第七章海流觀測主要內容海流概述觀測方法海流計簡介海流觀測的持續時間選擇影響海流觀測誤差分析直讀式海流計使用方法海流觀測資料的整理與分析1概述海水運動：亂流、波動、周期特性潮流與穩定的“常流”綜合作用的結果這些流動具有不同尺度、速度與周期，且隨風、季節和年份而變強度一般由海表面向深層遞減本章所講海流主要指海水運動空間尺度較大(>5km)、時間尺度較長(周期超過12h)的運動，包括潮流和常流(余流)，亂流、波動排除在外23不同尺度海洋現象概述潮流：伴隨潮汐漲落現象所做的周期性變化的海水流動由日月引潮力引起，變化周期主要有半日和全日常流：沿一定路徑、方向基本朝向一個方向的大規模的海水運動運動準定常，又稱余流風的作用、海洋受熱不均勻、地形的影響產生將一個區域的海水輸運到另一個區域，伴隨著能量輸運45概述進行海流觀測時，要按一定時間間隔持續觀測一晝夜或多晝夜，所得的結果是常流和潮流的合成水平方向周期性的流動為潮流，剩余部分為常流觀測海流的重要性對漁業：寒暖流交匯處往往形成良好的漁場建港中要計算海流對泥沙的搬運海上交通中要考慮順流節約時間海水的運動規律對海洋科學多領域研究：水團的形成、海水內部及海氣界面之間熱量的交換等67.1海流觀測方法海流觀測包括流速和流向流速單位時間內海水流動的距離單位：m/s或cm/s流向海水流去的方向單位：度(?)7海流觀測層次參照溫度觀測層次或根據需要選定海流觀測表層為0~3m以內的水層由于船體影響使得流速、流向測量不準海流連續觀測時間不少于25h，至少每小時觀測一次預報潮流的測站，一般應不少于3次符合良好天文條件的周日連續觀測海流輔助觀測項目風速、風向等氣象要素海流觀測方法拉格朗日方法(隨流運動)、歐拉方法(定點)89拉格朗日方法歐拉方法一、浮標漂移測流法根據自由漂移物隨海水流動的情況來確定海水的流速、流向，主要適用于表層流的觀測船體本身或偶然遇到的漂移物人工特制浮標應用雷達定位、航空攝影、無線電定位等工具測定浮標的移動情況，取得較為精確的海流資料被動測流，空間分布特征不均勻11觀測在拉格朗日坐標系統中進行取起始坐標和從開始時間起所經過的時間τ-

τ0為獨立變量，流動坐標：12流速為坐標對時間的導數：一、浮標漂移測流法1.漂流瓶測表層流漂流瓶(又稱郵瓶)通常被用來研究海流的大致情況根據漂流瓶的漂移路徑及所花時間，就可以大致地確定流速和流向廉價，早期常用的測流方法13一、浮標漂移測流法2.雙聯浮筒測表層流浮標測流常用工具船只錨定后或在海上平臺等相對穩定的載體上，在船尾放出雙聯浮筒，根據它的移動情況測定表層流的平均流速和流向14一、浮標漂移測流法3.跟蹤浮標法測表層流船體跟蹤將一個浮體施放于選定海面上，使之自由隨海水流動，觀測者乘小船跟隨其后并按特定時間間隔從船上定位連續觀測，一般要延續一個半日潮周期良好天氣狀況下才能進行儀器跟蹤高科技技術發展，新的更準確、更方便的儀器跟蹤浮標及相應觀測方法產生人工特制浮標隨海水自由流動，在岸上用雷達跟蹤浮標本身可定時發射無線電訊號衛星地面航空攝影方法測定浮標移動情況15一、浮標漂移測流法4.中性浮子測流深海中下層海流觀測困難中性浮子具有可調節性，可適用深海海流觀測實測中，首先根據溫鹽觀測值，確定出待測海流層的海水密度按此等效密度調節中性浮子，在預定水層處于重力和浮力平衡的狀態，隨海水漂流，觀測船上利用聲納跟蹤中性浮子，消除船體漂移運動，可測出相應水層的流動速度和方向16二、定點觀測海流目前海洋水文觀測中常用方法1.定點臺架方式測流淺海海流觀測，用固定臺架懸掛儀器，使海流計處于穩定狀態，可長時間連續觀測海面臺架海上平臺、其它固定臺架實測時，盡可能避免臺架對流場產生的影響海底臺架棱錐形臺架，海流計固定于框架中部適當位置17二、定點觀測海流2.錨定浮標以錨定浮標或潛標為承載工具，懸掛自記式海流計進行海流觀測有的僅用于觀測表層海流，有的可用于同時觀測多層海流18二、定點觀測海流3.錨定船測流以船只為承載工具，利用絞車和鋼絲繩懸掛海流計觀測海流仍是常用的、最主要的測流方式根據水深確定觀測層次將海流計沉放至預定水層，測量流速和流向并記下觀測時間鋼絲或電纜傾角>10?