第七章海流观测

1、第七章第七章 海流观测海流观测主要内容主要内容海流概述海流概述观测方法观测方法海流计简介海流计简介海流观测的持续时间选择海流观测的持续时间选择影响海流观测误差分析影响海流观测误差分析直读式海流计使用方法直读式海流计使用方法海流观测资料的整理与分海流观测资料的整理与分析析1概述概述n海水运动：乱流、波动、周期特性潮流与海水运动：乱流、波动、周期特性潮流与稳定的稳定的“常流常流”综合作用的结果综合作用的结果这些流动具有不同尺度、速度与周期，且这些流动具有不同尺度、速度与周期，且随风、季节和年份而变随风、季节和年份而变强度一般由海表面向深层递减强度一般由海表面向深层递减n本章所讲海流主要指海水运动空

2、间尺度较本章所讲海流主要指海水运动空间尺度较大大(5 km)、时间尺度较长、时间尺度较长(周期超过周期超过12 h)的的运动，包括潮流和常流运动，包括潮流和常流(余流余流)，乱流、波动，乱流、波动排除在外排除在外23不同尺度海洋现象不同尺度海洋现象潮流：伴随潮汐涨落现象所做的周期性变化的潮流：伴随潮汐涨落现象所做的周期性变化的海水流动海水流动由日月引潮力引起，变化周期主要有半日和全日由日月引潮力引起，变化周期主要有半日和全日常流：沿一定路径、方向基本朝向一个方向的常流：沿一定路径、方向基本朝向一个方向的大规模的海水运动大规模的海水运动运动准定常，又称余流运动准定常，又称余流风的作用、海洋受热不

3、均匀、地形的影响产生风的作用、海洋受热不均匀、地形的影响产生将一个区域的海水输运到另一个区域，伴随着能将一个区域的海水输运到另一个区域，伴随着能量输运量输运45进行海流观测时，要按一定时间间隔进行海流观测时，要按一定时间间隔持续观测一持续观测一昼夜或多昼夜昼夜或多昼夜，所得的结果是常流和潮流的合成，所得的结果是常流和潮流的合成水平方向周期性的流动为潮流，剩余部分为常流水平方向周期性的流动为潮流，剩余部分为常流观测海流的重要性观测海流的重要性对渔业：寒暖流交汇处往往形成良好的渔场对渔业：寒暖流交汇处往往形成良好的渔场建港中要计算海流对泥沙的搬运建港中要计算海流对泥沙的搬运海上交通中要考虑顺流节约

4、时间海上交通中要考虑顺流节约时间海水的运动规律对海洋科学多领域研究：水团的海水的运动规律对海洋科学多领域研究：水团的形成、海水内部及海气界面之间热量的交换等形成、海水内部及海气界面之间热量的交换等677.1 海流观测方法海流观测方法海流观测包括流速和流向海流观测包括流速和流向流速流速单位时间内海水流动的距离单位时间内海水流动的距离单位：单位：m/s或或cm/s流向流向海水流去的方向海水流去的方向单位：度单位：度()8海流观测层次海流观测层次参照温度观测层次或根据需要选定参照温度观测层次或根据需要选定海流观测表层为海流观测表层为03 m以内的水层以内的水层由于船体影响使得流速、流向测量不准由于船

5、体影响使得流速、流向测量不准海流连续观测时间海流连续观测时间不少于不少于25 h，至少每小时观测一次，至少每小时观测一次海流辅助观测项目海流辅助观测项目风速、风向等气象要素风速、风向等气象要素海流观测方法海流观测方法拉格朗日方法拉格朗日方法(随流运动随流运动)、欧拉方法、欧拉方法(定点定点)910拉格朗日方法拉格朗日方法欧拉方法欧拉方法一、浮标漂移测流法（拉格朗日方法）一、浮标漂移测流法（拉格朗日方法）根据自由漂移物随海水流动的情况来确定海水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的流速、流向，主要适用于表层流的观测船体本身或偶然遇到的漂移物船体本身或偶然遇

6、到的漂移物人工特制浮标人工特制浮标应用雷达定位、航空摄影、无线电定位等工具应用雷达定位、航空摄影、无线电定位等工具测定浮标的移动情况，取得较为精确的海流资料测定浮标的移动情况，取得较为精确的海流资料被动测流，空间分布特征不均匀被动测流，空间分布特征不均匀12观测方法观测方法观测在拉格朗日坐标系统中进行观测在拉格朗日坐标系统中进行取起始坐标和从开始时间起所经过的时取起始坐标和从开始时间起所经过的时间间- 0为独立变量，流动坐标：为独立变量，流动坐标：1300000(,),(,)xx xxx流速为坐标对时间的导数：流速为坐标对时间的导数：0000000( ,)(,),(,)v xx xxxv xd

