Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Погрешности измерений температуры, электропроводности, солености и давления в морской среде 10
1.1 Проблемы зондирования океана СТД комплексами 10
1.2 Погрешности СТД измерений 16
1.3 Инерционность датчиков СТД зонда 20
1.4 Динамические погрешности СТД измерений 39
1.5 Погрешности определения солености 43
Глава 2 Эффект инерционной рассогласованности СТД данных в слое скачка температуры при постоянной солености 49
2.1 Частотные характеристики первичных преобразователей 49
2.2 Псевдоструктура солености в слое скачка температуры 56
2.3 Моделирование инерционной рассогласованности СТД данных 58
Глава 3 Модификация методов динамической коррекции СТД данных и их применение к моделируемым профилям 67
3.1 Устранение фазовой рассогласованности температуры и электропроводности методом смещения профилей 68
3.2 Методы экспоненциальной коррекции 75
3.3 Методы комбинирования температурных профилей 87
3.4 Методы градиентной коррекции 94
Глава 4 Оценка динамических погрешностей и коррекция экспедиционных данных СТД измерений 102
4.1 Оценка погрешностей измерения и коррекция данных высокого разрешения СТД Mark-IIIC 104
4.2 Коррекция данных высокого разрешения с учетом неравномерного режима движения зонда 126
4.3 Коррекция данных низкого разрешения. Зонды серии STD 140
Заключение 153
Литература 154
- Инерционность датчиков СТД зонда
- Моделирование инерционной рассогласованности СТД данных
- Методы комбинирования температурных профилей
- Коррекция данных высокого разрешения с учетом неравномерного режима движения зонда
Введение к работе
Актуальность темы. Прямые океанографические измерения по-прежнему являются одним из основных источников информации о физических процессах, протекающих в водной толще. При проведении натурных наблюдении в океане широко используются зондирующие СТД комплексы, регистрирующие несколько гидрологических характеристик, в частности, электропроводность (Conductivity), температуру (Temperature) и давление (или глубину. Depth). Процесс СТД зондирования в морских экспедициях осуществляют с борта дрейфующего судна, часто в условиях качки и при неблагоприятных погодных условиях. В результате различные по интенсивности помехообразующие факторы приводят к ухудшению качества СТД данных.
В соответствии с практикой экспериментальных работ погрешности измерения принято разделять на методические и инструментальные. Первые погрешности определяются методикой и условиями проведения эксперимента. Вторые зависят от технических характеристик СТД зонда и изменчивости параметров морской среды. По характеру проявления выделяют три компоненты инструментальной погрешности: систематическую, случайную и динамическую. Оценка уровня случайных погрешностей измерения определяется в основном разрядностью квантования сигнала первичных преобразователей (датчиков) прибора. Систематическая погрешность, как правило, остается постоянной или закономерно меняется в диапазоне измерения и соответствует градуировочной характеристике.
Динамическая погрешность зависит от стратификации слоя морской воды, скорости движения зонда и инерционности соответствующего первичного преобразователя. В реальных условиях эксперимента из-за не стационарности движения СТД зонда инерционные характеристики датчиков изменяются в широких пределах. В этом случае погрешности СТД данных заметно возрастают при измерении параметров морской среды в сезонном термоклине.
Для изучения многих физических процессов в океане требуется высокая точность определения таких характеристик морской воды как: температура, давление, соленость (S) и плотность (р). Значения параметров S и р рассчитываются по СТД данным с помощью эмпирических формул. Поэтому, при высоком уровне
динамических погрешностей сложно определять соленость и плотность с высокой точностью без предварительной обработки данных СТД зондирования. При расчете профиля S в температурном градиентном слое (термоклине), как правило, возникает ложная структура (псевдоструктура) солености за счет динамической рассогласованности инерционных характеристик датчиков электропроводности и температуры. Пространственный масштаб псевдоструктуры соответствует толщине слоя скачка температуры. В тонких температурных градиентных прослойках псевдоструктура солености имеет вид ложных экстремумов (salinity spikes).
Точность измерения изменчивости Т, S параметров в термоклине с помощью СТД систем зависит от выбора методики и условий проведения натурного эксперимента. Применение стандартных методов коррекции данных не всегда приводит к существенному уменьшению псевдоструктуры солености. Результативность этих методов минимальна при обработке СТД данных, измеренных в условиях нестационарного режима зондирования, обусловленного качкой и дрейфом экспедиционного судна.
Высокий уровень динамической погрешности имеет место не только в данных зондов низкого разрешения, но и при эксплуатации СТД систем высокого разрешения со стабильными метрологическими характеристиками, к которым относится СТД МагЫНС (лр-во General Oceanics, США). В стандартной комплектации этот зонд содержит, помимо платинового термометра сопротивления, дополнительный малоинерцнонкый термистор. Опрос основных датчиков СТД Mark-ШС осуществляется с частотой 25 Гц.
