1、第七章第七章 海流觀測海流觀測 主要內容主要內容 海流概述海流概述 觀測方法觀測方法 海流計簡介海流計簡介 海流觀測的持續時間選擇海流觀測的持續時間選擇 影響海流觀測誤差分析影響海流觀測誤差分析 直讀式海流計使用方法直讀式海流計使用方法 海流觀測資料的整理與分海流觀測資料的整理與分 析析 1 概述概述 n海水運動：亂流、波動、周期特性潮流與海水運動：亂流、波動、周期特性潮流與 穩定的穩定的“常流常流”綜合作用的結果綜合作用的結果 這些流動具有不同尺度、速度與周期，且這些流動具有不同尺度、速度與周期，且 隨風、季節和年份而變隨風、季節和年份而變 強度一般由海表面向深層遞減強度一般由海表面向深層遞

2、減 n本章所講海流主要指海水運動空間尺度較本章所講海流主要指海水運動空間尺度較 大大(5 km)、時間尺度較長、時間尺度較長(周期超過周期超過12 h)的的 運動，包括潮流和常流運動，包括潮流和常流(余流余流)，亂流、波動，亂流、波動 排除在外排除在外 2 3 不同尺度海洋現象不同尺度海洋現象 潮流：伴隨潮汐漲落現象所做的周期性變化的潮流：伴隨潮汐漲落現象所做的周期性變化的 海水流動海水流動 由日月引潮力引起，變化周期主要有半日和全日由日月引潮力引起，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 大規模的海水運動大規模的海水運動 運

3、動準定常，又稱余流運動準定常，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，伴隨著能將一個區域的海水輸運到另一個區域，伴隨著能 量輸運量輸運 4 5 進行海流觀測時，要按一定時間間隔進行海流觀測時，要按一定時間間隔持續觀測一持續觀測一 晝夜或多晝夜晝夜或多晝夜，所得的結果是常流和潮流的合成，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，剩余部分為水平方向周期性的流動為潮流，剩余部分為常流常流 觀測海流的重要性觀測海流的重要性 對漁業：寒暖流交匯處往往形成良好的漁場對漁業：寒暖流交匯處往往形成良好的漁場

4、建港中要計算海流對泥沙的搬運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形成、海水內部及海氣界面之間熱量的交換等 6 7 7.1 海流觀測方法海流觀測方法 海流觀測包括流速和流向海流觀測包括流速和流向 流速流速 單位時間內海水流動的距離單位時間內海水流動的距離 單位：單位：m/s或或cm/s 流向流向 海水流去的方向海水流去的方向 單位：度單位：度() 8 海流觀測層次海流觀測層次 參照溫度觀測層次或根據需要選定參照溫度觀測層

5、次或根據需要選定 海流觀測表層為海流觀測表層為03 m以內的水層以內的水層 由于船體影響使得流速、流向測量不準由于船體影響使得流速、流向測量不準 海流連續觀測時間海流連續觀測時間 不少于不少于25 h，至少每小時觀測一次，至少每小時觀測一次 海流海流輔助觀測項目輔助觀測項目 風速、風向等氣象要素風速、風向等氣象要素 海流觀測方法海流觀測方法 拉格朗日方法拉格朗日方法(隨流運動隨流運動)、歐拉方法、歐拉方法(定點定點) 9 10 拉格朗日方法拉格朗日方法 歐拉方法歐拉方法 一、浮標漂移測流一、浮標漂移測流法（拉格朗日方法）法（拉格朗日方法） 根據自由漂移物隨海水流動的情況來確定海水根據自由漂移物

6、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船體本身或偶然遇到的漂移物人工特制浮標人工特制浮標 應用雷達定位、航空攝影、無線電定位等工具應用雷達定位、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被動測流，空間分布特征不均勻 12 觀測方法觀測方法 觀測在拉格朗日坐標系統中進行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取起始坐標和從開始時間起所經過的時 間間- 0為獨立變量，流動坐標：為獨立變量

7、，流動坐標： 13 00000 (,),(,)xx xxx 流速為坐標對時間的導數：流速為坐標對時間的導數： 0 000 000 ( ,)(,), (,) v xx x xxv xd 1. 漂流瓶測表層流漂流瓶測表層流 漂流瓶漂流瓶(又稱郵瓶又稱郵瓶)通常被用來研究海流的大致情況通常被用來研究海流的大致情況 根據漂流瓶的根據漂流瓶的漂移路徑漂移路徑及及所花時間所花時間，就可以大致，就可以大致 地確定流速和流向地確定流速和流向 廉價，早期常用的測流方法廉價，早期常用的測流方法 14 2. 跟蹤浮標法測表層流跟蹤浮標法測表層流 船體跟蹤船體跟蹤 將浮體將浮體施放于選定施放于選定海面，海面，使之自由

