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(guò)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(lái)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(wú)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(guò)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(lái)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(wú)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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)家埃克曼于1905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(wú)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(guò)測(cè)量海水流過(guò)磁場(chǎng)時(shí)所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)來(lái)測(cè)定海流32磁場(chǎng)的來(lái)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(wú)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(lái)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(wú)活動(dòng)部件，無(wú)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(wèn)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(lái)說(shuō)，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(lái)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(wú)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(shuō)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(wú)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(wú)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(guò)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(guò)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