知识窗▏海流及其观测方法 - 声学多普勒流速仪测量海流原理

, Y/ O% L$ U! K

海流（ocean current）海水在大范围里相对稳定的流动。既有水平，又有铅直的三维流动，是海水运动的普遍形式之一。“大范围”是指海流的空间尺度大，可在几千千米甚至全球范围内流动；“相对稳定”是指海流的路径、速率和方向，在数月、一年甚至多年的较长时间里保持一致。一般将发生在大洋里的海流称为洋流。一、海流概况⒈ 海流成因及观测意义海流形成的原因很多，但归结起来主要有两种：一种是受海面风力的作用，称风生海流，所涉及的深度只有几百米；另一种是由于海面受冷热却不均，蒸发降水不均所产生的温度、盐度引起的密度分布不均匀，导致海洋中的压力场产生斜压，在水平方向上产生一种引起海水流动的力，产生海流。如墨西哥暖流。海流形成之后，由于海水的连续性，必然在某些海域发生海水辐聚与幅散，导致升降流的发生。掌握海水运动的规律非常重要，它可以直接为国防、生产、海运交通、渔业、建港等服务。海流与渔业的关系密切，在寒施和暖流交汇的地方往往形成良好的渔场。如：北海道渔场--位于日本北海道，形成条件为日本暖流与千岛寒流交汇，是世界第一大渔场。纽芬兰渔场--北美洲东岸，加拿大境内，纽芬兰岛附近，形成条件为墨西哥湾暖流与拉布拉多寒流交汇，“踏着水中雪鱼脊背就可以走上岸”。北海渔场--位于欧洲西部北海，形成条件为北上的北大西洋暖流与南下的东格陵兰寒流在北海交汇。秘鲁渔场--秘鲁沿岸在东南信风带内，东南信风从南美大陆吹向太平洋，使沿岸表层水离岸而去，底层海水上升补充，而形成上升补偿流，把海底营养盐带至表层。⒉ 海流的分类根据海流的成因及受力情况等，为了讨论方便起见，可从不同角度对其分类和命名。例如由风引起的海流称为风海流或漂流，由热盐作用引起的称为热盐环流；从海水受力情况分又有梯度流、地转流、惯性流等；从发生的区域不同又分为，表层流、深层流、底层流、沿岸流、赤道流、东西边界流等。下面将简要地分节对地转流、风海流、惯性流、洋流的特性进行描述。⒊ 海水的运动形式海水运动是乱流、波动、周期特性潮流与稳定的“常流”综合作用结果。这些流动具有不同尺度、速度与周期，并且随风、季节和年份而变。其强度一般由海表面向深层递减。海水运动是乱流、波动、周期特性潮流与稳定的“常流”综合作用结果。这些流动具有不同尺度、速度与周期，并且随风、季节和年份而变。其强度一般由海表面向深层递减。潮流是伴随着潮汐涨落现象所作的周期性变化的海水流动。它是由月亮与太阳的引潮力引起的。在一昼夜时间内，其变化周期有半日（半日潮）和全日（全日潮）两种。海水还有沿一定路径、方向基本朝向一个方向的大规模的运动，这种准定常运动称为常流（余流）。它是由各种原因，例如风的作用，海洋受热不均匀，地形的影响等产生的。常流有点象陆地上的江河，它可以把一个区域的海水输运到另一个区域，但是，它比江河的能量大得多。强大者其宽度有时可达200km，深度可达2000m左右。它们所能输运的水量，要比陆地上所有大小江河输送水量的总和还要大几十倍。⒋ 海流表示方法通常用两种方法描述海水的运动，即拉格朗日法和欧拉法。⑴拉格朗日法拉格朗日法是跟踪水质点以描述它的时空变化，这种方法实现起来比较困难，但近代用漂流瓶以及中性浮子等追踪流迹，可近似地了解流场的变化规律。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。拉格朗日法基本特点: 追踪流体质点的运动。其优点是可直接运用固体力学中质点动力学进行分析。⑵欧拉法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。将个别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。现在通常用欧拉方法来测量和描述海流，即在海洋中某些固定点同时对海流进行观测，确定其速率和方向，用矢量来表示它们，据此绘制流线图来描述流场的分布。⑶海流标示形式如果流场不随时间而变化，那么流线也就代表了水质点的运动轨迹。海流流速以米每秒为单位，记为×××m/s，流向指流去的地理方位角表示，以度为单位，记为×××°，注意从磁罗经上读取的磁罗经读数要转化为地理方位角。绘图时常用矢量箭头表示，其长度表示流速量值，箭头表示流向。流向指海水流去的方向，单位为度，正北为0，顺时针旋转，正东为90，正南为180，正西为270。海流观测层次参照温度观测层次，根据需要选定。但海流观测的表层，规定为0～3m以内的水层。由于船体的影响（流线改变或船磁影响），使得流速、流向测量不准。二、海流的观测技术进行海流观测时，要按一定时间间隔持续观测一昼夜或多昼夜，所得到的结果是常流和潮流运动的合成。对一昼夜或多昼夜获得的资料，经过计算，可将这两部份分离开来。水平方向周期性的流动称为潮流，其剩余部分称为常流、余流或通称海流。目前的海流观测技术主要分为三类：机械转子式海流计、声学海流计和电磁海流计。⒈ 机械转子式海流计机械转子式海流计是最经典、最简单而实用的海流测量仪器。它通过机械转子（旋杯、旋桨、转子等）将海流的动能转换为转子转动的机械能，通过测量转子的转速来测量流速。