12-第十章-海流观测-2

海流观测第十章Chapter10.Observationofoceancurrent1第十章海流观测2遥感测流第五节3海洋中的洋流，主要受风力、引潮力和密度分布不均匀所驱动。受诸驱动力的影响，在旋转地球上运动流体的表面相对于水准面产生倾斜，而坡度的大小正比于流速。在湾流、黑潮等西边界流处，坡度的量级为10-5(即每100km升降1m)。而由地形效应和风应力所形成的海水升降流动通常极为缓慢，太空遥感尚无法感知其流速，但能识别这种现象和确定其位置。第十章海流观测第五节遥感测流4测流主要使用雷达高度计——最具特色和潜力的主动式微波雷达系统。用其测量海面起伏、高低不平的情况，测量距离约800km，测量误差达到2cm，精度为2.5×10-8。测出海面坡度之后，再借助地转平衡方程，则可以计算出地转流流速。海流观测精度要求远大于±10cm/s，而海流的位置误差为几千米。第十章海流观测第五节遥感测流5地转平衡方程：第十章海流观测第五节遥感测流6一、利用海平面高度差可以判断黑潮流轴位置黑潮是一股势力庞大的水流，它是北太平洋洋流系统的一部分。是北太平洋西部流势最强的暖流，为北赤道暖流在菲律宾群岛东岸向北转向而成。主流沿中国台湾岛东岸、琉球群岛西侧向北流，直达日本群岛东南岸。在台湾岛东面外海宽约100~200公里，深400米；流速最大时每昼夜60~90公里。水面温度夏季达29℃，冬季20℃，均向北递减。至北纬40º。附近与千岛寒流相遇，在盛行西风吹送下，再折向东成为北太平洋暖流。第十章海流观测第五节遥感测流7一、利用海平面高度差可以判断黑潮流轴位置第十章海流观测第五节遥感测流8一、利用海平面高度差可以判断黑潮流轴位置第十章海流观测第五节遥感测流9一、利用海平面高度差可以判断黑潮流轴位置黑潮的速度约为100~200厘米每秒，厚度约在500到1000米，宽度约200多公里。于日本四国岛的潮岬外海测得海水流量达6500万立方米/秒，约是世界流量最大的亚马逊河流量之360倍。黑潮年平均水温约摄氏24至26摄氏度，冬季约为18至24摄氏度，夏季可达22至30摄氏度。黑潮也较邻近的黄海高7至10摄氏度，冬季更可高出20摄氏度。第十章海流观测第五节遥感测流10一、利用海平面高度差可以判断黑潮流轴位置黑潮的主流并非沿着东亚大陆边缘流动，而是沿着东亚岛弧流动，因此，黑潮对岛弧的影响也较大陆显著。然而黑潮的支流延伸进入东亚大陆的边缘海，也对大陆区域造成一定影响。第十章海流观测第五节遥感测流11一、利用海平面高度差可以判断黑潮流轴位置第十章海流观测第五节遥感测流12二、利用南海海平面平均反演南海流场根据遥感得到的南海海平面高度数据，可以算出相应的表层海流。第十章海流观测第五节遥感测流13二、利用南海海平面平均反演南海流场第十章海流观测第五节遥感测流海平面高度距平的季节变化14二、利用南海海平面平均反演南海流场第十章海流观测第五节遥感测流第十章海流观测15怎样正确使用海流计测流第六节16一、选择合适的精度各型号的直读式海流计、ADCP的流速、流向精度是不一样的。若同一次观测中，即使用了ADCP又使用了直读式海流计，那么在描述资料可靠性方面，不能用最高精度，而是要使用最低精度。仪器需要时常校正。第十章海流观测第六节怎样正确使用海流计测流17二、关于ADCP走航测流中的校正使用走航ADCP进行流速测量时，资料的可信度分析与系统误差订正是一个重要的环境，未经系统误差订正的资料可能存在显著的误差。系统误差中，包括流速测量振幅的误差和速度方向的误差。第十章海流观测第六节怎样正确使用海流计测流18二、关于ADCP走航测流中的校正Joyce于1989年提出的系统误差的订正方法，目前为走航ADCP资料处理分析所广泛使用，但也存在局限。夏华永等人在南海海洋调查中对观测资料进行处理时的方法值得借鉴。