海流觀測技術

80年代末期、90年代初期引人矚目的一些海洋自動觀測儀器設備在技術上的新突破。其中以聲學多普勒海流剖面儀，波浪、潮汐和海流綜合測量設備，岸基雷達(測量海流、波浪和風)為特點。1聲學多普勒海流剖面儀(ADCP)世界上第一臺商品化的聲學多普勒海流剖面儀(ADCP)生產(chǎn)于70年代中期［2］;1985年后,ADCP逐漸普及;進入90年代,ADCP的使用更加普遍。在80年代窄帶ADCP技術(NBADCP)的基礎上,90年代相繼發(fā)展了寬帶ADCP技術(BBADCP)、相控陣ADCP技術(PA-ADCP)、聲相關海流剖面測量技術(ACCP)以及測量一個水平面上海流分布的ADCP技術。這四種技術中,前三種我國已在跟蹤研究，不再贅述;第四種技術國內(nèi)尚未引起太多的注意,有必要一提。普通的ADCP,不論是船載式/拖曳式/坐底式,還是自容式/直讀式，均測量一個垂直面上的海流分布。在多數(shù)情況下它們能夠滿足使用需要，但在某些情況下，例如測量特別狹窄海峽的海流,則遇到了問題。許多狹窄的海峽往往是交通要道其海流特別是漲潮流和落潮流通常很大，海流的實時信息對于在這種海峽航行的船舶安全至關重要。在航道的中央難以長期使用坐底的、直讀的ADCP測流。原因是海流強大、交通繁忙,坐底的、直讀的ADCP不便布放和維護。另一個原因是強流不斷地沖動ADCP和水下信號傳輸電纜，可能使其挪位或遭受損壞?，F(xiàn)實的需要促使ADCP技術從垂直方向測量朝水平方向測量發(fā)展。美國斯克里普斯海洋研究所、RD儀器公司、SonTek公司和日本無線電公司在這方面都開展了一系列的研究工作。2波浪、潮汐和海流綜合測量設備利用壓力傳感器和矢量海流計技術形成的波浪、潮汐和海流綜合測量設備這種設備的代表性產(chǎn)品是美國WoodsHole儀器系統(tǒng)有限公司的SeaPac2100型以及In-terOcean系統(tǒng)公司的S4ADW型方向性波浪、潮汐和海流計。兩者均用精密石英壓力傳感器測量動態(tài)壓力，用人工磁場電磁海流計測量兩個水平流速分量,然后進行波浪能譜和方向譜分析，計算得出有效波高、有效波周期、跨零周期、譜峰周期、波峰周期、最多波向、平均水位、海流兩個平均分量、平均流速和流向、29項分潮和余流等參數(shù)。［5］、［6］1997年美國Falmouth科學公司(FSI)推出一種三維波浪海流計(3D-ACMWAVE)。它用微切削加工的硅壓力傳感器代替石英壓力傳感器測量動態(tài)壓力，用普通的三維聲學海流計代替電磁海流計測量三個流速分量［7］。在同樣的測量準確度下，硅壓力傳感器比石英壓力傳感器價格便宜約一半;在數(shù)據(jù)處理中，三維的聲學海流計比二維的電磁海流計更具優(yōu)勢。因此從長遠的角度看，這種三維波浪海流計似乎更有發(fā)展?jié)摿Α＠脡毫鞲衅骱褪噶亢Ａ饔嫾夹g所形成的波浪、潮汐和海流綜合測量設備目前在市場上占有相當?shù)姆蓊~。其不足之處是第一，雖然儀器的最大使用深度可達幾十米，但由于動態(tài)壓力隨著深度迅速衰減,儀器允許使用的深度實際有限，對壓力式波浪潮位計來說，廠商建議使用的深度僅5~15m［8］。第二，壓力譜轉(zhuǎn)換為波浪譜是基于一定的理論作出的，在海況惡劣時理論本身的適用性受到挑戰(zhàn),據(jù)之進行計算，可信度必然下降。