第七章海流观测

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。海流观测主要是指海水运动空间尺度较大（大于5km）、时间尺度较长（周期超过12h）的运动，其中包括潮流和常流（余流）两个部分。因此，乱流与波动排除在外。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。海流概况：2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。3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。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：日本暖流与千岛寒流交汇。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：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：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。3一：海流观测方法海流的观测包括流向和流速两项。单位时间内海水流动的距离称为流速，单位为cm/s。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。4一：海流观测方法海流连续观测的时间长度不少于25h，至少每小时观测一次，预报潮流的测站，一般应不少于三次符合良好天文条件的周日连续观测。在测量海流的同时，还要同时进行风速、风向等气象要素观测。以便对海流变化提供客观分析条件。观测海流的方式一般划分为：随流观测的拉格朗日法和定点的欧拉法。4拉格朗日法拉格朗日法又称随体法：跟随流体质点运动，记录该质点在运动过程中物理量随时间变化规。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。优点:可直接运用固体力学中质点动力学进行分析4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。41浮标、漂移测流法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。51浮标、漂移测流法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。61浮标、漂移测流法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。流动坐标由下式确定：流速可确定为坐标对于时间的导数：),(),,(00000tttxxxxx---ttttt0),(000dxvxx),(),(000ttttt--xxxv71浮标、漂移测流法（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。71浮标、漂移测流法（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。1浮标、漂移测流法（3）跟踪浮标法(A)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。81浮标、漂移测流法（3）跟踪浮标法(B)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。101浮标、漂移测流法（4）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。101浮标、漂移测流法实测中，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。一：海流观测方法2定点观测海流目前，海洋水文观测中，通常采用定点方法测流，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（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。（A）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，将是既节省又有效的测流方式。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。14一：海流观测方法2定点观测海流(B)海底台架：按一定尺寸制作等三角形或正棱锥形台架放置于海底，将海流计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。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翻倒或出现其它意外事件。我国曾用这个方式将三架海流计悬挂于正棱锥铁架上，放于石臼大港水深10m的海底上，测量距底0.3m、1m、2m的海流长达1年以上，以研究海底粗糙度，计算泥沙起动流速。这也是我国第一次用这种方法测流。2定点观测海流（2）锚定浮标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，称为锚定浮标测流。有的仅用于观测表层海流，有的则用于同时观测多层海流。前者通常设放在进行周日连续观测的调查船附近，以取得海流周日连续观测资料。观测结束时将浮标收回。后者一般是单独或多个联合使用，以取得长时间海流资料，观测结束时将浮标收回。162定点观测海流（2）锚定浮标最新发展的大、中型多要素水文气象观测浮标一般都有测流探头，可进行长时间的连续的海流观测。2定点观测海流（3）锚定船测流以船只为承载工具，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。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。当钢丝或电缆倾角大于10°时，需作深度的倾角订正。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。一：海流观测方法在船只行走的同时观测海流，不仅可以节省时间，提高效益，而且可以同时测多层海流。此外，使常规方法很难测流的海区(如深海)的海流观测得以实现。新近发展和应用的一些走航式海流观测仪器(如ADCP)，为海流观测开辟了新的途径，测流方式提高到了新的水平，其测流原理大多是，测出船对海底的绝对速度，同时测出船对水的相对速度，再矢量合成得水对海底的速度即海水的流速、流向。3走航测流19流速不大于100cm/s时，水深在200m以浅的海区，流速测量的准确度应为±5cm/s。水深在200m以深的海区，流速测量的准确度为±3cm/s，流向测量的准确度为10°。流速超过100cm/s时，水深在200m以浅的海区，流速测量的准确度为±3%，流向测量的准确度均为10°。随着海流仪器的发展，这些精度要求也在逐渐提高。4海流连续观测的精度要求20(1)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，以消除船体的影响；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即可进行观测；使用自记海流计，可根据绞车和钢丝绳的负载，串挂多台海流计同时测多层海流。测流时必须记录观测开始时间和结束时间。5海流观测的注意事项205海流观测的注意事项(2)如果用自记海流计悬挂于浮标或潜标上进行海流观测时，投入与回收浮标(或潜标)的船只必须具备专用提吊设备，浮标(或潜标)锚定后记录观测开始时间和浮标（或潜标)准确位置。观测结束回收浮标(或潜标)前记录观测结束时间。浮标或潜标上的闪光装置须切实水密，保证正常连续闪光，在深海测流时，如船只抛锚困难且深层流速确实很小，可用“双机法”观测，即在漂移船只上，将一台海流计置于预定观测水层，而将另一台海流计沉放至“无流层”。两层海流计观测结果的矢量差，便是预定水层的海流观测值。215海流观测的注意事项当施放海流计的钢丝绳或电缆的倾角超过10°，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。如发现船只严重走锚(超过定位准确度要求)，应移至原位，重新开始观测。周日连续观测一般不得缺测，凡中断观测两小时以上者，最好重新观测。22二：海流计简介海流观测是水文观测最重要而又是困难的观测项目，现场条件对海流观测的准确度有极大的影响。为了在恶劣的海洋条件下，能准确、方便地观测海流，科学家研制出了各具特色的海流观测仪器。这类仪器的基本原理是依据旋浆叶片受水流推动的转数来确定流速，用磁盘确定流向。根据这类仪器记录部分的特点，大致可分为厄克曼型、印刷型、照相型、磁带记录型、遥测型、直读型、电传型等旋浆海流计。1机械旋浆式海流计1机械旋浆式海流计（1）厄克曼海流计它是埃克曼在1905年(瑞典物理海洋学家V.W.Ekman）首先设计制造的一种海流仪器，主要由轭架、旋桨、离合器、计数器、流向盒及尾舵等部件构成。七十多年来一直保持其最初的形式，但目前在向电子化方向发展，仪器的测量深度不受限制。但是，不能测低速流，因为旋浆起动速度一般为0.03m/s，测量精度一般