第七章 海流觀測(cè)

第七章海流觀測(cè)主要內(nèi)容海流概述觀測(cè)方法海流計(jì)簡(jiǎn)介海流觀測(cè)的持續(xù)時(shí)間選擇影響海流觀測(cè)誤差分析直讀式海流計(jì)使用方法海流觀測(cè)資料的整理與分析1概述海水運(yùn)動(dòng)：亂流、波動(dòng)、周期特性潮流與穩(wěn)定的“常流”綜合作用的結(jié)果這些流動(dòng)具有不同尺度、速度與周期，且隨風(fēng)、季節(jié)和年份而變強(qiáng)度一般由海表面向深層遞減本章所講海流主要指海水運(yùn)動(dòng)空間尺度較大(>5km)、時(shí)間尺度較長(zhǎng)(周期超過12h)的運(yùn)動(dòng)，包括潮流和常流(余流)，亂流、波動(dòng)排除在外23不同尺度海洋現(xiàn)象概述潮流：伴隨潮汐漲落現(xiàn)象所做的周期性變化的海水流動(dòng)由日月引潮力引起，變化周期主要有半日和全日常流：沿一定路徑、方向基本朝向一個(gè)方向的大規(guī)模的海水運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)定常，又稱余流風(fēng)的作用、海洋受熱不均勻、地形的影響產(chǎn)生將一個(gè)區(qū)域的海水輸運(yùn)到另一個(gè)區(qū)域，伴隨著能量輸運(yùn)45概述進(jìn)行海流觀測(cè)時(shí)，要按一定時(shí)間間隔持續(xù)觀測(cè)一晝夜或多晝夜，所得的結(jié)果是常流和潮流的合成水平方向周期性的流動(dòng)為潮流，剩余部分為常流觀測(cè)海流的重要性對(duì)漁業(yè)：寒暖流交匯處往往形成良好的漁場(chǎng)建港中要計(jì)算海流對(duì)泥沙的搬運(yùn)海上交通中要考慮順流節(jié)約時(shí)間海水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)海洋科學(xué)多領(lǐng)域研究：水團(tuán)的形成、海水內(nèi)部及海氣界面之間熱量的交換等67.1海流觀測(cè)方法海流觀測(cè)包括流速和流向流速單位時(shí)間內(nèi)海水流動(dòng)的距離單位：m/s或cm/s流向海水流去的方向單位：度(?)7海流觀測(cè)層次參照溫度觀測(cè)層次或根據(jù)需要選定海流觀測(cè)表層為0~3m以內(nèi)的水層由于船體影響使得流速、流向測(cè)量不準(zhǔn)海流連續(xù)觀測(cè)時(shí)間不少于25h，至少每小時(shí)觀測(cè)一次預(yù)報(bào)潮流的測(cè)站，一般應(yīng)不少于3次符合良好天文條件的周日連續(xù)觀測(cè)海流輔助觀測(cè)項(xiàng)目風(fēng)速、風(fēng)向等氣象要素海流觀測(cè)方法拉格朗日方法(隨流運(yùn)動(dòng))、歐拉方法(定點(diǎn))89拉格朗日方法歐拉方法一、浮標(biāo)漂移測(cè)流法根據(jù)自由漂移物隨海水流動(dòng)的情況來確定海水的流速、流向，主要適用于表層流的觀測(cè)船體本身或偶然遇到的漂移物人工特制浮標(biāo)應(yīng)用雷達(dá)定位、航空攝影、無線電定位等工具測(cè)定浮標(biāo)的移動(dòng)情況，取得較為精確的海流資料被動(dòng)測(cè)流，空間分布特征不均勻11觀測(cè)在拉格朗日坐標(biāo)系統(tǒng)中進(jìn)行取起始坐標(biāo)和從開始時(shí)間起所經(jīng)過的時(shí)間τ-

τ0為獨(dú)立變量，流動(dòng)坐標(biāo)：12流速為坐標(biāo)對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)：一、浮標(biāo)漂移測(cè)流法1.漂流瓶測(cè)表層流漂流瓶(又稱郵瓶)通常被用來研究海流的大致情況根據(jù)漂流瓶的漂移路徑及所花時(shí)間，就可以大致地確定流速和流向廉價(jià)，早期常用的測(cè)流方法13一、浮標(biāo)漂移測(cè)流法2.雙聯(lián)浮筒測(cè)表層流浮標(biāo)測(cè)流常用工具船只錨定后或在海上平臺(tái)等相對(duì)穩(wěn)定的載體上，在船尾放出雙聯(lián)浮筒，根據(jù)它的移動(dòng)情況測(cè)定表層流的平均流速和流向14一、浮標(biāo)漂移測(cè)流法3.