海流观测

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第六章 海流观测

海流及其观测意义 海流观测要求 海流观测方法 海流计简介 近底层海流观测 影响海流观测误差分析 海流观测资料的整理与分析
海水运动 =乱流(湍流)+波动+潮流+常流
海流

海水的宏观流动称海流,以流速和流向表征。

潮流

伴随着潮汐涨落现象所做的周期性变化的海水流动。 沿一定路径、方向基本朝向一个方向的大规模的运动。
测量范围:±10 米/秒 分辨率:0.1 厘米/秒 准确度:所测流速的±1%(±0.5 厘米/秒) 测量单元:高达100个 低功耗 单一工作模式 操作简单 可用于座底、走航、定点测量

特点及优势



其它海流计

光学式海流计

激光多普勒技术,精度高,研究中 利用海流对电阻丝的降温作用来测流,其优点是可测 瞬时流和低速流,测量精度高,可以遥测。
海流计简介

机械旋浆式海流计 电磁海流计 声学多普勒海流计 声学多普勒海流剖面仪(ADCP) 其它测流仪
机械旋浆式海流计


根据旋浆叶片受水流推动的转数来确定流 速,用磁罗经确定流向(必须进行磁差校 正)。 根据仪器记录方式分为

厄克曼海流计 印刷型海流计 照相型海流计 磁录式海流计 遥测海流计 直读式海流计

工作原理

Acoustic doppler current profiler(ADCP),声学多普勒海流剖 面仪根据多普勒原理,用矢量合成法,测量海流的垂直剖面 分布。ADCP向水体发射声波脉冲,利用背向散射声波脉冲的
多普勒频移,可以连续地测量各层水体的三维流速。

它对流场不产生任何扰动,并能实时显示流速剖面和存储数 据及回放剖面时变曲线图等。 由计算机、发射机、接收机、频率合成器、水声换能器等组 成。 走航、漂泊或定点测流

流向

海流观测的意义



直接为国防、生产、海运交通、渔业、建港 等服务。 对海洋科学其它领域研究有密切关系。 海流影响区域海洋学和全球的气候。
厄尔尼诺
在正常年份,南美洲的西海岸有一 条冷洋流——秘鲁洋流环绕着。洋流里 含有丰富的浮游生物,因而鱼量很大(鱼 以浮游生物为食)。在东太平洋上空存在 着一个反气旋(即高气压区域),热带信 风于是在太平洋从东向西吹,风中包含 大量水汽,使澳洲和印度尼西亚普降大 雨。 但是,有时候反气旋向西太平洋移 动,从而导致信风由西向东吹,并推动 海水上层的暖洋流覆盖秘鲁冷洋流,使 后者的温度猛升3℃—6℃。这就是厄尔 尼诺现象。这种反常现象可持续几个月, 它严重扰乱正常气候,并危害沿岸有关 国家的生活条件。譬如,在1982—1983 年的冬季,生活在秘鲁沿海太平洋中的 鳀鱼纷纷逃向大海深处,使原本丰富的 渔业资源一落千丈,该国的捕鱼业顿时 破产。同样,在1983年,澳洲和印度尼 西亚备遭干旱和沙暴的折磨。飓风恣意 袭击玻利尼西亚,而在平常年份该群岛 并无这种灾祸。那一年全球范围气候异 常:它清楚地表明地球系统各因素的相 互影响。

组成


工作方式

ADCP测流特点

ADCP声速可以自动校准,能连续记录,仪器 无活动部件,无摩擦和滞后现象,测量时感应 时间快,测量精度高,可测弱流,可测流速剖 面,可以使用于定点、走航等各方面观测。
ADCP 工 作 界 面
声速剖面仪收放图
美国SonTek多普勒流速剖面仪

技术指标



水深在200m以浅的海区 水深在200m以深的海区

流速测量的准确度为±5%; 流速测量的准确度为±3%。


流向测量的准确度均为10°。
海流观测方法

浮标漂移测流法 定点观测海流 走航测流
浮标漂移测流法



根据自由漂移物随海水流动的情况来确定海水的流 速、流向,主要适用于表层流的观测。 漂流法是使浮子随海流运动,再记录浮子的空间时间位置。浮子使用有表面浮标、中性浮标、带水 下帆的浮标、浮游冰块等。 借助于岸边、船上、飞机或卫星上的无线电测向和 定位系统跟踪浮标的运动,测较大深度的流速流 向则采用声学追踪中性浮标的方法。
海 流 能
海流观测要求
海流观测准确度要求