7、1. 漂流瓶测表层流漂流瓶测表层流漂流瓶漂流瓶(又称邮瓶又称邮瓶)通常被用来研究海流的大致情况通常被用来研究海流的大致情况根据漂流瓶的根据漂流瓶的漂移路径漂移路径及及所花时间所花时间，就可以大致，就可以大致地确定流速和流向地确定流速和流向廉价，早期常用的测流方法廉价，早期常用的测流方法142. 跟踪浮标法测表层流跟踪浮标法测表层流船体跟踪船体跟踪将浮体施放于选定海面，使之自由随海水流动，观将浮体施放于选定海面，使之自由随海水流动，观测者乘小船跟随其后并按特定时间间隔从船上定位测者乘小船跟随其后并按特定时间间隔从船上定位连续观测，一般要延续一个半日潮周期连续观测，一般要延续一个半日潮周期良好天气

8、状况下才能进行良好天气状况下才能进行仪器跟踪仪器跟踪人工特制浮标随海水自由流动，在岸上用雷达跟踪人工特制浮标随海水自由流动，在岸上用雷达跟踪浮标本身定时发射无线电讯号浮标本身定时发射无线电讯号卫星卫星地面地面或航空摄影方法测定浮标移动情况或航空摄影方法测定浮标移动情况153. 中性浮子测流中性浮子测流深海中下层深海中下层海流观测困难海流观测困难中性浮子具有可调节性，可适用深海海流观测中性浮子具有可调节性，可适用深海海流观测实测中，首先根据温盐观测值，确定出待测海实测中，首先根据温盐观测值，确定出待测海流层的海水密度流层的海水密度按此等效密度调节中性浮子，在预定水层处于按此等效密度调节中性浮子，

9、在预定水层处于重力和浮力平衡的状态，随海水漂流，观测船上重力和浮力平衡的状态，随海水漂流，观测船上利用声纳跟踪中性浮子，消除船体漂移运动，可利用声纳跟踪中性浮子，消除船体漂移运动，可测出相应水层的流动速度和方向测出相应水层的流动速度和方向16目前海洋水文观测中常用方法目前海洋水文观测中常用方法1. 定点台架方式测流定点台架方式测流浅海海流观测，用固定台架悬挂仪器，使海流计处浅海海流观测，用固定台架悬挂仪器，使海流计处于稳定状态，可长时间连续观测于稳定状态，可长时间连续观测海面台架海面台架海上平台、其它固定台架海上平台、其它固定台架实测时，尽可能避免台架对流场产生的影响实测时，尽可能避免台架对流

10、场产生的影响海底台架海底台架棱锥形台架，海流计固定于框架中部适当位置棱锥形台架，海流计固定于框架中部适当位置17二、定点观测海流（欧拉方法）二、定点观测海流（欧拉方法）2. 锚定浮标锚定浮标以锚定浮标或潜标为承载工具，悬挂自记式以锚定浮标或潜标为承载工具，悬挂自记式海流计进行海流观测海流计进行海流观测有的仅用于观测表层海流，有的可用于同时有的仅用于观测表层海流，有的可用于同时观测多层海流观测多层海流183. 锚定船测流锚定船测流在在船上利用绞车和钢丝绳悬挂海流计观测海流仍船上利用绞车和钢丝绳悬挂海流计观测海流仍是常用的、最主要的测流方式是常用的、最主要的测流方式根据水深确定观测层次根据水深确定

11、观测层次将海流计沉放至预定水层，测量流速和流向并记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下观测时间钢丝或电缆倾角钢丝或电缆倾角10时，须作深度的倾角订正时，须作深度的倾角订正19船只锚定测流费用高船只锚定测流费用高船只航行的时候同时观测海流，不仅可以船只航行的时候同时观测海流，不仅可以节省时间，提高效益，而且还可以同时观测节省时间，提高效益，而且还可以同时观测多层海流多层海流实现常规方法很难测流海区的海流观测实现常规方法很难测流海区的海流观测走航式海流观测仪器走航式海流观测仪器ADCP原理：测出船对海底的绝对运动速度和方原理：测出船对海底的绝对运动速度和方向，同时测出船对海水的相