В 80-90-е годы зонды серии МагЫП широко использовались в океанографии, с их помощью выполнены многочисленные эксперименты, включая лабораторные. Поэтому, из существующих серийных СТД систем, комплекс Магк-ШС оптимально подходит для изучения проблемы динамических погрешностей.
Цель диссертационной работы — усовершенствовать методы коррекции данных, рассмотрев основные физические эффекты, сопровождающие процесс СТД зондирования.
Для достижения цели поставлены следующие задачи.
-
Определить закономерности влияния внешних факторов на процесс измерения физических параметров морской воды первичными преобразователями (датчиками) СТД зонда.
-
Модифицировать способы анализа и коррекции СТД данных, позволяющие выявить и устранить динамические погрешности измерения.
3. Исследовать методы динамической коррекции данных с использованием
численної модели СТД измерения в термоклине,
4. Апробировать методы коррекции натурных данных СТД измерений,
полученных зондами высокого н низкого разрешения.
Методы исследования. При выполнении диссертационной работы применялись методы теории динамических погрешностей, статистического анализа и численного моделирования процесса СТД измерения.
Научная новизна. В диссертационной работе предложены новые функциональные зависимости инерционных коэффициентов датчиков СТД зонда от скорости набегающего потока жидкости. Дана оригинальная физическая интерпретация известных результатов лабораторных экспериментов по определению динамических характеристик преобразователей СТД зонда.
Выявлены закономерности проявления динамической погрешности измерений температуры, электропроводности и рассчитанной солености.
Выполнены оценки влияния нелинейных эффектов на инерционные характеристики температурных датчиков СТД зонда Mark-ШС. Выявлены характерные особенности проявления динамической погрешности измерения при нестационарном режиме зондирования.
Определены эффективные методы коррекции данных СТД измерения.
Практическая значимость работы. Полученные в диссертации результаты позволяют:
- повысить качество обработки СТД данных и достоверность анализа термохалинных структур;
- выбрать эффективные методы проведения комплексных экспериментов в океане
с использованием имеющихся СТД систем;
- определить оптимальное сочетание технических характеристик основных
первичных преобразователей и электронных блоков при проектировании новых
моделей СТД комплексов.
Автор является руководителем инициативного проекта ДВО РАН №06-Ш-А-О7-257 «Исследование влияния нестационарного режима СТД зондирования на динамические погрешности измерения».
Результаты работы использовались при выполнении НИР «Создание пакета программ по устранению ложных величин солености в данных СТД зондирований» (№3-8 от 01.07 2004 г, заказчик ФГУП "ТИНРО-Центр"). Имеется Акт внедрения от 04 июля 2006 г., выданный ФГУП "ТИНРО-Центр".
Основные положення, выносимые на защиту:
-
Инерционные коэффициенты датчиков температуры и электропроводности СТД зонда имеют функциональные зависимости от режима их обтекания и толщины пограничного слоя жидкости. Эти зависимости позволяют объяснить результаты лабораторных экспериментов.
-
При устранении динамических погрешностей СТД измерений, выполненных зондом высокого разрешения, наиболее эффективным является метод оптимального экспоненциального обострения данных в сочетании с процедурой смешения температурного профиля.
-
При нестационарном режиме СТД зондирования (обусловленном дрейфом и качкой судна) на интервалах максимума скорости движения зонда отмечается стандартная рассогласованность измерений электропроводности и температуры, когда динамические погрешности устранимы до уровня случайных ошибок.
На интервалах уменьшения скорости движения прибора отмечается нестандартная рассогласованность, когда снижается эффективность методов устранения динамической погрешности.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на международных конференциях: "Fluxes and Structures in Fluids. Moscow. 2005", «Bridges of science between North America and Russian Far East, Vladivostok. 2004», а также на научно-практической конференции «Гидрометеорология Дальнего Востока и окраинных морей Тихого океана. Владивосток. 2005».
Личный вклад автора. Автор внес основной вклад в теоретические оценки, разработку и модификацию методов коррекции данных СТД измерений, а также участвовал в организации и проведении отдельных натурных экспериментов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, содержащего 124 наименования. Рабата представлена на 163 страницах, включая 51 рисунок и 10 таблиц.
Инерционность датчиков СТД зонда
Физические явления в океане, исследуемые с помощью СТД зонда, значительно превосходят размеры стандартных первичных преобразователей и их измерительные объёмы [23], что позволяет рассматривать термометр описанной конструкции как тонкий длинный стержень, однородный по всем физическим параметрам, а именно: температуре Tm(x,y,z)=const, плотности р и удельной теплоемкости Су. Полагаем также, что термометр омывается стационарным потоком стратифицированной жидкости, температура которой Tr(t) const. Металлическое тело термометра и окружающая среда не находятся в тепловом равновесии друг с другом, т.е. Tr(t) Tm(t).