海流观测的流速、流向值规定为3min的平均流速 和主流向,否则应在观测记录上说明取样时段。 流速不大于100cm/s时

水深在200m以浅的海区


水深在200m以深的海区

流速测量的准确度为±5cm/s; 流速测量的准确度为±3cm/s。

流速超过100cm/s时
厄克曼海流计
印刷型海流计
磁录式海流计

浮标用定点自记测流仪器。 记录量大、观测时间长。 挪威产的安德拉海流计,是目前世界上 使用最广泛的海流计。其流速感应时间 有不同档,最低感应时间为30s,一般使 用3min和5min。
安德拉海流计
遥测海流计



双频道的无线电遥测装置,包括装在浮标 上的传感器和装在船上或岸上的接受装置。 流速与流向值根据自记仪纸带上记录脉冲 频率和相对位置而进行测定。 适合短期现场实时观测。

受深度和纬度的限制不大。 适用于船用或锚定水下测量,和直读式 海流计差不多,只是水下传感器不同。

S4电磁海流计 COMPACT-EM电磁海流计
S4电磁海流计


外形是球形,很好地 解决了仪器倾斜对测 流的影响。 主要优点为精度高, 测量值可靠,体积小, 操作简单,无活动部 件,对流场无影响。
锚定船测流


浮标有优势,短期观测投放回收成本高, 大面观测不适合。 以船只为承载工具,利用绞车和钢丝绳 悬挂海流计观测海流仍是常用的和最主 要的测流方式。
走航测流


在船只航行的同时观测海流(动态), 省时高效,且可以同时观测多层海流。 如ADCP观测仪,其测流原理

测出船对海底的绝对运动速度和方向或利用 高精度GPS求出船的绝对运动速度和方向, 同时测出船对水的相对运动速度和方向,再 经矢量合成得出海水对海底的运动速度和方 向,即可得出海流的流速、流向。
电磁海流计

应用法拉第电磁感应定理,通过测量海水 流过磁场时所产生的感应电动势来测定海 流的仪器。


地磁场电磁海流计 人造磁场电磁海流计
地磁场电磁海流计

地磁场电磁海流计

深海型 表层型 可走航自记,水下部件结构简易、可靠性高 不能在赤道附近使用,且受船磁的影响也较大

优点


缺点

人造磁场电磁海流计

常流(余流)



海流观测时,按一定时间间隔持续观测一昼夜或多昼夜,所得 结果是潮流和常流的合成,经计算可拆分开。水平方向周期性 运动为潮流,其余部分为常流(余流),或统称为海流。 流速

单位时间内海水流动的距离称流速,单位m/s或cm/s。 海水流去的方向称流向,正北为零,顺时针计量,单位为度(°)。
直读式海流计



流速流向测量的电信号 均经电缆传递到显示器。 测量数据直观,资料整 理方便,测量速度快, 费用低。 适合短期现场多层次实 时观测。
SLC9-2型直读海流计


主要用于200m以浅不同深度处的水流速度和方向, 同时它还可以用浮子把探测器漂离船体测量表层流速 度和方向。 测量范围为流速3~350cm/s,准确度为±5%;流向 0~360°,准确度±4°;最大使用深度200m,取样 时间间隔分别为0.5、3、15、30分钟,仪器可直接显 示观测数据手工记录,也可以打印取得记录。
S4电磁海流计 及其安装示意
COMPACT-EM
电 磁 海 流 计
声学多普勒海流计

以声波在海水中的多普勒频移测定海流的仪器。 优点

测量感应时间快、准确度高、可测弱流等 存在仪器本身的发射功率、电池寿命和声波衰减等问 题

缺点

声学多普勒海流计测流原理
声学多普勒海流剖面仪(ADCP)
仪器跟踪浮标法

人工特制的随海水自由流动的浮标,在岸上用雷达 跟踪定位。 浮标本身就可定时地发射无线电讯号,送入天空运 行的卫星中再返回地面接收系统。 使用航空摄影的方式来测定浮标的移动情况。 基本不受天气影响,成本低廉。
中性浮子测流


适用于深海测流。如美国Benthous公司生产的 中性浮子,可适用于0~6000m深的海流测量。 实测中,首先根据温盐观测值,确定出待测海 流层的海水密度,按此等效密度调节中性浮子, 施放的中性浮子在预定水层上处于重力和浮力 相平衡的状态下,在此预定水层上随海水一同 漂流,观测船上利用声纳跟踪中性浮子的漂移, 消除掉因船体漂移产生的相对运动,即可测出 相应水层的流动速度和方向。
中性浮子测流示意图
08718号Argo剖面浮标漂移轨迹 (2003.12.30 ~ 2004.03.30)
定点观测海流



