CN101903770A - 海水盐度和密度测定方法 - Google Patents

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伊戈·吉安娜耶维奇·皮亚哈克洛夫
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Abstract

本发明中提出的方法可以用于测定海水的性质，即盐度和密度，这两种性质在控制潜艇和海上交通工具的运动方面尤为必要。在一规定深度处，对声音辐射进行激发和接收，并测量声速。同时，测量该深度处的环境温度，记录读数，依据使用目前已知的密度和声速多项式测得的参数，测定盐度和密度，对于处于规定深度稳定模式下的潜艇，在该深度处测定盐度和密度后，按以下公式进行盐度变化控制：δS≈[δC-4.57δT(1-0.0195T0)-0.011(S0-35)-0.0163δη]：(1.4-0.011T0)，其中：δS-盐度变化，单位为‰；δC-声速变化，单位为m/s；δT-温度变化，单位为℃；T0-规定深度处的温度，单位为℃；S0-规定深度处的盐度，单位为‰；δη-深度变化，单位为m；密度变化控制按以下公式进行：δρ≈-0.07δT[1+0.139T0+0.0404(S0-35)]+(0.802-0.00283T0)δS+4.5×10-3δη，其中：δρ-密度变化，单位为kg/m3；δT-温度变化，单位为℃；T0-规定深度处的温度，单位为℃；S0-规定深度处的盐度，单位为‰；δS-盐度变化，单位为‰；δη-深度变化，单位为m。超声波用作声音辐射，使用由E.D.Popov研发的脉冲循环超声声速测定计(1)测量声速。在潜艇上，对应潜艇鳍板结构、船首及船底下三处深度位置开展测量。本发明所取得的技术效果在于本发明提出的方法简单、高效、操作性强。

Description

海水盐度和密度测定方法
技术领域
本发明涉及一种用于测量海洋环境物理性质的手段，以便将测得的物理性质用于确定潜艇移动至某一规定水平线时和在不利的水文条件下下沉深度变化的违例微调。
本发明也可以用在从潜艇发射的不可回收探针上以获得水文纵截面，还可用在浮标站上以监测测量传感器位置水平线上的海水盐度和密度。
背景技术
目前，已经有一些已知的手段用来测量海水性质，例如，温度T、压力P(深度η)、传导性J及声速C，这些手段都可以借助仪器直接进行测量。
作为监测水文物理性质的一种手段，其有诸多用途，例如可用作综合温盐仪(盐度S的一个感应传感器及记录温度T的一个铂电阻温度计)、传导性及温度分布(盐度S据此测定)记录仪、具有内部自校准标准及高质量探测装置(Mark-IIIC，SBE-19等)的海洋(深海)压力及温度模块，可以以高度的分辨率和精确度测量温度及传导性(盐度)。
在实际应用中，环境参数测量的精确度受仪表响应的影响，取决于在介质中的移动速度、传感装置相对于速度矢量的取向、保护屏障的可用性(增加保温性)及不同参数对相同数量的交叉影响。因此，在根据测得的传导性和温度计算盐度时，错误的盐度结构(“盐度尖峰”)可能会出现(Lazaryuk A.Yu.，Ponomarev V.I.，“匹配温盐深仪探测的垂直剖面以消除变温层中的错误盐度结构”，俄罗斯太平洋科学渔业海洋调查研究所以V.I.Ilyichev DVO RAN命名。电子期刊“俄罗斯研究”第718-728页)。必须匹配温盐深仪探测的垂直剖面以消除变温层中的盐度尖峰。总的说来，以上因素都会对环境参数的测量及潜艇移动控制的精确度产生影响。
对于与在移动水平线上进行潜艇微调相关的工作，了解水的密度及在浅滩处的增值很重要，在海洋中平均一个水密度单位误差超过0.1kg/m3，即相当于1020kg/m3。如果水密度变化δρ≥0,1t/m3，潜入水下的潜艇必须以零浮力航行(中性微调)，每排水1000m3，重量的增减将不少于0.1吨。考虑到现代潜艇的排水量，这一数字可达到几吨。目前，还没有一种技术手段能够以规定的精确度测量潜艇上(“原位”)的密度。因此，海水密度是按照海洋学表或经验多项式，使用温度T、盐度S和深度η(压力)值间接进行计算。具备潜艇巡航要求的精确度的盐度也不是直接进行测量的。其也是使用传导性、温度及压力(深度)的测量值间接进行计算。
