海流测量技术介绍

海流测量技术介绍

海流是指海水大规模相对稳定地流动，是海水重要的普遍运动形式之一，对全球气候的稳定和生态的平衡起着至关重要的作用，同时又对沿海人民的生活、生产和海洋的开发利用带来了很多不利影响。因此，海流测量技术一直是海洋行业所关注的焦点之一。

海流测量技术的发展既是测量设备的发展，大致可分三个阶段。一是起步阶段，虽然十八世纪已经出现了一些简单的测流仪器，但直到厄克曼海流计的创制才正式开始了海流测量设备起步阶段；二是发展阶段，由于军事上的需要，海流测量逐渐向深远海发展，上世纪五十年代至八十年代研制出了多种多样的测量设备；三是飞跃阶段，随着计算机、芯片和卫星技术的发展，海流观测技术开始向智能化、集成化、高精度方向发展，出现了以声学多普勒海流计为代表的先进海流观测设备。海流测量方法的多种多样，可分为定点式、走航式和抛弃式等；也可分为接触式和非接触式；较明确的分类应是按照测量原理划分成：漂浮法、机械式、电磁感应式、声学式和雷达遥感等方法，这些也是目前国内外应用较广的测量方法。本文将对这几种测量技术的测量原理、优缺点、应用方向和国内外测量设备发展进行简单介绍。

一、浮法

漂浮法是跟踪漂浮物体的时空变化以确定表面流的流速和流向，主要分为表面漂流浮标和水下中性浮标两种。

（一）表面漂流浮标

早期的表面漂流浮标通常选择船体或海上的漂移物(如漂流瓶和浮游冰块等)，根据移动的轨迹进行流速流向的分析，后来利用航空摄影定位、雷达定位或全球卫星定位等方法跟踪的浮标，提高了浮标的位置精度，但费时费力，且只能获得短期、小区域的资料。随着卫星定位和卫星通信技术的发展，漂流浮标进而发展为一种十分有效的大尺度海洋环境监测手段[3]。表面漂流浮标主要由浮体、水帆和连接绳组成，可以连续观测3个月以上，一次性使用或重复回收利用，成本低、技术成熟可靠。目前，较多使用的漂流浮标为美国PacificGyre生产的近岸Microstar漂流浮标和远海SVP漂流浮标，加拿大MetOcean公司的CODE近岸漂流浮标和SVP 系列远海浮标，还有西班牙AMT公司MD03漂流浮标，国内也有很多厂家研制，如国家海洋技术中心的FZS3-1型表层漂流浮标。由于技术成熟，有的科研单位根据需求自行设计浮标以满足不同测量任务的要求。

（二）中性浮标

上世纪五十年代，英国的斯沃洛博士研制出了利用水声技术跟踪的中性浮标，并用这种浮标相继发现了深层的海流、逆流、涡流及其变异特征。20世纪80年代，Dvasi和Webb等人研制出了自持式拉格朗日环流探侧仪(ALACE)。这种浮标在水下设定深度随流漂移，到达预定时间时浮标会自动上浮；到达海面后，通过卫星系统完成通信和定位；然后再下潜到设定深度开始新的观测循环。为了满足垂直剖面温盐参数的循环探测需要，到上世纪90年代，这类浮标进而演变成自沉浮式剖面探测浮标(APEX)，可通过改变体积实现自动沉浮，主要由壳体、机芯、液压装置、传感器、控制电路板、数据传输终端和电源等部分组成，剖面深度一般为0m～2000m，有的可以达到6000m的观测深度。

目前，世界范围内主要使用的剖面浮标有美国Teledyne Webb公司研制的APEX，法国NKE公司研制的PROVOR 和ARVOR，美国斯克里普斯海洋研究所研制的SOLO-Ⅱ和SOLO，还有TSK公司与日本海洋科技中心共同研制的Navis 等[6]。我国剖面漂流浮标COPEX(中国海洋剖面探测浮标)和中船重工第710研究所研制的HM2000剖面浮标已实现量产，但与国外的APEX相比仍需要进一步改进和完善。

二、机械式海流计

机械式海流计也称旋桨海流计，是利用流体力学原理研制的设备。它借助海洋产生的推动力来驱动叶轮旋转，进而由传感器感应出转速，最后再换算成流速值，并用内置的磁罗盘确定流向。机械式海流计一般包括水上甲板单元、水下测量单元和通讯电缆。该类设备为船用或锚系定点测流仪器，优点是仪器精度较高，可以在法定计量单位进行计量检定；可测量任意深度的海流数据；仪器功耗低，潜标自记使用时可全天候、长期测量。缺点是只能测量水平方向的一维流速、流向值；旋桨启动速度一般为0.03m/s，不能测低速流；只能定点测量，且一次只能测量某一深度；多数仪器使用内置磁罗盘确定流向，受船体和其他钢结构磁场影响较大；接触式测量，抗海流干扰能力差，方向翼有转动误差，是低流速情况下，方向翼转动不灵活；在浅海水域测流时受风和浪的影响，存在一定的误差。

目前应用较广的有英国Valeport公司的106、108MkⅢ和308型海流计，挪威安德拉仪器公司生产的RCM-4S型海流计，国产SLC9-2型直读海流计也是很成熟的产品。

三、电磁式海流计

海水在地磁场中流动所产生的感应电动势可用来测量

流速、流向，据此原理研制出的海流计称为电磁海流计，可分为天然磁场电磁海流计和人工磁场电磁海流计。

（一）天然磁场电磁海流计

上世纪40至50年代，美国、日本和前苏联等国家研制出走航测量式的天然磁场电磁海流计，该系统主要由电缆、电极和记录器组成，可在航行中大范围、连续地测量表层流。测量时船只拖着传感器在海面上沿“之”字航行，分别测量两个方向的海流分量，然后求出海流的矢量大小和方向。由于测量方法和海洋电场影响，测量误差很大，有时可达15%，但可在除赤道和低纬地区外的任意海区航行测量。

投弃式海流剖面仪(XCP)是一种利用地磁进行快速测量的电磁海流计。XCP是海洋环境预报、海洋科学研究及军事应用领域中一种先进高效的测量手段，尤其适合在有争议的特殊海域进行海洋环境参数测量。美国华盛顿大学应用物理实验室的Thomas等人于1978年成功研制了第一台XCP样机。XCP测到的是传感器所在位置的平均海流流速，不能给出海流剖面数据，而且流速测量精度受地磁场分布影响较大，但其具有探测海域广、测量深度大、运行周期短、探头体积小、布放形式多样、数据获取及时的优点。现在该项技术的开发商主要是美国的Sippican公司和日本的TSK公司。“十一五”期间，在“863”计划支持下，我国突破了高速