跟蹤浮標(biāo)法測(cè)表層流船體跟蹤將一個(gè)浮體施放于選定海面上，使之自由隨海水流動(dòng)，觀測(cè)者乘小船跟隨其后并按特定時(shí)間間隔從船上定位連續(xù)觀測(cè)，一般要延續(xù)一個(gè)半日潮周期良好天氣狀況下才能進(jìn)行儀器跟蹤高科技技術(shù)發(fā)展，新的更準(zhǔn)確、更方便的儀器跟蹤浮標(biāo)及相應(yīng)觀測(cè)方法產(chǎn)生人工特制浮標(biāo)隨海水自由流動(dòng)，在岸上用雷達(dá)跟蹤浮標(biāo)本身可定時(shí)發(fā)射無線電訊號(hào)衛(wèi)星地面航空攝影方法測(cè)定浮標(biāo)移動(dòng)情況15一、浮標(biāo)漂移測(cè)流法4.中性浮子測(cè)流深海中下層海流觀測(cè)困難中性浮子具有可調(diào)節(jié)性，可適用深海海流觀測(cè)實(shí)測(cè)中，首先根據(jù)溫鹽觀測(cè)值，確定出待測(cè)海流層的海水密度按此等效密度調(diào)節(jié)中性浮子，在預(yù)定水層處于重力和浮力平衡的狀態(tài)，隨海水漂流，觀測(cè)船上利用聲納跟蹤中性浮子，消除船體漂移運(yùn)動(dòng)，可測(cè)出相應(yīng)水層的流動(dòng)速度和方向16二、定點(diǎn)觀測(cè)海流目前海洋水文觀測(cè)中常用方法1.定點(diǎn)臺(tái)架方式測(cè)流淺海海流觀測(cè)，用固定臺(tái)架懸掛儀器，使海流計(jì)處于穩(wěn)定狀態(tài)，可長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)觀測(cè)海面臺(tái)架海上平臺(tái)、其它固定臺(tái)架實(shí)測(cè)時(shí)，盡可能避免臺(tái)架對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生的影響海底臺(tái)架棱錐形臺(tái)架，海流計(jì)固定于框架中部適當(dāng)位置17二、定點(diǎn)觀測(cè)海流2.錨定浮標(biāo)以錨定浮標(biāo)或潛標(biāo)為承載工具，懸掛自記式海流計(jì)進(jìn)行海流觀測(cè)有的僅用于觀測(cè)表層海流，有的可用于同時(shí)觀測(cè)多層海流18二、定點(diǎn)觀測(cè)海流3.錨定船測(cè)流以船只為承載工具，利用絞車和鋼絲繩懸掛海流計(jì)觀測(cè)海流仍是常用的、最主要的測(cè)流方式根據(jù)水深確定觀測(cè)層次將海流計(jì)沉放至預(yù)定水層，測(cè)量流速和流向并記下觀測(cè)時(shí)間鋼絲或電纜傾角>10?時(shí)，須作深度的傾角訂正19三、走航測(cè)流船只錨定測(cè)流費(fèi)用高船只航行的時(shí)候同時(shí)觀測(cè)海流，不僅可以節(jié)省時(shí)間，提高效益，而且還可以同時(shí)觀測(cè)多層海流實(shí)現(xiàn)常規(guī)方法很難測(cè)流海區(qū)的海流觀測(cè)走航式海流觀測(cè)儀器ADCP原理：測(cè)出船對(duì)海底的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)速度和方向，同時(shí)測(cè)出船對(duì)海水的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度和方向，再經(jīng)矢量合成得出海水對(duì)海底的運(yùn)動(dòng)速度和方向20四、海流連續(xù)觀測(cè)的準(zhǔn)確度要求流速不大于100cm/s時(shí)水深在200m以淺海區(qū)，測(cè)量準(zhǔn)確度應(yīng)為±5cm/s水深在200m以深海區(qū)，測(cè)量準(zhǔn)確度應(yīng)為±3cm/s流向測(cè)量的準(zhǔn)確度均為±10?