利用坐底式ADCP技術形成的波浪、潮汐和海流綜合測量設備這類設備分成兩種：一種利用坐底式ADCP進行海流剖面測量，同時又在設備上增加第五個聲束或壓力傳感器測量波浪和潮汐(相當于使用一個聲學波浪/潮位儀或壓力式波浪/潮位儀)，例如美國EDO公司的APC-600型聲學剖面海流計和SonTek公司的Argonaut-XR型垂向累計聲學多普勒海流計［9］、［10］。這種設備不能得到波向參數(shù)。另一種既利用坐底式ADCP的四個聲束測量海流剖面,又提取其信息計算波向譜,進而得出波浪的各種特性參數(shù)。國外從80年代后期開始這項研究，目前尚未見到正式產(chǎn)品。我國亦在開展相應的研究,此不詳述。與第(1)種技術所形成的波浪、潮汐和海流綜合測量設備比較起來，第(2)種技術能夠進行整個剖面的海流測量，這是一個明顯的優(yōu)點，也是科技人員多年來堅持不懈地研究它的原因。它的局限性亦與第(1)種技術相似:在海況惡劣時，特別是在海浪破碎、出現(xiàn)大量氣泡時，其測量原理和計算公式都會遇到困難。誠如某些研究者指出的那樣，海面所包含的波浪信息最豐富，只要有可能，應當在海面直接測量。全球定位系統(tǒng)(GPS)的出現(xiàn)提供了這樣的機會,于是第(3)種類型的測量設備應運而生。利用差分GPS技術形成的波浪、潮汐和海流綜合測量設備全球定位系統(tǒng)(GPS)1989年第一顆工作衛(wèi)星入軌運行,1994年全面建成投入使用。目前GPS技術的應用沿著兩個方向發(fā)展:一是用于各種交通工具、飛行器和機動兵器的導航和動態(tài)定位二是用于地球動力學研究的超高精度的靜態(tài)測量。把差分GPS技術與錨泊浮標技術結(jié)合起來進行波浪、潮汐和海流綜合測量，是GPS技術用于地球流體力學研究的一個實例。90年代初，為了配合歐洲遙感衛(wèi)星ERS-1的試驗，德國天文物理大地測量研究所(I-APG)專門研制了三套用于校準ERS-1上雷達高度計的錨泊浮標。浮標上安裝了1臺GPS接收機、2個傾斜傳感器和1臺膝上型計算機。GPS天線位于浮標頂部。浮標可在以錨塊上方的海面為中心的、以2?3倍水深為半徑的圓圈內(nèi)隨波浪和海流運動。在距離浮標布放點15km左右的陸地參考站上安裝了另外一臺GPS接收機。在差分方式下，通過測量GPS載波信號的相位值來確定浮標天線相對于陸地參考站天線的三維位置，其準確度達到厘米數(shù)量級。傾斜傳感器的作用是把由于運動而傾斜的浮標天線的位置換算成準確的垂直位置。根據(jù)浮標和陸地參考站的測量數(shù)據(jù)計算得出:瞬時海平面和平均海平面;與時間及位置有關的分立波高和平均波高;布放海區(qū)海流(潮流)速度和方向的變化。浮標給出的結(jié)果與鄰近驗潮站測量的結(jié)果一致,差別在2?3cm之間。1991年9月這三套錨泊浮標布放在北海Danish附近,工作了3個月,完成了ERS-1衛(wèi)星的25次測量。［11］南非科學和工業(yè)研究委員會(CSIR)使用普通的波浪浮標校準裝置，對安裝有GPS載波相位接收機的波浪浮標進行了專門的動態(tài)試驗。校準裝置模擬的波高4m、周期10s。參考站距離校準裝置約30m。試驗結(jié)果表明:浮標記錄的位置與浮標轉(zhuǎn)動時實際路徑的差別在2cm之內(nèi);浮標計算的“波向”與校準裝置設定的方向相差僅1°。試驗認為,如果每秒采樣一次,取10min平均值，對潮汐變化的監(jiān)測就可能達到厘米的準確度。試驗還指出，這種差分GPS的波向浮標不需安裝羅盤，給實際使用帶來很大方便。［12］1997年挪威OCEANOR公司率先在市場上推出了商品化的、使用差分GPS技術的Smart-800型波向浮標。