12、对运动速度和方向，同时测出船对海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向，再经矢量合成得出海水对海底的运动速度和方向度和方向20船速船速船测流速船测流速三、走航测流三、走航测流流速不大于流速不大于100 cm/s时时水深在水深在200 m以浅海区，测量准确度应为以浅海区，测量准确度应为5 cm/s水深在水深在200 m以深海区，测量准确度应为以深海区，测量准确度应为3 cm/s流向测量的准确度均为流向测量的准确度均为10流速超过流速超过100 cm/s时时水深在水深在200 m以浅海区，测量准确度应为以浅海区，测量准确度应为5 %水深在水深在200 m以深海区，测量准确度应

13、为以深海区，测量准确度应为3 %流向测量的准确度均为流向测量的准确度均为1021四、海流连续观测的准确度要求四、海流连续观测的准确度要求观测浅层观测浅层(船吃水深度三倍以内的水层船吃水深度三倍以内的水层)海流时，应海流时，应借助小型锚定浮标或施放小艇进行观测，以消除船体借助小型锚定浮标或施放小艇进行观测，以消除船体的影响的影响利用调查船为承载工具测浅层以下各层海流时，若利用调查船为承载工具测浅层以下各层海流时，若使用非自记海流计，待海流计沉放至预定观测水层后使用非自记海流计，待海流计沉放至预定观测水层后即可进行观测；使用自记海流计，可根据绞车和钢丝即可进行观测；使用自记海流计，可根据绞车和钢丝

14、绳的负载，串挂多台海流计同时观测多层海流绳的负载，串挂多台海流计同时观测多层海流测流时，必须记录观测开始时间和结束时间测流时，必须记录观测开始时间和结束时间如果用自记海流计悬挂于浮标或潜标上进行海流观如果用自记海流计悬挂于浮标或潜标上进行海流观测时，投放与回收浮标测时，投放与回收浮标(或潜标或潜标)的船只必须具备专用的船只必须具备专用提吊设备，浮标提吊设备，浮标(或潜标或潜标)锚定后记录观测开始时间和锚定后记录观测开始时间和浮标浮标(或潜标或潜标)准确位置准确位置 22五、海流观测注意事项五、海流观测注意事项浮标或潜标的闪光装置须切实水密，保证正常浮标或潜标的闪光装置须切实水密，保证正常连续闪

15、光连续闪光 当施放海流计的钢丝绳或电缆的倾角超过当施放海流计的钢丝绳或电缆的倾角超过1010，应进行倾角订正应进行倾角订正以船只为承载工具进行海流连续观测时，应至以船只为承载工具进行海流连续观测时，应至少每少每3 3小时观测一次船位。如发现船只严重走锚小时观测一次船位。如发现船只严重走锚（超过定位准确度要求），应移至原位，重新开（超过定位准确度要求），应移至原位，重新开始观测始观测周日连续观测一般不得缺测，凡中断观测周日连续观测一般不得缺测，凡中断观测2 2小时小时以上者，最好重新观测以上者，最好重新观测23247.2 海流计简介海流计简介机械旋浆式海流计机械旋浆式海流计电磁海流计电磁海流计声

16、学多普勒海流计声学多普勒海流计声学多普勒海流剖面仪声学多普勒海流剖面仪其它测流仪器其它测流仪器基本原理：依据旋浆叶片受水流推动的转基本原理：依据旋浆叶片受水流推动的转数来确定流速，用磁罗经确定流向数来确定流速，用磁罗经确定流向(必须进行必须进行磁差校正磁差校正)根据仪器记录方式，大致分为根据仪器记录方式，大致分为25一、机械旋浆式海流计一、机械旋浆式海流计埃克曼海流计埃克曼海流计印刷型海流计印刷型海流计照相型海流计照相型海流计磁带记录型海流计磁带记录型海流计遥测型海流计遥测型海流计直读型海流计直读型海流计电传型海流计电传型海流计1. 埃克曼海流计埃克曼海流计瑞典海洋学家埃克曼于瑞典海洋学家埃克