以锚定的船只或浮标、海上平台或特制 固定架等为承载工具,悬挂海流计进行 海流观测。 定点台架测流 锚定浮标测流 锚定船测流
定点台架测流


在浅海海流观测中,若能用固定台架悬挂仪器, 使海流计处于稳定状态,则可测得比较准确的 海流资料并能进行长时间的连续观测。 水面台架

近底层海流

指离海底2米高度内的海水运动,其中包括潮流和常流。 海洋科学研究中经常需要知道比 2m 更靠近海底的海 流结构。 钢架用船运到选定的地点之后,从船上推入水中,再 叫潜水员入海底,整理底面,将钢架放平。从船上依 次吊下三架自容式海流计, 潜水员将其系于钢架的顶 环上。 在观测期间,潜水员要定期潜入水下,清除钢架上可 能聚集的杂物、海草;把海流计取上甲板,清除生物 附着,看仪器有无故障,取回资料。 观测结果的分析:确定海底粗糙度Z0 。


若在观测海区内已有与测流点较吻合的海上平台或 可借用的固定台架,用以悬挂海流计。 实测时,要尽可能避免台架等对流场产生的影响。

海底台架
锚定浮标测流
台架??观测准确,回收困难,依靠固有平台, 浅海有优势,深海??
锚 定 浮 标 测 流 示 意 图
1-浮艇 2-锚绳 3-底链 4-锚 5-标志浮标 6-浮子 7-水下浮标 8-分段锚链 9-三脚架 10-平衡浮标 11-海流计 12-沉块
跟踪浮标法

船体跟踪 仪器跟踪
船体跟踪浮标法


观测者乘小船始终尾随浮体移动并按特定的时间间 隔从船上定位或从岸边确定船位,这样连续观测, 一般要延续一个半日潮周期,并画出浮体在此时间 段内的运行轨迹,进而得出该海区相应时间段内的 海水运动的基本转态。 受天气影响,必须在良好的天气状况下进行。

电阻式海流计


遮阻涡流海流计

圆柱杆置于流场中,必在其后产生海水涡动现象,用 声学方法测出涡流的频率,并根据频率与流速成正比、 与圆柱杆的直径成反比的关系得出流速值。
海流百度文库发展趋势

声学测流仪是将来发展的趋势 大范围(可以检测三维立体空间) 低功耗,可长时间观测 实时化
近底层海流观测
ADCP走航测流
海流观测的注意事项



观测浅层(船吃水深度三倍以内的水层)海流时,应借助 小型锚定浮标或施放小艇进行观测。 测流时必须记录观测时间和结束时间。 自记海流计悬挂于浮标或潜标上进行海流观测时,投放与 回收浮标或潜标的船只必须具备专用起吊设备,浮标或潜 标锚定后记录观测开始时间和浮标或潜标位置。 当施放海流计的钢丝绳或电缆的倾角超过10°时,应进行 倾角订正。 以船只为承载工具进行海流连续观测时,应每三小时观测 一次船位。 周日连续观测一般不得缺测,凡中断观测两小时以上者, 须重新开始观测。
* SLC9-2型直读海流计由旋浆(1),导流罩(2),流速发讯器 (3)和接收器(4),吊架(5),双垂直和双水平尾翼(7),插座 (10)、数据终端(8)等组成。
SLC9-2型直读海流计



仪器采用旋桨式转子感应流速,其转速与被测流 速成正比,在规定的测量范围内具有良好的线性 关系。 由于仪器采用了双垂直和双水平尾翼,海流在 3~350cm/s的不同速度下,海流计始终处于水 平状态,并且旋桨都处于正面迎流位置,充分体 现了标准极坐标型海流计的要求。 机内罗盘根据地磁场定向,其夹角即为磁流向。 数据终端的数据处理采用单片微机系统,具有较 好的耐低温和低功耗特性,随时打印输出数据。

漂流瓶测表层流 双联浮筒测表层流 跟踪浮标法 中性浮子测流
漂流瓶测表层流


漂流瓶(又称邮瓶),通常被用来研究海流的大致情况, 根据漂流瓶的漂移路径及所花时间就可以大致地确定流 速和流向。 廉价,早期研究海流(物质输送、长期气候状况下)一 种常用方法。
双联浮筒测表层流


船只锚定后或在海上 平台等相对稳定的载 体上,在船尾放出双 联浮筒,根据它的移 动情况测定表层流的 平均流速和流向。 廉价,早期研究海流 (小尺度,短期观测) 一种常用方法。
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