1、第7章 海流观测海流：海水运动是乱流、波动、周期性潮流和稳定的海流：海水运动是乱流、波动、周期性潮流和稳定的“常常流流”综合作用的结果。本章讲的海流指的是空间尺度大于综合作用的结果。本章讲的海流指的是空间尺度大于kmkm，时间尺度超过，时间尺度超过1212小时的海水运动，包括潮流和常流（余小时的海水运动，包括潮流和常流（余流）两个部分。流）两个部分。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，可将这两部分分
2、离开来。水平昼夜获得的资料，经过计算，可将这两部分分离开来。水平方向周期性的流动称为潮流，其剩余部分称为常流，也称余方向周期性的流动称为潮流，其剩余部分称为常流，也称余流。流。海流观测意义海流观测意义掌握海水流动的规律非常重要，它可以直接为国防，生产、海运交通、渔业、建港等服务。海流与渔业的关系很密切，在寒流和暖流交汇的地方往往形成良好的渔场；在建港中要计算海流对泥沙的搬运；海上交通中要考虑顺流节约时间等。另外，了解海水的运动规律，对海洋科学其它领域研究有密切的关系。如水团的形成，海水内部及海气界面之间热量的交换等均与海流研究有关。7.1 海流观测方法流速：流速：单位单位cm/s或或m/s方向
3、：方向：流去的方向，正北流去的方向，正北0度，顺时针旋转度，顺时针旋转时间：时间：连续观测时间长度不小于连续观测时间长度不小于25小时，至少每小小时，至少每小时观测一次，同时进行风速、风向的测量时观测一次，同时进行风速、风向的测量方法：方法：按所采用的方式和手段，观测海流的方按所采用的方式和手段，观测海流的方法大体划分为法大体划分为随流体运动进行观测的拉格朗日法随流体运动进行观测的拉格朗日法和定点的欧拉法和定点的欧拉法层次：层次：按照温度观测层次或按需要而定按照温度观测层次或按需要而定海流观测的表层：海流观测的表层：03米的水层，由于船体的影响米的水层，由于船体的影响(流线改变流线改变或船磁影
4、响或船磁影响)，往往使得流速、流向测量不准确，往往使得流速、流向测量不准确当水深当水深H5.0mH5.0m时：采用六点法（表层、时：采用六点法（表层、0.2H0.2H、0.4H0.4H、0.6H0.6H、 0.8H0.8H、底、底层）进行海流观测，其中表层指水面下层）进行海流观测，其中表层指水面下1m1m处，底层指离海底处，底层指离海底1m1m处。处。当水深当水深3.0H=5.0m3.0H=5.0m时：采用三点法（时：采用三点法（0.2H0.2H、0.6H0.6H、0.8H0.8H）进行海流观）进行海流观测。测。当水深当水深1.5mH=3.0m1.5mH=3.0m时：采用两点法（时：采用两点法
5、（0.2H0.2H、0.8H0.8H）进行海流观测。）进行海流观测。当水深当水深H=1.5mH=1.5m时：采用一点法（时：采用一点法（0.6H0.6H）进行海流观测。）进行海流观测。7.1.1 浮标飘移测流法浮标飘移测流法根据自由漂移物随海水流动的情况来确定海水的流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，主要适用于表层流观测（雷达定位、航空速流向，主要适用于表层流观测（雷达定位、航空摄影或无线定位等）摄影或无线定位等）1、飘流瓶、飘流瓶2、双联浮筒、双联浮筒3、跟踪浮标、跟踪浮标4、中性浮子（中下层）、中性浮子（中下层）1.1.漂流瓶测表层流漂流瓶测表层流 漂流瓶漂流瓶( (又称
6、邮瓶又称邮瓶) )通常被用来研究海流的大致情况，根据漂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。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。2.2.双联浮筒测表层流双联浮筒测表层流 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。的移动情况测定表层流的平均流速和流向。3.3.跟踪浮标法跟踪浮标法 (1) (1)船体跟踪：将一个浮体船体跟踪：将一个
7、浮体( (或双联浮筒或双联浮筒) )施放于一选定的海面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。我们于
8、。我们于19801980年在石臼所外海用这种方法研究流体运动轨迹年在石臼所外海用这种方法研究流体运动轨迹取得良好效果。取得良好效果。 (2)(2)仪器跟踪：仪器跟踪：随着高科技技术的发展和应用，新的更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；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，送入天空有的浮标本身就可定时地发射无线电讯号，送入天
