海流觀測(cè)技術(shù)

80年代末期、90年代初期引人矚目的一些海洋自動(dòng)觀測(cè)儀器設(shè)備在技術(shù)上的新突破。其中以聲學(xué)多普勒海流剖面儀，波浪、潮汐和海流綜合測(cè)量設(shè)備，岸基雷達(dá)(測(cè)量海流、波浪和風(fēng))為特點(diǎn)。1聲學(xué)多普勒海流剖面儀(ADCP)世界上第一臺(tái)商品化的聲學(xué)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(jìn)入90年代,ADCP的使用更加普遍。在80年代窄帶ADCP技術(shù)(NBADCP)的基礎(chǔ)上,90年代相繼發(fā)展了寬帶ADCP技術(shù)(BBADCP)、相控陣ADCP技術(shù)(PA-ADCP)、聲相關(guān)海流剖面測(cè)量技術(shù)(ACCP)以及測(cè)量一個(gè)水平面上海流分布的ADCP技術(shù)。這四種技術(shù)中,前三種我國(guó)已在跟蹤研究，不再贅述;第四種技術(shù)國(guó)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(cè)量一個(gè)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(cè)量特別狹窄海峽的海流,則遇到了問(wèn)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(shí)時(shí)信息對(duì)于在這種海峽航行的船舶安全至關(guān)重要。在航道的中央難以長(zhǎng)期使用坐底的、直讀的ADCP測(cè)流。原因是海流強(qiáng)大、交通繁忙,坐底的、直讀的ADCP不便布放和維護(hù)。另一個(gè)原因是強(qiáng)流不斷地沖動(dòng)ADCP和水下信號(hào)傳輸電纜，可能使其挪位或遭受損壞。現(xiàn)實(shí)的需要促使ADCP技術(shù)從垂直方向測(cè)量朝水平方向測(cè)量發(fā)展。美國(guó)斯克里普斯海洋研究所、RD儀器公司、SonTek公司和日本無(wú)線電公司在這方面都開(kāi)展了一系列的研究工作。2波浪、潮汐和海流綜合測(cè)量設(shè)備利用壓力傳感器和矢量海流計(jì)技術(shù)形成的波浪、潮汐和海流綜合測(cè)量設(shè)備這種設(shè)備的代表性產(chǎn)品是美國(guó)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(jì)。兩者均用精密石英壓力傳感器測(cè)量動(dòng)態(tài)壓力，用人工磁場(chǎng)電磁海流計(jì)測(cè)量?jī)蓚€(gè)水平流速分量,然后進(jìn)行波浪能譜和方向譜分析，計(jì)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(gè)平均分量、平均流速和流向、29項(xiàng)分潮和余流等參數(shù)。［5］、［6］1997年美國(guó)Falmouth科學(xué)公司(FSI)推出一種三維波浪海流計(jì)(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(cè)量動(dòng)態(tài)壓力，用普通的三維聲學(xué)海流計(jì)代替電磁海流計(jì)測(cè)量三個(gè)流速分量［7］。在同樣的測(cè)量準(zhǔn)確度下，硅壓力傳感器比石英壓力傳感器價(jià)格便宜約一半;在數(shù)據(jù)處理中，三維的聲學(xué)海流計(jì)比二維的電磁海流計(jì)更具優(yōu)勢(shì)。因此從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度看，這種三維波浪海流計(jì)似乎更有發(fā)展?jié)摿?。利用壓力傳感器和矢量海流?jì)技術(shù)所形成的波浪、潮汐和海流綜合測(cè)量設(shè)備目前在市場(chǎng)上占有相當(dāng)?shù)姆蓊~。其不足之處是第一，雖然儀器的最大使用深度可達(dá)幾十米，但由于動(dòng)態(tài)壓力隨著深度迅速衰減,儀器允許使用的深度實(shí)際有限，對(duì)壓力式波浪潮位計(jì)來(lái)說(shuō)，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(shí)理論本身的適用性受到挑戰(zhàn),據(jù)之進(jìn)行計(jì)算，可信度必然下降。利用坐底式ADCP技術(shù)形成的波浪、潮汐和海流綜合測(cè)量設(shè)備這類設(shè)備分成兩種：一種利用坐底式ADCP進(jìn)行海流剖面測(cè)量，同時(shí)又在設(shè)備上增加第五個(gè)聲束或壓力傳感器測(cè)量波浪和潮汐(相當(dāng)于使用一個(gè)聲學(xué)波浪/潮位儀或壓力式波浪/潮位儀)，例如美國(guó)EDO公司的APC-600型聲學(xué)剖面海流計(jì)和SonTek公司的Argonaut-XR型垂向累計(jì)聲學(xué)多普勒海流計(jì)［9］、［10］。