В этом случае имеет место тепловой поток q(t) на границе термометра с жидкостью. В соответствии с законом Ньютона нормальную составляющую теплового потока qn(t) можно записать в виде: где a - коэффициент внешней теплопроводности. Нормаль п направлена от тела к среде. Следует отметить, что закон теплообмена (1.9) выполняется приближенно при небольших разностях температур, а коэффициент а является эмпирическим коэффициентом [1, 60].
Благодаря тепловому потоку, термометр, площадь поверхности которого S, за единицу времени теряет или приобретает некоторое количество тепла Q(t)=Sq(t). В результате теплообмена температура термометра изменится: где m - масса стержня, a d и 1 - его диаметр и длина.
Далее предположим, что термометр достаточно хорошо изолирован от защитного экрана, а также массивного корпуса зонда, из (1.9-1.10) получим уравнение
На величину коэффициента a(t) оказывают влияние условия теплообмена термометра с окружающей средой, а именно: свойства материала чувствительного элемента и характеристики окружающей морской воды. Если в течение достаточно длительного периода времени эти условия не изменяются, то a(t)«const и инерционность термометра можно рассматривать как величину постоянную [60].
В этом случае решение уравнения (1.11) при ступенчатом изменении температуры окружающей водной среды в момент времени ti, ATr(ti)=Tr(ti+0)r(ti-0) 0, имеет вид для t ti. На рис. 2 представлены функции Tr(t) и Tm(t), иллюстрирующие реакцию термометра на скачок температуры в исследуемой жидкости. Таким образом, согласно уравнению (1.13), параметр инерционности xt эквивалентен характерному интервалу времени теплообмена. В инструкциях по эксплуатации термопреобразователей этот интервал обозначается как постоянная времени (response time). В течение этого интервала температура термометра претерпевает изменения, достигая 63% от величины амплитуды скачка при наличии ступенчатой структуры температуры измеряемой жидкости. При увеличении временного отрезка до tu=3xt (время установления) это отношение возрастает до 95% [52].
Платиновые термометры сопротивления обладают тепловой инерционностью в пределах от 2 до 0.05 с [61, 67]. В реальных условиях СТД зондирования, когда наблюдаются качка и дрейф судна, параметр температурной инерционности является переменной функцией tt(t) const, т.к. динамические характеристики обтекающего потока морской воды непрерывно изменяются, и, соответственно, отсутствуют стационарные условия теплообмена тела термометра с окружающей средой.
Выделяются два качественно различных типа течения вязкой жидкости, обтекающего датчик: ламинарный, когда числа Рейнольдса меньше критического значения (Re Recr), и турбулентный при Re Recr. Для платинового термометра, имеющего диаметр защитного корпуса - d, число Рейнольдса имеет вид: где v - коэффициент кинематической вязкости жидкости (для воды v«0.01 см2/с). Если ПТС имеет поперечную ориентацию в потоке жидкости, то Retcr«103, если продольную - то величина Re,cr может достигать 105 [36,62].
При этом отмечается, что изменения показателя степени (п) обусловлены эффектом пограничного слоя.
Согласно выводам, изложенным в работе [36], при ламинарном режиме обтекания тела конечных размеров средняя толщина пограничного слоя может быть представлена выражением: где v - среднеквадратичная скорость турбулентных пульсаций омывающего потока в погранслое. Величины параметров v и V взаимозависимы [36]. В диапазоне от Vtcr до максимальных значений скорости зондирования (не более 3 м/с) эта зависимость слабо отличается от линейной, V v ln(v )«v . Следовательно, при турбулентном режиме обтекания зависимость параметров погранслоя от скорости практически отсутствует h(V)« const.
Диаметр медного корпуса стандартных ПТС (рис. 1) не превышает 2 мм [62]. Скорость зондирования выдерживается в пределах от 0.5 до 1.5 м/с. В случае сильной качки судна величина V может понизиться до 0.1 м/с и менее. При условии d=0.2 см и V=10 см/с средняя толщина пограничного слоя не превысит 0.02 см или 1/10 от величины d. При турбулентном режиме обтекания этот параметр меньше в 3-4 раза.
Активные экспериментальные исследования инерционных характеристик платиновых термометров сопротивления, используемых в океанологии, проводились в 70-80-х годах в СКБ МГИ (г. Севастополь). В работе [62] приведены результаты экспериментов по определению тепловой инерционности стандартного термометра СТД зонда Исток-4 (d«1.6 мм). Эксперименты выполнялись в лабораторных условиях. На рис. 3 представлены аппроксимационные кривые, полученные с использованием этих экспериментальных данных (последние отмечены точками). При выборе зависимости Tt(V) учитывалось, что помимо эффекта погранслоя, на инерционность термодатчика оказывают влияние его геометрические размеры и свойства материалов, из которых он изготовлен. Выделяя постоянную и переменную компоненты, предлагается зависимость Tt(V) оценить двумя слагаемыми. Первое слагаемое Kt«const остается постоянным в процессе зондирования. Другая составляющая является величиной переменной и зависит от средней толщины погранслоя Kth h(V).
