CN109781768A - 一种海洋温盐跃层变化人工干预方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海洋温盐跃层变化人工干预方法，包括：通过注水机构将清水和盐水分别注入罐体的上层和下层；开启隔板、风扇和旋转底座，在旋转底座的作用下，一段时间后，在罐体内形成稳定温盐跃层；改变温度和盐度两个调控因子，干预温盐跃层变化；记录温盐跃层的变化特征，分析人工干预温盐跃层的机理。通过本发明可为监测海中“密度断崖”提供理论基础和方法保证，进而有利于提高水下潜器航行安全。
Description
技术领域
本发明属于海洋测绘技术领域，尤其涉及一种海洋温盐跃层变化人工干预 方法。
背景技术
海洋跃层是海洋水文要素在垂直方向上产生跃变的水层，根据海洋要素可 分为温度跃层、盐度跃层、密度跃层和声速跃层。海中“密度断崖”现象是由于 温度存在跃变使得周围盐度及密度的不均匀分布而形成的，这种现象会导致水 下潜器急速坠落而发生艇毁人亡的事故。此外，温盐跃层还影响着中尺度涡、 渔业发展、声速、声学通道等。然而，由于现有技术的不足，无法对“密度断崖” 现象进行监测。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种海洋温盐跃层变 化人工干预方法，可为监测海中“密度断崖”提供理论基础和方法保证，进而有 利于提高水下潜器航行安全。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种海洋温盐跃层变化人工干预方 法，包括：
通过注水机构将清水和盐水分别注入罐体的上层和下层；
开启隔板、风扇和旋转底座，在旋转底座的作用下，一段时间后，在罐体 内形成稳定温盐跃层；
改变温度和盐度两个调控因子，干预温盐跃层变化；
记录温盐跃层的变化特征，分析人工干预温盐跃层的机理。
优选的，通过注水机构将清水和盐水分别注入罐体的上层和下层，包括： 通过注水机构向罐体的下层注入低温高盐水，至隔板位置停止；通过注水机构 向罐体的上层注入高温低盐水，至隔板位置停止。
优选的，还包括：通过上加热制冷器和下加热制冷器维持罐体的上层和下 层内的盐水温度。
优选的，改变温度和盐度两个调控因子，干预温盐跃层变化，包括：通过 注水挡板在温盐跃层上方注入特定盐水，改变温度和盐度两个调控因子，干预 温盐跃层变化；和/或，通过振动源产生内波，以能量的方式干预温盐跃层变化。
优选的，通过注水机构向罐体的下层注入温度22℃，盐度32‰的盐水，至 隔板位置停止；通过注水机构向罐体的上层注入温度34℃，盐度37‰的盐水， 至隔板位置停止；通过注水挡板在温盐跃层上方注入温度40℃，盐度40‰的特 定盐水，以模拟夏季条件进行实验。
优选的，通过注水机构向罐体的下层注入温度19℃，盐度34‰的盐水，至 隔板位置停止；通过注水机构向罐体的上层注入温度39℃，盐度30‰的盐水， 至隔板位置停止；通过注水挡板在温盐跃层上方注入温度10℃，盐度20‰的特 定盐水，以模拟春秋季条件进行实验。
优选的，通过注水机构向罐体的下层注入温度38℃，盐度28‰的盐水，至 隔板位置停止；通过注水机构向罐体的上层注入温度23℃，盐度11‰的盐水， 至隔板位置停止；通过注水挡板在温盐跃层上方注入温度10℃，盐度40‰的特 定盐水，以模拟冬季条件进行实验。
优选的，记录温盐跃层的变化特征，分析人工干预温盐跃层的机理，包括： 通过设置在罐体旁的摄像机，对人工干预温盐跃层的变化进行实时记录，并通 过控制台显示器实时显示人工干预温盐跃层的变化，分析人工干预温盐跃层的 机理。
优选的，还包括：搭建海洋温盐跃层变化人工干预实验装置；其中，海洋 温盐跃层变化人工干预实验装置，包括：主框架、支架、旋转底座、罐体和注 水机构；其中，支架设置在主框架下方；旋转底座设置在支架上；罐体安装在 旋转底座上；注水机构通过主框架固定；罐体包括：上加热制冷器、注水挡板、 隔板、下加热制冷器、风扇、振动源和升降机组；上加热制冷器、注水挡板、 隔板和下加热制冷器在罐体内部从上至下依次布设；风扇设置在罐体的顶部； 振动源设置在罐体的底部；升降机组与注水挡板连接，可调节注水挡板在罐体 内部的高度。
