第3章海洋水文要素观测

现代海洋测绘,赵 建 虎,第三章 海洋水文要素观测 Observations for Ocean Hydrological Factors,赵建虎,本 章 内 容,海水温度 海水盐度 海水密度 海水透明度、水色 潮汐及潮汐观测 海洋波动类型及其影响 海流的类别及其特点 ADCP及流速、流向测量 思考题,发生在海洋中的许多自然现象和过程往往与海水的物理性质密切相关。人类要认识和开发海洋，首先必须对海洋进行全面深入地观测和调查，掌握其物理性质。在海洋调查中，观测海洋水文气象方面的环境参数更有其重要的意义。,311 海洋水温及其分布,温度是海洋的基本物理要素之一，很多海洋现象乃至地球现象都与海水温度有关。,在海洋声学测量中，温度是计算声速的首要因素。,31 海水温度及其测量,海洋温度的基本分布情况： 随着纬度增高，温度不规则地逐渐下降； 等温线大体呈带状分布，在寒暖流交汇处，等温线密集，温度梯度最大。,312海水温度观测方法,表层水温观测方法,直接测量方法常用仪器：海水表面温度表、电测表面温度计及其他的测温仪器 。 用水桶提取海水，再用精密温度计测定水温。 卫星上通常利用红外辐射温度计测定海洋水温 ； 在海洋浮标上一般装有自记测温仪器，记录所在位置的温度 。,深层水温观测,主要采用的仪器：常规的颠倒温度计、深度温度计、自容式温盐深自记仪器（如STD、CTD）、电子温深仪（EBT）、投弃式温深仪（XBT）等。,实际测量中，温度是以国际温标为依据，国际符号为T（热力学温度）或t （摄氏温度）；一般以摄氏温度表示。,321盐度的定义,以化学方法为基础的盐度定义：,为在一千克海水中，所有碳酸盐转化为氧化物，溴、碘一氯置换，而且有机物全部氧化后所含所有固体物质的总克数。（单位是克千克，符号S，又称绝对盐度）。,根据海水组成恒定性原理 ，常用氯度来测定盐度。盐度与氯度的经验关系式为：,32 盐度及其测量,1969年电导盐度定义和盐度测定方法：,电导盐度的定义：长1立方米海水的电导。,盐度计算公式为：,R15为一个标准大气压和15恒温水的条件下，海水样品与盐度为35的标准海水的电导率比值，称为相对电导率或电导比。,如果样品的电导率Rt是在任意温度t下测定的，则需进行温度订正，订正公式为：,在重新定义盐度的同时，提出了盐度与氯度新关系公式：,1978年实用盐度标度 ：,选定一种浓度为精确值的氯化钾（KCl）溶液，用海水水样相对于KCl溶液的电导比来确定盐度值。（规定KCl溶液的浓度精确值为32.4356）,测定方法：,K15是在一个标准大气压下，15°C时水样的电导率C（S，15，0）与同温同压下标准KCl溶液电导率C（32.4356，15，0）之比值，即,实用盐度公式适用范围为2S42 。,322 盐度的测定方法,1、光学测定盐度法,原理：光的折射性。,1967年Rusby发表的折射率差值和盐度关系式：,式中S为盐度，t为温度（），n = n t -n 35 ：光的波长=546227米。,目前使用的仪器有：通用的阿贝折射仪、多棱镜差式 折射仪、现场折射仪等。,2、比重测定盐度法,方法 ：根据国际海水状态方程 ，当测得海水的密度、温度和深度时，就可以反算出海水盐度。,主要工具：比重计。,该方法一般只适用于室内，在精度要求不高的场合可直接用该法测定，如制盐场和渔业系统。,3、声学测定盐度法,方法：根据声速与海水盐度、温度和压力的关系，利用声速仪测得声速、并测出海水温度和深度来反算盐度。,常用的经验公式为：,综合多方面因素，电导率测定盐度法为主要测定方法 。,海水的密度定义： 单位体积海水的质量，单位是千克米3符号。