海流测量技术的发展及应用

海流是指海水大规模相对稳定地流动,是海水重要的普遍运动形式之一,对全球气候的稳定和生态的平衡起着至关重要的作用,同时又对沿海人民的生活、生产和海洋的开发利用带来了很多不利影响。因此,海流测量技术一直是海洋行业所关注的焦点之一。

海流测量技术的发展既是测量设备的发展,大致可分三个阶段。一是起步阶段,虽然十八世纪已经出现了一些简单的测流仪器,但直到厄克曼海流计的创制才正式开始了海流测量设备起步阶段;二是发展阶段,由于军事上的需要,海流测量逐渐向深远海发展,上世纪五十年代至八十年代研制出了多种多样的测量设备;三是飞跃阶段,随着计算机、芯片和卫星技术的发展,海流观测技术开始向智能化、集成化、高精度方向发展,出现了以声学多普勒海流计为代表的先进海流观测设备。海流测量方法的多种多样,可分为定点式、走航式和抛弃式等;也可分为接触式和非接触式;较明确的分类应是按照测量原理划分成:漂浮法、机械式、电磁感应式、声学式和雷达遥感等方法,这些也是目前国内外应用较广的测量方法。本文将对这几种测量技术的测量原理、优缺点、应用方向和国内外测量设备发展进行简单介绍。



二、海流测量技术


                               
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⒈漂浮法

漂浮法是跟踪漂浮物体的时空变化以确定表面流的流速和流向,主要分为表面漂流浮标和水下中性浮标两种。

⑴表面漂流浮标

早期的表面漂流浮标通常选择船体或海上的漂移物(如漂流瓶和浮游冰块等),根据移动的轨迹进行流速流向的分析,后来利用航空摄影定位、雷达定位或全球卫星定位等方法跟踪的浮标,提高了浮标的位置精度[2],但费时费力,且只能获得短期、小区域的资料。随着卫星定位和卫星通信技术的发展,漂流浮标进而发展为一种十分有效的大尺度海洋环境监测手段[3]。表面漂流浮标主要由浮体、水帆和连接绳组成,可以连续观测3个月以上,一次性使用或重复回收利用,成本低、技术成熟可靠。目前,较多使用的漂流浮标为美国PacificGyre生产的近岸Microstar漂流浮标和远海SVP漂流浮标,加拿大MetOcean公司的CODE近岸漂流浮标和SVP系列远海浮标,还有西班牙AMT公司MD03漂流浮标,国内也有很多厂家研制,如国家海洋技术中心的FZS3-1型表层漂流浮标。由于技术成熟,有的科研单位根据需求自行设计浮标以满足不同测量任务的要求。

⑵中性浮标

上世纪五十年代,英国的斯沃洛博士研制出了利用水声技术跟踪的中性浮标,并用这种浮标相继发现了深层的海流、逆流、涡流及其变异特征。20世纪80年代,Dvasi和Webb等人研制出了自持式拉格朗日环流探侧仪(ALACE)。这种浮标在水下设定深度随流漂移,到达预定时间时浮标会自动上浮;到达海面后,通过卫星系统完成通信和定位;然后再下潜到设定深度开始新的观测循环。为了满足垂直剖面温盐参数的循环探测需要,到上世纪90年代,这类浮标进而演变成自沉浮式剖面探测浮标(APEX)[4],可通过改变体积实现自动沉浮,主要由壳体、机芯、液压装置、传感器、控制电路板、数据传输终端和电源等部分组成[5],剖面深度一般为0m~2000m,有的可以达到6000m的观测深度。

目前,世界范围内主要使用的剖面浮标有美国Teledyne Webb公司研制的APEX,法国NKE公司研制的PROVOR和ARVOR,美国斯克里普斯海洋研究所研制的SOLO-Ⅱ和SOLO,还有TSK公司与日本海洋科技中心共同研制的Navis等[6]。我国剖面漂流浮标COPEX(中国海洋剖面探测浮标)和中船重工第710研究所研制的HM2000剖面浮标已实现量产,但与国外的APEX相比仍需要进一步改进和完善。