优选的，注水机构，包括：清水泵、清水桶、盐水泵和盐水桶；清水泵通 过引流管与清水桶连接，以将清水桶内的溶液注入罐体的上层；盐水泵通过引 流管与盐水桶连接，以将盐水桶内的溶液注入罐体的下层；其中，隔板将罐体 分割为上层和下层。
本发明具有以下优点：
本发明公开了一种海洋温盐跃层变化人工干预方法，基于海洋温盐跃层变 化人工干预实验装置，可在实验室环境内，开展温盐跃层模拟及干预实验，将 不同环境下的温盐跃层模拟实验结果进行对比，分析不同环境模拟下实验的效 果及实验前后跃层形态变化机理，为监测海中“密度断崖”提供理论基础和方法 保证，进而有利于提高水下潜器航行安全。
附图说明
图1是本发明实施例中一种海洋温盐跃层变化人工干预方法的步骤流程 图；
图2是本发明实施例中一种海洋温盐跃层变化人工干预实验装置的结构示 意图；
图3是本发明实施例中一种罐体的结构示意图；
图4是本发明实施例中一种实验一对应的实验结果示意图；
图5是本发明实施例中一种实验二对应的实验结果示意图；
图6是本发明实施例中一种实验三对应的实验结果示意图；
图7是本发明实施例中一种实验四对应的实验结果示意图；
图8是本发明实施例中一种实验五对应的实验结果示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明 公开的实施方式作进一步详细描述。
如图1，该海洋温盐跃层变化人工干预方法，具体可以包括：步骤101，通 过注水机构将清水和盐水分别注入罐体的上层和下层；步骤102，开启隔板、 风扇和旋转底座，在旋转底座的作用下，一段时间后，在罐体内形成稳定温盐 跃层；步骤103，改变温度和盐度两个调控因子，干预温盐跃层变化；步骤104， 记录温盐跃层的变化特征，分析人工干预温盐跃层的机理。
在本实施例中，可以通过注水机构向罐体的下层注入低温高盐水，至隔板 位置停止；通过注水机构向罐体的上层注入高温低盐水，至隔板位置停止。具 体的，可以基于不同的实验场景进行选择不同的参数指标进行实验，包括但不 仅限于如下参数指标：
(1)通过注水机构向罐体的下层注入温度22℃，盐度32‰的盐水，至隔 板位置停止；通过注水机构向罐体的上层注入温度34℃，盐度37‰的盐水，至 隔板位置停止；通过注水挡板在温盐跃层上方注入温度40℃，盐度40‰的特定 盐水，以模拟夏季条件进行实验。
(2)通过注水机构向罐体的下层注入温度19℃，盐度34‰的盐水，至隔 板位置停止；通过注水机构向罐体的上层注入温度39℃，盐度30‰的盐水，至 隔板位置停止；通过注水挡板在温盐跃层上方注入温度10℃，盐度20‰的特定 盐水，以模拟春秋季条件进行实验。
(3)通过注水机构向罐体的下层注入温度38℃，盐度28‰的盐水，至隔 板位置停止；通过注水机构向罐体的上层注入温度23℃，盐度11‰的盐水，至 隔板位置停止；通过注水挡板在温盐跃层上方注入温度10℃，盐度40‰的特定 盐水，以模拟冬季条件进行实验。
优选的，在本实施例中，可以通过上加热制冷器和下加热制冷器维持罐体 的上层和下层内的盐水温度。
优选的，可以通过注水挡板在温盐跃层上方注入特定盐水，改变温度和盐 度两个调控因子，干预温盐跃层变化；和/或，通过振动源产生内波，以能量的 方式干预温盐跃层变化。
优选的，可以通过设置在罐体旁的摄像机，对人工干预温盐跃层的变化进 行实时记录，并通过控制台显示器实时显示人工干预温盐跃层的变化，分析人 工干预温盐跃层的机理。
在本发明的一优选实施例中，所述海洋温盐跃层变化人工干预方法，还可 以包括：搭建海洋温盐跃层变化人工干预实验装置。
如图2所示，海洋温盐跃层变化人工干预实验装置，具体可以包括：主框 架1、支架2、旋转底座3、罐体4和注水机构5。其中，支架2设置在主框架 1下方；旋转底座3设置在支架2上；罐体4安装在旋转底座3上；注水机构5 通过主框架1固定。如图3所示，罐体4，具体可以包括：上加热制冷器41、 注水挡板42、隔板43和下加热制冷器44；上加热制冷器41、注水挡板42、隔 板43和下加热制冷器44在罐体4内部从上至下依次布设。在本实施例中，隔 板43将罐体4分割为上层和下层，作用在于：可避免在注水机构5注水过程中， 罐体4内的上下层溶液的提前混合。旋转底座3的作用在于：支撑并带动罐体 4的旋转。支架2的作用在于：对旋转底座3进行支撑保护，支架2可选用耐 腐蚀材料不锈钢制作。
