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1、(10)申请公布号 CN 103310114 A (43)申请公布日 2013.09.18 CN 103310114 A *CN103310114A* (21)申请号 201310261028.6 (22)申请日 2013.06.27 G06F 19/00(2011.01) (71)申请人 浙江大学 地址 310027 浙江省杭州市西湖区浙大路 38 号 (72)发明人 陈琴 姚炎明 彭辉 杜雅杰 (74)专利代理机构 杭州求是专利事务所有限公 司 33200 代理人 林松海 (54) 发明名称 一种海洋监测数据时空同步化方法及其应用 (57) 摘要 本发明公开了一种海洋监测数据时空同步化 方。
2、法。它采用拉格朗日跟踪法来求解海洋监测采 样水质点在某特定时刻的空间位置， 采用对流扩 散方程来求解特定时刻特定位置的采样水质点中 的物质浓度。统计采样水质点在不同时刻不同位 置时物质浓度的变化规律， 用以修正海洋监测数 据经过空间位置同步后， 因物质发生对流扩散而 产生的浓度误差。本发明可以实现海洋监测采样 水质点的空间位置同步， 并对监测数据因物质对 流扩散产生的误差进行修正， 有效校正监测误差， 提高海洋环境质量调查结果的准确性。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4。
3、页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103310114 A CN 103310114 A *CN103310114A* 1/1 页 2 1. 一种海洋监测数据时空同步化方法， 其特征在于， 采用拉格朗日跟踪法来实现海洋 监测采样水质点的空间位置同步， 结合对流扩散方程对所述的采样水质点的监测数据进行 因物质对流扩散产生的误差修正。 2. 根据权利要求 1 所述的海洋监测数据时空同步化方法， 其特征在于， 所述的监测 数据适用于海洋环境监测中所获取的海水水质数据， 包括化学需氧量 （COD） 、 生化需氧量 （BOD） 、 无机氮、 非离子氮、 活性磷酸盐、 总氮、 总磷、 石油类、 重金属。
4、物质浓度。 3. 根据权利要求 1 所述的海洋监测数据时空同步化方法， 其特征在于， 所述的拉格朗 日跟踪法为， 式中， 为质点坐标，为时间，为处 时刻的速度矢量。 4. 根据权利要求 1 所述的海洋监测数据时空同步化方法， 其特征在于， 所述的对流扩 散方程为， 式中， 为物质浓度 ； 、 为、 方 向的水流流速 ； 、为、 方向的扩散系数 ； 为物质输入源强 ； 为物质衰减项。 5. 根据权利要求 1 所述的海洋监测数据时空同步化方法， 其特征在于， 所述的误差修 正为根据对流扩散方程求解结果， 分析水质点从到的物质浓度变化规律， 参照 该规律， 对将时刻的实际监测数据同步化到时刻后的物质。
5、浓度值进行同比例修正， 消 除因同步化过程中忽略物质扩散引起的浓度误差 ； 所述为时刻水质点所在位置， 为时刻水质点所在位置。 6. 一种根据权利要求 1 所述的海洋监测数据时空同步化方法的应用， 应用于海洋工程 环境评价、 海洋生态环境保护和开发利用研究、 海域环境规划和管理、 以及海洋污染防治等 海洋研究领域所需的海洋水质环境质量大面调查的数据处理， 弥补因监测条件的限制而产 生数据不同步的不足， 为准确的反映海洋水质现状提供技术支持。 权 利 要 求 书 CN 103310114 A 2 1/4 页 3 一种海洋监测数据时空同步化方法及其应用 技术领域 0001 本发明涉及一种实现海洋监。
6、测数据时空同步的方法及其应用， 尤其是能解决海洋 水质监测站的位置时空同步和监测浓度值的修正问题。 背景技术 0002 海洋环境质量评价指的是根据不同目的要求和环境质量标准， 按一定的评价原则 和方法， 对海域环境要素 （水质、 底质、 生物） 的质量进行评价和预测， 它为海域环境规划和 管理以及污染防治提供科学依据。海洋环境质量调查是海洋环境质量评价的工作基础。以 海水水质为例， 目前海洋水质环境质量调查的实际操作方法是由一条或多条海监船按预先 设定的监测站位置， 依次航行到指定地点对海水进行采样分析， 以获得监测数据。 由于海洋 水域宽广， 监测站点位置分散， 在资源有限的条件下， 对所有。
7、监测站点完成海水水体采样所 需花费的时间就较长。 对同一条海监船而言， 各监测站数据的采样时间均不在同一时刻。 由 于海水本身是流动的， 经过一定时间， 采样水质点会有一定距离的移动， 与预设的监测站位 置产生偏差。 同时， 对同一海水质点， 随着时间的推移， 在其流动过程中， 采样水质点中所含 物质的浓度会因对流和扩散的共同作用而发生改变。 虽然海洋浮标监测系统可以做到同步 采样， 然而在每个监测站均设置浮标， 需要投入大量的人力物力， 将造成资源浪费。而且浮 标系统一般适用于长期监测， 在潮流动力强烈复杂的开放海域， 尤其是繁忙的航道等功能 区海域， 设置多个浮标系统进行长期监测会影响海域。
8、功能的正常发挥， 不具有实际操作性。 0003 在对海洋水质环境的数值模拟研究中， 往往采用海洋水质环境调查的监测站实际 监测数据对海洋水质数值模型进行校验。为了提高模型的精确度， 有时需要采用将特定时 刻的物质浓度模拟值和监测站物质浓度实测值进行对比的方法进行模型校验。依前述， 简 单的将监测结果作为某时刻的物质浓度情况， 将不能十分准确的反映该时刻海洋水质环境 的真实条件， 尤其在海洋水质环境质量出现较大空间差异的时候， 将出现更大误差。 发明内容 0004 为了克服现有的海洋水质环境质量调查的监测数据 （以下简称水质数据） 在时间 和空间上不完全同步的不足， 本发明提供一种海洋监测数据时。