這種設(shè)備不能得到波向參數(shù)。另一種既利用坐底式ADCP的四個(gè)聲束測(cè)量海流剖面,又提取其信息計(jì)算波向譜,進(jìn)而得出波浪的各種特性參數(shù)。國(guó)外從80年代后期開(kāi)始這項(xiàng)研究，目前尚未見(jiàn)到正式產(chǎn)品。我國(guó)亦在開(kāi)展相應(yīng)的研究,此不詳述。與第(1)種技術(shù)所形成的波浪、潮汐和海流綜合測(cè)量設(shè)備比較起來(lái)，第(2)種技術(shù)能夠進(jìn)行整個(gè)剖面的海流測(cè)量，這是一個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)，也是科技人員多年來(lái)堅(jiān)持不懈地研究它的原因。它的局限性亦與第(1)種技術(shù)相似:在海況惡劣時(shí)，特別是在海浪破碎、出現(xiàn)大量氣泡時(shí)，其測(cè)量原理和計(jì)算公式都會(huì)遇到困難。誠(chéng)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(yīng)當(dāng)在海面直接測(cè)量。全球定位系統(tǒng)(GPS)的出現(xiàn)提供了這樣的機(jī)會(huì),于是第(3)種類型的測(cè)量設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。利用差分GPS技術(shù)形成的波浪、潮汐和海流綜合測(cè)量設(shè)備全球定位系統(tǒng)(GPS)1989年第一顆工作衛(wèi)星入軌運(yùn)行,1994年全面建成投入使用。目前GPS技術(shù)的應(yīng)用沿著兩個(gè)方向發(fā)展:一是用于各種交通工具、飛行器和機(jī)動(dòng)兵器的導(dǎo)航和動(dòng)態(tài)定位二是用于地球動(dòng)力學(xué)研究的超高精度的靜態(tài)測(cè)量。把差分GPS技術(shù)與錨泊浮標(biāo)技術(shù)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行波浪、潮汐和海流綜合測(cè)量，是GPS技術(shù)用于地球流體力學(xué)研究的一個(gè)實(shí)例。90年代初，為了配合歐洲遙感衛(wèi)星ERS-1的試驗(yàn)，德國(guó)天文物理大地測(cè)量研究所(I-APG)專門研制了三套用于校準(zhǔn)ERS-1上雷達(dá)高度計(jì)的錨泊浮標(biāo)。浮標(biāo)上安裝了1臺(tái)GPS接收機(jī)、2個(gè)傾斜傳感器和1臺(tái)膝上型計(jì)算機(jī)。GPS天線位于浮標(biāo)頂部。浮標(biāo)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(yùn)動(dòng)。在距離浮標(biāo)布放點(diǎn)15km左右的陸地參考站上安裝了另外一臺(tái)GPS接收機(jī)。在差分方式下，通過(guò)測(cè)量GPS載波信號(hào)的相位值來(lái)確定浮標(biāo)天線相對(duì)于陸地參考站天線的三維位置，其準(zhǔn)確度達(dá)到厘米數(shù)量級(jí)。傾斜傳感器的作用是把由于運(yùn)動(dòng)而傾斜的浮標(biāo)天線的位置換算成準(zhǔn)確的垂直位置。根據(jù)浮標(biāo)和陸地參考站的測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算得出:瞬時(shí)海平面和平均海平面;與時(shí)間及位置有關(guān)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(biāo)給出的結(jié)果與鄰近驗(yàn)潮站測(cè)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(biāo)布放在北海Danish附近,工作了3個(gè)月,完成了ERS-1衛(wèi)星的25次測(cè)量。［11］南非科學(xué)和工業(yè)研究委員會(huì)(CSIR)使用普通的波浪浮標(biāo)校準(zhǔn)裝置，對(duì)安裝有GPS載波相位接收機(jī)的波浪浮標(biāo)進(jìn)行了專門的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。校準(zhǔn)裝置模擬的波高4m、周期10s。參考站距離校準(zhǔn)裝置約30m。試驗(yàn)結(jié)果表明:浮標(biāo)記錄的位置與浮標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)實(shí)際路徑的差別在2cm之內(nèi);浮標(biāo)計(jì)算的“波向”與校準(zhǔn)裝置設(shè)定的方向相差僅1°。試驗(yàn)認(rèn)為,如果每秒采樣一次,取10min平均值，對(duì)潮汐變化的監(jiān)測(cè)就可能達(dá)到厘米的準(zhǔn)確度。試驗(yàn)還指出，這種差分GPS的波向浮標(biāo)不需安裝羅盤，給實(shí)際使用帶來(lái)很大方便。