,33海水密度及其测量,赤道地区海水密度低，向两极则逐渐增大。表层海水密度的水平分布受海流的影响较大，有海流的地方，密度的水平差异比较大。,331海水密度的特点及其分布,一切影响温度和盐度的因子都会影响到海水的密度。海水的密度随地理位置、海洋深度都有复杂的分布，并随时间而变化。,在海面，密度的分布和变化仅取决于温度和盐度。在盐度变化较小的海区，海水的密度主要决定于温度状况。在温度变化较小的海区，则主要决定于盐度的状况。,332海水密度的测定,1、海洋表层密度的测定,Knudsen（1902）发现在一大气压下，温度为0海水密度0为盐度的函数。关系式：,2、海洋表层以下密度的测定,方法：一般采用数值计算的方法求得不同深度的海水密度。,则实用海洋表层以下密度为：,海水状态方程：,公式适应范围：盐度042，温度2 40，压强0 100 Mpa。密度单位kgm3 ，温度t单位为，压强P单位Mpa。,国际作出的新定义为：光线在水中传播一定距离后，其光能强度与原来光能强度之比。,海水透明度： 在海洋学上，是指用直径为30cm的白色圆盘，将其垂直沉入海水中，直至刚看不见的深度，单位为米。这一深度称相对透明度。,且有：透明度T=e-cz ，c为衰减系数 ，z为光在海水中的传播距离 。,观测仪器 ：透明度仪、光度计等。,34 海水透明度、水色观测,水色： 海洋调查规范中规定，透明度盘位于透明度值一半的水层时，透明度盘上方所呈现的海水颜色称为水色。,水色观测方法： 观测完透明度后，将透明度盘提升到透明度值一半的水层，根据透明度盘上方所呈现的海水颜色，在水色计中找出与之相似的色级号码，即为该次观测的水色。,海发光： 夜间海面上出现的生物发光现象称海发光。,海发光类型可分为火花型、弥散型 、闪光型 。,351 潮汐,3511潮汐现象,海洋潮汐 ：海水受到月球和太阳的吸引力作用，产生一种规律性的升降运动，这种海面升降现象叫做海洋潮汐。,潮汐,潮：海水白天的涨落现象。,汐：海水夜间的涨落现象。,产生潮汐现象的主要原因：地球上各点距离月球和太阳的相对位置不同 。,35 潮汐及潮汐观测,某地潮汐变化曲线,两个相邻高潮或两个相邻低潮之间的时间间隔,两个相邻的高潮和低潮的水位高度差,在海面升降的每一个周期中，海面上涨到不能再升高时的潮汐,月球经过某地的子午线圈时刻。,从某一基准面量至海面的高度,海面下降到不能再下降时的潮汐,涨潮 ： 海面从低潮上升到高潮的过程中，海面逐渐上升的现象。,落潮 ： 自高潮至低潮的过程中，海面逐渐下落的现象。,平潮： 当海面达到高潮时，在一段时间内海面暂时停止上升的现象。,停潮： 当海面达到低潮时候，在一段时间内海面暂时停止下降的现象。,3512 潮汐日不等现象与潮汐类型,1、日不等现象,日不等现象： 通过长时间的水位观测，可以从其记录曲线上看出，每日的潮差是不等的，这种现象成为潮汐日不等现象。,产生原因： 太阳、月球、地球之间的相对位置的不同 。,大（小）潮 ： 潮差最大（小）这一天的潮汐 。,大潮差： 大潮时的潮差 。,高（低）高潮 ：较高（低）的一次高潮 。,低（高）低潮 ：较低（高）的一次低潮。,以上现象产生的原因：月球赤纬的变化。,分点潮 ：当月球在赤道附近，则两高潮（低潮）的潮高约相等，此时的潮汐称为分点潮。,分点潮,日潮不等：一日内两次高潮或低潮潮高不等现象 。,回归潮 ：当月球在最北或最南附近时，所产生的日潮不等为最大，此时潮汐叫回归潮。,回归潮,2、潮汐类型,正规半日潮 ：,一个太阴日（约24小时50分）内，有两次高潮和两次低潮，相邻的高低潮之间的潮差几乎相等，此类潮汐称为正规半日潮。,不正规半日潮：,一个太阴日内，也有两次高潮和两次低潮，但相邻的高低潮之间的潮差不等，涨落潮时间也不等，且是变化的。