9、空同步化方法及其应用， 可 以解决因实际监测条件有限而引起的数据时空不同步的现象， 并对在时间推移过程中， 因 物质对流扩散从而产生的浓度偏差进行修正。 0005 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是 ： 一种海洋监测数据时空同步化方法， 采用拉格朗日跟踪法来实现海洋监测采样水质点 的空间位置同步， 结合对流扩散方程对所述的采样水质点的监测数据进行因物质对流扩散 产生的误差修正。 0006 所述的监测数据适用于海洋环境监测中所获取的海水水质数据， 包括化学需氧量 （COD） 、 生化需氧量 （BOD） 、 无机氮、 非离子氮、 活性磷酸盐、 总氮、 总磷、 石油类、 重金属物质 浓度。 说 。
10、明 书 CN 103310114 A 3 2/4 页 4 0007 首先选用数值模型对海洋水质环境质量调查所在海域进行区域潮流场模拟， 获得 潮流场数据， 包括各时刻海域空间各点的流速流向数据。 在此基础上， 选用拉格朗日跟踪法 来求解水质点在各时刻的空间坐标位置。 由于水质数据是由对海水进行采样分析的方法获 得的， 因此以采样水质点表征水质数据进行空间位置求解。在求解特定时刻各采样水质点 的空间位置时， 同时考虑因对流扩散引起的采样水质点中物质浓度的变化， 选用对流扩散 方程求解对应时刻采样水质点中的物质浓度值。 通过统计采样水质点中物质浓度的变化规 律， 用以修正水质数据在空间位置同步后产。
11、生的浓度误差。 0008 所述的拉格朗日跟踪法基于微分方程 （1） ， 采用四阶龙格 - 库塔 （Runge-Kutta） 方 法求解。 0009 （1） 式中， 为质点坐标，为时间，为坐标处 时刻的速度矢量。 0010 所述的四阶龙格 - 库塔 （Runge-Kutta） 方法计算过程可由公式 （2） （6） 表示， 求 解过程中需要中间时刻的速度值。 0011 （2） （3） （4） （5） （6） 所述的中间时刻的速度值 （） 由各时刻海域空间各点的潮流数据四阶插值求得。 0012 （7） 公式 （） 中用到了， ，时刻的流速值。 0013 所述的对流扩散方程为 （8） 式中， 为物质浓。
12、度 ； 、 为、 方向的水流流速 ； 、为、 方向的扩散系数 ； 为物质输入源强 ； 为物质衰减项。监测数据同步化过程时间跨度较短， 主要考虑对流 扩散作用下物质浓度的变化， 因此源强项和衰减项均忽略不计， 即在计算中、取 0。 0014 所述的修正水质数据在空间位置同步后产生的浓度误差为通过分析统计某采样 水质点从到的物质浓度变化规律， 参照该规律， 对将时刻的水质数据同步 说 明 书 CN 103310114 A 4 3/4 页 5 化到时刻后的浓度值进行同比例修正， 消除因同步化过程中忽略物质扩散引起的浓度误 差。所述为时刻水质点所在位置，为时刻水质点所在位置。 0015 一种所述的海洋。
13、监测数据时空同步化方法的应用， 应用于海洋工程环境评价、 海 洋生态环境保护和开发利用研究、 海域环境规划和管理、 以及海洋污染防治等海洋研究领 域所需的海洋水质环境质量大面调查的数据处理， 弥补因监测条件的限制而产生数据不同 步的不足， 为准确的反映海洋水质现状提供技术支持。 0016 本发明的有益效果是， 可以实现海洋监测采样水质点的空间位置同步， 并对监测 数据因物质对流扩散产生的误差进行修正， 有效校正监测误差， 提高海洋环境质量调查结 果的准确性。 附图说明 0017 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 0018 图 1 是本发明的实施例象山港某次海洋环境监测数据的同步化结果。。
14、 0019 图中， 表示的是采样水质点监测时的实际位置， 表示的同步化到 9:00 后各采 样水质点位置。 具体实施方式 0020 以象山港海域某次海域环境调查的局部监测数据为例， 进行数值试验。 0021 利用潮流动力模型计算得到的流场结果为试验所需的各时刻各点位的、 提供 数据。 0022 各水质数据的初始条件是 ： 由一条海监船从 9:00 开始一次对 #1 #10 监测站进 行采样监测， 采样时间和采样水质点坐标分别如表 1 所列。 0023 表 1 采样时间、 采样水质点坐标和浓度 说 明 书 CN 103310114 A 5 4/4 页 6 采用拉格朗日跟踪法求解得到 #1 #10。
15、 监测站在 9:00 时各采样水质点所在位置， 坐 标如表 2 所列。 0024 利用对流扩散方程， 结合象山港的周边的某种污染物 （以化学需氧量 COD 为例） 输 入输出现状， 计算得到监测时间范围内象山港海域中各水质点在各时刻的物质浓度变化情 况。#1 #10 监测站在 9:00 时各采样水质点坐标处物质浓度如表 1 所示， #1 #10 监测 站同步化到 9:00 后各采样水质点坐标处物质浓度如表 2 所示。 0025 表 2 同步化到 9:00 时采样水质点坐标和浓度 通过对比采样时刻和同步化到 9:00 时各采样水质点物质浓度的关系， 得到实际监测 浓度的误差修正结果如表 3 所示。 0026 表 3 实际监测浓度修正结果 说 明 书 CN 103310114 A 6 1/1 页 7 图 1 说 明 书 附 图 CN 103310114 A 7 。