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拟合算法-基于卫星高度计海面高度异常资料获取潮汐调和常数方法及应用 (4).pdf
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拟合算法-基于卫星高度计海面高度异常资料获取潮汐调和常数方法及应用 (4).pdf
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究
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学
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竞
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赛
赛
题 目 基于卫星高度计海面高度异常资料获取潮汐调和常数
方法及应用
摘 要:
本文根据卫星高度计海面高度异常资料建立了提取潮汐调和常数的 j,v 模
型,运用最小二乘和多项式拟合的方法求出了南海各主要分潮的调和常数,讨论
并解决了相关问题。
针对问题一,构建了 j,v 模型进行潮汐的调和分析。首先对海面高度异常值
数据进行了筛选处理:为 避免频率混叠效应,选取从 2003 年初到 2016 年末共计
14 年的采样数据;为 提高分析结果的有效性,选取观测次数大于 300、水深大于
200 米的数据用于数值模拟工作。接着构建了根据海面高度异常值来提取星下观
测点主要分潮的潮汐调和常数的 j,v 模型:首先计算分潮角速度及初相位,然后
计算各分潮的交点因子及交点订正角,最后通过最小二乘法提取出四个主要分潮
(
2
M
、
2
S
、
1
K
、
1
O
)的潮汐调和常数。为验证结果的可靠性,将调和分析结果
同 12 个验潮站的调和常数进行了比较,得到四个分潮的单分潮预报误差(RMS)
均小于 1.5cm,最大值为
2
M
潮的 1.41cm,最小值为
1
O
潮的 0.49cm;各分潮振幅
差的平均值 均小于 2.95cm,最大值和最小值分别为
2
M
潮的 2.95cm 和
2
S
潮的
1.56cm;各分潮迟角差的平均值均小于 6.53°,最大值和最小值分别为
2
M
潮的
6.53°和
2
S
潮的 2.02°,表明所构建的 j,v 模型调和分析结果可靠。
针对问题二,构建了正压潮与内潮分离模型。首先选取上行/下行两条交叉轨
道,然后将振幅 、迟角 转化为 ,分别对 沿
轨道进行多项式拟合,最后通过坐标转换得到轨道上任意点的调和常数,进而实
现将正压潮与内潮的分离。通过对比多项式拟合与调和分析结果示表明:对于部
分分潮(如
2
M
、
2
S
分潮)的振幅拟合结果的大致趋势走向可与调和分析结果保
持一致,但对于某些位置会有一定幅度的波动。考虑到轨道所跨越的经度较小(仅
有 4°),分辨率较高,得到的结果是可以接受的。
针对问题三,为得到整个南海的调和常数,首先选取一个了初始的“中心点”,
以该点为中心作小正方形范围内的搜索,对该范围内所有满足要求的星下观测点
进行调和分析,得到该范围内所有点的调和常数并取其平均值,记录该“ 中心点”
2
的经纬度和平均调和常数。当该区域结束后移动“中心点”到下一个位置,重复
该操作直到遍历完所有的“中心点”。根据所得的调和常数拟合出南海各主要分
潮的同潮图,分析可知南海潮型以全日潮
1
K
和
1
O
为主,四个分潮在深海区传播
速度较快,等值线稀疏。相对于全日潮,南海大部分海区的半日潮影响较小,半
日潮
2
M
在台湾海峡及海南岛附近有较大振幅。
2
S
分潮在湄公河入海口处振幅较
大,超过 30cm, 在南海整体振幅较小。这与多数文献中南海潮波主要由太平洋
由吕宋海峡传入南海向西南方向前进,部分半日潮向台湾海峡前进与其它潮波系
统发生作用的结论基本一致。
针对问题四,根据问题二所构建的模型对各主要分潮的 沿
轨进行 3~11 次多项式拟合。对比可知 3~11 次的多项式拟合结果均可反映出海表
面 各分潮的振幅变化趋势,但不同次数多项式拟合结果与海表
面各分潮振幅及迟角的拟合程度存在明显差异。以
2
M
分潮为例,3 次多项式的
拟合结果明显偏离调和分析得到的振幅值,不能正确地拟合出正压潮值;采用 7、
9 次多项式拟合的振幅绝均差相当,优于其他次数的拟合效果,采用 7 次多项式
拟合的迟角平均误差最小。综合考虑振幅与迟角的平均误差,得出 7 次为最佳的
多项式拟合次数。
关键词:T/P 卫星高度计 潮汐调和常数 j,v 模型 最小二乘法 多项式拟合
3
目 录
一、问题重述 ........................................................................................................................... 5
1.1 潮汐潮流现象的研究意义 ............................................................................................................ 5
1.2 潮汐潮流数值模拟所面临的问题 ................................................................................................. 5
1.3 资料描述 ........................................................................................................................................ 5
1.3.1 地形数据 ..................................................................................................................................... 5
1.3.2 验潮站资料 ................................................................................................................................. 6
1.3.3 TOPEX/POSEIDON 卫星高度计简介 ....................................................................................... 7
1.3.4 南海高度计资料 ......................................................................................................................... 7
1.4 要解决的问题 ................................................................................................................................ 7
二、模型假设 ........................................................................................................................... 8
三、符号说明 ........................................................................................................................... 8
四、问题分析 ........................................................................................................................... 9
4.1 数据处理 ........................................................................................................................................ 9
4.1.1 对时间系统的处理 ...................................................................................................................... 9
4.1.1 对采样时间的处理 ...................................................................................................................... 9
4.1.2 对观测点的处理 .......................................................................................................................... 9
4.1.3 对水深数据的处理 .................................................................................................................... 10
4.2 问题一的模型建立与求解 .......................................................................................................... 10
4.2.1 问题一的描述与分析 ............................................................................................................... 10