9、空运行的卫星中再返回地面接收系统。还有的使用航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。海区海水流动的状况等。4.4.中性浮子测流中性浮子测流 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，如美国节性，可适用于这种深海海流的观测，如美国BcnthousBcnthous公司生产的中性浮子，可适用于公司生产的中
10、性浮子，可适用于0 06000m6000m深深范围内的海流测量。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生的相对运
11、动，即可测出相应水层的流动速度和方向。7.1.2 定点观测海流定点观测海流1、定点台架方式测流、定点台架方式测流 在浅海海流观测中，用固定台架悬挂仪器，使海流计处在浅海海流观测中，用固定台架悬挂仪器，使海流计处于稳定状态可测得比较准确的海流资料并能进行长时间的连于稳定状态可测得比较准确的海流资料并能进行长时间的连续观测。续观测。水面台架：石油平台等，悬挂海流计，要避免台架水面台架：石油平台等，悬挂海流计，要避免台架对流场产生的影响对流场产生的影响海底台架：制作棱锥形台架置于海底，海流计固定海底台架：制作棱锥形台架置于海底，海流计固定于台架上，长时间连续观测于台架上，长时间连续观测2、锚定浮标、
12、锚定浮标 以锚定浮标或潜标为承载工具，悬挂自记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。前者通常布放在进于同时观测多层海流。前者通常布放在进行周日连续观测的调查船附近，以取得海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，后者一般是单独或流周日连续观测资料，后者一般是单独或多个联合使用，以取得长时间海流资料。多个联合使用，以取得长时间海流资料。3、锚定船、锚定船以船只为承载工具，利用绞车和钢丝绳悬挂海流计以船只为承载工具，利用绞
13、车和钢丝绳悬挂海流计进行观测，首先根据水深确定观测层次，将海流计进行观测，首先根据水深确定观测层次，将海流计陈放在预定水层，测量流速和流向并记录时间，钢陈放在预定水层，测量流速和流向并记录时间，钢丝绳倾角大于丝绳倾角大于10度时，须做深度的倾角订正度时，须做深度的倾角订正7.1.3 走航观测走航观测其测流原理多是，测出船对海底的绝对运动速度和其测流原理多是，测出船对海底的绝对运动速度和方向或利用高精度方向或利用高精度GPSGPS求出船的绝对运动速度和方求出船的绝对运动速度和方向，同时测出船对水的相对运动速度和方向，再经向，同时测出船对水的相对运动速度和方向，再经矢量合成得出海水对海底的运动速度
14、和方向矢量合成得出海水对海底的运动速度和方向 ，即，即可得出海流的流速、流向。可得出海流的流速、流向。7.1.4 海流连续观测的准确度要求海流连续观测的准确度要求流速流速 100cm/s时：时：水深水深 200m 流速测量的准确度应为流速测量的准确度应为3cm/s流速流速 100cm/s时：时：水深水深 200m 流速测量的准确度应为流速测量的准确度应为3%流向准确度均为流向准确度均为10度度海流观测的注意事项海流观测的注意事项 观测浅层海流时，应借助小型锚定浮标或施放小艇进行观测，观测浅层海流时，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。以消除船体的影响。 利用调查船为承载工具
15、测浅层以下各层海流时，若使用非自记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，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观测多海流计，可根据绞车和钢丝绳的负载，串挂多台海流计同时观测多层海流。层海流。 测流时，必须记录观测开始时间和结束时间。测流时，必须记录观测开始时间和结束时间。 如果用自记海流计悬挂于浮标或潜标上进行海流观测时，投放如果用自记海流计悬挂于浮标或潜标上进行海流观测时，投放与回收浮标（或潜标）的船只必须具备专用提吊设备，浮标（或潜与回收浮标（或
16、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。标）锚定后记录观测开始时间和浮标（或潜标）准确位置。 浮标或潜标上的闪光装置须切实水密，保证正常连续浮标或潜标上的闪光装置须切实水密，保证正常连续闪光。闪光。 在深海测流时，如船只抛锚困难且深层流速确实很小在深海测流时，如船只抛锚困难且深层流速确实很小，可用，可用“双机法双机法”观测，即在漂移船只上，将一台海流计置观测，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于预定观测水层，而将另一台海流计沉放至“无流层无流层”，两，两层海流计观测结果的矢量差，便是预定水层的海流观测值层