［12］1997年挪威OCEANOR公司率先在市場(chǎng)上推出了商品化的、使用差分GPS技術(shù)的Smart-800型波向浮標(biāo)。它通過(guò)測(cè)量浮標(biāo)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(cè)量范圍土20m，準(zhǔn)確度為幅度的2%;周期測(cè)量范圍2~33.3s(當(dāng)采樣頻率為1Hz時(shí));波向測(cè)量范圍0?360°，準(zhǔn)確度±5°(典型值)。浮標(biāo)上的GPS接收機(jī)6~12通道，利用L1載波、CA碼。陸地參考站可以是浮標(biāo)系統(tǒng)岸站的一個(gè)組成部分(即把一個(gè)專用的、12通道的GPS接收機(jī)與浮標(biāo)系統(tǒng)岸站安裝在一起)，也可以通過(guò)用戶已有的差分訂正信號(hào)源提供（使用RTCM104v.2.0格式）。浮標(biāo)內(nèi)配備32位的、功能強(qiáng)大的CMOS微處理機(jī)，以UHF（440~460MHz）視距通訊方式向岸站傳輸數(shù)據(jù)。整個(gè)浮標(biāo)呈球形，直徑0.8m，重量（包括電池）僅60kg。浮標(biāo)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(méi)有外露部件，因此Smart-800型浮標(biāo)的布放回收、維護(hù)管理遠(yuǎn)比普通波向浮標(biāo)方便。［13］2.1.3岸基雷達(dá)（測(cè)量海流、波浪和風(fēng)）70年代以來(lái)，利用岸基雷達(dá)探測(cè)海流、波浪和風(fēng)的技術(shù)迅速發(fā)展，已在美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、日本、德國(guó)、澳大利亞等國(guó)家應(yīng)用。進(jìn)入90年代，岸基雷達(dá)在技術(shù)上仍然不斷發(fā)展，體現(xiàn)在應(yīng)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(gè)例子，從中可窺一斑。美國(guó)CODAR海洋傳感器有限公司（COS）是高頻雷達(dá)測(cè)流技術(shù)的佼佼者,其產(chǎn)品Sea-Sonde1993年上市。標(biāo)準(zhǔn)的SeaSonde是一種岸基的HF雷達(dá)系統(tǒng)，它遙測(cè)海洋表層（海面下5第1期 90年代海洋自動(dòng)觀測(cè)儀器和平臺(tái)技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài) 1m內(nèi)）的海流場(chǎng)。兩個(gè)雷達(dá)一般相距15~50km，各自測(cè)量徑向的海流分量,探測(cè)距離大于60km;把它們重迭區(qū)域的海流分量合成起來(lái)，就能得到海區(qū)的海流矢量圖。作為種二級(jí)輸出，SeaSonde也能監(jiān)測(cè)波向譜參數(shù)。SeaSonde工作頻率12~25MHz，若距離元總數(shù)32個(gè)，距離分辨率可從3km變到1km，相應(yīng)的最大探測(cè)距離96?32km。在標(biāo)準(zhǔn)的SeaSonde面世后，最近幾年COS根據(jù)使用的需要又開(kāi)發(fā)了下列型號(hào)。（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(tái)、錨泊的鉆井船或者其它浮動(dòng)的平臺(tái)，監(jiān)測(cè)平臺(tái)附近的波向譜數(shù)據(jù)和表層海流,重點(diǎn)是海浪。（2）Hi-ResSeaSonde（高分辨率型SeaSonde）。它主要是為了滿足在某些場(chǎng)合（例如海灣和港口）使用時(shí)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(gè)的條件下，分辨率300m,探測(cè)距離9.6km。Hi-ResSeaSonde1996年試驗(yàn),1997年上市。［14］（3）EEZSeaSonde（專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)型SeaSonde）。它主要是為了滿足200海里專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)監(jiān)測(cè)的需要。工作頻率約5MHz。天線形式為:用5根各2m長(zhǎng)的鞭狀天線構(gòu)成一個(gè)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(zhǎng)）;方向增益19.2dB。EEZSeaSonde于1998年4月完成海上試驗(yàn)。［15］“全球海洋觀測(cè)系統(tǒng)”（GOOS）是聯(lián)合國(guó)教科文組織政府間海洋委員會(huì)（IOC）1989年倡議建立的,1992年為聯(lián)合