4.2.2 问题一的模型建立 ................................................................................................................... 11
4.2.3 问题一的模型求解与结果检验分析 ....................................................................................... 15
4.3 问题二的模型建立与求解 .......................................................................................................... 18
4.3.1 问题二的描述与分析 ............................................................................................................... 18
4.3.2 问题二的模型建立 ................................................................................................................... 19
4.3.3 问题二的模型求解 ................................................................................................................... 20
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4
4.3.4 问题二模型结果检验分析 ....................................................................................................... 21
4.4 问题三的模型建立与求解 .......................................................................................................... 23
4.4.1 问题三的描述与分析 ............................................................................................................... 23
4.4.2 问题三的建模与求解 ............................................................................................................... 24
4.4.3 问题三结果评价分析 ............................................................................................................... 25
4.5 问题四的模型建立与求解 .......................................................................................................... 26
4.5.1 问题四的描述与分析 ............................................................................................................... 26
4.5.2 问题四的求解与启示 ............................................................................................................... 26
五、模型的评价与推广 ......................................................................................................... 27
5.1 模型的优点 .................................................................................................................................. 27
5.2 模型的缺点 .................................................................................................................................. 28
5.3 模型的推广 .................................................................................................................................. 28
六、参考文献 ......................................................................................................................... 28
七、附录 ................................................................................................................................. 28
7.1 问题一的源代码 .......................................................................................................................... 28
7.2 问题二的源代码 .......................................................................................................................... 38
7.3 问题三的源代码 .......................................................................................................................... 40
7.4 问题四的源代码 .......................................................................................................................... 43
5
一、问题重述
1.1 潮汐潮流现象的研究意义
海洋潮汐是在天体引潮力作用下形成的长周期波动现象,在水平方向上表现
为潮流的涨落,在铅直方向上则表现为潮位的升降。潮汐潮流运动是海洋中的基
本运动之一,它是动力海洋学研究的重要组成部分,对它的研究直接影响着波浪、
风暴潮、环流、水团等其他海洋现象的研究,在大陆架浅海海洋中,对潮汐潮流
的研究更具重要性。
海岸附近和河口区域是人类进行生产活动十分频繁的地带,而这个地带的潮
汐现象非常显著,它直接或间接地影响着人们的生产和生活。潮汐潮流工作的开
展和研究,可为国防建设、交通航运、海洋资源开发、能源利用、环境保护、海
港建设和海岸防护提供资料。例如,沿海地区的海滩围垦、农田排灌,水产的捕
捞和养殖,制盐,海港的选址及建设,以至于潮能发电等活动,无不与潮汐潮流
现象有着密切的关系。
1.2 潮汐潮流数值模拟所面临的问题
区域海洋潮汐的数值模拟需要提供开边界的水位调和常数,而开边界的水
位调和常数,或者来源于观测、或者来源于全球海洋潮汐的数值模拟;而全球
海洋潮汐的数值模拟,相当耗费资源。虽然目前有国外学者或研究机构,能够
提供区域海洋潮汐的调和常数,但实质上的评价结果难以令人满意。
从区域海洋潮汐的数值模拟的现状来讲,四个主要分潮(
2
M
、
2
S
、
1
K
、
1
O
)
的 单 一 分 潮 的 数 值 模 拟 与 同 化 可 以 得 到 令 人 满 意 的 结 果 , 但 其 它 分 潮
( 等)的单一分潮的数值模拟与同化,结果却差强人意;这意
味着其它分潮的数值模拟,只有与四个主要分潮同时进行数值模拟,才能得到
可以接受的结果。从具体操作来讲,其它分潮由于相对较弱,导致模拟结果的
精度难以提高。
长周期分潮( )的获取,目前已有基于全球长周期分潮
数值模拟手段的报道,但其面临的困境,与其它较弱分潮面临的困境没有差别。
从各分潮的调和常数获取的发展史来说,通过对已有观测结果进行插值曾
经是首选,但发展过程中逐渐被数值模拟方法所取代。高度计资料的出现,引
发部分学者开展了插值方法的研究,并取得了一些值得一提的结果,尽管被所
谓的主流方式淹没,但也难掩其光芒所在。鉴于目前已有高度计资料作为支持,
其它分潮及长周期分潮的调和常数获取的插值方法研究大有可为。
1.3 资料描述
1.3.1 地形数据
地形数据来自 ETOP5,全球的分辨率为
5' 5'
,图 1.1 的区域是
2 ~ 25
N,
99 ~122
E。
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- 柒玖柒玖柒柒2023-04-12支持这个资源,内容详细,主要是能解决当下的问题,感谢大佬分享~
- 2301_771761392023-04-13资源内容详细全面,与描述一致,对我很有用,有一定的使用价值。
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