CN109084736B - 一种海洋流速断面观测方法 - Google Patents

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    • G01C13/00—Surveying specially adapted to open water, e.g. sea, lake, river or canal

Abstract

本发明公开了一种海洋流速断面观测系统及观测方法，所述观测系统包括移动平台和观测链，该观测链包括与移动平台连接的浮体、与浮体相连的水下供电通信缆、沿水下供电通信缆轴向间隔分布的多个集成有温度、盐度和压力传感器的自容式测量探头、以及设置在水下供电通信缆底部的配重块。本发明不仅可以大量节省传统观测模式所需的人力、物力和成本，还可根据实际需求设置观测路径，依据测量得到的各个探头位置处实时的深度、温度和盐度数据，计算出各个探头位置处的海流速度，得到整个剖面的廓线数据，实现对海洋上层温度、盐度、和流速进行长时间连续的断面式观测。

Description

一种海洋流速断面观测方法
技术领域
本发明涉及海洋观测与应用技术领域，具体涉及一种海洋流速断面观测系统及观测方法。
背景技术
目前国内外对海流的观测主要是通过声学多普勒流速剖面仪(ADCP)、声学多普勒点式流速仪(ADV)、以及海流计等仪器进行直接观测。但这些观测模式的主要缺陷是：观测设备体积和重量较大，成本较高，收放较复杂，对观测姿态要求较高，难以进行长时间连续的断面式观测等。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种海洋流速断面观测系统及观测方法，不仅可以大量节省传统的海流观测模式所需的人力、物力和成本，还可根据实际需求设置观测路径，实现对海洋上层温度、盐度、和流速进行长时间连续的断面式观测。
为实现以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种海洋流速断面观测系统，包括移动平台和观测链，该观测链包括与移动平台连接的浮体、与浮体相连的水下供电通信缆、沿水下供电通信缆轴向间隔分布的多个集成有温度、盐度和压力传感器的自容式测量探头、以及设置在水下供电通信缆底部的配重块。
使用时，移动平台按照事先设定的运行路径和运行模式在海上航行，带动观测链在预定的目标海域进行长时间的海洋上层断面环境参数的实时观测。
进一步地，所述移动平台为波浪滑翔器或无人船，能够按设定模式和路径提供行进动力。
进一步地，所述配重块为铅块或水泥块，所述浮体由至少1个空心玻璃球构成，工作时浮体提供的浮力要大于水下供电通信缆对浮体向下的拉力。
进一步地，所述水下供电通信缆(13)的长度为1m-1000m。
进一步地，所述移动平台和浮体之间通过柔性缆或杆连接。
一种海洋流速断面观测方法，采用上述的观测系统，其特征在于：包括以下步骤：
1)通过自容式测量探头实时测量并获取各探头所在位置的温度Ti、盐度Si和水深hi，其中，i表示从上至下第i个探头；上述参数以及后续公式中的参数均为相应的国际单位；
2)根据海水状态方程计算出各探头所在位置的海水密度ρi，根据浮力公式计算出各探头所受的海水浮力Fbi：
Fbi＝ρigVi (1)
其中，Vi为第i个探头的体积；
3)通过如下公式求取各探头处的水下供电通信缆相对铅垂方向的偏斜角θi：
Figure BDA0001700317990000021
其中，Li为第i个探头对应的缆长；
4)通过如下公式求取各探头行进中受到的海水阻力Fdi：
Fdi＝(Gi-Fbi)tan(θi) (3)
其中，Gi为第i个探头的重力；
5)根据下面的公式计算各探头处的海流水平速度ui：
Figure BDA0001700317990000022
其中，Cd为阻力系数，为常数；di为第i个探头的直径，u0是移动平台的移动速度。
本发明不仅可以大量节省传统观测模式所需的人力、物理和成本，还可根据实际需求设置观测路径，依据测量得到的各个探头位置处实时的深度、温度和盐度数据，计算出各个探头位置处的海流速度，得到整个剖面的廓线数据，实现对海洋上层温、盐、和流速进行长时间连续的断面式观测。
附图说明
图1为本发明观测系统在静止的海水中固定不动时的示意图；
图2为本发明观测系统在真实海水中移动时的示意图；
图3为本发明单个自容式测量探头的受力示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例：
如图1和图2所示，本实施例的海洋流速断面观测系统，包括提供驱动力的移动平台11 和与之相连的观测链。移动平台11为无人船，可预先为其设定好移动的路径、移动速度和加速度。
观测链包括浮体12、与浮体12相连的水下供电通信缆13、设置在水下供电通信缆13上的多个集成有温度、盐度和压力传感器的自容式测量探头14、以及设置在水下供电通信缆13 底部的配重块15。
