华北理工海洋调查与观测技术教案第8讲 海流观测2

1课程名称：《海洋调查与观测技术》第8周，第8讲次摘要授课题目（章、节）第七章海流观测7.2海流计简介7.3海流观测的持续时间选则本讲目的要求及重点难点：【目的要求】掌握各式海流计的工作原理和结构，海流观测的持续时间选则。【重点】掌握各式海流计的工作原理和结构。【难点】掌握海流观测的持续时间选则。内容【本讲课程的引入】上一讲课介绍了海流观测的方法、要求和注意事项。下面来介绍各式海流计的工作原理和结构。【本讲课程的内容】第七章海流观测板书“第七章海流观测”7.2海流计简介板书“7.2海流计简介”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，有各具特色的海流观测仪器。7.2.1机械旋浆式海流计板书“7.2.1机械旋浆式海流计”其基本原理是依据旋浆叶片受水流推动的转数来确定流速，用磁罗经确定流向（必须进行磁差校正）。根据这类仪器记录方式的特征，可分为莪克曼型、印刷型、照相型、磁带记录型、遥测型、直读型、电传型等的旋浆海流计。1、厄克曼海流计它是瑞典海洋学家厄克曼在1905年首先设计制造的一种观测海流仪器，主要由轭架、旋浆、离合器、计数器、流向盒及尾舵等部件构成。2、印刷型海流计一种船用或浮标用的定点自记测流仪器，最大使用深度为6000m，连续记录时间长达2个月之久。3、照相型海流计一种浮标和船用的定点自记测流仪器。测量深度为150m，自记时间30天。4、磁录式海流计它是浮标用定点自记测流仪器，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，也用其他方式记录在磁带上的。最大使用深度为1000~6000m，大致测流范围为3~400cm/s，准确度为3~5cm/s，流向准确度05。5、遥测海流计它是浮标用自记测流仪器，该仪器系统为双频道的无线电遥测装置，包括装在浮标上的传感器和装在船上或岸上的接收装置。测量范围为10~360cm/s，流速准确度为5cm/s，流向测量准确度为05。6、直读式海流计系船用定点测流仪器。最大使用深度为150~660m，流速测量范围为5~700cm/s。同学们对了解哪些海流计？27.2.2电磁海流计板书“7.2.2电磁海流计”该类仪器是应用法拉第电磁感应定理，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，可分为地磁场电磁海流计和人造磁场电磁海流计两种。地磁场电磁海流计可细分为深海型和表层型。深海型不适用于表层测流，在水深小于100m的海区不宜使用；表层型只适用于测表面层的海流。地磁场电磁海流的优点是可以走航自记、水下部件结构简易、可靠性高；缺点是由于它与地球垂直磁场强度有关，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。它受船磁的影响也较大。人造磁场电磁海流计的使用受深度和纬度的限制不大。它适用于船用或锚定水下测量，和通常使用的直读式海流计差不多，只是水下传感器不同。7.2.3声学多普勒海流计板书“7.2.3声学多普勒海流计”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。其优点是声速可自动校准，能连续记录，仪器无活动部件，无摩擦和滞后现象，测量时感应时间快，测量准确度高，可测弱流等。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。流速准确度为2cm/s，流向准确度为05，工作最大深度为50~6000m。7.2.4声学多普勒海流剖面仪（ADCP）板书“7.2.4声学多普勒海流剖面仪”声学多普勒海流剖面仪是目前观测多层海流剖面的最有效的方法。其特点是准确度高、分辨率高、操作方便。ADCP测流原理是测定声波入射到海水中微颗粒后向散射在频率上的多普勒频移，从而得到不同水层水体的运动速度。超声源（或发射器）和接收器（散射体）之间有相对运动，而接收器所接收到的频率和声源的固有频率是不一致的。若它们是相互靠近的，则接收频率高于发射频率，反之则低。这种现象为多普勒效应。接收频率和发射频率之差叫多普勒频移。7.2.5其他测流仪板书“7.2.5其他测流仪”1、光电式海流计：激光多普勒技术可应用于海洋中测流，正在研究阶段。2、电阻式海流计：当前未见于实用。3、遮阻涡流海流计各国在海流调查中最广泛应用的仍是各种类型的安德拉海流计和直读式海流计。声学多普勒海流计是目前测弱流的唯一仪器。7.3海流观测的持续时间选择板书“7.3海流观测的持续时间选择”观测的持续时间长短选择，实际上就是用何种“时间滤波器”将“噪声”滤掉。7.3.1流速场的描述板书“7.3.1流速场的描述”海洋中的运动可分为三类：规律性的大尺度运动，可以独立描述；及其无规律的小尺度涡旋运动（湍流），必须予以统计描述；各类波动（波浪、潮流），都具有某些周期性，也可用独立的理论描述。实际流速),,,(tzyxv，可以用平均部分),,,(tzyxv及脉动部分),,,(tzyxv之和表示：),,,(tzyxvvv海流观测结果，要求其脉动“累加”平均值等于零。7.3.2海洋湍流板书“7.3.2海洋湍流”3湍流现象的实质在于流体的热力学和流体动力学特征（如速度、温度、压力、密度等）具有杂乱无章的起伏性质。这是由于流动中具有众多的、各种大小不等的涡旋而导致的。根据实验可知，当无量纲雷诺数)2320(/RevL达到一定的临界值时，液体的层流变为湍流，式中v及L分别是流动的特征流速和特征长度，γ为海水运动粘滞系数。大洋中湍流能量的来源有六种可能机制：1、中尺度准水平运动的流体动力学不稳定性，是湍流能量的强大来源。2、第二个来源是大型地转流的不稳定性。3、漂流的不稳定性是产生湍流能量积聚的另一机制。4、表面波浪的翻卷，是在海洋上层生成湍流的重要机制。5、在海面冷却或由于强烈蒸发或结冰使表层水增盐时，所产生的对流运动。6、流的小尺度起伏是由重力内波和涡流决定的。大洋湍流发生的多种机制和这些机制作用的各种频率，导致大洋各层湍流状态差异很大。为简便起见，将大洋分为下列三层：厚约10m的上边界层，由于表面波的翻卷、漂流的不稳定性和对流运动，这一层湍流十分强烈。主体层，此层没有受到表层和近底层效应的直接影响，因内波和地转流的不稳定性而引起的湍流比较弱。近底边界层，厚约10m，这一层具有近底层流的速度垂直梯度的非稳定性引起的傍壁型湍流。7.3.3观测持续时间长短的选择板书“7.3.3观测持续时间长短的选择”1、厄克曼海流计（机械式）899.0192.059.2902.1nnv534.8899.066.3055.0nnv式中，n为转速，它由记数器上的终了与开始记数差与观测时间求得。100转就是标准。若是低流速区，最大需时限500s，仍得不到3个小球，也就停止观测了。2、印刷海流计（机械自容式）印刷海流计的流速记录延续时间一律规定3分钟，即用3分钟流速积分平均值来代替中间时刻流速。少于3分钟，时间控制轮转动误差无法克服，大于3分钟又难以测到高流速。3、直读式海流计（电子式）目前国内最常用的海流计之一。4、安德拉海流计（电子自容式）20世纪80年代以来应用最广泛的一种自容式海流计。它的流速感应时间有不同的档次，最低感应时间为30秒，通常使用时间为3分钟和5分钟。海流计的流速感应时间以30秒为最少，通常使用3分钟。4【本讲课程的小结】本讲课程主要介绍了各式海流计的工作原理和结构，海流观测的持续时间选则。【本讲课程的作业】复习本讲课程内容，预习下一讲的知识。