流速超過100cm/s時(shí)水深在200m以淺海區(qū)，測(cè)量準(zhǔn)確度應(yīng)為±5%水深在200m以深海區(qū)，測(cè)量準(zhǔn)確度應(yīng)為±3%流向測(cè)量的準(zhǔn)確度均為±10?21五、海流觀測(cè)注意事項(xiàng)觀測(cè)淺層(船吃水深度三倍以內(nèi)的水層)海流時(shí)，應(yīng)借助小型錨定浮標(biāo)或施放小艇進(jìn)行觀測(cè)，以消除船體的影響利用調(diào)查船為承載工具測(cè)淺層以下各層海流時(shí)，若使用非自記海流計(jì)，待海流計(jì)沉放至預(yù)定觀測(cè)水層后即可進(jìn)行觀測(cè)；使用自記海流計(jì)，可根據(jù)絞車和鋼絲繩的負(fù)載，串掛多臺(tái)海流計(jì)同時(shí)觀測(cè)多層海流測(cè)流時(shí)，必須記錄觀測(cè)開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間如果用自記海流計(jì)懸掛于浮標(biāo)或潛標(biāo)上進(jìn)行海流觀測(cè)時(shí)，投放與回收浮標(biāo)(或潛標(biāo))的船只必須具備專用提吊設(shè)備，浮標(biāo)(或潛標(biāo))錨定后記錄觀測(cè)開始時(shí)間和浮標(biāo)(或潛標(biāo))準(zhǔn)確位置22五、海流觀測(cè)注意事項(xiàng)浮標(biāo)或潛標(biāo)的閃光裝置須切實(shí)水密，保證正常連續(xù)閃光當(dāng)施放海流計(jì)的鋼絲繩或電纜的傾角超過10°，應(yīng)進(jìn)行傾角訂正以船只為承載工具進(jìn)行海流連續(xù)觀測(cè)時(shí)，應(yīng)至少每3小時(shí)觀測(cè)一次船位。如發(fā)現(xiàn)船只嚴(yán)重走錨（超過定位準(zhǔn)確度要求），應(yīng)移至原位，重新開始觀測(cè)周日連續(xù)觀測(cè)一般不得缺測(cè)，凡中斷觀測(cè)2小時(shí)以上者，最好重新觀測(cè)237.2海流計(jì)簡(jiǎn)介機(jī)械旋漿式海流計(jì)電磁海流計(jì)聲學(xué)多普勒海流計(jì)聲學(xué)多普勒海流剖面儀其它測(cè)流儀器24一、機(jī)械旋漿式海流計(jì)基本原理：依據(jù)旋漿葉片受水流推動(dòng)的轉(zhuǎn)數(shù)來確定流速，用磁羅經(jīng)確定流向(必須進(jìn)行磁差校正)根據(jù)儀器記錄方式，大致分為?？寺Ａ饔?jì)印刷型海流計(jì)照相型海流計(jì)磁帶記錄型海流計(jì)遙測(cè)型海流計(jì)直讀型海流計(jì)電傳型海流計(jì)251.?？寺Ａ饔?jì)瑞典海洋學(xué)家?？寺?905年設(shè)計(jì)現(xiàn)已被淘汰，但基本原理仍被沿用旋漿啟動(dòng)速度為3cm/s測(cè)量準(zhǔn)確度流速：±5cm/s流向：±10?~15?262.印刷型海流計(jì)船用或浮標(biāo)用定點(diǎn)自記測(cè)流儀器，最大使用深度6000m，連續(xù)記錄時(shí)間長(zhǎng)達(dá)2個(gè)月273.照相型海流計(jì)船用或浮標(biāo)用定點(diǎn)自記測(cè)流儀器用一個(gè)大直徑導(dǎo)流葉輪測(cè)量流速用隨海流方向轉(zhuǎn)動(dòng)的度盤示數(shù)測(cè)定流向測(cè)量值經(jīng)照相記錄在耐壓殼內(nèi)的膠卷上儀器測(cè)量深度為150m，自記工作時(shí)間30天284.磁錄式海流計(jì)浮標(biāo)用定點(diǎn)自記測(cè)流儀器，如安德拉海流計(jì)將測(cè)量數(shù)據(jù)以二進(jìn)制編碼方式記錄在磁帶上最大使用深度：1000~6000m測(cè)量流速范圍：3~400cm/s，準(zhǔn)確度：3~5cm/s流向準(zhǔn)確度：±5?295.遙測(cè)型海流計(jì)浮標(biāo)用定點(diǎn)自記測(cè)流儀器雙頻道無線電遙測(cè)裝置流速與流向值根據(jù)自記儀紙帶上記錄脈沖頻率和相對(duì)位置而進(jìn)行測(cè)定測(cè)量流速范圍：10~360cm/s流速準(zhǔn)確度：±5cm/s流向準(zhǔn)確度：±5?306.