17、曼于1905年设计年设计现已被淘汰，但基本原理仍被沿用现已被淘汰，但基本原理仍被沿用旋浆启动速度为旋浆启动速度为3 cm/s测量准确度测量准确度流速：流速： 5 cm/s流向：流向： 10 15262. 直读式海流计直读式海流计船用定点测流仪器船用定点测流仪器流速流向测量的电信号均经电缆传递到显示器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，测量速度快测量数据直观、资料整理方便，测量速度快最大使用深度：最大使用深度：150660 m测量流速范围：测量流速范围： 5700 cm/s27二、电磁海流计二、电磁海流计该类仪器是应用该类仪器是应用法拉第电磁感应法拉第电磁感应定理

18、，通过测量定理，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海水流过磁场时所产生的感应电动势来测定海流28磁场来源磁场来源地磁场电磁地磁场电磁海流计海流计人造磁场电人造磁场电磁海流计磁海流计深海型深海型表层型表层型地磁场电磁海流计地磁场电磁海流计深海型深海型不适用于表层测流，在水深小于不适用于表层测流，在水深小于100 m的海区不宜使用的海区不宜使用表层型表层型只适用于测表面层的海流只适用于测表面层的海流优点：可以走航自记，水下部件结构简易、优点：可以走航自记，水下部件结构简易、可靠性高可靠性高缺点：与地球垂直磁场强度有关，不能在赤缺点：与地球垂直磁场强度有关，不能在赤道附近使用，只适用

19、于地磁垂直强度大于道附近使用，只适用于地磁垂直强度大于 0.1Am2的海区的海区；受船磁的影响也较大受船磁的影响也较大测流范围测流范围3300 cm/s，流速测量准确度，流速测量准确度2cm/s，流向测量准确度，流向测量准确度529人造磁场电磁海流计人造磁场电磁海流计受深度和纬度的限制不大受深度和纬度的限制不大适于船用或锚定水下测量适于船用或锚定水下测量与直读式海流计类似，只是水下传感器不同与直读式海流计类似，只是水下传感器不同30优点：准确度高，测量值可靠，体积小，优点：准确度高，测量值可靠，体积小，操作简便，无活动部件，对流场影响小操作简便，无活动部件，对流场影响小测量流速范围测量流速范围

20、0350 cm/s，准确度，准确度1 cm/s或或2满量程，流向准确度满量程，流向准确度 2三、声学多普勒海流计三、声学多普勒海流计声波在流动液体中的多普勒频移来测流速声波在流动液体中的多普勒频移来测流速优点优点 声速自动校准，连续记录，仪器无活动部声速自动校准，连续记录，仪器无活动部件，无摩擦和滞后现象，测量感应时间快，件，无摩擦和滞后现象，测量感应时间快，测量准确度高，可测弱流等测量准确度高，可测弱流等缺点缺点 仪器本身发射功率、电池寿命和声波衰减仪器本身发射功率、电池寿命和声波衰减等问题，限制了该类仪器的使用等问题，限制了该类仪器的使用该类仪器的流速准确度该类仪器的流速准确度2 cm/s

21、，流向准，流向准确度确度5，工作最大深度，工作最大深度506000m31目前观测多层海流剖面目前观测多层海流剖面最有效的方法最有效的方法优点优点 准确度高、分辨率高、准确度高、分辨率高、操作方便操作方便严格来说，严格来说，ADCP也属也属于声学多普勒海流计，于声学多普勒海流计，但其发声频率、功率和但其发声频率、功率和接收回声以及处理的方接收回声以及处理的方式有所不同式有所不同32四、声学多普勒海流剖面仪四、声学多普勒海流剖面仪(ADCP)测流原理测流原理测定声波入射到海水中微颗粒的后向散射在频率上测定声波入射到海水中微颗粒的后向散射在频率上的多普勒频移，得到不同水层水体的运动速度的多普勒频移，

22、得到不同水层水体的运动速度33多普勒效应：多普勒效应：声源与接收声源与接收器之间由于相对运动，而器之间由于相对运动，而使接收器接收到的频率与使接收器接收到的频率与声源的固有频率不一致的声源的固有频率不一致的现象，差为现象，差为多普勒频移多普勒频移两者互相接近：两者互相接近： 接收频率接收频率发射频率发射频率两者互相远离：两者互相远离： 接收频率接收频率发射频率发射频率测流原理测流原理如果一束超声波能量射入非均匀液体介质时，液体如果一束超声波能量射入非均匀液体介质时，液体中的不均匀体把部分能量后向散射回接收器，接收中的不均匀体把部分能量后向散射回接收器，接收的频率与发射频率不同，产生多普勒频移的