При продольной ориентации термометра относительно омывающего потока, ламинарный режим обтекания наблюдается в течение всего экспериментального динамического диапазона 0.07 V 2.0 м/с. В этом случае, определяя коэффициенты функциональной зависимости xt(V) = f( /V) с помощью метода наименьших квадратов [58], получим следующее выражение
Моделирование инерционной рассогласованности СТД данных
В океане неоднородное распределение свойств в вертикальных профилях температуры и солености имеет характер слоистой стратификации и обозначается термином «тонкая термохалинная структура» (ТТХС). Обычно полагают, что диапазон вертикальных масштабов ТТХС простирается от десятков сантиметров до сотен метров. Горизонтальная протяженность таких образований существенно (на 2-4 порядка) превышает этот диапазон [19, 27, 69]. В данных СТД зондирований слоистая стратификация температуры и солености, как правило, имеет ступенчатый вид, когда наблюдается чередование участков с малыми и большими градиентами свойств [20, 42]. Первые называются квазиоднородными слоями (КС) или ламинами, а вторые -градиентными прослойками (ГП) или листами [27]. В свою очередь прослойки можно разделить на два типа: инверсионные и обычные ГП. В обычных прослойках температура понижается с глубиной, а соленость возрастает. Инверсионные ГП имеют обратное распределение. Параметр Т увеличивается с глубиной в температурных инверсионных прослойках, а концентрация соли уменьшается в соленостных инверсионных ГП. В данных СТД зондирований редко встречаются случаи, когда наблюдается чередование обычных и инверсионных прослоек на достаточно больших пространственно-временных интервалах, которое можно представить гармонической функцией (2.19). Обычно механизмы, формирующие ТТХС (дифференциально-диффузионная неустойчивость, сдвиговая неустойчивость течений и внутренних волн), приводят к ступенчатой структуре типа «обычная ГП-КС», в которой соотношение толщины высоградиентной области к толщине перемешанной зоны составляет Ул [27].
Поэтому, приступая к моделированию инерционных эффектов в датчиках СТД зонда, будем рассматривать термохалинные структуры в виде относительно тонкой ГП, расположенной между двумя обширными однородными слоями.
В качестве условного зондирующего устройства примем основные параметры СТД Mark-IIIC: временной интервал опроса датчиков 8t=0.04 с, инерционная характеристика ячейки проводимости NB xc(V) (1.34) и оценочная зависимость xt(V) для платинового термометра Rosemount подобна xt(V) (1.20-1.22). Предлагаемый набор {5t; тс; Tt} позволит более точно определить и, соответственно, наглядно представить возможные изменения на малых масштабах в структурах профилей температуры и электропроводности, измеренных в процессе зондирования. Инерционные эффекты в перечисленных датчиках описываются линейными дифференциальными уравнениями первого порядка (1.11). Общий вид решения таких уравнений [71], например для измеренной температуры соответствует выражению
Для задач численного моделирования процесса измерения решения вида (2.31) представим в виде разностной схемы. В этом случае, измеренные профили Tm(t) и Cm(t), при начальном условии Tm(t0) Tr(to) и Cm(t0) Cr(to), а также полагая xt«const и tc«const, определяются выражениями
Выражения (2.32-2.33) также классифицируются как экспоненциальные рекурсивные фильтры с коэффициентами фильтрации Tt и тс [86]. (Прим. Далее термином «электропроводность» будем обозначать «относительную электропроводность», и для упрощения записи формул значок « » опустим, т.е. Cm(t) = Cm(t)/
Рассмотрим несколько вариантов исходного распределения температуры при постоянстве солености в исследуемом слое морской воды [93].
Вариант 1: В слое однородном по солености Sr(z)=const, между двумя температурными КС, TKci=T(z Zi)=const и TKc2=T(z z2)=const, присутствует температурная градиентная прослойка вида
Слой скачка температуры, согласно заданным условиям, расположим между горизонтами Zi=0.1 м и z2=0.6 м. Соленость не изменяется с глубиной внутри этого слоя и за его пределами. Её значение соответствует Sr(z)=33%o. Модельный профиль температуры Tr(z) (2.34) является гладкой функцией и имеет максимум градиента в середине слоя скачка, что обычно и наблюдается в океане. При толщине градиентного слоя Az=z2-Zi=0.5 м перепад температуры принимается ДТГ=0.5С (при Т0=4.5С и ТА=0.5С), см. рис. 12 а. За пределами этого слоя температура не изменяется с глубиной: Тксі=То=4.5С и ТКс2=Т0-ТА=4.0оС.