17、海流计观测结果的矢量差，便是预定水层的海流观测值 当施放海流计的钢丝绳或电缆的倾角超过当施放海流计的钢丝绳或电缆的倾角超过1010，应进，应进行倾角订正。行倾角订正。 以船只为承载工具进行海流连续观测时，应至少每以船只为承载工具进行海流连续观测时，应至少每3 3小小时观测一次船位。如发现船只严重走锚（超过定位准确度时观测一次船位。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。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，凡中断观测周日连续观测一般不得缺测，凡中断观测2 2小时以上者，小时以上者，最好重新观测。最好重新观测。7.2 海流计简介海流计简介7.2
18、.1 机械旋浆式海流计机械旋浆式海流计流速：旋浆叶片受水流推动的转数流速：旋浆叶片受水流推动的转数流向：磁罗经（必须进行磁差校正）流向：磁罗经（必须进行磁差校正）按记录方式特征，可以分为以下类型：按记录方式特征，可以分为以下类型：厄克曼型、印刷型、照相型、磁带记录型、厄克曼型、印刷型、照相型、磁带记录型、遥测型、直读型、电传型等遥测型、直读型、电传型等7.2.2 电磁海流计电磁海流计原理：原理：海水流过磁场时所产生的感应电动势来测定海流海水流过磁场时所产生的感应电动势来测定海流分类：分类：地磁场电磁海流计和人造磁场电磁海流计地磁场电磁海流计和人造磁场电磁海流计地磁场电磁海流计地磁场电磁海流计优
19、点：走航自记、结构简单、可靠性高优点：走航自记、结构简单、可靠性高缺点：不能在赤道附近使用，适用于地磁垂直强度大于缺点：不能在赤道附近使用，适用于地磁垂直强度大于0.1A/m2准确度：流速准确度：流速2cm/s，流向，流向5 ，测流范围，测流范围3300cm/s人造磁场电磁海流计人造磁场电磁海流计准确度：流速准确度：流速1cm/s，或，或2%满量程，流向满量程，流向2，测流范围，测流范围0350cm/s7.2.3 声学多普勒海流计声学多普勒海流计原理：声波在流动液体中的多普勒频移来测流速原理：声波在流动液体中的多普勒频移来测流速优点：声速自动校准，连续记录，感应快，准确度高优点：声速自动校准，
20、连续记录，感应快，准确度高缺点：发射功率、电池寿命和声波衰减缺点：发射功率、电池寿命和声波衰减准确度：流速准确度：流速2cm/s2cm/s，流向，流向5 5，工作最大深度，工作最大深度506000506000米米7.2.4 声学多普勒海流剖面仪声学多普勒海流剖面仪(ADCP)原理：多普勒频移原理：多普勒频移一定质量的水质量散射单元以速度一定质量的水质量散射单元以速度v运动，根据多普勒效应运动，根据多普勒效应接受信号的频率是：接受信号的频率是：与海流方向夹角：发射波束或接受波束流速）：散射单元运动速度（：发射频率速度：声波在海水中的传播：接收信号的频率vfcffvcvcf00coscosDSTT
21、TTcffcvcvffcvfvcvfffddd223422000106 .11)0 .35()1034. 1 (109 . 2105 . 56 . 42 .1449cos2cos2coscoscos2其中：，所以由于多普勒频移为：回声余量：SL 2TL + TS 噪声频率(大：衰减快但分层细)功率（太小则信噪比小，太大则有空化效应）信号频率信号频率75kHz150kHz300kHz最大测定水深最大测定水深500m300m260m最大海底探知水深最大海底探知水深950m525m260m测定层（例）测定层（例）4，8，16m2，4，8，16m1，2，4，8m最大测定层数最大测定层数128层层128
22、层层128层层刈幅刈幅333信号频率信号频率600kHz1,200kHz1,400kHz最大测定水深最大测定水深60m20m5m最大海底探知水深最大海底探知水深110m30m10m测定层（例）测定层（例）0.5，1，2m0.25，0.5，1m0.12，0.25，0.5m最大测定层数最大测定层数128层层128层层128层层刈幅刈幅1.51.51.5XYZXYZ7.6 影响海流观测误差分析1、平台无运动时出现的误差、平台无运动时出现的误差u接近海面的流动由于平台的影响而改变接近海面的流动由于平台的影响而改变u平台上的钢铁装置倒置仪器上的磁罗针的偏移平台上的钢铁装置倒置仪器上的磁罗针的偏移 （海流计尽量远离船体，近海用木壳船）（海流计尽量远离船体，近海用木壳船）u长吊缆的弹性使仪器的反应失真长吊缆的弹性使仪器的反应失真u仪器无指示深度的元件，由于钢丝绳倾斜导致深度失真仪器无指示深度的元件，由于钢丝绳倾斜导致深度失真2、平台缓慢移动造成的误差、平台缓慢移动造成的误差3、平台的快速运动、平台的快速运动-波浪场的影响波浪场的影响4、铅鱼和吊链的影响、铅鱼和吊链的影响5、海洋生物的影响（对锚定浮标的流速和寿命）、海洋生物的影响（对锚定浮标的流速和寿命）6、资料分析方法上的误差、资料分析方法上的误差