第十章海流观测第六节怎样正确使用海流计测流19二、关于ADCP走航测流中的校正夏华永等人在南海海洋调查中对观测资料进行处理时的方法值得借鉴：•针对陀螺罗经存在的多种误差问题的解决方法；•针对海况较差时观测精度受影响问题的解决方法；•针对底层水体观测资料易受海底反射声波影响问题的解决方法；第十章海流观测第六节怎样正确使用海流计测流20三、在潮流较强的海区中ADCP使用的局限性所谓的潮流较强，就是指潮流速度要大于海流（余流）速度一个量级左右。而ADCP测量的结果，是瞬间所有流速之和。此时由于潮流速度大于海流，ADCP资料更多反映瞬间潮流特征，即潮流方向的旋转性和流速的周期变化。因此，在走航时，所观测结果看不出规律性东西，只能表示在观测时间内涨落潮的某些特征等。第十章海流观测第六节怎样正确使用海流计测流21三、在潮流较强的海区中ADCP使用的局限性对于潮流相对较弱的海区，即潮流流速小于海流速度的海域，海流特征能够明显表露出来。例如“雪龙”号1996年冬季所测苏禄海50~70m水层的观测资料。第十章海流观测第六节怎样正确使用海流计测流22四、定点测流中误差的引进（一）锚定船只测流海流计悬吊在船上或浮标上所产生的误差多半是自于平台的运动而产生的，即使平台没有运动也有四种误差产生：•接近海面的流动受平台的影响•船磁的影响•铅鱼和吊链的影响•海洋生物的影响第十章海流观测第六节怎样正确使用海流计测流23四、定点测流中误差的引进（一）锚定船只测流•接近海面的流动受平台的影响：这种误差可以用同时比较的办法验证出来，在流速低、船身偏航使船体与海流成相当大角度时更为严重。•船磁的影响：海流计上用于感应海流方向的罗经系统会受到船身磁场的影响，所以在测量时尽量使用木船。第十章海流观测第六节怎样正确使用海流计测流24四、定点测流中误差的引进（一）锚定船只测流•铅鱼和吊链的影响：吊缆弹性是仪器反映失真：在流速转变时长吊缆使流速的反映落后，并使峰值衰减。钢缆倾斜导致的深度误差：深度误差很容易理解的，它的重要程度与速度的垂直梯度的大小有关，特别是在激烈的变速情况下非常重要。铅鱼和吊坠的影响：在小流速时，铅鱼在仪器对流向变化的响应中起阻尼作用。第十章海流观测第六节怎样正确使用海流计测流25四、定点测流中误差的引进（一）锚定船只测流•海洋生物的影响：海洋生物的附着对锚定水下传感器，其中包括各种流速传感器的寿命造成威胁，海洋附着生物分植物和动物两大类（如海菜，腾湖、牡蛎等）。植物600种，主要是藻类，动物1300种，如海葵、寄生蟹等。第十章海流观测第六节怎样正确使用海流计测流26四、定点测流中误差的引进（二）表层锚定浮标测流（三）固定平台测流第十章海流观测第六节怎样正确使用海流计测流27四、定点测流中误差的引进平台缓慢移动所产生的误差：平台缓慢移动的作用包括围绕以台首为中心的偏摆，以锚为中心的回转，偏摆和回转叠加在由于锚缆一张一弛的飘荡上面，导致海流计随着来回晃动。虽然长吊缆可以缓冲平台影响，但降低了仪器的灵敏度。第十章海流观测第六节怎样正确使用海流计测流28四、定点测流中误差的引进平台快速运动——波浪场的影响：在海洋的上层，波浪具有特别重要的作用，波浪起伏的海面可认为是随机运动的表面，表面波激起表层海水的运动，是与湍流有区别的，可以用统计方法分离波动随机场和湍流场。呈现在仪器上的短暂的快速水平运动都是直接由波浪或间接由波浪使平台振荡以及海水乱流产生的。第十章海流观测第六节怎样正确使用海流计测流29四、定点测流中误差的引进平台快速运动——波浪场的影响：在风浪作用下，由于流速传感器和浮体之间使用柔性连接，浮体运动的影响近似认为对传感器附加上下垂直运动和水平往复运动。浮体运动所形成的水平速度分量使流速传感器起实测流速值变大，而附加垂直分量使实测流速减小。第十章海流观测第六节怎样正确使用海流计测流第十章海流观测30观测时间选择第七节31一、昼夜观测至少要25小时新海洋调查规范中规定，“一个昼夜观测要25小时的资料”。因为24小时48分钟内潮流才能完成一个周期性运动。用这样的资料才能将周期性的潮流与余流分开。如果仅用24小时观测资料，会带来计算误差。