第七章 海流觀測

第七章海流觀測主要內(nèi)容海流概述觀測方法海流計(jì)簡介海流觀測的持續(xù)時間選擇影響海流觀測誤差分析直讀式海流計(jì)使用方法海流觀測資料的整理與分析1概述海水運(yùn)動：亂流、波動、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)動空間尺度較大(>5km)、時間尺度較長(周期超過12h)的運(yùn)動，包括潮流和常流(余流)，亂流、波動排除在外23不同尺度海洋現(xiàn)象潮流：伴隨潮汐漲落現(xiàn)象所做的周期性變化的海水流動由日月引潮力引起，變化周期主要有半日和全日常流：沿一定路徑、方向基本朝向一個方向的大規(guī)模的海水運(yùn)動運(yùn)動準(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)生將一個區(qū)域的海水輸運(yùn)到另一個區(qū)域，伴隨著能量輸運(yùn)45進(jìn)行海流觀測時，要按一定時間間隔持續(xù)觀測一晝夜或多晝夜，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為潮流，剩余部分為常流觀測海流的重要性對漁業(yè)：寒暖流交匯處往往形成良好的漁場建港中要計(jì)算海流對泥沙的搬運(yùn)海上交通中要考慮順流節(jié)約時間海水的運(yùn)動規(guī)律對海洋科學(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677.1海流觀測方法海流觀測包括流速和流向流速單位時間內(nèi)海水流動的距離單位：m/s或cm/s流向海水流去的方向單位：度(?)8海流觀測層次參照溫度觀測層次或根據(jù)需要選定海流觀測表層為0~3m以內(nèi)的水層由于船體影響使得流速、流向測量不準(zhǔn)海流連續(xù)觀測時間不少于25h，至少每小時觀測一次海流輔助觀測項(xiàng)目風(fēng)速、風(fēng)向等氣象要素海流觀測方法拉格朗日方法(隨流運(yùn)動)、歐拉方法(定點(diǎn))910拉格朗日方法歐拉方法一、浮標(biāo)漂移測流法（拉格朗日方法）根據(jù)自由漂移物隨海水流動的情況來確定海水的流速、流向，主要適用于表層流的觀測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定浮標(biāo)的移動情況，取得較為精確的海流資料被動測流，空間分布特征不均勻12觀測方法觀測在拉格朗日坐標(biāo)系統(tǒng)中進(jìn)行取起始坐標(biāo)和從開始時間起所經(jīng)過的時間τ-

τ0為獨(dú)立變量，流動坐標(biāo)：13流速為坐標(biāo)對時間的導(dǎo)數(shù)：1.漂流瓶測表層流漂流瓶(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間，就可以大致地確定流速和流向廉價，早期常用的測流方法142.跟蹤浮標(biāo)法測表層流船體跟蹤將浮體施放于選定海面，使之自由隨海水流動，觀測者乘小船跟隨其后并按特定時間間隔從船上定位連續(xù)觀測，一般要延續(xù)一個半日潮周期良好天氣狀況下才能進(jìn)行儀器跟蹤人工特制浮標(biāo)隨海水自由流動，在岸上用雷達(dá)跟蹤浮標(biāo)本身定時發(fā)射無線電訊號衛(wèi)星地面或航空攝影方法測定浮標(biāo)移動情況153.中性浮子測流深海中下層海流觀測困難中性浮子具有可調(diào)節(jié)性，可適用深海海流觀測實(shí)測中，首先根據(jù)溫鹽觀測值，確定出待測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，觀測船上利用聲納跟蹤中性浮子，消除船體漂移運(yùn)動，可測出相應(yīng)水層的流動速度和方向16目前海洋水文觀測中常用方法1.定點(diǎn)臺架方式測流淺海海流觀測，用固定臺架懸掛儀器，使海流計(jì)處于穩(wěn)定狀態(tài)，可長時間連續(xù)觀測海面臺架海上平臺、其它固定臺架實(shí)測時，盡可能避免臺架對流場產(chǎn)生的影響海底臺架棱錐形臺架，海流計(jì)固定于框架中部適當(dāng)位置17二、定點(diǎn)觀測海流（歐拉方法）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)行海流觀測有的僅用于觀測表層海流，有的可用于同時觀測多層海流183.