23、频率与发射频率不同，产生多普勒频移比例于发射比例于发射/接收器和后向散射体的相对运动速度接收器和后向散射体的相对运动速度340coscoscvffcvf：接收频率：接收频率 f0：发射频率：发射频率c：声波在海水中的传播速度：声波在海水中的传播速度v：散射单元运动速度：散射单元运动速度(海流速度海流速度)：发射或接收波束与海流方向夹角：发射或接收波束与海流方向夹角测流原理测流原理多普勒频移：多普勒频移：35002 coscosdvffffcvcosvc02 cosdvffc02cosdcfvf可求得三维流速可求得三维流速36布放方式布放方式37387.3 海流观测的持续时间选择海流观测的持续时

24、间选择现有海流计主要测量潮流和常流现有海流计主要测量潮流和常流要准确测量，必须抑制干扰这两种运动的要准确测量，必须抑制干扰这两种运动的噪声，即湍流和海浪的影响噪声，即湍流和海浪的影响观测持续时间长短选择，实际上就是用何观测持续时间长短选择，实际上就是用何种种“时间滤波器时间滤波器”将噪声滤掉将噪声滤掉3940海洋海洋中的运动可以分成三类：中的运动可以分成三类：规律性的大尺度运动，可以独立描述规律性的大尺度运动，可以独立描述极其无规则的小尺度涡旋运动极其无规则的小尺度涡旋运动(湍流湍流)，必须统必须统计计描述描述各类波动各类波动(波浪波浪)它们都具有某些周期性，这类运动也可以用独它们都具有某些周

25、期性，这类运动也可以用独立的理论描述立的理论描述( , , , )vvv x y z t一、流速场的描述一、流速场的描述 41海流观测结果，要求其脉动累加平均值等于海流观测结果，要求其脉动累加平均值等于0要求对一定时间间隔求平均值要求对一定时间间隔求平均值(函数时间平滑函数时间平滑)在海洋条件下，函数时间平滑所得值与所取的时在海洋条件下，函数时间平滑所得值与所取的时间尺度有关间尺度有关由于海洋可表征为各种尺度运动都包括的宽频谱，由于海洋可表征为各种尺度运动都包括的宽频谱，所以很难说什么样的平滑尺度能满足所以很难说什么样的平滑尺度能满足如果平均周期取得不够大则平均值是不稳定的，如果平均周期取得不

26、够大则平均值是不稳定的，每次测量的平均值会有显著的不同每次测量的平均值会有显著的不同( , , , )vvv x y z t1. 直读式海流计直读式海流计流速观测持续时间：流速观测持续时间：0.5 min、3 min、10 min、15 min流向记录：瞬时流向记录：瞬时42二、观测持续时间的选择二、观测持续时间的选择2. ADCP瞬时瞬时437.4 影响海流观测误差分析影响海流观测误差分析接近海面的流动由于平台的影响而改变接近海面的流动由于平台的影响而改变平台上的钢铁装置导致仪器上的磁罗经偏移平台上的钢铁装置导致仪器上的磁罗经偏移长吊缆的弹性使仪器的反应失真长吊缆的弹性使仪器的反应失真仪器无

27、指示深度的元件，由于钢丝倾斜导致仪器无指示深度的元件，由于钢丝倾斜导致深度失真深度失真44一、平台无运动时出现的误差一、平台无运动时出现的误差测量平台的缓慢移动的作用测量平台的缓慢移动的作用以平台为中心的摆动以平台为中心的摆动以锚为中心的摆动以锚为中心的摆动45二、平台缓慢移动所产生的误差二、平台缓慢移动所产生的误差三、平台的快速运动波浪场的影响三、平台的快速运动波浪场的影响呈现在仪器上的短暂的快速水呈现在仪器上的短暂的快速水平运动都是直接或间接由波浪使平运动都是直接或间接由波浪使平台动荡以及海水的乱流所致平台动荡以及海水的乱流所致在风浪作用下，对海流计的影在风浪作用下，对海流计的影响近似认为附加上下垂直运动和响近似认为附加上下垂直运动和水平往复运动水平往复运动467.5 直读式海流计使用方法直读式海流计使用方法一、仪器结构一、仪器结构仪器由水下探测器、水上数据终端及电缆等组成仪器由水下探测器、水上数据终端及电缆等组成47水下探测器水下探测器由旋浆、导流罩、流速发讯器、接收器、吊架、由旋浆、导流罩、流速发讯器、接收器、吊架、尾翼及插座等组成尾翼及插座等组成数据终端数据终