直讀式海流計(jì)船用定點(diǎn)測(cè)流儀器流速流向測(cè)量的電信號(hào)均經(jīng)電纜傳遞到顯示器測(cè)量數(shù)據(jù)直觀、資料整理方便，測(cè)量速度快最大使用深度：150~660m測(cè)量流速范圍：5~700cm/s31二、電磁海流計(jì)該類儀器是應(yīng)用法拉第電磁感應(yīng)定理，通過測(cè)量海水流過磁場(chǎng)時(shí)所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)來測(cè)定海流32磁場(chǎng)的來源不同地磁場(chǎng)電磁海流計(jì)人造磁場(chǎng)電磁海流計(jì)深海型表層型二、電磁海流計(jì)地磁場(chǎng)電磁海流計(jì)深海型深海型不適用于表層測(cè)流，在水深小于100m的海區(qū)不宜使用表層型表面層型只適用于測(cè)表面層的海流優(yōu)點(diǎn)：可以走航自記，水下部件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易、可靠性高缺點(diǎn)：由于它與地球垂直磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，不能在赤道附近使用，只適用于地磁垂直強(qiáng)度大于0.1A／m2的海區(qū)。同時(shí)，它受船磁的影響也較大測(cè)流范圍在3～300cm/s，流速測(cè)量準(zhǔn)確度為±2cm/s，流向測(cè)量準(zhǔn)確度為±5?33二、電磁海流計(jì)人造磁場(chǎng)電磁海流計(jì)受深度和緯度的限制不大適于船用或錨定水下測(cè)量與直讀式海流計(jì)類似，只是水下傳感器不同34優(yōu)點(diǎn)：準(zhǔn)確度高，測(cè)量值可靠，體積小，操作簡(jiǎn)便，無活動(dòng)部件，對(duì)流場(chǎng)影響小測(cè)量流速范圍0～350cm/s，準(zhǔn)確度±1cm/s或±2％滿量程，流向準(zhǔn)確度為±2?三、聲學(xué)多普勒海流計(jì)以聲波在流動(dòng)液體中的多普勒頻移來測(cè)流速優(yōu)點(diǎn)聲速可以自動(dòng)校準(zhǔn)，能連續(xù)記錄，儀器無活動(dòng)部件，無摩擦和滯后現(xiàn)象，測(cè)量時(shí)感應(yīng)時(shí)間快，測(cè)量準(zhǔn)確度高，可測(cè)弱流等缺點(diǎn)存在儀器的本身發(fā)射功率、電池壽命和聲波衰減等問題，因此限制了該類儀器的使用該類儀器的流速準(zhǔn)確度為±2cm/s，流向準(zhǔn)確度為±5?，工作最大深度為50～6000m35四、聲學(xué)多普勒海流剖面儀(ADCP)目前觀測(cè)多層海流剖面最有效的方法優(yōu)點(diǎn)

準(zhǔn)確度高、分辨率高、操作方便嚴(yán)格來說，ADCP也屬于聲學(xué)多普勒海流計(jì)，但其發(fā)聲頻率、功率和接收回聲以及處理的方式有所不同36四、聲學(xué)多普勒海流剖面儀(ADCP)測(cè)流原理測(cè)定聲波入射到海水中微顆粒的后向散射在頻率上的多普勒頻移，得到不同水層水體的運(yùn)動(dòng)速度37多普勒效應(yīng)：聲源與接收器之間由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而使接收器接收到的頻率與聲源的固有頻率不一致的現(xiàn)象，差為多普勒頻移兩者互相接近：接收頻率>發(fā)射頻率兩者互相遠(yuǎn)離：接收頻率<發(fā)射頻率四、聲學(xué)多普勒海流剖面儀(ADCP)測(cè)流原理如果一束超聲波能量射入非均勻液體介質(zhì)時(shí)，液體中的不均勻體把部分能量后向散射回接收器，接收的頻率與發(fā)射頻率不同，產(chǎn)生多普勒頻移比例于發(fā)射/接收器和后向散射體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度38f′：接收頻率

f0：發(fā)射頻率c：聲波在海水中的傳播速度v：散射單元運(yùn)動(dòng)速度(海流速度)θ：發(fā)射或接收波束與海流方向夾角四、聲學(xué)多普勒海流剖面儀(ADCP)測(cè)流原理多普勒頻移：39可求得三維流速4041五、其它測(cè)流儀光學(xué)式海流計(jì)激光多普勒技術(shù)電阻式海流計(jì)利用海流對(duì)電阻絲的降溫作用來測(cè)流優(yōu)點(diǎn)：可測(cè)瞬時(shí)流和低速流，測(cè)量準(zhǔn)確度高，可遙測(cè)遮阻渦流海流計(jì)工作原理：圓柱桿置于流場(chǎng)中，必在其后產(chǎn)生海水渦動(dòng)現(xiàn)象，用聲學(xué)方法測(cè)出渦流的頻率，并根據(jù)頻率與流速成正比、與圓柱桿的直徑成反比的關(