国内外海流观测的方法总结

海流观测方法总结

伴随着科学技术和海洋学科本身的不断发展，海流的观测方法也在不断改善和提高。按所采用的方式和手段，海流的观测方法大体分为随流运动进行观测的拉格朗日法和定点的欧拉法。拉格朗日法是将每个流体粒子的运动表示为时间的函数。欧拉法给出的是流场中每一点的速度（速率和方向）。在这两种方法中，所有的讨论都是就相对于固体地球固定的坐标系而言的。在理论研究中用欧拉法较方便，但在描述大洋环流时，拉格朗日法则更常用。

拉格朗日法又称随体法，追踪流体质点运动，记录该质点在运动过程中物理量随时间变化规律。拉格朗日法是以研究单个流体质点运动过程作为基础，综合所有质点的运动，构成整个流体的运动。以某一起始时刻每个质点的坐标位置（a、b、c），作为该质点的标志。任何时刻任意质点在空间的位置(x、y、z)都可以看成是（a、b、c）和t的函数。

欧拉法是以流体质点流经流场中各空间点的运动即以流场作为描述对象研究流动的方法。它不直接追究质点的运动过程，而是以充满运动液体质点的空间——流场为对象。研究各时刻质点在流场中的变化规律。将单个流体质点运动过程置之不理，而固守于流场各空间点。通过观察在流动空间中的每一个空间点上运动要素随时间的变化，把足够多的空间点综合起来而得出的整个流体的运动情况。

1. 浮标漂移测流法

浮标漂移测流法是根据自由漂浮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。最早的漂浮物就是船体本身或偶然遇到的漂浮物，而后逐渐发展成使用人工特制的浮标。

浮标漂移测流方法虽然是一种比较古老的方法，但在表层观测中有其方便实用的优点，而且随着科学技术的发展，已开始应用雷达定位、航空摄影、无线电定位、GPS卫星定位等工具来测定浮标的移动情况，这样就可以取得较为精确的海流资料。

漂浮法测流是使浮子随海流运动，再记录浮子的空间——时间位置。为此，使用了表面浮标（如漂流瓶、双联浮筒）、中性浮子、带水下帆的浮标、浮游冰块等。这些方法具有主动和被动性质，因此，可以借助于岸边、船上、飞机或者卫星上的无线电测向和定位系统跟踪浮标的运动。测较大深度的流速和流向则采用声学追踪中性浮子方法。

1）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。

2）双联浮筒测表层流

双联浮筒是浮标测流中常用的一种工具，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。

图双联浮筒

3）跟踪浮标法

（1）船体跟踪：将一个浮体（或双联浮筒）施放于一选定的海面上，使之自由地随海水流动，观测者乘船始终尾随浮体移动并按特定的时间间隔从船上采用GPS定位，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状态。这种方式必须在良好的天气状况下才能进行。

（2）仪器跟踪：随着高科技技术的发展和应用，新的更准确、更方便的仪器跟踪浮标及相应的观测方式相继产生，并开始应用于海流实测之中。有的使用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；有的浮标本身加装有GPS接收机和信号发射装置，可以定时地发射无线电讯号，通过卫星通讯等无线方式传送回地面接收系统；还有的使用航空摄影的方式来测定浮标的移动情况，从而观测相应的海区海水流动的状况等。

图一种漂流浮标

4）中性浮子测流法

深海中下层海流的观测相对而言是比较困难的，通常的观测方法都难以实施。而中性浮子由于其本身具有可调节性，可适用于这种深海海流的观测，如美国Benthos公司生产的中性浮子，可适用于0～6000m深度范围内的海流测量。

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的水层上处于重力和海水浮力相平衡的状态下，在这个预定水层上随周围海水一起漂流，该浮子中装有仪器，不时向外发出声脉冲，在观测船上利用声呐监听这种声脉冲，即可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。

2. 定点测流法

定点测流法是目前海流测量中最常用的一种技术方法，它是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，安装海流测量设备进行海流观测，从而实现对海洋中某一位置的海流进行长期测量。根据安装载体的不同，通常可划分为以下3种定点测流方法：

1）定点台架方式测流

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。

（1）水面台架：若在观测海区内已有与测流点比较吻合的海上平台或其它可借用的固定台架，用以悬挂海流计，将是既经济又有效的测流方式。实测时，要尽可能地避免台架等对流场产生的影响，否则，测得的海流资料误差过大，甚至不能使用。

（2）海底台架：按一定尺寸制作譬如等三角形、正棱锥形或圆台形台架放置于海底，将海流计或声学多普勒海流剖面仪固定于框架中部的适当位置，就能长时间连续观测浅海底层流和剖面流。当然，首先必须能够保证仪器安全并能确保台架不会在风浪作用下倾斜、翻倒或出现其它意外事件。

2）锚定浮标测流

以锚定浮标潜标为承载工具，悬挂自记式海流计进行海流观测，称为锚定浮标测流。有的仅观测表层海流，有的则用于同时观测多层海流。后者需要悬挂多台海流计方可实现海流的多层同步观测。目前发展的大、中型多要素水文气象观测浮标一般都配有声学多普勒海流剖面仪（ADCP），一台ADCP即可进行长时间的连续多层海流剖面观测，提高了观测效率。

图多要素海洋水文气象观测浮标

图海洋水文观测浮标系统示意图

3）锚定船测流

以锚定船只为承载工具，利用绞车和钢丝绳悬挂海流计观测海流仍是常用的测流方式。首先根据水深确定观测层次，然后将海流计沉放至预定水层，测量流速和流向并记下观测时间。当施放海流计的钢丝绳或电缆的倾角大于10°时，须作深度的倾角订正。如用自记海流计，可根据绞车和钢丝绳的负载，采用三角架和平衡浮标，在绞车的钢丝绳上悬挂多台海流计同时观测多层海流。在锚定船只上搭载ADCP观测海流是近年来最主要和最常用的测流方式。

3. 走航测流法

走航测流法，顾名思义就是在船只航行的同时测量海流的一种技术方法。它不仅可以节省时间，提高效益，而且可以同时观测多层海流。此外，走航测流法可以实现采用常规方法很难测流的海区（如深海）的海流观测。

声学多普勒海流剖面仪（ADCP）的问世和发展，使这种测流方法得以实现和应用推广，为海流观测开辟了新的途径，测流方式也提高到了新的水平。其测流原理是：ADCP首先测出海水相对于船的相对运动速度和方向，同时利用声学底跟踪技术测出船相对于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，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。

4. 河口海岸海流观测方法