第十章海流观测第七节观测时间选择32二、大、中、小潮是怎样定的？很多情况下，查查该海区潮汐表，看一看何时出现大潮，然后每隔3天观测一次，就是中潮和小潮。约定俗成？（一）为什么要进行大、中、小潮观测？大、中、小潮各观测一次，可以在很大程度上满足潮流调和常数计算的精度要求。根据大、中、小潮观测资料，还可以直观看出不同潮时条件下潮流和余流运动规律。第十章海流观测第七节观测时间选择33二、大、中、小潮是怎样定的？（二）衡量大、中、小潮的标准是什么？在非无潮点海域，按照潮汐调和常数计算的每天最大潮差，画出累积频率分布曲线，在最大潮差频率小于10%范围内的任一个潮差，都是大潮；在最大潮差频率接近50%范围内的任一个潮差，都是中潮；在最大潮差频率低于90%范围内的任一个潮差，都是小潮。第十章海流观测第七节观测时间选择34二、大、中、小潮是怎样定的？（三）潮位的大、中、小能代表潮流强、中、弱吗？•在北方半日潮或不规则半日潮海域，潮差高低与潮流速度大小之间是存在正比关系的。•在日潮和不规则日潮海域，流速和潮差之间很难确立一种正比的关系。第十章海流观测第七节观测时间选择35三、要尽量延长观测时间海流运动受许多因素影响，在不同时段、不同影响因素下的运动状况不同。如果仅依据一个昼夜的观测资料，就断言某某规律的出现，极为欠妥。因此，需要尽量延长观测时间，观测资料才更有意义。第十章海流观测第七节观测时间选择第十章海流观测36近底层海流的梯度观测第八节37一、近底层海流观测的重要性近底层海流，是指离海底2m以内的海水运动，其中包括潮流和常流。从研究海洋湍流角度来说，海底是流体的固体边界，由于海底底质各异（有泥、沙、砾石或三种混合的海底）、底形起伏不定，这一层次中的海流结构也就有所不同。第十章海流观测第八节近底层海流的梯度观测38一、近底层海流观测的重要性在研究近岸泥沙运动力学的问题时，更需要知道近底层的流速和流向，知道大风天气近底层流的变化，因为海底上泥沙的运动与海底处启动流速有关。此外，生物与水产养殖也需要知道贴底层的流速，以便确定该海区养殖何种生物为宜。第十章海流观测第八节近底层海流的梯度观测39一、近底层海流观测的重要性要求出上式的的分布规律，就要先进行近底层流速、流向的观测。流速表达式通常可写为：式中，为卡曼常数，一般可取为0.40；为边界上的摩擦应力；为海水密度；为海底的粗糙度，是一个与海底粗糙程度有关的物理量。第十章海流观测第八节近底层海流的梯度观测40二、近底层海流的梯度观测在浅海区，我们可以采用了一种钢架结构，放在海底上悬挂海流计，进行长时间的连续测流。从而对海底推移质的运动、对风海流、对海底粗糙度的计算提供了第一手资料。第十章海流观测第八节近底层海流的梯度观测41二、近地层海流的梯度观测钢架要求：（1）坚固耐用。通过现场试验证明，用4cm的角铁做一个高3m、底边边宽2m的四面锥体形架子，放在最低水深10m、海底为沙砾质、最大流速（表层流速）达100cm/s的海底上。这样的钢架即使遇到8级以上的大风，也不会被吹倒。第十章海流观测第八节近底层海流的梯度观测42二、近地层海流的梯度观测钢架要求：（2）尺寸适当。使用3m的钢架测流，对离底2.05m的海流计，没有机械影响。（3）避免钢架磁性干扰。用木船进行现场比测的结果，证明这种钢架对海流计没有太明显的磁力影响。第十章海流观测第八节近底层海流的梯度观测43三、近地层海流的观测观测的实施方法：•运抵定点海域投放，安装到位。•观测期间定期检查，清除仪器上的附着物。第十章海流观测第八节近底层海流的梯度观测44补充：近岸异重流现象与观测1.异重流定义：异重流，就是上下两层密度不同的流体作相对运动的现象。在自然界中，异重流是极为常见的现象。例如浑水流入水库；河流注入海洋；冷暖空气的对流；火山爆发时沿山坡下滑的”热云”等现象都是异重流的例子。人们根据流动的水流位置不同，又将异重流分为上异重流，中异重流和下异重流三种。第十章海流观测第八节近底层海流的梯度观测45