錨定船測流在船上利用絞車和鋼絲繩懸掛海流計(jì)觀測海流仍是常用的、最主要的測流方式根據(jù)水深確定觀測層次將海流計(jì)沉放至預(yù)定水層，測量流速和流向并記下觀測時間鋼絲或電纜傾角>10?時，須作深度的傾角訂正19船只錨定測流費(fèi)用高船只航行的時候同時觀測海流，不僅可以節(jié)省時間，提高效益，而且還可以同時觀測多層海流實(shí)現(xiàn)常規(guī)方法很難測流海區(qū)的海流觀測走航式海流觀測儀器ADCP原理：測出船對海底的絕對運(yùn)動速度和方向，同時測出船對海水的相對運(yùn)動速度和方向，再經(jīng)矢量合成得出海水對海底的運(yùn)動速度和方向20船速船測流速三、走航測流流速不大于100cm/s時水深在200m以淺海區(qū)，測量準(zhǔn)確度應(yīng)為±5cm/s水深在200m以深海區(qū)，測量準(zhǔn)確度應(yīng)為±3cm/s流向測量的準(zhǔn)確度均為±10?流速超過100cm/s時水深在200m以淺海區(qū)，測量準(zhǔn)確度應(yīng)為±5%水深在200m以深海區(qū)，測量準(zhǔn)確度應(yīng)為±3%流向測量的準(zhǔn)確度均為±10?21四、海流連續(xù)觀測的準(zhǔn)確度要求觀測淺層(船吃水深度三倍以內(nèi)的水層)海流時，應(yīng)借助小型錨定浮標(biāo)或施放小艇進(jìn)行觀測，以消除船體的影響利用調(diào)查船為承載工具測淺層以下各層海流時，若使用非自記海流計(jì)，待海流計(jì)沉放至預(yù)定觀測水層后即可進(jìn)行觀測；使用自記海流計(jì)，可根據(jù)絞車和鋼絲繩的負(fù)載，串掛多臺海流計(jì)同時觀測多層海流測流時，必須記錄觀測開始時間和結(jié)束時間如果用自記海流計(jì)懸掛于浮標(biāo)或潛標(biāo)上進(jìn)行海流觀測時，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))錨定后記錄觀測開始時間和浮標(biāo)(或潛標(biāo))準(zhǔn)確位置22五、海流觀測注意事項(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)觀測時，應(yīng)至少每3小時觀測一次船位。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，重新開始觀測周日連續(xù)觀測一般不得缺測，凡中斷觀測2小時以上者，最好重新觀測23247.2海流計(jì)簡介機(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流儀器基本原理：依據(jù)旋漿葉片受水流推動的轉(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25一、機(jī)械旋漿式海流計(jì)埃克曼海流計(jì)印刷型海流計(jì)照相型海流計(jì)磁帶記錄型海流計(jì)遙測型海流計(jì)直讀型海流計(jì)電傳型海流計(jì)1.?？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速度為3cm/s測量準(zhǔn)確度流速：±5cm/s流向：±10?~15?262.直讀式海流計(jì)船用定點(diǎn)測流儀器流速流向測量的電信號均經(jīng)電纜傳遞到顯示器測量數(shù)據(jù)直觀、資料整理方便，測量速度快最大使用深度：150~660m測量流速范圍：5~700cm/s27二、電磁海流計(jì)該類儀器是應(yīng)用法拉第電磁感應(yīng)定理，通過測量海水流過磁場時所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢來測定海流28磁場來源地磁場電磁海流計(jì)人造磁場電磁海流計(jì)深海型表層型地磁場電磁海流計(jì)深海型不適用于表層測流，在水深小于100m的海區(qū)不宜使用表層型只適用于測表面層的海流優(yōu)點(diǎn)：可以走航自記，水下部件結(jié)構(gòu)簡易、可靠性高缺點(diǎn)：與地球垂直磁場強(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)；受船磁的影響也較大測流范圍3～300cm/s，流速測量準(zhǔn)確度±2cm/s，流向測量準(zhǔn)確度±5?29人造磁場電磁海流計(jì)受深度和緯度的限制不大適于船用或錨定水下測量與直讀式海流計(jì)類似，只是水下傳感器不同30優(yōu)點(diǎn)：準(zhǔn)確度高，測量值可靠，體積小，操作簡便，無活動部件，對流場影響小測量流速范圍0～350cm/s，準(zhǔn)確度±1cm/s或±2％滿量程，流向準(zhǔn)確度±2?