经水槽率定（标定），事先建立转速与流速的对应关系，经数学处理得到对应的函数关系（一般是近似线性关系）。被测海流流速是在被选定时间段的平均值，而非瞬时值。其关键技术和关键部件主要是机械转子和机电转换。启动流速和转速与流速的线性相关系数是判断转子设计性能的主要指标。流向测量是通过磁罗盘直接测定的。国内在上世纪的60年代初至90年代初，主要生产和使用厄克曼直读式海流计、印刷海流计、萨沃纽斯转子海流计、旋桨式直读海流计及适用于潜标系统中使用的大尾舵存储式转子海流计，上述仪器多数已不生产。目前国内使用的机械转子式海流计主要是青岛海洋大学生产的SLC9—2型直读式海流计和从挪威进口的安德拉RCM系列转子式海流计。⒉ 声学海流计声学海流计有声学矢量平均海流计、声学多普勒海流计、声学多普勒海流剖面仪、声相关海流剖面仪。声学矢量平均海流计通常有三个换能器，用三个分量的矢量合成得出海流矢量（流速和流向）。声学多普勒海流计利用海水中运动散射体的后向散射声信号的多普勒频移原理来测量流速。声学多普勒海流剖面仪和声相关海流剖面仪可以同时给出某一深度范围内流速和流向的分层分布，例如一次测量可以得到128层的海流，其流速和流向是某一厚度层水体运动速度矢量的平均值。声学海流计利用声波在海水中的传播特性来测量海流。声波是机械波，产生的多普勒频移效应来测定流速的。其优点是能连续记录，仪器无机械活动部件，无摩擦，无滞后现象，测量感应时间快，不影响流场测量，可测微弱海流，声速可自动校准，测量更可靠。许多大型海洋调查活动多有使用，目前应用较广泛，但造价相对高。⒊ 电磁海流计该类仪器主要是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大小来测量海流速度高低。根据磁场的不同，有地磁场电磁海流计和提供人造磁场电磁海流计。地磁场电磁海流计可以进行走航式测量，水下部件结构简易，可靠性高，准确度高。但是该类仪器受地球磁场分布和垂直磁场强度以及船体磁性感应等影响，使用深度、纬度范围受到一定限制。人造磁场电磁海流计则不受上述因素限制，更适于船用和锚定水下测量。三、浮标漂移观测浮标漂移测流方法是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。最早的漂移物就是船体本身或偶然遇到的漂浮物，以后逐渐发展成使用人工特制的浮标。浮标漂移测流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之优点。随着科学技术的发展，漂移物移动情况的跟踪，已开始应用雷达定位、航空摄影、无线电定位等工具来测定，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，中性浮标，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中性浮标。浮标法的测点是在拉格朗日坐标系统中进行的，取起始坐标 X0和从开始时间起所经过的时间t-t0为独立变量。主要观测方法如下：⒈ 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。⒉ 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，其制作结构图如下图。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。双联浮筒结构图⒊ 跟踪浮标法⑴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状态。这种方式必须在良好的天气状况下才能进行。⑵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。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。⒋中性浮子测流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可调节性，可适用于这种深海海流的观测，如美国Bcnthous公司生产的中性浮子(1958年英国的 Swallow 发明），可适用于0～6000m深范围内的海流测量。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。■文章依据相关资料综合编写相关阅读推荐：

海洋论坛▏海洋观测技术现状综述

知识窗▏海洋温盐深测量仪器

海洋科普▏海流

科技前沿▏MEMS技术在海洋观测中的应用

论文专区▏ADCP技术发展及其应用综述

/ ]2 X0 r* q- ?" w$ ^

知识窗▏海流形态及其成因

投稿邮箱：452218808@qq.com，请您在留言中标注为投稿，并提供个人简介及联系方式，谢谢！  7 g" K2 f6 z, d/ E" M/ ^; X ) N( q6 F9 @3 ? * K7 C, k) i( u4 Z! g& S" L ' M) x! O1 x8 x