guān)系得出流速值427.3海流觀測(cè)的持續(xù)時(shí)間選擇原因現(xiàn)有海流計(jì)主要測(cè)量潮流和常流要準(zhǔn)確測(cè)量，必須抑制干擾這兩種運(yùn)動(dòng)的噪聲，即湍流和海浪的影響觀測(cè)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短選擇，實(shí)際上就是用何種“時(shí)間濾波器”將噪聲濾掉4344一、流速場(chǎng)的描述海水中各種可能運(yùn)動(dòng)的尺度譜很寬，海洋中的運(yùn)動(dòng)可以分成三類：規(guī)律性的大尺度運(yùn)動(dòng)，可以獨(dú)立描述極其無規(guī)則的小尺度渦旋運(yùn)動(dòng)(湍流)，必須予以統(tǒng)計(jì)描述各類波動(dòng)(波浪、潮流)它們都具有某些周期性，這類運(yùn)動(dòng)也可以用獨(dú)立的理論描述45海流觀測(cè)結(jié)果，要求其脈動(dòng)累加平均值等于0要求對(duì)一定時(shí)間間隔求平均值(函數(shù)時(shí)間平滑)在海洋條件下，函數(shù)時(shí)間平滑所得值與所取的時(shí)間尺度有關(guān)由于海洋可表征為各種尺度運(yùn)動(dòng)都包括的寬頻譜，所以很難說什么樣的平滑尺度能滿足如果平均周期取得不夠大則平均值是不穩(wěn)定的，每次測(cè)量的平均值會(huì)有顯著的不同二、觀測(cè)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短的選擇1.直讀式海流計(jì)流速觀測(cè)延續(xù)時(shí)間：0.5min、3min、10min、15min流向記錄：瞬時(shí)2.安德拉海流計(jì)流速觀測(cè)延續(xù)時(shí)間：30s、3min、5min467.4影響海流觀測(cè)誤差分析一、平臺(tái)無運(yùn)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的誤差接近海面的流動(dòng)由于平臺(tái)的影響而改變平臺(tái)上的鋼鐵裝置導(dǎo)致儀器上的磁羅經(jīng)偏移長(zhǎng)吊纜的彈性使儀器的反應(yīng)失真儀器無指示深度的元件，由于鋼絲傾斜導(dǎo)致深度失真47二、平臺(tái)緩慢移動(dòng)所產(chǎn)生的誤差測(cè)量平臺(tái)的緩慢移動(dòng)的作用以平臺(tái)為中心的擺動(dòng)以錨為中心的擺動(dòng)三、平臺(tái)的快速運(yùn)動(dòng)－波浪場(chǎng)的影響呈現(xiàn)在儀器上的短暫的快速水平運(yùn)動(dòng)都是直接或間接由波浪使平臺(tái)動(dòng)蕩以及海水的亂流所致在風(fēng)浪作用下，對(duì)海流計(jì)的影響近似認(rèn)為附加上下垂直運(yùn)動(dòng)和水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)487.5直讀式海流計(jì)使用方法一、儀器結(jié)構(gòu)儀器由水下探測(cè)器、水上數(shù)據(jù)終端及電纜等組成49水下探測(cè)器由旋漿、導(dǎo)流罩、流速發(fā)訊器、接收器、吊架、尾翼及插座等組成數(shù)據(jù)終端采用單片微機(jī)系統(tǒng)，可液晶顯示，也可打印輸出50二、工作原理水下探測(cè)器和微機(jī)系統(tǒng)由一組6V直流電源供電水下探測(cè)器工作狀態(tài)由微機(jī)系統(tǒng)通過三芯電纜控制，流速流向傳感器采集的信號(hào)經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后，通過電纜輸送至微機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后直接顯示或送至打印機(jī)當(dāng)工作電壓低于4.5V時(shí)，液晶顯示器顯示低壓標(biāo)志，此時(shí)須更換電池51三、儀器操作方法船到站后，利用繩索和支架等將水下探測(cè)器下放至預(yù)定深度，并加以固定進(jìn)入30s快速測(cè)量打印模式打印開關(guān)(DUMP)應(yīng)置于OFF位置，開機(jī)儀器自動(dòng)復(fù)位，或按復(fù)位鈕(R