器用于实现上述所述的方法。

34、采用本发明实施例，具有如下有益效果：

35、按照预设采集周期采集测温杆上多个海水温度测点的温度数据、水深测点的压力数据和测温杆的姿态数据，并同步采集气象数据，使得温度数据、压力数据、姿态数据与和气象数据在同一采集周期获取，克服了海气界面观测中数据采集的时间失配和空间不匹配问题，为冷皮效应和日暖层效应的协同机理研究提供了时空严格同步的基础数据。

36、同时，会对各个海水温度测点的所处水深进行校正，得到实际水深，使得在测温杆受海水波浪和海流作用发生横摇、纵摇时，各海水温度测点的深度仍能被精确定位，消除了因测温杆姿态扰动导致的海水温度测点深度漂移误差，避免了因海水温度测点实际深度与设计深度偏差而导致的温度梯度计算失真，提高了观测数据的置信度。

37、此外，多个海水温度测点等间距设置且间距在1厘米至50厘米之间，在保障捕捉日暖层效应垂向结构的前提下，避免了因超高密度布设海水温度测点所导致的计算资源浪费、通信资源浪费以及数据噪音增强，使得岸基数据中心观测温度数据、实际水深和气象数据时，使用准确度更高以及同步性更强的数据，降低数据与实际情况之间的误差。