CN108007440A - 一种原位测量营养盐垂向通量的方法 - Google Patents

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赵亮
李伯志
赵紫涵
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    • G01C13/00—Surveying specially adapted to open water, e.g. sea, lake, river or canal
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M10/00—Hydrodynamic testing; Arrangements in or on ship-testing tanks or water tunnels

Abstract

本发明公开了一种原位测量营养盐垂向通量的方法，步骤如下：步骤S1：设置观测仪器参数；步骤S2：布放观测仪器；步骤S3：回收观测仪器，读取原始数据；步骤S4:根据步骤S3得到的原始数据进行预处理；步骤S5：根据步骤S4的数据计算营养盐垂向通量F：计算公式为本发明有意效果：只需要简单仪器投放便可以直接得到营养盐浓度数据进而计算出营养盐通量，避免后期繁琐的实验样品处理过程；具有很强可操作性，可以在不同海区水域进行操作；具有节时省力的特点，大大降低成本。

Description

一种原位测量营养盐垂向通量的方法
技术领域
本发明涉及海洋湍流与海水营养盐通量测量领域，具体涉及一种原位测量营养盐垂向通量的方法。
背景技术
近年来，海洋富营养化问题愈加严峻，海洋中营养盐的组成和来源方式、过程逐渐成为海洋环境科学研究的重要问题之一，如何准确的了解由海洋混合将底层营养盐带入到真光层，供给生物活动需要的物理过程成为重要研究课题。尽管通过样品采样可以大致反映出海洋中营养盐的大致垂向分布规律，然分辨率较低、后期实验样品处理繁琐，需要耗费时间、成本较高。如何科学地、准确地获取海洋湍流与高时空分辨率的营养盐数据成为课题关键，迫切需要研究出简单、可操作性强的测量方法。结合现场的海洋湍流数据与营养测量仪器直接得到高时空分辨率的数据，不但可以快速了解到海洋基本水文状况、营养盐状况，而且只需后期简单数据处理便能快速得到准确的垂向营养盐通量。该测量方法具有高时空分辨率，且无需避免后期繁琐的实验样品处理过程，具有可操作性强的特点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种结合先进的仪器与科学的测量方法获取水体垂向剖面湍流与高时空分辨率营养盐数据的原位测量营养盐垂向通量的测量方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种原位测量营养盐垂向通量的测量方法，步骤如下：步骤S 1：设置观测仪器参数，观测仪器包括：垂向微结构剖面仪、温盐水深仪和垂向营养盐剖面测量仪器；步骤S2：观测船到达预定站位，下放观测仪器；步骤S3：站位作业完毕，回收观测仪器，读取原始数据：包括湍流剪切数据、水文数据和高时空分辨率的营养盐数据；步骤S4:根据步骤S3得到的原始数据，进行预处理；步骤S5：根据步骤S4的数据计算营养盐垂向通量F：计算公式为
其中： N2＝-(g/ρ)ρz
Kρ为湍流扩散系数，Γ＝0.2，ε为湍能耗散率；υ为海水分子粘性系数；u'为湍流剪切；N为浮力频率；ρ为海水密度；F为营养盐垂向通量；为营养盐垂向梯度，以向上为正方向。
所述步骤S1，垂向微结构剖面仪工作频率设置为512Hz，垂向营养盐剖面测量仪工作频率设置为2Hz。
所述步骤S2，垂向微结构剖面仪须以自由落体形式下放，下降速度控制在0.5-0.6m/s；温盐水深仪和营养盐剖面仪器须同时下放，其中，温盐水深仪每隔5个站点采样一次，控制绞车转速为1m/s；
所述步骤S3分为，S101结合当地海区实际情况，对湍流扩散系数Kρ进行预处理，剔除异常值；S102对营养盐高分辨数据进行去尖峰、平滑处理；S103将测量数据扩散系数和营养盐浓度的垂向分辨率处理成1m；S104计算营养盐垂向梯度；S105计算营养盐垂向通量。
利用原位测量的营养盐浓度C与实验室采用标准方法测量结果，进行相关性分析；若相关系数R超过0.9，则进入步骤S102；若相关性系数R低于0.9，须计算两者线性关系：y＝ax+b(a，b均为系数)，重新对营养盐数据进行标定，再进入步骤S102。
选取温跃层、真光层或硝酸盐跃层位置处的营养盐垂向通量进行后期分析。
营养盐垂向通量测量方法，可以应用于硝酸盐、磷酸盐、硅酸盐系列生源要素垂向通量的测量。
本发明的有益效果是：结合先进的仪器与科学的测量方法，可以科学有效地、准确地获取水体垂向剖面湍流数据与高时空分辨率营养盐数据，具有易操作性，只需要简单仪器投放便可以直接得到营养盐浓度数据进而计算出营养盐通量，避免后期繁琐的实验样品处理过程；具有很强可操作性，可以在不同海区水域进行操作；具有节时省力的特点，大大降低成本。
附图说明
图1为现场测量和数据处理分析的流程图；
图2为原位数据处理算法。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