优选的，罐体4，还可以包括：传感器阵列45。其中，传感器阵列45均布 在罐体4内部；传感器阵列45，包括但不仅限于：温度传感器、盐度传感器和 深度传感器。
优选的，罐体4，还可以包括：风扇46和振动源47。其中，风扇46设置 在罐体4的顶部；振动源47设置在罐体4的底部。风扇46和振动源47可用于 模拟海洋Taylor column效应，提高实验装置主罐内温盐跃层稳定性，以实现对 真实海洋环境下的季节性温盐跃层变化进行分类人工干预。
优选的，罐体4，还可以包括：升降机组48。升降机组48与注水挡板42 连接，可调节注水挡板42在罐体4内部的高度。
优选的，注水机构5，具体可以包括：清水泵51、清水桶52、盐水泵53 和盐水桶54。清水泵51通过引流管与清水桶52连接，以将清水桶52内的溶 液注入罐体4的上层；盐水泵53通过引流管与盐水桶54连接，以将盐水桶54 内的溶液注入罐体4的下层。
优选的，罐体4为圆柱体，采用透明亚克力材料制作。利于外置摄像机记 录温盐跃层变化的人工干预结果。罐体4外侧贴有高度尺，用于标示罐体4的 高度。其中，高度尺的刻度从下往上递增。
在上述实施例的基础上，下面结合具体实验过程进行说明。
本实验主要研究人工干预对温盐跃层变化的影响。因此，需要制定判别海 洋跃层变化的依据。在开始实验前，先利用海洋温盐跃层变化人工干预装置模 拟各类温度跃层和盐度跃层，通过对温度跃层和盐度跃层图像比较分析后，确 定以临界值和作为温度跃层和盐度跃层变化的判别标准，能够较好描述跃 层的形态，符合实验要求(温度单位：℃，盐度单位：‰)。
其中：
δT＝|Tup-Tdown|
δS＝|Sup-Sdown|
Z＝|Zup-Zdown|
Tup表示模拟温盐跃层罐体最高水位处温度值，Tdown表示模拟温盐跃层罐体 最低水位处温度值；Sup表示罐体最高水位处盐度值，Sdown表示罐体最低水位处 盐度值；Zup表示罐体最高水位处高度值，Zdown表示罐体最低水位处高度值。
在实验室分类模拟海洋中的温盐跃层变化情形，在圆柱罐体内，由两层密 度不同流体进行人工干预温盐跃层变化实验。S上和T上表示上层水盐度和温度， S下和T下表示下层水盐度和温度。由春夏秋冬季节划分，可分五类温盐跃层人 工干预变化实验：夏季太阳辐射较强，导致表层水温度增高蒸发加快，使得上 层水为高温高盐水；春秋季节雨水较少，导致表层水没有过多蒸发，使得上层 水为高温低盐水；冬季太阳辐射较弱，导致表层水温度降低蒸发缓慢，使得上 层水为低温低盐水。另外，进行了温度跃层和盐度跃层变化的实验。
实验过程如下：首先，在外置桶配置接近分类实验所需初始温度和盐度的 盐水，将圆柱体罐体内上下两层(隔板向上为上层且向下为下层)所需盐水注 入罐体内，接着开启罐体内的上、下加热制冷器对溶液温度进行微调，使盐水 准确快速达到实验所需初始温度。其次，由于上方注水层和下方注水层注水时， 隔板处于关闭状态。因此，在上、下层水注入完成后，开启隔板，可在隔板位 置处观察稳定的温盐跃层。最后，通过注水挡板注入特定盐水，前后共注入2 次，每次注入20mm(罐体深度)，用以干预温度跃层和盐度跃层。
实验一(夏)：温盐跃层人工干预实验
实验初始条件：T上>T下，S上>S下。上层盐水温度34℃，盐度37‰；下层 盐水温度22℃，盐度32‰。注水层注水温度40℃，盐度40‰。按照上述条件 配置盐水注入罐体内进行实验。由图4a和图4b对比可知：
(1)第一次注水后，由于注入了高温高盐水，因此导致上层溶液温度和盐 度整体增大，使得上下层盐水的温度差和盐度差均加大，温跃层和盐跃层厚度 增大。温跃层上界深度位置由925mm降至890mm，下降了35mm；厚度由90mm 增大到120mm，增大了33.3％；强度由120℃·m-1变为71℃·m-1。盐跃层上界深 度位置由940mm变为960mm，上升了20mm；厚度由95mm变为135mm，增 大了42.1％；强度由45m-1减弱至17.4m-1。