8、隨海水流動，觀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良好天氣狀況下才能進行 儀器跟蹤儀器跟蹤 人工人工特制浮標隨海水自由流動，在岸上用雷達跟蹤特制浮標隨海水自由流動，在岸上用雷達跟蹤 浮標浮標本身定時本身定時發射無線電訊號發射無線電訊號衛星衛星地面地面 或航空攝影或航空攝影方法測定浮標移動情況方法測定浮標移動情況 15 3. 中性浮子測流中性浮子測流 深海中下層深海中下層海流觀測困難海流觀測困難 中性浮子具有可調節性，可適用深海

9、海流觀測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測出相應水層的流動速度和方向 16 目前目前海洋水文觀測中常用方法海洋水文觀測中常用方法 1. 定點臺架方式測流定點臺架方式測流 淺海海流觀測，用固定臺架懸

10、掛儀器，使海流計處淺海海流觀測，用固定臺架懸掛儀器，使海流計處 于穩定狀態，可長時間連續觀測于穩定狀態，可長時間連續觀測 海面臺架海面臺架 海上平臺、其它固定臺架海上平臺、其它固定臺架 實測時，盡可能避免臺架對流場產生的影響實測時，盡可能避免臺架對流場產生的影響 海底臺架海底臺架 棱錐形臺架，海流計固定于框架中部適當位置棱錐形臺架，海流計固定于框架中部適當位置 17 二、定點觀測海流（歐拉方法）二、定點觀測海流（歐拉方法） 2. 錨定浮標錨定浮標 以錨定浮標或潛標為承載工具，懸掛自記式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海流計進行海流觀測 有的僅用于觀測表層海流，有的可用

11、于同時有的僅用于觀測表層海流，有的可用于同時 觀測多層海流觀測多層海流 18 3. 錨定船測流錨定船測流 在在船上船上利用利用絞車和鋼絲繩懸掛海流計觀測海流仍絞車和鋼絲繩懸掛海流計觀測海流仍 是常用的、最主要的測流方式是常用的、最主要的測流方式 根據水深確定觀測層次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 下觀測時間下觀測時間 鋼絲或電纜傾角鋼絲或電纜傾角10時，須作深度的傾角訂正時，須作深度的傾角訂正 19 船只船只錨定測流費用高錨定測流費用高 船只航行的時候同時觀測海流，不僅可以船只航行的時候同時觀測海流，不僅可以 節省時間

12、，提高效益，而且還可以同時觀測節省時間，提高效益，而且還可以同時觀測 多層海流多層海流 實現常規方法很難測流海區的海流觀測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，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向，再經矢量合成得出海水對海底的運動速 度和方向度和方向 20 船速船速 船測流速船測流速 三、走航測流三、走航測流 流速流速不大于不大于100 cm/s時時 水深在水深在200 m以淺海區，測量準確度應為

13、以淺海區，測量準確度應為5 cm/s 水深在水深在200 m以深海區，測量準確度應為以深海區，測量準確度應為3 cm/s 流向測量的準確度均為流向測量的準確度均為10 流速超過流速超過100 cm/s時時 水深在水深在200 m以淺海區，測量準確度應為以淺海區，測量準確度應為5 % 水深在水深在200 m以深海區，測量準確度應為以深海區，測量準確度應為3 % 流向測量的準確度均為流向測量的準確度均為10 21 四、海流連續觀測的準確度要求四、海流連續觀測的準確度要求 觀測觀測淺層淺層(船吃水深度三倍以內的水層船吃水深度三倍以內的水層)海流時，應海流時，應 借助小型錨定浮標或施放小艇進行觀測，以

14、消除船體借助小型錨定浮標或施放小艇進行觀測，以消除船體 的影響的影響 利用調查船為承載工具測淺層以下各層海流時，若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如果用自記海流計懸掛于浮標或潛標上進行海流觀 測

15、時，投放與回收浮標測時，投放與回收浮標(或潛標或潛標)的船只必須具備專用的船只必須具備專用 提吊設備，浮標提吊設備，浮標(或潛標或潛標)錨定后記錄觀測開始時間和錨定后記錄觀測開始時間和 浮標浮標(或潛標或潛標)準確位置準確位置 22 五、海流觀測注意事項五、海流觀測注意事項 浮標浮標或潛標的閃光裝置須切實水密，保證正常或潛標的閃光裝置須切實水密，保證正常 連續閃光連續閃光 當施放海流計的鋼絲繩或電纜的傾角超過當施放海流計的鋼絲繩或電纜的傾角超過1010， 應進行傾角訂正應進行傾角訂正 以船只為承載工具進行海流連續觀測時，應至以船只為承載工具進行海流連續觀測時，應至 少每少每3 3小時觀測一次船

