11-第十章-海流观测-1&补课半节

海流观测第十章Chapter10.Observationofoceancurrent1第十章海流观测2导言第一节常用的海流计漂流浮标测流地波雷达测流第二节第三节第四节第五节遥感测流第十章海流观测3第六节怎样正确使用海流计测流第七节观测时间选择第八节近地层海流的梯度观测第九节海流观测资料的整理与分析第十章海流观测4导言第一节5一、海水运动海水运动是湍流、波动、周期性潮流和较稳定的“常流”综合作用的结果。第十章海流观测第一节导言湍流（turbulent）是流体的一种流动状态。当流速增加到很大时，流线不再清楚可辨，流场中有许多小漩涡，层流被破坏，相邻流层间不但有滑动，还有混合，形成湍流，又称为乱流、扰流或紊流。在自然界中，我们常遇到流体作湍流，如江河急流、空气流动、烟囱排烟等都是湍流。6海水运动是湍流、波动、周期性潮流和较稳定的“常流”综合作用的结果。•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；本章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。第十章海流观测第一节导言一、海水运动7第十章海流观测第一节导言不同尺度海洋现象8潮流：伴随潮汐涨落现象所出现的周期性变化的海水流动。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。第十章海流观测第一节导言一、海水运动9潮流：伴随潮汐涨落现象所出现的周期性变化的海水流动。•是由月亮与太阳的引潮力引起的；•没有水平方向的潮流运动，就不会有垂直方向的升降运动（潮汐）。•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；•潮流比潮汐复杂，有流向及流速的变化：在近岸或海湾地区，为“往复流”运动，在外海则是旋转流运动。第十章海流观测第一节导言10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。•为准定常运动。最典型的例子就是世界大洋环流。第十章海流观测第一节导言11第十章海流观测第一节导言12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。•为准定常运动。最典型的例子就是世界大洋环流。•在浅海中，定常流通常非常复杂。流速通常较潮流小一个量级，研究时必须滤掉观测数据中的潮流才能得到“常流”，又被称为“余流”。•风、径流、地形、海洋受热不均匀的影响均可导致余流的产生。第十章海流观测第一节导言13观测海流的重要性：a)对海上交通的影响：海流会影响船只的航向和航速。例如，在较大横流作用下，船只容易偏离航线、发生事故。顺流航行可增加航速，可节省时间和燃料；反之则能耗、时耗增加。b)对港口建设的影响：要计算海流对泥沙的搬运作用。第十章海流观测第一节导言一、海水运动14观测海流的重要性：c)对渔业的影响：在寒暖流交汇处往往形成优良的渔场。•例如，秘鲁渔场是由于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而形成的。•又如，北海道渔场是由于日本处有日本暖流与千岛寒流交汇，从而形成一大渔场。第十章海流观测第一节导言一、海水运动15观测海流的重要性：d)海水的运动规律对海洋科学多领域研究的影响：海水运动将一个区域的海水输运到另一个区域，伴随着水量、能量以及物质的输运。•对水团的形成、各种物质的迁移过程、海气界面热交换、气候变化、海洋生态系统状态等均有影响。第十章海流观测第一节导言一、海水运动16二、海流的观测海流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（°）。第十章海流观测第一节导言17二、海流的观测海流观测层次：•参照温度观测层次或根据需要选定；•海流观测表层为0~3m以内的水层；•由于船体影响使得流速、流向测量不准；海流连续观测时间：•不少于25h，至少每小时观测一次；第十章海流观测第一节导言18二、海流的观测海流辅助观测项目：•风速、风向等气象要素海流观测方法：•拉格朗日方法(随流运动)；•欧拉方法(定点)；第十章海流观测第一节导言19二、海流的观测拉格朗日方法(随流运动)：•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。•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。第十章海流观测第一节导言20第十章海流观测第一节导言拉格朗日方法21二、海流的观测欧拉方法(定点)：•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。第十章海流观测第一节导言22第十章海流观测第一节导言欧拉方法第十章海流观测23常用的海流计第二节24什么是海流计？能将海水运动的流速、流向观测出来并提供给人们进行分析的仪器，统称为海流计，即计量海水流动的仪器。根据海流计进行流速测量的原理，可以将之分为机械旋浆式海流计、电磁感应式海流计、声学多普勒海流计和漂流浮标四个基本种类。第十章海流观测第二节常用的海流计25一、机械旋浆式海流计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（安德拉海流计）、遥测型、直读型、电传型等旋浆海流计。第十章海流观测第二节常用的海流计26一、机械旋浆式海流计（一）厄克曼海流计是瑞典物理海洋学家厄克曼(V．W．Ekman)在1905年首先研制的，故名。•能测量一定时间内海水的平均流速和流向。•主要由轭架、旋桨、离合器、计数器、流向盒及尾舵等部件构成。