В исходном предположении градиент солености отсутствует в исследуемом слое. Соответственно, электропроводность при данной толщине слоя зависит только от температуры, Cr(z)«Co+yTr(z). При заданных величинах температуры и солености значения параметров р«у«0.02 (с учетом размерностей). Также следует отметить, что перемещение зонда с постоянной скоростью V=l м/с позволяет легко переходить от зависимости T(z) к зависимости T(t), где t - время зондирования. Поэтому, используя формулу (2.32), можно получить профили температуры Tm(t) и Tc(t) по заданным истинной температуре Tr.(z) (2.34) и параметрам инерционности датчиков. Профиль Tm(t) рассчитывается при величине Tt=0.2 с и соответствует показаниям датчика температуры, a Tc(t) при тс=0.03 с и подобен профилю, измеренному датчиком электропроводности, Cm(t)« CQ +yTc(t). Профили температуры Tm(t) и Tc(t) приведены на рис. 12 а, где видно отличие между этими профилями, обусловленное разной инерционностью датчиков температуры и электропроводности. На рис. 12 б представлены производные Tr (t), Tc (t) и Tm (t), рассчитанные по этим профилям методом конечных разностей
Обсуждаемый вариант соотношения инерционных параметров датчиков и пространственных/временных масштабов исследуемой структуры относится к ранее рассмотренному случаю nc n nt (п. 2.2), когда ФС(П)— TC, АС— 1 и Ac At. Поэтому отличие между профилями Tc (t) и Tr (t) значительно меньше, чем отличие между профилями Tm (t) и Tr (t). Представленный на рис. 12 а профиль температуры Tm(t) имеет заниженный на 30% градиент в слое скачка и его смещение к нижней границе этого слоя на 0.08 с. Перечисленные значения элементов рассогласованности в показаниях термометра и ячейки NB, Тт (0.44)/Тс (0.36)«0.7, незначительно расходятся с ранее выполненными оценками: соотношение амплитудных характеристик АА(С(1 м/с, 1 м)«0.65 (2.27) и сдвиговых (фазовых) компонент АФ(С(1 м/с, 1 м)«0.11 с (2.28) (см. рис. 11). Такое расхождение в оценках, по-видимому, обусловлено дискретностью 5t=0.04 с, принятой в конкретных модельных расчетах.
Кроме отмеченных элементов рассогласованности: амплитудной, AAtc#0, и сдвиговой, ДФ1С#0, характерных при гармоническом распределении в структуре исходного профиля Tr(t) (2.19), рассматриваемые профили Tc(t), Tm(t) и их производные Tc (t), Tm (t) демонстрируют дополнительный, пространственный элемент рассогласованности. Так измеренная толщина слоя скачка в структуре Tm(t), Att, возросла в три раза по сравнению с толщиной ГП исходного профиля температуры Atr=t2i=VAz=0.5 с. Сравнивая градиентные структуры измеренных профилей отмечаем, что производная Tc (i)«0, при t tc«0.68 с, т.е. толщина слоя скачка, определяемая по показаниям ячейки NB, практически не изменилась Atc(l м/с, 1 м) 0.6 с. В то время, как производная температурного профиля, измеренного платиновым термометром, обращается в ноль, Tm (t)«0, только при t tt«1.6 с. Соответственно наблюдаемый слой скачка, Att(l м/с, 1 м)«1.5 с, заметно отличается от исходного. На конкретном модельном примере выявленные расхождения в структуре измеренных параметров Tm(t) и Cm(t) С 0 + уТс (t) при расчете профиля Sm(t)=S(Cm,Tm) приводят к уменьшению величин солености в пределах градиентного слоя измеренной температуры, рис. 12 в.
Далее при определении величин плотности по Sm(t) и Tm(t) на профиле pm(t)=p(Sm,Tm) наблюдается ложный минимум, который показан на рис. 12 г. В результате плотностной градиентный слой оказывается смещенным на Atp«0.6 с (или 0.6 м) «по ходу движения зонда». В данном характерном случае максимальная амплитуда S-псевдоструктуры, вызванная рассогласованностью измеренных параметров, составляет около 0.18%о. Соответственно на профиле плотности ложные отклонения достигают значения 0.15 10"3 г/см3 и более.
Вариант 2. В исследуемом слое: Sr(z)=const, a Tr(z) соответствует выражению (2.34) при Z=4 м. Зондирующее устройство пересекает слой со скоростью V=l м/с.
В отличие от предыдущего случая, в рассматриваемом варианте толщина слоя скачка температуры увеличена в четыре раза, zi=0.1 м и Z2=2.1 м. Прочие параметры слоя остаются прежними: Sr(z)=33%o, ДТГ=0.5С, Тка=4.50С и ТКс2=4.0оС, рис. 13 а. Инерционные константы имеют те же самые значения: xt=0.2 с и тс=0.03 с.