(2)第二次注水后，注入高温高盐水量增多，温跃层和盐跃层的厚度变化 更明显。温跃层厚度变为165mm，增大了37.5％；上界深度变为935mm；强度 变为30℃·m-1。盐跃层厚度变为220mm；上界深度变为990mm；强度变为6.8m-1。
实验二(春/秋)：温盐跃层人工干预实验
实验初始条件：T上>T下，S上<S下。上层盐水温度39℃，盐度30‰；下层 盐水温度19℃，盐度34‰。注水层注水温度10℃，盐度20‰。按照上述条件 配置盐水注入罐体内进行实验。由图5a和5b可知：
(1)第一次注水后，因为注入低温低盐水，使得上层水温度降低和盐度增 大，导致上下层盐水温度差减小和盐度差加大，温跃层厚度减小和盐跃层厚度 增加。温跃层上界深度由1000mm变为970mm，下降了30mm；盐跃层上界深 度由1005mm变为1000mm，下降了5mm。温跃层厚度由145mm变为140mm， 减小了3.4％；盐跃层厚度由55mm变为100mm，增大了45mm。温跃层强度由 95℃·m-1变为87.7℃·m-1，盐跃层强度由69.6m-1变为40.5m-1。
(2)第二次注水后，随着注入低温低盐水量增多，温跃层和盐跃层的上界 深度开始下降。温跃层上界深度位置降低40mm，跃层厚度变成120mm；强度 变为82.6℃·m-1。盐跃层上界深度位置降低65mm，厚度变成90mm，强度变成 47.8m-1。
实验三(冬)：温盐跃层人工干预实验
实验初始条件：T上<T下，S上<S下。上层盐水温度23℃，盐度11‰；下层 盐水温度38℃，盐度28‰。注水层注水温度10℃，盐度40‰。按照上述条件 配置盐水注入罐体内进行实验。由图6a和6b可知：
(1)第一次注水后，注入低温高盐水，使得上层盐水温度降低和盐度增大。 上下两层盐水的温度差增大，盐度差减小，温跃层厚度变大，在温跃层的影响 下，盐跃层厚度同样增大。温跃层上界深度由1000mm变为980mm，下降了 20mm；厚度由60mm变成150mm，增大了90mm；强度由228.3℃·m-1变为 27.89℃·m-1。盐跃层上界深度由1000mm变为950mm，降低了50mm；厚度由 50mm变为100mm，增大了50mm；强度由307.4m-1变为100.8m-1。
(2)第二次注水后，注入低温高盐水，温跃层和盐跃层的上界深度下降。 温盐跃层上界深度均下降了60mm；温跃层厚度为150mm，盐跃层厚度变成 85mm，减小了15mm；温跃层强度变成41.7℃·m-1，盐跃层强度变成89.8m-1。
实验四：温跃层人工干预实验
实验初始条件：T上>T下，S上＝S下。上层盐水温度34℃，盐度30‰；下层 盐水温度21℃，盐度30‰。注水层注水温度为10℃，盐度为17‰。按照上述 条件配置盐水注入罐体内进行实验。由图7可知：
(1)第一次注水后，注入低温低盐水，降低了跃层上界深度处的温度，导 致温跃层上界深度下降。温跃层厚度由150mm变为165mm，增大了10％；上 界深度由1090mm变为945mm，下降了145mm；跃层强度由45.7℃·m-1变为 34℃·m-1。
(2)第二次注水后，上下层盐水的温度差减小，温跃层厚变成140mm， 减小了15.2％；上界深度变成880mm，下降了65mm；温跃层强度变成34.4℃·m-1。
实验五：盐跃层人工干预实验
实验初始条件：T上＝T下，S上<S下。上层盐水温度22℃，盐度12‰；下层 盐水温度22℃，盐度20.5‰。注水层注水温度为22℃，盐度为25‰。按照上 述条件配置盐水注入罐体内进行实验。由图8可知：
(1)第一次注水后，注入高盐水，使得跃层下界深度处盐度增大，盐跃层 下界向下移动。盐跃层厚度由50mm变为90mm，增加了40mm；上界深度没 有变化；强度由135.6m-1增强为76.4m-1。
(2)第二次注水后，注入高盐水量增加，盐跃层上界深度处盐度增加，下 界深度向下移动5mm。同样盐跃层上界深度下降5mm，导致盐跃层厚度没有 明显变化，强度减弱为67.4m-1。
通过五类实验可得，由温度和盐度两个干预因子干预温盐跃层变化效果显 著，跃层被干预前后，厚度变化超过20％；温盐跃层的上界深度改变较大，上 界深度变化超过10cm。因此，本发明公开的海洋温盐跃层变化人工干预方法是 可行且有效的，能够为监测海中“密度断崖”提供理论基础和方法参考。