時，須作深度的傾角訂正19三、走航測流船只錨定測流費用高船只航行的時候同時觀測海流，不僅可以節省時間，提高效益，而且還可以同時觀測多層海流實現常規方法很難測流海區的海流觀測走航式海流觀測儀器ADCP原理：測出船對海底的絕對運動速度和方向，同時測出船對海水的相對運動速度和方向，再經矢量合成得出海水對海底的運動速度和方向20四、海流連續觀測的準確度要求流速不大于100cm/s時水深在200m以淺海區，測量準確度應為±5cm/s水深在200m以深海區，測量準確度應為±3cm/s流向測量的準確度均為±10?流速超過100cm/s時水深在200m以淺海區，測量準確度應為±5%水深在200m以深海區，測量準確度應為±3%流向測量的準確度均為±10?21五、海流觀測注意事項觀測淺層(船吃水深度三倍以內的水層)海流時，應借助小型錨定浮標或施放小艇進行觀測，以消除船體的影響利用調查船為承載工具測淺層以下各層海流時，若使用非自記海流計，待海流計沉放至預定觀測水層后即可進行觀測；使用自記海流計，可根據絞車和鋼絲繩的負載，串掛多臺海流計同時觀測多層海流測流時，必須記錄觀測開始時間和結束時間如果用自記海流計懸掛于浮標或潛標上進行海流觀測時，投放與回收浮標(或潛標)的船只必須具備專用提吊設備，浮標(或潛標)錨定后記錄觀測開始時間和浮標(或潛標)準確位置22五、海流觀測注意事項浮標或潛標的閃光裝置須切實水密，保證正常連續閃光當施放海流計的鋼絲繩或電纜的傾角超過10°，應進行傾角訂正以船只為承載工具進行海流連續觀測時，應至少每3小時觀測一次船位。如發現船只嚴重走錨（超過定位準確度要求），應移至原位，重新開始觀測周日連續觀測一般不得缺測，凡中斷觀測2小時以上者，最好重新觀測237.2海流計簡介機械旋漿式海流計電磁海流計聲學多普勒海流計聲學多普勒海流剖面儀其它測流儀器24一、機械旋漿式海流計基本原理：依據旋漿葉片受水流推動的轉數來確定流速，用磁羅經確定流向(必須進行磁差校正)根據儀器記錄方式，大致分為埃克曼海流計印刷型海流計照相型海流計磁帶記錄型海流計遙測型海流計直讀型海流計電傳型海流計251.埃克曼海流計瑞典海洋學家埃克曼于1905年設計現已被淘汰，但基本原理仍被沿用旋漿啟動速度為3cm/s測量準確度流速：±5cm/s流向：±10?~15?262.印刷型海流計船用或浮標用定點自記測流儀器，最大使用深度6000m，連續記錄時間長達2個月273.照相型海流計船用或浮標用定點自記測流儀器用一個大直徑導流葉輪測量流速用隨海流方向轉動的度盤示數測定流向測量值經照相記錄在耐壓殼內的膠卷上儀器測量深度為150m，自記工作時間30天284.磁錄式海流計浮標用定點自記測流儀器，如安德拉海流計將測量數據以二進制編碼方式記錄在磁帶上最大使用深度：1000~6000m測量流速范圍：3~400cm/s，準確度：3~5cm/s流向準確度：±5?295.遙測型海流計浮標用定點自記測流儀器雙頻道無線電遙測裝置流速與流向值根據自記儀紙帶上記錄脈沖頻率和相對位置而進行測定測量流速范圍：10~360cm/s流速準確度：±5cm/s流向準確度：±5?306.直讀式海流計船用定點測流儀器流速流向測量的電信號均經電纜傳遞到顯示器測量數據直觀、資料整理方便，測量速度快最大使用深度：150~660m測量流速范圍：5~700cm/s31二、電磁海流計該類儀器是應用法拉第電磁感應定理，通過測量海水流過磁場時所產生的感應電動勢來測定海流32磁場的來源不同地磁場電磁海流計人造磁場電磁海流計深海型表層型二、電磁海流計地磁場電磁海流計深海型深海型不適用于表層測流，在水深小于100m的海區不宜使用表層型表面層型只適用于測表面層的海流優點：可以走航自記，水下部件結構簡易、可靠性高缺點：由于它與地球垂直磁場強度有關，不能在赤道附近使用，只適用于地磁垂直強度大于0.1A／m2的海區。同時，它受船磁的影響也較大測流范圍在3～300cm/s，流速測量準確度為±2cm/s，流向測量準確度為±5?33二、電磁海流計人造磁場電磁海流計受深度和緯度的限制不大適于船用或錨定水下測量與直讀式海流計類似，只是水下傳感器不同34優點：準確度高，測量值可靠，體積小，操作簡便，無活動部件，對流場影響小測量流速范圍0～350cm/s，準確度±1cm/s或±2％滿量程，流向準確度為±2?三、聲學多普勒海流計以聲波在流動液體中的多普勒頻移來測流速優點聲速可以自動校準，能連續記錄，儀器無活動部件，無摩擦和滯后現象，測量時感應時間快，測量準確度高，可測弱流等缺點存在儀器的本身發射功率、電池壽命和聲波衰減等問題，因此限制了該類儀器的使用該類儀器的流速準確度為±2cm/s，流向準確度為±5?，工作最大深度為50～6000m35四、聲學多普勒海流剖面儀(ADCP)目前觀測多層海流剖面最有效的方法優點