⒉机械式海流计

机械式海流计也称旋桨海流计,是利用流体力学原理研制的设备。它借助海洋产生的推动力来驱动叶轮旋转,进而由传感器感应出转速,最后再换算成流速值,并用内置的磁罗盘确定流向[7]。机械式海流计一般包括水上甲板单元、水下测量单元和通讯电缆。该类设备为船用或锚系定点测流仪器,优点是仪器精度较高,可以在法定计量单位进行计量检定;可测量任意深度的海流数据;仪器功耗低,潜标自记使用时可全天候、长期测量。缺点是只能测量水平方向的一维流速、流向值;旋桨启动速度一般为0.03m/s,不能测低速流;只能定点测量,且一次只能测量某一深度;多数仪器使用内置磁罗盘确定流向,受船体和其他钢结构磁场影响较大;接触式测量,抗海流干扰能力差,方向翼有转动误差,是低流速情况下,方向翼转动不灵活;在浅海水域测流时受风和浪的影响,存在一定的误差。

目前应用较广的有英国Valeport公司的106、108MkⅢ和308型海流计,挪威安德拉仪器公司生产的RCM-4S型海流计,国产SLC9-2型直读海流计也是很成熟的产品。


⒊电磁式海流计

海水在地磁场中流动所产生的感应电动势可用来测量流速、流向,据此原理研制出的海流计称为电磁海流计,可分为天然磁场电磁海流计和人工磁场电磁海流计。

⑴天然磁场电磁海流计

上世纪40至50年代,美国、日本和前苏联等国家研制出走航测量式的天然磁场电磁海流计,该系统主要由电缆、电极和记录器组成,可在航行中大范围、连续地测量表层流。测量时船只拖着传感器在海面上沿“之”字航行,分别测量两个方向的海流分量,然后求出海流的矢量大小和方向。由于测量方法和海洋电场影响,测量误差很大,有时可达15%,但可在除赤道和低纬地区外的任意海区航行测量。

投弃式海流剖面仪(XCP)是一种利用地磁进行快速测量的电磁海流计。XCP是海洋环境预报、海洋科学研究及军事应用领域中一种先进高效的测量手段,尤其适合在有争议的特殊海域进行海洋环境参数测量[8]。美国华盛顿大学应用物理实验室的Thomas等人于1978年成功研制了第一台XCP样机[9]。XCP测到的是传感器所在位置的平均海流流速,不能给出海流剖面数据,而且流速测量精度受地磁场分布影响较大,但其具有探测海域广、测量深度大、运行周期短、探头体积小、布放形式多样、数据获取及时的优点。现在该项技术的开发商主要是美国的Sippican公司和日本的TSK公司。“十一五”期间,在“863”计划支持下,我国突破了高速旋转探头结构设计和微弱电场信号测量等关键技术[10],完成了XCP原理样机的研制。

⑵人工磁场电磁海流计

根据法拉第电磁感应定律,人工磁场电磁海流计会产生与水流流速成正比的电位差,后经过反演得到水流流速。目前被广泛应用的是球形、盘形和环形三种形式传感器,还有主要应用于实验室环境的柱形结构传感器。该类海流计是上层海洋和深海锚定使用的良好测流设备,在江河湖泊里也有广泛的应用前景。优点是体积小、重量轻,自容或直读测量,使用灵活,测量精度高,测量数据齐全,布放简单;其缺点是:不能进行剖面测量;易受海水介质电导率和地球磁场的影响[11],零点和测值易浮移,需经常校准。目前,广泛使用的人工磁场电磁海流计主要有美国InterOcean systems公司的S4、英国Valeport公司的MIDAS ECM、日本ALEC公司的Compact-EM和德国HS-Engineers公司的ISM-2001系列等,通过加装其他传感器,可同时测量海流、波浪、潮汐、电导率、温度、水深、浊度和水质等要素。国内尚无成熟的人工磁场电磁海流计产品。