如图1至2所示，一种原位测量营养盐垂向通量的方法，借助先进的仪器与科学的测量方法相结合，能够有效科学地、准确地获取水体垂向剖面湍流与营养盐高时空分辨率数据。利用垂向微结构剖面仪(VMP,Vertical Microstructure Profiler,RocklandScientific International Inc.,)、温盐水深仪CTD(SBE3,Sea Bird ElectronicsInc.,)、垂向高精度测量营养盐仪器SUNA V3(Submersible Ultraviolet NitrateAnalyzer,Sea Bird Electronics Inc.,)，分别得到相应的湍流剪切数据、水文数据和高时空分辨率的营养盐数据，营养盐剖面测量仪器SUNA须与CTD同时下放。
具体实施步骤如下：
在仪器下水前，需要对各种仪器测量探头进行校正，保证数据质量。
在垂向微结构剖面仪下水前，设置仪器工作频率为512Hz，仪器须以自由落体方式下放，下放速度控制在0.5～0.6m/s。同时提前掌握现场实际水深，避免仪器探头触底损坏仪器；温盐水深仪和营养盐剖面仪器须同时下放，营养盐剖面仪器工作频率设置为2Hz。其中，温盐水深仪每隔5个站点采样一次；控制绞车转速为1m/s，可实现营养盐剖面仪器数据的高分辨率。
后期数据处理主要是根据算法对原位测量得到的数据进行处理：
计算公式为：
N2＝-(g/ρ)ρz……………………………………………………………(3)
其中，Kρ为湍流扩散系数，Γ＝0.2，ε为湍能耗散率；υ为海水分子粘性系数，u'为湍流剪切，N为浮力频率，ρ为海水密度，F为营养盐垂向通量，为营养盐垂向梯度(以向上为正方向)。通过以上公式可以得到营养盐垂向各深度位置的垂向通量大小数值。
算法步骤如下：
(1)通过公式(1)计算得到水体中湍流扩散系数Kρ，由于在深度小于10m时，垂向微结构剖面仪倾斜较为严重且受到噪声的干扰严重，对数据质量产生严重影响，予以剔除；结合当地海区实际情况剔除扩散系数的异常值和明显的超出范围数值。以黄海、东海为例，若Kρ值不属于[10-2,10-7]范围，则予剔除。
(2)对比分析原位测量的营养盐浓度C与实验室采用标准方法测量数据的结果。若两者相关系数R超过0.9，可以直接进行下一步；若两者相关性系数R低于0.9，需要求出两者线性关系：y＝ax+b(a，b均为系数)，对SUNA营养盐数据进行重新标定，降低浓度误差。
(3)首先需要对营养盐原始数据进行平滑处理(选取平滑间隔为2-5m)；再将湍流扩散系数和营养盐浓度数据进行插值，垂向分辨率为1m。
(4)求出对应营养盐垂向梯度(以向上为正方向)。
(5)根据公式(4)可以计算营养垂向的通量大小F。
根据实际需要，可选取温跃层、真光层或者硝酸盐跃层位置的营养盐垂向通量来表征底层向上层输送营养盐的情况。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种原位测量营养盐垂向通量的方法，步骤如下：
步骤S1：设置观测仪器参数，观测仪器包括：垂向微结构剖面仪、温盐水深仪和垂向营养盐剖面测量仪器；
步骤S2：观测船到达预定站位，下放观测仪器；
步骤S3：站位作业完毕，回收观测仪器，读取原始数据：包括湍流剪切数据、水文数据和高时空分辨率的营养盐数据；
步骤S4:根据步骤S3得到的原始数据，进行预处理；
步骤S5：根据步骤S4的数据计算营养盐垂向通量F：
计算公式为
其中： N2＝-(g/ρ)ρz
Kρ为湍流扩散系数，Γ＝0.2，ε为湍能耗散率；υ为海水分子粘性系数；u'为湍流剪切；N为浮力频率；ρ为海水密度；F为营养盐垂向通量；为营养盐垂向梯度，以向上为正方向。
2.根据权利要求1所述的一种原位测量营养盐垂向通量的方法，其特征是：所述步骤S1，垂向微结构剖面仪工作频率设置为512Hz，垂向营养盐剖面测量仪工作频率设置为2Hz。
3.根据权利要求1所述的一种原位测量营养盐垂向通量的方法，其特征是：所述步骤S2，垂向微结构剖面仪须以自由落体形式下放，下降速度控制在0.5-0.6m/s；温盐水深仪和营养盐剖面仪器须同时下放，其中，温盐水深仪每隔5个站点采样一次，控制绞车转速为1m/s。
4.根据权利要求1所述的一种原位测量营养盐垂向通量的方法，其特征是：所述步骤S3分为，S101结合当地海区实际情况，对湍流扩散系数Kρ进行预处理，剔除异常值；S102对营养盐高分辨数据进行去尖峰、平滑处理；S103将测量数据扩散系数和营养盐浓度的垂向分辨率处理成1m；S104计算营养盐垂向梯度；S105计算营养盐垂向通量。
5.根据权利要求1所述的一种原位测量营养盐垂向通量的方法，其特征是：利用原位测量的营养盐浓度C与实验室采用标准方法测量结果，进行相关性分析；若相关系数R超过0.9，则进入步骤S102；若相关性系数R低于0.9，须计算两者线性关系：y＝ax+b(a，b均为系数)，重新对营养盐数据进行标定，再进入步骤S102。
6.根据权利要求1所述的一种原位测量营养盐垂向通量的方法，其特征是：选取温跃层、真光层或硝酸盐跃层位置处的营养盐垂向通量进行后期分析。
7.根据权利要求1所述的一种原位测量营养盐垂向通量的方法，其特征是：营养盐垂向通量测量方法，可以应用于硝酸盐、磷酸盐、硅酸盐系列生源要素垂向通量的测量。
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