Предлагаемое сочетание инерционных параметров датчиков и масштаба исследуемой структуры характеризуется П Д, когда ФС(П)— тс, Ф((П)— it, и At— AC— 1. В этом случае амплитудная рассогласованность (2.27) практически отсутствует AAtc«l, а сдвиговая рассогласованность (2.28) стремится к предельному значению АФ1с(П)— xct 0.17 с. Поэтому в слое скачка экстремальные величины на профилях Tc (t) и Tm (t), которые представлены на рис. 13 б, отличаются только на 4%, а структура Tm (t) запаздывает относительно Tc (t) на АФ1с(1 м/с, 4 м)«0.16 с. Характер масштабной рассогласованности также изменился. Толщина градиентной прослойки в структуре исходного температурного профиля составляла Atr=V(z2-Zi)=2 с, а в структуре Tm(t) возросла до 3 с и превысила масштаб слоя скачка Tc(t) на Attc«0.6 с. Таким образом, наблюдается относительный рост Att на 50% против трехкратного увеличения толщины градиентной прослойки в структуре профиля Tm(t), рассмотренного в предыдущем случае (Att( 1 м/с, 1 M)«3Atr).
Методы комбинирования температурных профилей
Рост случайных погрешностей при обработке СТД данных обусловлен значительным масштабом рассогласованности инерционных характеристик основных датчиков зонда. При оптимальных скоростях зондирования, как правило, инерционность платинового термометра на порядок превосходит аналогичную характеристику первичного преобразователя электропроводности. В несколько раз меньшая рассогласованность наблюдается при замене термометра сопротивления на миниатюрный полупроводниковый терморезистор, Tf«0.06 с при V=l м/с [107]. Однако электрическое сопротивление термисторов характеризуется нестабильностью и температурной нелинейностью [63, 67]. В показаниях этих термопреобразователей присутствует трудно устранимая систематическая погрешность, A,sT(t). По этой причине применение полупроводниковых термометров в океанографических исследованиях ограничено [52].
В зондах серии Mark-Ill термисторы используются в качестве дополнительного термодатчика, и для уменьшения масштаба рассогласованности СТД данных применяется метод комбинирования температурного сигнала (КТС-метод) [78]. Этот метод реализован в электронной схеме блока измерения температуры серии зондов Mark-IIIB [78, 102] (которые производились до 1988 г), и в бортовом программном обеспечении серии СТД Mark-IIIC [103]. В обоих случаях конечный температурный профиль Tk(t) получается путем наложения показаний ПТС Rosemount (Tm) и термистора Fenwal (Tf) по следующей схеме: Tk(t)=Tm(t)+T,(t)fs(t) (3.34) где Tfs(t) - сигнал (либо профиль), сглаженный экспоненциальным фильтром (3.21) при Tfs=const [86].
Первоначально разработчик этого метода, N. Brown [78], исходил из предположения, что при Xfs«xt, инерционная характеристика комбинированного температурного сигнала (т1к) соответствует характеристике термистора Tj(V) (1.26), Ttk х Tf Tt» и заметно приближена к инерционной характеристике ячейки NB TC(V) (1.34) [86, 103]. Величина параметра сглаживания для первых моделей СТД Mark-IIIB устанавливалась на уровне xfs=0.175 с [86].
Однако при измерении ТТХС вида (3.3) зондами Mark-IIIB/C комбинированный температурный профиль, который оценивается выражением:
Tk(t, Q)«T0+TAAlexpj[Qt+Ff]+AtfTk+AfTk+AicTk. (3.35) содержит, помимо случайной ошибки,
AicTk(t)=AicTm+AicTH+(5t/xs)AicTH, (3.36) две дополнительные, а именно, погрешность согласования температурных сигналов,
AtfTk(t,Q)=TA{At-Afsexpj[Ffs-Ft]}expj[Qt+Ft], (3.37) и погрешность ослабления нелинейности сигнала термистора,
AfTk(t, Q)=TAKf{l-Asexpj[Fs]}expj[ t]. (3.38)
Учитывая аддитивный характер случайной погрешности (3.36, 1.59), уровень величин AjCTk(t) увеличится в 1.5-2 раза относительно уровня исходных компонент, AicTm и AicTf. В то же время, значения AtfTk(t) и AfTk(t) зависят от скорости движения зонда, от величины Tt(V), от параметров исследуемой среды: среднего градиента ТГП (ТА) и толщины прослойки (Az), а также от величины параметра сглаживания, TS. ЭТИ погрешности (3.37, 3.38) могут изменяться в широких пределах, особенно при наличии относительно тонких ТГП. Таким образом, метод КТС (3.34) с одной стороны уменьшает уровень динамических погрешностей СТД данных (при этом полностью не устраняя рассогласованность СТ профилей), а с другой стороны увеличивает долю случайных погрешностей.
В зондах серии СТД Mark-IIIC инструментальные погрешности измерения (систематические и динамические) устраняются специализированной программой
«CTD data Acquisition module» ( General Oceanics, Inc., 1993). Один из блоков этой программы в процессе формирования конечной пары Т, S профилей, уменьшает рассогласованность СТД данных с помощью комбинирования температурного профиля (3.34) и дополнительного экспоненциального сглаживания профиля измеренной электропроводности (3.21). Значения соответствующих параметров Tfs и TS для каждого комплекта датчиков: термометр, термистор и ячейка NB, -определяются в процессе калибровки и заносятся в специальный файл. Для зонда Mark-IIIC, который эксплуатируется в ТОЙ ДВО РАН с 1993 года, эти параметры соответствуют значениям: tfs=0.18 с и TS=0.085 С.