它通過測量浮標在正北、正東和垂直方向上的速度得到波浪數(shù)據(jù)。波高測量范圍土20m，準確度為幅度的2%;周期測量范圍2~33.3s(當采樣頻率為1Hz時);波向測量范圍0?360°，準確度±5°(典型值)。浮標上的GPS接收機6~12通道，利用L1載波、CA碼。陸地參考站可以是浮標系統(tǒng)岸站的一個組成部分(即把一個專用的、12通道的GPS接收機與浮標系統(tǒng)岸站安裝在一起)，也可以通過用戶已有的差分訂正信號源提供（使用RTCM104v.2.0格式）。浮標內(nèi)配備32位的、功能強大的CMOS微處理機，以UHF（440~460MHz）視距通訊方式向岸站傳輸數(shù)據(jù)。整個浮標呈球形，直徑0.8m，重量（包括電池）僅60kg。浮標殼體材料為聚乙烯，壁厚8mm。由于GPS、UHF天線和接插件全部安裝在殼體內(nèi)，沒有外露部件，因此Smart-800型浮標的布放回收、維護管理遠比普通波向浮標方便。［13］2.1.3岸基雷達（測量海流、波浪和風）70年代以來，利用岸基雷達探測海流、波浪和風的技術迅速發(fā)展，已在美國、英國、法國、日本、德國、澳大利亞等國家應用。進入90年代，岸基雷達在技術上仍然不斷發(fā)展，體現(xiàn)在應用上就是產(chǎn)品形成系列，互相配套,滿足不同使用的需要。下面列舉CODAR和EuroGOOS兩個例子，從中可窺一斑。美國CODAR海洋傳感器有限公司（COS）是高頻雷達測流技術的佼佼者,其產(chǎn)品Sea-Sonde1993年上市。標準的SeaSonde是一種岸基的HF雷達系統(tǒng)，它遙測海洋表層（海面下5第1期 90年代海洋自動觀測儀器和平臺技術發(fā)展動態(tài) 1m內(nèi)）的海流場。兩個雷達一般相距15~50km，各自測量徑向的海流分量,探測距離大于60km;把它們重迭區(qū)域的海流分量合成起來，就能得到海區(qū)的海流矢量圖。作為種二級輸出，SeaSonde也能監(jiān)測波向譜參數(shù)。SeaSonde工作頻率12~25MHz，若距離元總數(shù)32個，距離分辨率可從3km變到1km，相應的最大探測距離96?32km。在標準的SeaSonde面世后，最近幾年COS根據(jù)使用的需要又開發(fā)了下列型號。（1）OffshoreWaveSonde（海上型SeaSonde）。它不是岸基，而是安裝于海上固定的石油平臺、錨泊的鉆井船或者其它浮動的平臺，監(jiān)測平臺附近的波向譜數(shù)據(jù)和表層海流,重點是海浪。（2）Hi-ResSeaSonde（高分辨率型SeaSonde）。它主要是為了滿足在某些場合（例如海灣和港口）使用時所要求的高分辨率。工作頻率改用VHF（47?50MHz）。在距離元總數(shù)保持32個的條件下，分辨率300m,探測距離9.6km。Hi-ResSeaSonde1996年試驗,1997年上市。［14］（3）EEZSeaSonde（專屬經(jīng)濟區(qū)型SeaSonde）。它主要是為了滿足200海里專屬經(jīng)濟區(qū)監(jiān)測的需要。工作頻率約5MHz。天線形式為:用5根各2m長的鞭狀天線構成一個五邊形的超銳定向天線,安裝在20m高的桿上;兩組這樣的天線相距30m（半波長）;方向增益19.2dB。EEZSeaSonde于1998年4月完成海上試驗。［15］“全球海洋觀測系統(tǒng)”（GOOS）是聯(lián)合國教科文組織政府間海洋委員會（IOC）1989年倡議建立的,1992年為聯(lián)合