本说明中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都 是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局 限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易 想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技 术。
Claims (10)
1.一种海洋温盐跃层变化人工干预方法，其特征在于，包括：
通过注水机构将清水和盐水分别注入罐体的上层和下层；
开启隔板、风扇和旋转底座，在旋转底座的作用下，一段时间后，在罐体内形成稳定温盐跃层；
改变温度和盐度两个调控因子，干预温盐跃层变化；
记录温盐跃层的变化特征，分析人工干预温盐跃层的机理。
2.根据权利要求1所述的海洋温盐跃层变化人工干预方法，其特征在于，通过注水机构将清水和盐水分别注入罐体的上层和下层，包括：通过注水机构向罐体的下层注入低温高盐水，至隔板位置停止；通过注水机构向罐体的上层注入高温低盐水，至隔板位置停止。
3.根据权利要求2所述的海洋温盐跃层变化人工干预方法，其特征在于，还包括：通过上加热制冷器和下加热制冷器维持罐体的上层和下层内的盐水温度。
4.根据权利要求3所述的海洋温盐跃层变化人工干预方法，其特征在于，改变温度和盐度两个调控因子，干预温盐跃层变化，包括：通过注水挡板在温盐跃层上方注入特定盐水，改变温度和盐度两个调控因子，干预温盐跃层变化；和/或，通过振动源产生内波，以能量的方式干预温盐跃层变化。
5.根据权利要求4所述海洋温盐跃层变化人工干预方法，其特征在于，通过注水机构向罐体的下层注入温度22℃，盐度32‰的盐水，至隔板位置停止；通过注水机构向罐体的上层注入温度34℃，盐度37‰的盐水，至隔板位置停止；通过注水挡板在温盐跃层上方注入温度40℃，盐度40‰的特定盐水，以模拟夏季条件进行实验。
6.根据权利要求4所述海洋温盐跃层变化人工干预方法，其特征在于，通过注水机构向罐体的下层注入温度19℃，盐度34‰的盐水，至隔板位置停止；通过注水机构向罐体的上层注入温度39℃，盐度30‰的盐水，至隔板位置停止；通过注水挡板在温盐跃层上方注入温度10℃，盐度20‰的特定盐水，以模拟春秋季条件进行实验。
7.根据权利要求4所述海洋温盐跃层变化人工干预方法，其特征在于，通过注水机构向罐体的下层注入温度38℃，盐度28‰的盐水，至隔板位置停止；通过注水机构向罐体的上层注入温度23℃，盐度11‰的盐水，至隔板位置停止；通过注水挡板在温盐跃层上方注入温度10℃，盐度40‰的特定盐水，以模拟冬季条件进行实验。
8.根据权利要求1所述的海洋温盐跃层变化人工干预方法，其特征在于，记录温盐跃层的变化特征，分析人工干预温盐跃层的机理，包括：通过设置在罐体旁的摄像机，对人工干预温盐跃层的变化进行实时记录，并通过控制台显示器实时显示人工干预温盐跃层的变化，分析人工干预温盐跃层的机理。
9.根据权利要求1所述的海洋温盐跃层变化人工干预方法，其特征在于，还包括：搭建海洋温盐跃层变化人工干预实验装置；其中，海洋温盐跃层变化人工干预实验装置，包括：主框架、支架、旋转底座、罐体和注水机构；其中，支架设置在主框架下方；旋转底座设置在支架上；罐体安装在旋转底座上；注水机构通过主框架固定；罐体包括：上加热制冷器、注水挡板、隔板、下加热制冷器、风扇、振动源和升降机组；上加热制冷器、注水挡板、隔板和下加热制冷器在罐体内部从上至下依次布设；风扇设置在罐体的顶部；振动源设置在罐体的底部；升降机组与注水挡板连接，可调节注水挡板在罐体内部的高度。
10.根据权利要求9所述的海洋温盐跃层变化人工干预方法，其特征在于，注水机构，包括：清水泵、清水桶、盐水泵和盐水桶；清水泵通过引流管与清水桶连接，以将清水桶内的溶液注入罐体的上层；盐水泵通过引流管与盐水桶连接，以将盐水桶内的溶液注入罐体的下层；其中，隔板将罐体分割为上层和下层。
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