移动平台11和浮体12之间通过10m长的柔性缆16相连，浮体12采用空心微珠玻璃浮球，其直径为0.5m，可产生的最大浮力为600N。与浮体12相连的水下供电通信缆13长度为100m。自容式测量探头14为钛合金外壳圆柱体，其直径为0.015m，长度为0.1m，自重为0.3kg，探头内部携带电池和存储器，可进行自容式观测和记录数据。温度、盐度和压力传感器的采样频率为0.1Hz，探头每隔10m一个均匀固定在水下供电通信缆13上。配重块15是铅块，自重10kg。
工作时，无人船按预先设定好的运行路径和运行模式在海上自主航行，带动观测链按照预定的路径进行海洋参数测量，从而测得运行轨迹位置的海洋上层100米深度范围内断面的温度、盐度和压力数据，供技术人员进一步分析使用。
利用本发明的海洋流速断面观测系统进行海洋流速断面的观测方法，包括以下步骤：
1)通过自容式测量探头14实时测量的温度、盐度和压力数据，获取各探头所在位置的温度Ti、盐度Si和水深hi，其中，i表示从上至下第i个探头；上述参数以及后续公式中的参数均为相应的国际单位；
2)根据海水状态方程TEOS-10(McDougall T J,Barker P M.Getting startedwith TEOS-10 and the Gibbs Seawater(GSW)oceanographic toolbox.SCOR/IAPSO WG,2011)计算出各探头所在位置的海水密度ρi，再根据浮力公式计算出各探头所受的海水浮力Fbi：
Fbi＝ρigVi (1)
其中，Vi为第i个探头的体积；
3)通过如下公式求取各探头处的水下供电通信缆相对铅垂方向的偏斜角θi：
Figure BDA0001700317990000031
其中，Li为第i个探头对应的缆长；
4)对各探头进行受力分析，如图3所示，第i个探头行进中受到的海水阻力为Fdi，方向为水平方向，垂直方向的力有重力Gi和浮力Fbi，另外还受到水下供电通信缆13对它的拉力F1和F2，将各个力在垂直于水下供电通信缆13的方向上(图3中虚线)分解，则有：
Fdi＝(Gi-Fbi)tan(θi) (3)
5)根据钝体扰流阻力公式
Figure BDA0001700317990000041
式中，Cd为阻力系数(常数，Roshko A.Experiments on the flow past a circular cylinder at very highReynolds number.Journal of Fluid Mechanics,1961,345-356。本实施例设置移动平台11的平均移动速度约为0.6m/s，从而可以计算出各探头处流体雷诺数约为105，根据文献可取Cd≈1.2)，di为第i个探头的直径，u0和 ui分别是移动平台1的移动速度和各探头处的海流速度，以观测系统移动的方向为正，|u0-ui| 则为流体相对于各探头的相对速度大小，从而得到各探头处的海流水平速度ui为：
Figure BDA0001700317990000042
根据以上步骤，即可得到各个探头位置处实时的深度、温度、盐度和流速数据，从而可以得到整个剖面的廓线数据；而整个观测系统在移动平台带动下沿预订轨迹运动，因而可以观测到整个断面的温度、盐度和流速数据。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种海洋流速断面观测方法，通过海洋流速断面观测系统实现，该海洋流速断面观测系统包括：移动平台和观测链，该观测链包括与移动平台连接的浮体、与浮体相连的水下供电通信缆、沿水下供电通信缆轴向间隔分布的多个集成有温度、盐度和压力传感器的自容式测量探头、以及设置在水下供电通信缆底部的配重块，其特征在于：所述的海洋流速断面观测方法包括以下步骤：
1)通过自容式测量探头实时测量并获取各探头所在位置的温度Ti、盐度Si和水深hi，其中，i表示从上至下第i个探头；上述参数以及后续公式中的参数均为相应的国际单位；
2)根据海水状态方程计算出各探头所在位置的海水密度ρi，根据浮力公式计算出各探头所受的海水浮力Fbi：
Fbi＝ρigVi (1)
其中，Vi为第i个探头的体积；g为重力加速度；
3)通过如下公式求取各探头处的水下供电通信缆相对铅垂方向的偏斜角θi：
Figure FDA0002404052970000011
其中，Li为第i个探头对应的缆长；
4)通过如下公式求取各探头行进中受到的海水阻力Fdi：
Fdi＝(Gi-Fbi)tan(θi) (3)
其中，Gi为第i个探头的重力；
5)根据下面的公式计算各探头处的海流水平速度ui：
Figure FDA0002404052970000012
其中，Cd为阻力系数，常数；di为第i个探头的直径；u0是移动平台的移动速度。
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