⒋声学式海流计

声学海流计按其工作原理可分为时差式声学海流计、聚焦式声学海流计和声学多普勒海流剖面仪。

⑴时差式声学海流计

也称声传播时间海流计,其原理是:在声传播距离相同的条件下,通过测量逆流、顺流两次声传播的时间差计算出海水的流速[12]。该类设备使用两对正交的同时发射和接收信号的换能器构成仪器坐标系,通过电子罗盘测量仪器坐标系与大地坐标系的夹角,然后矢量合成计算大地坐标系的海流流速和流向,其关键技术是精确测量两对换能器之间声波传播的时间差,精度一般要求在ns级。该类仪器是非接触式测量,可测二维和三维海流,测得的流速有很好的过零点线性特性,但水流流经换能器时所产生尾流会对测量的结果产生一定的影响[13]。应用较广泛的设备有挪威Sensorte公司的UCM-60/UCM-60DL产品,美国NOBSKA公司的MAVS-3/MAVS-4产品,美国FSI公司的2D-ACM/3D-ACM产品。目前国内尚无成熟产品。

⑵聚焦式声学海流计

也称声学多普勒海流计(ADV),是一种利用声学多普勒效应进行海流测量的设备。近年来,ADV广泛用于研究水流紊动特性、泥沙浓度、泥沙浓度脉动特性、浅水波浪特性分析、现场波浪谱及碎浪区紊流(雷诺应力)测量等方面[14-15]。ADV测量换能器一般由一个发射换能器和三个接收换能器组成,三个接收换能器以一定角度均匀分布在发射换能器周围。发射换能器发出的超声信号,到达采样体位置时发生散射,散射信号再被接收换能器所接收,对接收信号进行解析和处理后便可以得到采样体的流速流向参数[16]。ADV能准确、快速、无干扰的测量三维流场,分为实验室用和现场测量两类。应用交广的现场用ADV有美国Sontek公司的ADV和挪威Nortek公司的ADV等,目前国内尚无成熟产品。

⑶声学多普勒海流剖面仪(ADCP)

ADCP通过测定声波入射到海水中散射物质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剖面流速流向分布。ADCP的发展大致可以分为四个阶段[17],经过30年的发展已形成多种形式和不同用途的系列化产品。ADCP是非接触式测量设备,对被测流场不产生干扰[18],能同时测量一个剖面上若干层二维/三维流速流向数据,是目前应用最为广泛的海流测量设备,而且在污染悬浮物浓度、泥沙含量、感潮河段流量、波浪监测等领域也有广泛的应用。但是其剖面测量深度受水体中气泡和悬浮物颗粒大小的影响,往往达不到设备所标称的深度范围,简单来说就是水体越浑浊深度剖面范围越小。目前世界范围内广泛应用的ADCP主要由美国TRDI公司、美国YSI/Sontek公司、美国RTI公司、挪威Nortek公司和挪威AADI公司提供。

国家海洋局海洋技术研究所(现国家海洋技术中心)、中国科学院声学研究所、哈尔滨工程大学和杭州应用声学研究先后对多普勒测流技术进行了先关研究。经过国家“863”专项支持,国家海洋技术中心和中科院声学所研制出了试验样机,通过专家组验收[19]。国产ADCP有中船重工715所的RS-HCL150型相控阵声学测流仪和PAADCP海流剖面仪,江苏中海达海洋信息技术有限公司也推出了首款量产化的国产ADCP产品iFlow RP600 ADCP。

⒌表层海流遥感观测

表层海流遥感观测主要可以分为X波段雷达遥感、高频地波雷达遥感和卫星遥感。基于雷达遥感观测海表特征系统的工作原理是:雷达发射机通过天线向海面辐射电磁波,经海洋表面反向后被雷达接收,然后通过分析其随时空变化的情况,进而得到清晰的、实时的海表面相关信息[20]。主要可以分为X波段雷达、高频地波雷达和合成孔径雷达(SAR)等。