В таблице 5 и на рис. 24 представленны резульаты применения метода КТС (3.34) и его вариантов при обработке модельных СТД данных зонда Mark для трех пространственных масштабов ТГП (2.34), ZT={0.24; 1; 4} м. Оценивая эти способы обработки модельных СТД данных по степени эффективности устранения динамических погрешностей, следует отметить, что вариант комбинирования сигналов «Mark-IIIB» предпочтителен при измерении относительно тонких ТГП, ZT 4 м. А с помощью зонда Mark-IIIC лучше определяются величины параметров морских водных масс, содержащих обширные градиентные структуры. Существенное (на два порядка) повышение эффективности последнего способа обработки СТД данных (сочетание методов КТС и ЭС) достигается при использовании критерия min[oS] для определения оптимальных величин коэффициентов сглаживания, тм5 и TMS Случайные погрешности при использовании метода КТС (3.34) возрастают до того же уровня, что при обработке модельных СТД данных методом ЭО (3.29). Этот вывод следует из равенства профилей солености Sk=S(Cm5, Tk5) и Sd=S(Cm5, TSMd)5 которые были получены для варианта ТГП ZT=4 м, см. рис. 24 д.
Таким образом, включение термистора в измерительную систему зонда Mark в качестве дополнительного датчика позволяет в процессе обработки СТД данных повысить их качество, но незначительно.
Коррекция данных высокого разрешения с учетом неравномерного режима движения зонда
Варианты распределения солености, Sms(t) и Sfs(t), рис. 38 а, полученные в результате коррекции СТД данных ст. № 35 , имеют отличия. На профиле Sms(t) в слое термоклина отмечаются локальные инверсии солености (ЛИС), которые практически отсутствуют в структуре Srs(t). По амплитуде ЛИС достигают 0.03%о. Их временные масштабы варьируются от 2 до 3 с, а начальные моменты их появления, как правило, соответствуют фазе торможения измерительного комплекса.
Особенностью выделенных интервалов измерения является высокий уровень фазовой рассогласованности профилей Cm(t) и Tm(t). Величина параметра смещения \, определяемая по RCTM (3.8), достигает 0.20 с и более.
СТД данные ст. № 35 были обработаны методом (3.17, 3.29). Функции параметров обострения т (t)=xt i(t)+Xtd(t) и xcd(t) оценивались по критерию min[oS]. Значения дисперсии oS(t) (3.20) рассчитывались по интервалу 1.5 с (37 значений). График параметра i\ (t), представленный на рис. 38 б, показывает ступенчатый рост его величин в 1.5-2 раза через 0.5-1 с от начального момента фазы торможения зонда. На временных интервалах ЛИС оценка функции параметра коррекции данных ячейки NB, tcd(t), также возрастает в несколько раз до 0.03 с и более. На «благоприятных» интервалах, на которых имеет место стандартная рассогласованность, тот же параметр коррекции не превышает величины TCd(t)«0.005 с.
Для детального изучения феномена ЛИС и определения возможных причин его происхождения рассмотрим несколько характерных примеров. На рис. 39 представлены графики скорости, VF(t), а также производные, Tm (t) и Y 1 C( r(t), для двух интервалов зондирования ст. № 35. Первый случай (интервал 34 tLi 40 с) характеризуется снижением скорости от VF(35.32)«1.45 м/с до VF(37.2)«1.15 м/с. В процессе коррекции СТД данных рост параметра х (t) отмечен через 1 с от предполагаемого начала фазы торможения (рис. 39 в). На интервале 44.8 tL2 51 с, при максимуме скорости VF(44.8)«1.6 м/с и минимуме VF(47)«0.9 м/с, аналогичный эффект зафиксирован через 0.5 с. В обоих случаях имеют место хорошо выраженные градиентные структуры измеренных параметров. Инверсии в этих структурах практически отсутствуют, а величины производных изменяются в пределах 0 Tm (t) 0.2С/с и 0 Y- C(mp) (t) -0.7C/c. На выделенных отрезках, AtL1 1.5 с и Atu 3 с, оценка фазовой компоненты рассогласованности данных, выполненная с помощью функции RcrOO (3.8), показала рост величины сдвигового параметра с 0.12 с до i(At i)«0.16 с и X.(AtL2) ;0.20 с. Соответственно, значения функции x (t), определяемые по критерию min[aS], заметно превысили уровень 0.22 с.