三、聲學(xué)多普勒海流計(jì)聲波在流動液體中的多普勒頻移來測流速優(yōu)點(diǎn)聲速自動校準(zhǔn)，連續(xù)記錄，儀器無活動部件，無摩擦和滯后現(xiàn)象，測量感應(yīng)時間快，測量準(zhǔn)確度高，可測弱流等缺點(diǎn)儀器本身發(fā)射功率、電池壽命和聲波衰減等問題，限制了該類儀器的使用該類儀器的流速準(zhǔn)確度±2cm/s，流向準(zhǔn)確度±5?，工作最大深度50～6000m31目前觀測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32四、聲學(xué)多普勒海流剖面儀(ADCP)測流原理測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)動速度33多普勒效應(yīng)：聲源與接收器之間由于相對運(yùn)動，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)射頻率測流原理如果一束超聲波能量射入非均勻液體介質(zhì)時，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運(yùn)動速度34f′：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)動速度(海流速度)θ：發(fā)射或接收波束與海流方向夾角測流原理多普勒頻移：35可求得三維流速36布放方式37387.3海流觀測的持續(xù)時間選擇現(xiàn)有海流計(jì)主要測量潮流和常流要準(zhǔn)確測量，必須抑制干擾這兩種運(yùn)動的噪聲，即湍流和海浪的影響觀測持續(xù)時間長短選擇，實(shí)際上就是用何種“時間濾波器”將噪聲濾掉3940海洋中的運(yùn)動可以分成三類：規(guī)律性的大尺度運(yùn)動，可以獨(dú)立描述極其無規(guī)則的小尺度渦旋運(yùn)動(湍流)，必須統(tǒng)計(jì)描述各類波動(波浪)它們都具有某些周期性，這類運(yùn)動也可以用獨(dú)立的理論描述一、流速場的描述41海流觀測結(jié)果，要求其脈動累加平均值等于0要求對一定時間間隔求平均值(函數(shù)時間平滑)在海洋條件下，函數(shù)時間平滑所得值與所取的時間尺度有關(guān)由于海洋可表征為各種尺度運(yùn)動都包括的寬頻譜，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，每次測量的平均值會有顯著的不同1.直讀式海流計(jì)流速觀測持續(xù)時間：0.5min、3min、10min、15min流向記錄：瞬時42二、觀測持續(xù)時間的選擇2.ADCP瞬時437.4影響海流觀測誤差分析接近海面的流動由于平臺的影響而改變平臺上的鋼鐵裝置導(dǎo)致儀器上的磁羅經(jīng)偏移長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44一、平臺無運(yùn)動時出現(xiàn)的誤差測量平臺的緩慢移動的作用以平臺為中心的擺動以錨為中心的擺動45二、平臺緩慢移動所產(chǎn)生的誤差三、平臺的快速運(yùn)動－波浪場的影響呈現(xiàn)在儀器上的短暫的快速水平運(yùn)動都是直接或間接由波浪使平臺動蕩以及海水的亂流所致在風(fēng)浪作用下，對海流計(jì)的影響近似認(rèn)為附加上下垂直運(yùn)動和水平往復(fù)運(yùn)動467.5直讀式海流計(jì)使用方法一、儀器結(jié)構(gòu)儀器由水下探測器、水上數(shù)據(jù)終端及電纜等組成47水下探測器由旋漿、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48水下探測器工作狀態(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)49二、工作原理三、儀器操作方法船到站后，利用繩索和支架等將水下探測器下放至預(yù)定深度，并加以固定正常測量和打印模式儀器在顯示0030后約2s，若未按SET鈕，則循環(huán)顯示備選測量周期3、15、30分鐘，確認(rèn)所需測量周期后，按SET鈕，2s后儀器開始正常工作顯示屏左邊的冒號閃爍表明正常工作！數(shù)據(jù)直讀：儀器最小測量周期為3分鐘，