⑴X波段雷达遥感

1985年Young将三维傅立叶方法应用于雷达图象序列,首次提出了利用“海杂波”雷达图像时间序列分析海表信息的方法。在此后10年间,多个学者不断进行算法研究、传递函数的确定和系统的改进。1995年,德国GKSS实验室研制出了海浪监测系统(WaMoS),并应用到现场海洋监测中,经过不断努力,现在形成了第二代商业化产品WaMoS Ⅱ。挪威Miros公司也于80年代末研制了类似的系统WAVEX,后形成商业化产品,WAVEX系统可实时测量表层流速和海浪参数[21]。另外,美国,丹麦,意大利等国也进行了X波段雷达海洋监测的研究。

我国X波段雷达监测技术研究相对国外起步较晚。在“十五”期间,总装备部和国家“863”计划资助开展了X波段雷达的海表面信息提取关键技术研究。之后,国内几个科研院校也加大了利用X波段雷达进行测波、测流系统的研究步伐[22],但目前还处于研究阶段,没有达到商业化的程度。

⑵高频地波雷达遥感

20世纪60年代,出现了利用岸基高频地波雷达进行海表面特征参数测量的相关研究。高频地波雷达能对近岸海洋进行全天候、大面积、远距离的实时监测,广泛应用于各国专属经济区的监测[23]。目前,利用高频地波雷达进行海态测量的产品种类很多,国外主要是美国CODAR公司研制的SeaSonde、德国汉堡大学研制的WERA、加拿大的HF-GWR雷达系统和英国的OSCR系统。我国近岸高频地波雷达遥感技术起步较晚,国内产品主要是武汉大学研发的OSMAR系列雷达[24],该类雷达在海流测量精度方面已接近于国际上较先进的雷达水平,海表面流场的均方测量误差小于±5 cm/s。通过近年来的发展,岸基高频地波雷达用于海流测量的精度及性能已经得到了广泛的验证和认可,但是所得海流的验证误差比传统测流设备大,误差的来源主要是雷达系统本身或雷达系统组网的不确定性和观测目标(海域)的差异造成的[25]。

⑶卫星遥感

随着卫星遥感技术的发展,从卫星数据中提取海表流场参数的反演算法成为研究热点。卫星遥感可获得大面积同步的、高重复频率的海表流场数据。星载合成孔径雷达是一种主动式微波遥感系统,它通过应用脉冲压缩技术获得很高的距离分辨率,通过雷达与目标之间相对运动产生的多普勒频移实现高分辨率的方位信息。优点是空间分辨率较高(25m~50m);可全天候监测,不受气象条件限制;轨道稳定性好,多次获取数据重复性高。基于ADCP的现场同步实验及数值模拟结果的比较表明,空间分辨率100m前提下反演的海表流速的均方根误差为0.1m/s[26]。

⒍其他形式的海流计

除了以上提到的海流测量技术外,还有其他形式的测量方式,如倾角法海流计、应变式三维流速传感器、粒子图像测速法和激光多普勒测速(LDV)仪等。前两种国内还处于研究试验阶段,后两种多应用于实验室流场试验分析,本文不作过多介绍。



三、总结


                               
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海流测量方法已经日趋成熟,针对不同尺度、深度、精度和环境的海流测量有很多种方式可供选择,这大大加快了人类对海洋研究和开发的进程。我国海流测量设备相比国外还存在一定的差距,主要体现在:仿制多、研制少;科研性成果多、商品化产品少;研制的仪器技术指标低于进口仪器,研制后无人使用等问题,主流设备主要依赖进口,这不仅造成了科研资源的浪费,也不利于国产设备的发展。应该制定一定的保护机制大力推进国产化设备的研发和应用,整合国内科研力量,充分利用已有研究成果,加快产品化进程,这不仅能够提高国产设备的技术水平,而且也能保障观测资料安全;并通过制定和完善相关产品标准以提高设备的可靠性、通用性和安全性等总体性能[27]。


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