Таким образом, локальные инверсии на профилях Smd(t), рис. 39 г, являются, по существу, элементами псевдоструктуры солености. После коррекции данных по схеме (3.17, 3.29) при т, (t)=0.22 с ложная структура сохранилась из-за более высокого уровня инерционности при измерении температуры платиновым термометром. Попытки полного подавления псевдоструктуры солености, учитывающие т (t) const, не привели к желаемому результату. В качестве примера на рис. 39 г представлены профили Smt(t, х\ (t)).
Значительное увеличение динамической погрешности при измерении температуры на фазах торможения зонда Mark-IIIC, возможно обусловлено резким изменением параметров режима обтекания платинового термометра Rosemount.
Возникновение таких изменений обусловлено самой методикой проведения эксперимента. Во-первых, экспедиционное судно во время зондирования, как правило, находится в дрейфе. При умеренном ветре скорость дрейфа судна может достигать 1-2 узлов или 0.5-1 м/с, т.е. сопоставима со скоростью стравливания кабель-троса. В условиях качки и дрейфа движения зонда в морской среде имеют квазипериодический характер не только по вертикали (по глубине), но и в горизонтальной плоскости. Соответственно на фазах торможения, когда уменьшается вертикальная компонента скорости движения зонда, его горизонтальная составляющая плавно возрастает. В этих случаях, если блок датчиков «затенен» корпусом прибора, то измерения могут происходить в его турбулентном следе [82, 120]. Другая причина, порождающая возмущения, также связана с турбулентным следом, но не корпуса прибора, а самих датчиков. Аналогичный эффект возможен и при наличии собственного движения жидкости в исследуемом слое морской водной массы. Кроме того, следует отметить, что рост (либо уменьшение) горизонтальной компоненты скорости движения прибора (в условиях неспокойного моря) изменяет угол атаки набегающего на датчики потока жидкости. Все перечисленные процессы, так или иначе, приводят к увеличению толщины пограничных слоев (1.17) вблизи поверхности датчиков зонда либо из-за роста скорости турбулентных пульсаций, либо изменения угла атаки. В результате возрастает инерционность измерения параметров среды. Таким образом, вариации динамической погрешности измерения температуры платиновым термометром следует квалифицировать как проявление методической погрешности СТД зондирования, которые обусловлены способом и условиями проведения натурного эксперимента.
Анализ СТД данных, полученных на других станциях 37-го рейса НИС «Пр. Гагаринский», а также 33-го рейса НИС «Ак Лаврентьев», май 2004 г, показал, что не всегда наблюдается столь высокий уровень корреляции между фазами вертикальной компоненты V(t) и изменениями параметра коррекции т[ (t). По-видимому, это объясняется достаточно сложным, отчасти случайным, характером движения измерительного комплекса во время эксперимента с борта дрейфующего судна в условиях неспокойного моря. С другой стороны, корректная оценка параметра х (t) возможна только при наличии температурного градиента на исследуемом временном интервале СТД данных.
Таким образом, нестационарные динамические условия при выполнении зондирования приводят к ухудшению точности измерения параметров морской среды. Понижение качества СТД данных происходит, прежде всего, благодаря росту методической погрешности измерения. Способы экспоненциальной (3.21, 3.29) и градиентной (3.50, 3.51) коррекции не позволяют полностью учесть и устранить эти ошибки. Поэтому воспользуемся методом интерполяции, по крайней мере, для уменьшения погрешности косвенного измерения солености на интервалах зондирования, которые отличаются высокими значениями функции х (t).
Профиль солености Smdi(t), представленный на рис. 40, демонстрирует один из вариантов устранения остаточных элементов ПСС в структуре профиля Smci(t) с помощью линейной интерполяции. При формировании Smdl(t) интерполяция была выполнена на интервалах слоя термоклина. Локализация элементов ПСС, tG[tL,tL+i], уточнялась по критериям
Результаты подавления псевдоструктуры солености с помощью ТСС-метода, Sn(Cm,Tn) (3.39), и метода ГИ, Sg(Cm,Tg) (3.45), представлены на рис. 40. Эти методы использовались для всего интервала измерения, т.к. анализируемый пример СТД данных характеризуется квазиоднородной соленостной структурой (4.7). При определении реперных точек, tn и tn+ь учитывалось, во-первых, неизменность (сохранение) знака фонового градиента солености в пределах выделенного слоя. Во-вторых, моменты времени tn и tn+) не должны принадлежать интервалам ЛИС. Величины функции y(T,S) рассчитывались как средние для каждого слоя [tn,tn+i].
Характерное для методов ГИ и ТСС «принудительное» выравнивание ВЧ компонент СТ параметров ( At 1 с), см. раздел 3.3, способствовало снижению значений oSn в десятки, a aSg в сотни раз. Тем не менее, и на этих профилях имеют место отдельные, значительно подавленные, но не устраненные полностью элементы ложной структуры солености. Кроме того, при использовании методов ГИ и ТСС не удалось автоматизировать процедуру определения реперных точек. Выбор моментов времени tn и tn+i осуществлялся экспертным способом.
Похожие диссертации на Динамическая коррекция данных измерений температуры и солености в океане