第十章海流观测第二节常用的海流计27一、机械旋浆式海流计（一）厄克曼海流计第十章海流观测第二节常用的海流计28一、机械旋浆式海流计（一）厄克曼海流计•目前已不再使用，但是在海洋调查史上历经八十多年才被替换，其基本原理仍为大多数海流计所沿用。•厄克曼海流计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，测量精度一般为：流速±0.05m/s，流向±10°~15°。第十章海流观测第二节常用的海流计29一、机械旋浆式海流计（一）厄克曼海流计•该仪器每测一层要提上来记录一次后，方可继续观测。较为麻烦、费时、速度慢且不精确。第十章海流观测第二节常用的海流计30一、机械旋浆式海流计（二）直读海流计系船用定点测流仪器。流速流向测量的电信号均经电缆传递到显示器。•测量数据直观、资料整理方便，测量速度快，有的可以兼测深度。•仪器最大使用深度为150~660m，流速测量范围0.05~7m/s。第十章海流观测第二节常用的海流计31一、机械旋浆式海流计（二）直读海流计第十章海流观测第二节常用的海流计32一、机械旋浆式海流计（二）直读海流计第十章海流观测第二节常用的海流计LC9-2型直读海流计仪器主要有水下探测器、水上数据终端等部分组成，其间以三芯轻便电缆传输信号并承担水下探测器重量。33一、机械旋浆式海流计（二）直读海流计•仪器采用旋桨式转子感应流速，其转速与被测流速成正比，在规定的测量范围内具有良好的线性关系，仪器的旋浆具有良好的流入角特性和倾斜特性，动态特征好。•仪器采用了双垂直和双水平尾翼，流速从0.03～3.5m/s不同速度下，海流计始终置水平状态，并且旋浆都处于正面迎流位置，充分体现了标准极坐标型海流计的要求。机内罗盘受地磁定向，其夹角即为磁流向。第十章海流观测第二节常用的海流计34一、机械旋浆式海流计（二）直读海流计•数据终端(8)的数据处理采用单片微机系统，具有较好的低温和低功耗特性，终端数据可同时送液晶显示，标准打印机和RS232接口系统还可以存贮24h整点测量数据，控制输出开关(DUMP)随时倒出打印。观测者可以直接读取，故称之为“直读海流计”。第十章海流观测第二节常用的海流计35一、机械旋浆式海流计（三）安德拉海流计是浮标用的定点自记测流仪器，其工作原理多数将测量数据以二进制编码方式记录在磁带上，也有用其它方式记录在磁带上。•最大使用深度为1000~6000m，大致测量流速范围为0.03~4m/s，精度为±0.03～0.05m/s。第十章海流观测第二节常用的海流计36一、机械旋浆式海流计（三）安德拉海流计第十章海流观测第二节常用的海流计37一、机械旋浆式海流计（三）安德拉海流计是浮标用的定点自记测流仪器，安装在水下锚系系统中，连续观测海流流速、流向、温度、深度、电导率等。由于其性能稳定、可靠、操作简便，已广泛应用于海洋调查及工程测量中。第十章海流观测第二节常用的海流计38机械旋浆式海流计直接暴露于水体中，易受到漂浮物和附着生物的影响，导致测量结果不准。二、电磁海流计该类仪器是应用法拉弟电磁感应定理，通过测量海水流过磁场时所产生的感应电动势来测定海流的。根据磁场的来源不同，可分为地磁场海流计，人造磁场电磁海流计。第十章海流观测第二节常用的海流计39二、电磁海流计第十章海流观测第二节常用的海流计40二、电磁海流计（一）地磁场海流计•优点：可以走航自记。水下部件结构简易，可靠性高。•缺点：由于它与地球垂直磁直强度有关，不能在赤道附近使用，只适用于地磁垂直强度大于0.1A/m2的海区，同时，它受船磁的影响也较大。•其测流范围在0.03~3m/s，测量精度为±0.02m/s，流向±5°。第十章海流观测第二节常用的海流计41二、电磁海流计（二）人造磁场电磁海流计•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。•测量流速范围0～350cm/s，准确度±1cm/s或±2％满量程，流向准确度±2˚第十章海流观测第二节常用的海流计42三、声学多普勒海流计同样是不用旋浆感应流速的海流计。该类仪器是以声波在流动液体中的多普勒频移来测流速的。第十章海流观测第二节常用的海流计43第十章海流观测第二节常用的海流计多普勒效应(Dopplereffect)1、现象(1842年发现)：当汽车向你驶来时，感觉音调变高；当汽车离你远去时，感觉音调变低。3、多普勒效应：由于波源和观察者之间有相对运动，使观察者感到频率变化的现象叫做多普勒效应。2、音调：由频率决定，频率越高音调越高，频率越低音调越低。注意：频率由声源决定，实际频率并没有变化。44三、声学多普勒海流计第十章海流观测第二节常用的海流计多普勒效应：镜面移近声、光源，反射波的频率增加，波长减小。镜面移开声、光源，反射波的频率减小，波长增大。45三、声学多普勒海流计同样是不用旋浆感应流速的海流计。该类仪器是以声波在流动液体中的多普勒频移来测流速的。其优点是：声速可以自动较准，能连续记录，仪器无活动部件，无磨擦和滞后现象，测量时感应时间快，测量精度高，可测弱流等。第十章海流观测第二节常用的海流计46三、声学多普勒海流计其缺点是：存在仪器的本身发射功率、电池寿命和声波衰减等问题，因此限制了该类仪器的使用。该类仪器的大致精度在±2cm/s，流向精度±5°，工作最大深度50~6000m不等。第十章海流观测第二节常用的海流计47四、声学多普勒海流剖面仪声学多普勒海流剖面仪（ADCP）是目前观测多层海流剖面的最有效的方法。其特点是精度高、分辩率高，操作方便。严格来说，ADCP也属于声学多普勒海流计，但其发声频率、功率和接收回声以及处理的方式有所不同。第十章海流观测第二节常用的海流计48四、声学多普勒海流剖面仪声学多普勒海流剖面仪（ADCP）是目前观测多层海流剖面的最有效的方法。目前国际上的大型海洋研究项目中如TOGA（热带海洋与全球大气计划），WOCE（世界大洋环流实验），WEPOCS等都使用ADCP。ADC