要了解盐度而不仅仅只是密度，这对于评估变化原因及在航行时决定潜艇微调自有其重要性，例如，在水具有不同温度和盐度的前缘地带，接近正在融化的浮冰时。如果密度变化是由于温度变化造成，在对潜艇进行微调后，由于主压载舱水冷却(加热)及船体容积强度的减少(增加)，其静态平衡在一段时间后将被打乱。如果原因在于盐度变化，将不会出现二次微调的违例情况。
根据上文可见，海水密度或盐度都不能通过仪器进行“原位”测量。然而，可以使用多个经验多项式将海水密度ρ及声速C与温度、盐度和压力(深度η)相联系，每个多项式的误差不同。联合国教科文组织已经公认了40多个成员国的ρ和C多样式，对T、S和η变化的范围也规定了一个最小误差值(联合国教科文组织海洋科学技术文件-44关于海洋学表及标准由联合国教科文组织/海洋研究科学委员会/国际海洋考察理事会/国际海洋物理科学协会联合专家小组与海洋研究科学委员会工作组51，1983年签署。联合国教科文组织海洋科学技术文件。《海水基本性质计算方法》。联合国教科文组织，1983年)。
密度和声速这两个标准国际多项式的实用性取决于S、T和η，可通过其在计算机上的联合，计算和绘出列线图，在大气压力及温度T下将盐度S及密度ρ与声速C0相联系。发明人计算和绘出的列线图见图1所示。建立这一列线图，我们需要：
C0＝Cmeas-16.3×10-3η-1400，其中Cmeas-深度η处测得的声速，单位为m/s；16.3×10-3-在深度η和温度T时增加压力的校正因子。具有标准声速测定计和温度计的现有潜艇上的潜艇人员也可以使用这一列线图。列线图也可以视为是按照更简单的多项式计算出的其它测量值的参考。
以下列举一个密度的多项式为例：
ρ≈1028.14-0.07T-0.00486T2+(0.802-0.00283T)×(S-35)+4.5×10-3η，(1)
其中：
ρ-密度，单位为kg/m3；
T-温度，单位为℃；
S-盐度，单位为‰；
η-深度，单位为m。
以上多项式算出的结果完全适合潜艇巡航，大约为Tav≈10℃，Sav＝25‰，当|δT|＜12℃和|δS|＜5‰。然而，在使用这一多项式及类似公式时，必须要知道盐度。
目前可用的测定盐度的方法是以传导性及温度的测量为基础的。
所申请的发明中使用的最接近现有技术的方法是国内用于测定密度的方法(A.N.Shpolyansky，“水文测量系统。操作手册”，Saint-Petersburg，“Granite-7”，2003年)，密度的测定包括以下几个步骤：测量传导性、温度和深度；根据传导性、温度和深度值测定盐度；之后，按照已知多项式计算密度。
目前已知的方法的缺点在于其结果取决于所测温度T及盐度S的误差，而盐度要通过传导性进行测定。然而，盐度的测定存在着一些难题，因为其要依据于声速的测量并对温度、盐度和压力存在有依赖，例如按照以下Del-Greko或Wilson多项式(见Komlyakov V.A.，“船载测量仪”，圣彼得堡，Nauka，2003年)进行计算：
C＝1449+4.57T-0.0445T2+(1.4-0.011T)×(S-35)+16.3×10-3η(2)
发明内容
本发明的一个目的是在测量潜艇移动水平线上的温度、声速及深度的同时，优化并简化海水盐度和密度的测定程序，从而提高方法的可靠性和效率，并在规定的潜艇移动水平线稳定模式下产生盐度和密度的差异特性，改变声速及温度以增强能力。
上述目的已经实现，在测定海水密度包括测量规定深度处海水温度的现有已知方法中，符合本发明的方法进一步包括了对声音辐射进行激发、使用声速测定计测量规定深度处接收的声音辐射率、按照联合国教科文组织有关密度和声速标准多项式的合并解测定盐度和密度，或通过以下公式测定盐度：
S≈(C-1449-4.57T+0.0445T2-16.3×10-3η)∶(1.4-0.011T)-35(3)
其中：
S-盐度，单位为‰；
C-声速，单位为m/s；
T-海水温度，单位为℃；
η-深度，单位为m，
使用以下公式测定密度：
ρ＝1028.14-0.07T-0.00486T2-(0.802-0.00283T)×(S-35)+0.0045η    (4)
其中：
S-盐度，单位为‰；
C-声速，单位为m/s；
T-海水温度，单位为℃；
η-深度，单位为m。
对于处于规定深度稳定模式下的潜艇，如果密度ρ0、盐度S0及声速C0已经测定且潜艇已经进行微调，监测盐度δS从S0及密度δρ(δT，δC，δη)从p0开始的变化至关重要。这种模式的特点是，当潜艇在相对均匀的环境中移动时，δT、δC、δη的变化微小。因此，差异法可以成功使用，盐度的变化按照以下公式测定：
