[发明专利]基于经验正交函数分解的高分辨率声速剖面数据压缩方法

说明书

本发明属于三维温盐深数据的海洋声学应用技术领域，尤其涉及基于经验正交函数分解的高分辨率声速剖面数据压缩方法，具体如下：以高分辨率海洋再分析产品提供数据，采用声速公式转换获得海水声速剖面数据；针对海洋声学应用技术领域的特点，将某一时空维度下的高分辨率、长时间序列声速剖面数据延拓至海底沉积层；以主模态的特征向量作为声速剖面经验正交函数分解的基函数，压缩表示某一时空维度下的高分辨率、长时间序列声速剖面信息。本发明实现了从高分辨率海洋再分析产品出发，获取声速剖面数据压缩的技术方案；实现了某一时空维度下声速剖面数据的有效压缩，获得高分辨率、长时间序列声速剖面数据压缩率90％以上的有益效果。

技术领域

本发明属于三维温盐深数据的海洋声学应用技术领域，尤其涉及基于经验正交函数分解的高分辨率声速剖面数据压缩方法。

背景技术

海洋利益事关国家的安全与发展利益。在海洋声学应用技术领域，声速剖面是开展水声场建模与分析、声学性能计算评估、水声目标信息感知的重要数据基础。高分辨率的声速剖面数据有助于获取精细化的海洋声学信息，进而提升海洋环境数据的保障能力与水平。由于地球海洋的空间尺度较大，高分辨率海洋环境要素(如声速剖面)的水平空间分辨率一般不低于1°×1°。基于高分辨率海洋再分析产品所获得的高分辨率声速剖面数据量十分庞大，单个数据采样时刻下的数据文件大小为GB量级，普通的个人计算机终端难以满足长时间序列数据存储需求，进而限制了高分辨率声速剖面数据在海洋声学领域的分析与应用。

学术论文《改进型经验正交函数海洋声速剖面预报方法》聚焦解决传统方法求解协方差矩阵和时间函数较粗糙的问题，采用改进型的经验正交函数开展了海水声速剖面的预报分析，其数据分析对象仅限于22°～22°30′N、123°～123°30′E的海区范围，且声速剖面的深度范围为0～2500米。学术论文《印度洋中北部声速剖面结构的时空变化及其物理机理研究》采用水平空间分辨率为3°×3°、时间分辨率为10天的地转海洋学实时观测阵数据，基于经验正交函数分解方法分析了印度洋中北部的声速剖面特征量时空演变规律，其数据分析对象仅限于印度洋中北部海区的六个区域0～2000米水深范围。学术论文《一种声速剖面展开的正交基函数获取方法》提出了一种基于水动力方程提取声速剖面正交基函数的方法，重点解决经验正交函数在声速剖面的声学反演应用中的可靠性和适用性问题，其数据分析对象仅限于两个空间位置处30余小时内的声速剖面观测值。CN110837791A公开了一种基于过完备字典的声速剖面反演方法，利用过完备字典的冗余特性捕捉声速剖面的内在本质特征，进而提高海水声速剖面反演的精度。CN109725053A公开了一种基于高分辨率海洋再分析产品获取水声场特性数据的方法，其数据分析对象与本发明相同，但未提及采用经验正交函数分解开展声速剖面的数据压缩。CN110222872A公开了一种基于经验正交函数分解的海洋多要素中长期统计预测方法，主要解决在海洋预报模式的基础上提高海洋预报的时效性问题。

发明内容

本发明创造的目的在于，提供一种基于经验正交函数分解的高分辨率声速剖面数据压缩方法。该方法实现了从高分辨率海洋再分析产品中获得高分辨率、长时间序列的声速剖面数据，在兼顾数据精度与使用效益的原则下，采用基函数表征广域海区的声速剖面信息，显著压缩高分辨率、长时间序列声速剖面的数据量大小，为高分辨率海洋再分析产品在海洋声学领域的应用提供技术基础。

为实现上述目的，本发明创造采用如下技术方案。

一种基于经验正交函数分解的高分辨率声速剖面数据压缩方法，包括如下步骤：

步骤1，以高分辨率海洋再分析产品提供海域的经度、纬度以及海水的温度、盐度、水深数据，采用声速公式转换获得海域的海水声速剖面数据；

步骤2，参照典型声速剖面的垂向分层结构，将某一时空维度下的高分辨率、长时间序列声速剖面数据延拓至海底沉积层；具体的，某一时空维度，是指在高分辨率海洋再分析产品提供的声速剖面数据中，需要进行数据压缩的部分；