16、位。如發現船只嚴重走錨小時觀測一次船位。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（超過定位準確度要求），應移至原位，重新開 始觀測始觀測 周日連續觀測一般不得缺測，凡中斷觀測周日連續觀測一般不得缺測，凡中斷觀測2 2小時小時 以上者，最好重新觀測以上者，最好重新觀測 23 24 7.2 海流計簡介海流計簡介 機械旋漿式海流計機械旋漿式海流計 電磁海流計電磁海流計 聲學多普勒海流計聲學多普勒海流計 聲學多普勒海流剖面儀聲學多普勒海流剖面儀 其它測流儀器其它測流儀器 基本原理基本原理：依據旋漿葉片受水流推動的轉：依據旋漿葉片受水流推動的轉 數來確定流速，用磁羅經確定流向數來確

17、定流速，用磁羅經確定流向(必須進行必須進行 磁差校正磁差校正) 根據儀器記錄方式，大致根據儀器記錄方式，大致分為分為 25 一、機械旋漿式海流計一、機械旋漿式海流計 埃克曼海流計埃克曼海流計 印刷型海流計印刷型海流計 照相型海流計照相型海流計 磁帶記錄型海流計磁帶記錄型海流計 遙測型海流計遙測型海流計 直讀型海流計直讀型海流計 電傳型海流計電傳型海流計 1. 埃克曼海流計埃克曼海流計 瑞典海洋學家埃克曼于瑞典海洋學家埃克曼于1905年設計年設計 現已被淘汰，但基本原理仍被沿用現已被淘汰，但基本原理仍被沿用 旋漿啟動速度為旋漿啟動速度為3 cm/s 測量準確度測量準確度 流速：流速： 5 cm/

18、s 流向：流向： 10 15 26 2. 直讀式海流計直讀式海流計 船用定點測流儀器船用定點測流儀器 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，測量速度快測量數據直觀、資料整理方便，測量速度快 最大使用深度：最大使用深度：150660 m 測量流速范圍：測量流速范圍： 5700 cm/s 27 二、電磁海流計二、電磁海流計 該類儀器是應用該類儀器是應用法拉第電磁感應法拉第電磁感應定理，通過測量定理，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海水流過磁場時所產生的感應電動勢來測定海流 28 磁場來源磁場來源 地磁場電磁

19、地磁場電磁 海流計海流計 人造磁場電人造磁場電 磁海流計磁海流計 深海型深海型 表層型表層型 地磁場電磁海流計地磁場電磁海流計 深海深海型型 不適用不適用于表層測流，在水深小于于表層測流，在水深小于100 m 的海區不宜使用的海區不宜使用 表層型表層型 只只適用于測表面層的海流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、優點：可以走航自記，水下部件結構簡易、 可靠性高可靠性高 缺點缺點：與：與地球垂直磁場強度有關，不能在赤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道附近使用，只適用于地磁垂直強度大于 0.1Am2的的海區海區；受受船磁的影響也較大船磁的

20、影響也較大 測流測流范圍范圍3300 cm/s，流速測量，流速測量準確度準確度 2cm/s，流向測量，流向測量準確度準確度5 29 人造人造磁場電磁海流計磁場電磁海流計 受深度和緯度的限制不大受深度和緯度的限制不大 適于船用或錨定水下測量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與直讀式海流計類似，只是水下傳感器不同 30 優點：準確度高，測量值可靠，體積小，優點：準確度高，測量值可靠，體積小， 操作簡便，無活動部件，對流場影響小操作簡便，無活動部件，對流場影響小 測量流速范圍測量流速范圍0350 cm/s，準確度，準確度1 cm/s或或2滿量程，流向滿量程，流向準確度準確

21、度 2 三、聲學多普勒海流計三、聲學多普勒海流計 聲波聲波在流動液體中的多普勒頻移來測流速在流動液體中的多普勒頻移來測流速 優點優點 聲速自動聲速自動校準校準，連續，連續記錄，儀器無活動部記錄，儀器無活動部 件，無摩擦和滯后現象，件，無摩擦和滯后現象，測量感應測量感應時間快，時間快， 測量準確度高，可測弱流等測量準確度高，可測弱流等 缺點缺點 儀器本身儀器本身發射功率、電池壽命和聲波衰減發射功率、電池壽命和聲波衰減 等問題等問題，限制，限制了該類儀器的使用了該類儀器的使用 該類儀器的流速該類儀器的流速準確度準確度2 cm/s，流向，流向準準 確度確度5，工作最大，工作最大深度深度506000m