δS≈[δC-4.57δT(1-0.0195T0)-0.011δT(S0-35)-0.0163δη]∶(1.4-0.011T0)                       (5)
其中：
δS-盐度变化，单位为‰；
δC-声速变化，单位为m/s；
δT-温度变化，单位为℃；
相对于深度η0的稳定模式下瞬间τ0的S0、C0及T0值，密度的变化按照以下公式测定：
δρ≈-0.07δT[1+0.139T0+0.0404(S0-35)]+(0.802-0.00283T0)δS+45×10-3δη，(6)
其中：
δρ-密度变化，单位为kg/m3；
δT-温度变化，单位为℃；
T0-规定深度处温度，单位为℃；
S0-规定深度处盐度，单位为‰；
δS-盐度变化，单位为‰；
δη-深度变化，单位为m。
此外，超声波用作声音辐射，声速使用E.D.Popov研发出的脉冲循环超声声速测定计(1)进行测量。
此外，在测定潜艇上的海水密度时，应对潜艇鳍板结构、船首及船底下三处深度位置，测量温度、速度及所接收到的声音辐射。
通过这种方式，所申请的依据温度、深度和声速测量值测定海水盐度和密度的方法就可以排除传导性的测量，简化了获得水下巡航必需的信息的程序。此外，所提出的方法提供了两个测量选项，即以深度变化模式及规定深度稳定模式进行测量，在这两种模式下，所有的海水性质都只呈现微小的差异。测量盐度和密度在规定范围内的变化时，要注意测量装置灵敏度的变化。合并考虑这些因素将取得可观的积极效果。经专利检索，并未发现类似的工程解决方案。
本发明所提出的方法在技术上可行，但需用到以下仪器(见图2中图表)：
(1)：一个脉冲循环声速测定计，用于在潜水物水平线上测量水中的(“原位”)声速。
(2)：一个用于潜水物水平线上的平均温度计；这些仪表目前是众所周知的(例如，见A.V.Komlyakov)。
(3)：一个压力计(测深仪)。
(4)：一台微处理器，盐度S和密度δ的计算方法可以按照声速C、温度T和深度η，依据声速和水密度经证明的多项式或本发明提出的简化多项式，及依据差分算法在规定深度稳定模式下的微小变化实现；在这种情况下，应考虑声速在超声振动下对温度和盐度的复杂依赖性(H.Kukhling，《物理学手册》。德文翻译本，M.，Mir，1982年，第253页)。
(5)：一台在自动潜艇微调系统中显示或储存对应深度和时间的声速、盐度和密度现值的记录仪。
(6)：一套转换潜水-上浮及稳定模式的装置，测量装置的灵敏度各不相同。
本发明提出的方法程序如下：
1.在潜水物恒定或变化的水平线上，以电信号的形式同时对海水温度T(℃)、深度η(m)及声速C(M/s)进行“原位”测量。
2.将上述测得的T、η及C值发送至微处理器，依据标准的联合国教科文组织多项式或依据(达不到精确度要求)简化的经验多项式(3)和(4)，实现测定海水盐度S及密度δ的计算方法。
3.显示测得的声速C、温度T值及通过计算得出的盐度S和常规密度[(ρ-1000)kg/m3]值，随后可用于多种用途(例如，在变更温度、水的盐度和下沉深度时，储存在测流计或自动潜艇微调系统中)。
4.对于深度为η0的稳定模式，如果海水密度ρ0、盐度S0及声速C0按照以上方法测定且潜艇已按照水密度进行微调时，计算方法转为用于在变更深度δη、温度δT及声速δC的记录值时，测定盐度δS和密度δρ从S0和δ0值发生的变化，并继而使用公式(5)和(6)测定盐度δS与密度的变化。
以下为根据盐度、密度及其变化的准确和近似表达式，得出的比较分析数据。
一.例如，假定在深度η＝10m处，仪器记录值为T＝18°C，C＝1496m/s。按照联合国教科文组织多项式，准确的解为S＝17.37‰，ρ＝1011.86kg/m3。按照公式(3)和(4)，得出的近似解为S＝17.53‰，ρ＝1011.7kg/m3。
二.假定之后潜水物按深度70m，温度T＝10℃，声速C＝1470m/s潜入水中。按照联合国教科文组织多项式，准确的解为S0＝17.71‰，ρ＝1013.81kg/m3。按照公式(3)和(4)，得出的解为S＝17.63‰，ρ≈1013.82kg/m3(接近T＝10℃，C＝1470m/s时，近似多项式的精确度明显增加)。