準確度高、分辨率高、操作方便嚴格來說，ADCP也屬于聲學多普勒海流計，但其發聲頻率、功率和接收回聲以及處理的方式有所不同36四、聲學多普勒海流剖面儀(ADCP)測流原理測定聲波入射到海水中微顆粒的后向散射在頻率上的多普勒頻移，得到不同水層水體的運動速度37多普勒效應：聲源與接收器之間由于相對運動，而使接收器接收到的頻率與聲源的固有頻率不一致的現象，差為多普勒頻移兩者互相接近：接收頻率>發射頻率兩者互相遠離：接收頻率<發射頻率四、聲學多普勒海流剖面儀(ADCP)測流原理如果一束超聲波能量射入非均勻液體介質時，液體中的不均勻體把部分能量后向散射回接收器，接收的頻率與發射頻率不同，產生多普勒頻移比例于發射/接收器和后向散射體的相對運動速度38f′：接收頻率

f0：發射頻率c：聲波在海水中的傳播速度v：散射單元運動速度(海流速度)θ：發射或接收波束與海流方向夾角四、聲學多普勒海流剖面儀(ADCP)測流原理多普勒頻移：39可求得三維流速4041五、其它測流儀光學式海流計激光多普勒技術電阻式海流計利用海流對電阻絲的降溫作用來測流優點：可測瞬時流和低速流，測量準確度高，可遙測遮阻渦流海流計工作原理：圓柱桿置于流場中，必在其后產生海水渦動現象，用聲學方法測出渦流的頻率，并根據頻率與流速成正比、與圓柱桿的直徑成反比的關系得出流速值427.3海流觀測的持續時間選擇原因現有海流計主要測量潮流和常流要準確測量，必須抑制干擾這兩種運動的噪聲，即湍流和海浪的影響觀測持續時間長短選擇，實際上就是用何種“時間濾波器”將噪聲濾掉4344一、流速場的描述海水中各種可能運動的尺度譜很寬，海洋中的運動可以分成三類：規律性的大尺度運動，可以獨立描述極其無規則的小尺度渦旋運動(湍流)，必須予以統計描述各類波動(波浪、潮流)它們都具有某些周期性，這類運動也可以用獨立的理論描述45海流觀測結果，要求其脈動累加平均值等于0要求對一定時間間隔求平均值(函數時間平滑)在海洋條件下，函數時間平滑所得值與所取的時間尺度有關由于海洋可表征為各種尺度運動都包括的寬頻譜，所以很難說什么樣的平滑尺度能滿足如果平均周期取得不夠大則平均值是不穩定的，每次測量的平均值會有顯著的不同二、觀測持續時間長短的選擇1.直讀式海流計流速觀測延續時間：0.5min、3min、10min、15min流向記錄：瞬時2.安德拉海流計流速觀測延續時間：30s、3min、5min467.4影響海流觀測誤差分析一、平臺無運動時出現的誤差接近海面的流動由于平臺的影響而改變平臺上的鋼鐵裝置導致儀器上的磁羅經偏移長吊纜的彈性使儀器的反應失真儀器無指示深度的元件，由于鋼絲傾斜導致深度失真47二、平臺緩慢移動所產生的誤差測量平臺的緩慢移動的作用以平臺為中心的擺動以錨為中心的擺動三、平臺的快速運動－波浪場的影響呈現在儀器上的短暫的快速水平運動都是直接或間接由波浪使平臺動蕩以及海水的亂流所致在風浪作用下，對海流計的影響近似認為附加上下垂直運動和水平往復運動487.5直讀式海流計使用方法一、儀器結構儀器由水下探測器、水上數據終端及電纜等組成49水下探測器由旋漿、導流罩、流速發訊器、接收器、吊架、尾翼及插座等組成數據終端采用單片微機系統，可液晶顯示，也可打印輸出50二、工作原理水下探測器和微機系統由一組6V直流電源供電水下探測器工作狀態由微機系統通過三芯電纜控制，流速流向傳感器采集的信號經AD轉換后，通過電纜輸送至微機系統進行數據處理，然后直接顯示或送至打印機當工作電壓低于4.5V時，液晶顯示器顯示低壓標志，此時須更換電池51三、儀器操作方法船到站后，利用繩索和支架等將水下探測器下放至預定深度，并加以固定進入30s快速測量打印模式打印開關(DUMP)應置于OFF位置，開機儀器自動復位，或按復位鈕(R