22、 31 目前目前觀測多層海流剖面觀測多層海流剖面 最有效的方法最有效的方法 優點優點 準確度高、分辨率高、準確度高、分辨率高、 操作方便操作方便 嚴格來說，嚴格來說，ADCP也屬也屬 于聲學多普勒海流計，于聲學多普勒海流計， 但其發聲頻率、功率和但其發聲頻率、功率和 接收回聲以及處理的方接收回聲以及處理的方 式有所不同式有所不同 32 四、聲學多普勒海流剖面儀四、聲學多普勒海流剖面儀(ADCP) 測流測流原理原理 測定聲波入射到海水中微顆粒的后向散射在頻率上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的多普勒頻移，得到不同水層水體的運動速度 33 多普

23、勒效應：多普勒效應：聲源與接收聲源與接收 器之間由于相對運動，而器之間由于相對運動，而 使接收器接收到的頻率與使接收器接收到的頻率與 聲源的固有頻率不一致的聲源的固有頻率不一致的 現象，差為現象，差為多普勒頻移多普勒頻移 兩者互相接近：兩者互相接近： 接收頻率接收頻率發射頻率發射頻率 兩者互相遠離：兩者互相遠離： 接收頻率接收頻率發射頻率發射頻率 測流測流原理原理 如果一束超聲波能量射入非均勻液體介質時，液體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，產生多普勒頻移的頻率與發射頻率

24、不同，產生多普勒頻移 比例于發射比例于發射/接收器和后向散射體的相對運動速度接收器和后向散射體的相對運動速度 34 0 cos cos cv ff cv f：接收頻率：接收頻率 f0：發射頻率：發射頻率 c：聲波在海水中的傳播速度：聲波在海水中的傳播速度 v：散射單元運動速度：散射單元運動速度(海流速度海流速度) ：發射或接收波束與海流方向夾角：發射或接收波束與海流方向夾角 測流測流原理原理 多普勒頻移：多普勒頻移： 35 00 2 cos cos d v ffff cv cosvc 0 2 cos d v ff c 0 2cos d cf v f 可求得三維流速可求得三維流速 36 布放方式

25、布放方式 37 38 7.3 海流觀測的持續時間選擇海流觀測的持續時間選擇 現有現有海流計主要測量潮流和常流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，實際上就是用何觀測持續時間長短選擇，實際上就是用何 種種“時間濾波器時間濾波器”將噪聲濾掉將噪聲濾掉 39 40 海洋海洋中的運動可以分成三類：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極其無規則的小尺度渦旋運動(湍流湍流)，必須統必須統 計計描

26、述描述 各類波動各類波動(波浪波浪) 它們都具有某些周期性，這類運動也可以用獨它們都具有某些周期性，這類運動也可以用獨 立的理論描述立的理論描述 ( , , , )vvv x y z t 一、流速場的描述一、流速場的描述 41 海流觀測結果，要求其脈動累加平均值等于海流觀測結果，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要求對一定時間間隔求平均值(函數時間平滑函數時間平滑) 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，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

27、么樣的平滑尺度能滿足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，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每次測量的平均值會有顯著的不同 ( , , , )vvv x y z t 1. 直讀式海流計直讀式海流計 流速流速觀測持續時間觀測持續時間：0.5 min、3 min、10 min、15 min 流向記錄：流向記錄：瞬時瞬時 42 二、觀測持續時間的選擇二、觀測持續時間的選擇 2. ADCP 瞬時瞬時 43 7.4 影響海流觀測誤差分析影響海流觀測誤差分析 接近接近海面的流動由于平臺的影響而改變海面的流動由于平臺的影響而改變

28、平臺上的鋼鐵裝置導致儀器上的磁羅經偏移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，由于鋼絲傾斜導致儀器無指示深度的元件，由于鋼絲傾斜導致 深度失真深度失真 44 一、平臺無運動時出現的誤差一、平臺無運動時出現的誤差 測量測量平臺的緩慢移動的作用平臺的緩慢移動的作用 以平臺為中心的擺動以平臺為中心的擺動 以錨為中心的以錨為中心的擺動擺動 45 二、平臺緩慢移動所產生的誤差二、平臺緩慢移動所產生的誤差 三、平臺的快速運動波浪場的影響三、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響近似認為附加上下垂直運動和 水平往復運動水平往復運動 46 7.5 直讀式海流計使用方法直讀式海流計使用方法 一、儀器結構一、儀器結構 儀器由水下探測器、水上數據終端及電纜等組成儀器由水下探測器、水上數據終端及電纜等組成 47 水下探測器水下探測器 由旋漿、導流罩、流速發訊器、接收器、吊架、由旋漿、導流罩、流速發訊器、接收器、吊架、 尾翼及插座等組成尾翼及插座等組成 數據終端