三.稳定模式下，η0＝70m。声速测定计记录的声速增加值为δC＝2m/s，温度和深度不变。按照公式(5)，计算出盐度的增加值为δS＝1.0‰，而按照公式(6)得出的密度δρ的增加值为0.77kg/m3。这个例子突出说明了盐度和密度对声速的变化具有高度的灵敏度。这也是在使用本发明提出的方法时，为何要提供两个选项的原因，即深度变化模式与深度稳定模式。在这两种模式中，提供了深度、声速及温度计的不同增益因数，执行这种方法的器械则提供了一个模式转换装置。这也使得本发明提出的工程解决方案相比所有其他已知的解决方案呈现出明显的优势。
由E.D.Popov(Popov E.D.，用于海上水文物理研究的脉冲循环声速测定计。《海洋学》，1984年，第24卷第3期)研发的已知脉冲循环声速测定计1用作辐射器和声速测定计。目前已知的设备的设计特点在于通过对小直径环进行限定，实现声波测量系统的循环，而这导致了测量区域的局限，以及在声波及低噪音和测量延迟下密度波动对介质收缩的影响减小，而这些对于潜艇是必不可少的。
从目前使用的各种仪器中选出具有模拟输出的一个温度感应元件2和一个压力计3，例如温度记录仪CTR7(深度可到2000m)，及一个海洋压力模块OPM(深度可到7000m)等。从传感元件2和3中选出符合本发明提出方法的用于处理信号的计算系统(一台微处理器4)，计算参数值，如果需要，产生潜艇潜水-上浮系统的控制信号。
使用微型介质参数传感器，以便产生长度为60-80cm，直径为6-8cm的附着标杆，这基本上不会影响潜艇移动的流动阻力。标杆安装在三处水平线上-潜艇鳍板结构、船首及船底下，这样一来，就可以在潜艇潜水和上浮时，对按等深进入非均匀介质层和进入变温层及盐度跃层的攻击进行控制。
本发明所提出的依据温度、深度和声速测量值测定海水盐度和密度的方法可以排除传导性的测量，简化了获得必要信息的程序，同时通过在规定的潜艇移动水平线稳定模式下产生盐度和密度的差异特性及测量三处深度位置处的声速和温度以扩展其能力。
附图说明
图1是海水密度在声速(P＝0分巴)下偏离标准(1000kg/m3)测定图。
图2是本发明需要使用仪器的关联图表。

Claims (5)

1.一种用于在潜水物水平线上测定海水盐度和密度的方法，包括在规定深度处对水温进行局部测量，其特征是，进一步包括了在潜水物水平线上对声音辐射进行激发，使用脉冲循环超声声速测定计(1)直接测量所接收到的声音辐射的声速，按照联合国教科文组织有关密度和声速的准确标准多项式的合并解，依据该深度处直接测得的声速和温度测定盐度和密度，并通过以下公式测定海水盐度：
S＝(C-1449-4.57T+0.0445T2-16.3×10-3η)：(1.4-0.011T)-35，
其中：
S-盐度，单位为‰；
C-声速，单位为m/s；
T-海水温度，单位为℃；
η-深度，单位为m；
依据得出的盐度、温度和压力(深度)，按以下公式测定瞬时密度ρ：
ρ＝1028.14-0.07T-0.00486T2-(0.802-0.00283T)×(S-35)+0.0045η，
其中：
ρ-密度，单位为kg/m3；
T-海水温度，单位为℃；
S-盐度，单位为‰；
η-深度，单位为m。
2.如权利要求1所述的测定海水盐度和密度的方法，其特点是，将超声波用作声音辐射。
3.如权利要求1所述的测定海水盐度和密度的方法，其特点是，使用由E.D.Popov研发的脉冲循环超声声速测定计(1)测量声速。
4.如权利要求1所述的测定海水盐度和密度的方法，其特点是，在规定深度η0处测定海水盐度S0及密度ρ0并在潜艇进入稳定模式后，转换设计图，并按照以下公式进行盐度变化控制：
δS＝[δC-4.57δT(1-0.0195T0)-0.011(S0-35)-0.0163δη]：(1.4-0.011T0)，
其中：
δS-盐度变化，单位为‰；
δC-声速变化，单位为m/s；
δT-温度变化，单位为℃；
T0-规定深度处的温度，单位为℃；
S0-规定深度处的盐度，单位为‰；
δη-深度变化，单位为m，
按照以下公式进行密度变化控制：
δρ≈-0.07δT[1+0.138T0+0.00283(S0-35)]+0.802δS+4.5×10-3δη，
其中：
δρ-密度变化，单位为kg/m3；
δT-温度变化，单位为℃；
T0-规定深度处的温度，单位为℃；
S0-规定深度处的盐度，单位为‰；
δS-盐度变化，单位为‰；
δη-深度变化，单位为m。
5.如权利要求1所述的测定海水盐度和密度的方法，其特点是，对应潜艇鳍板结构、船首及船底下三处深度位置，测量温度、速度及所接收到的声音辐射。
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