,不正规日潮：,一个朔望月内出现的一日一次高潮和一次低潮的日潮类型。,正规日潮：,一个朔望月内大多数天是日潮的性质，少数天发生不正规半日潮。,3513 风暴潮,风暴潮：指由于强烈的大气扰动，加强风和气压骤变所招致的海面异常升高现象。,产生风暴潮的大气扰动通常包括热带风暴（如台风、飓风等）、温带气旋、寒流或冷空气等。,风暴潮的一个共同特征：它们都以某种方式依赖于共振现象。,不同类型的大气扰动所引起的风暴潮的特点也不一样。由于热带风暴移动迅速，所产生的风暴潮有急剧的水位变化；由于热带气旋移动较慢，所引起的风暴潮的水位变化是持续的，相对不很急剧；由寒潮或冷空气所激发的风暴潮水位变化持续但不急剧。,中国沿岸常受到台风和寒潮大风的袭击，是一个受风暴潮危害严重的国家。 中国风暴潮一般具有以下特点： （1）一年四季均有发生，夏季和秋季常见。 （2）发生的次数较多。 （3）风暴潮位的高度较大。 （4）风暴潮的规律比较复杂。,352潮汐观测,定义： 潮汐观测通常称为水位观测，又称验潮。,目的：,了解当地的潮汐性质，应用所获得的潮汐观测资料，来计算该地区的潮汐调和常数、平均海面、深度、基准面、潮汐预报以及提供测量不同时刻的水位改正数等，供给有关军事、交通、水产、盐业、测绘等部门使用。,3521 传统的潮汐观测方法,1水尺验潮,水尺上面标有一定的度量刻度，一般最小刻度为cm，长度大约3 5 m，一般将其固定在码头壁、岩壁或海滩上，利用人工在任意时刻读取水位数据的。,2. 井式自记验潮仪,验潮井,主要结构 ：验潮井、浮筒、记录装置,工作原理：通过在水面上随井内水面起伏的浮筒带动上面的记录滚筒转动，使得记录针在装有记录纸的记录滚筒上画线，来记录水面的变化情况，达到自动记录潮位的目的。,3超声波潮汐计,主要组成部分：探头、声管、计算机,基本工作原理：通过固定在水位计顶端的声学换能器向下发射声信号，信号遇到声管的校准孔和水面分别产生回波，同时记录发射接收的时间差，进而求得水面高度。,特点是使用方便，工作量小，滤波性能良好，适用测量。,4压力式验潮仪,压力式验潮仪按照结构可以分为机械式水压验潮仪和电子式水压验潮仪。,机械式水压验潮仪主要组成：水压钟、橡皮管、U型水银管和自动记录装置组成。,基本原理：通过测量水下或与海水相联系的水面以上某一界面上由于海面变化引起的压力变化来测量水位 。,电子式水压验潮仪主要组成：水下机、水上机、电缆、数据链等,基本原理与机械式雷同，不同之处在于利用压力传感器代替水压钟和U型管，又利用数字电子技术将压力变化转换成水位变化，从而达到水位观测的目的 。,特点：安装方便，精度高，携带方便，从观测数据到数据处理可以自动化计算机处理，高效率，滤波性能良好，还可以做近距离遥控。,3522 现代潮汐观测方法,水下地形测量时希望有一个稳定的垂直基准面（如潮位面T（t），在此基础上，反算海底点高程h。设z为深度，随潮位面的变化而变化，则h为：,瞬时海面Ts是潮汐T和波浪w综合作用的结果。,GPS载波相位差分测量技术的发展为动态环境下的潮位测定奠定了理论基础。,1、船载（浮球）GPS验潮原理,水上GPS验潮根据其载体的不同分为船载和浮标GPS验潮 。,基本原理：均采用载波相位差分技术作为定位基础，利用大地高反算潮位。,GPS验潮原理图,如图基准站、流动站天线相位中心的正常高为：,当基准站和流动站间距离不是很远（30Km以内）时，,有：,则潮位值为：,为了验证这种方法的正确性，现将水尺验潮思想引入。,水尺零点的高程为：,则潮位表达式为：,则理论上应有：,为了消除上述验潮方法中存在的波浪对潮位观测数据的影响，常用波浪滤除方法姿态补偿和门限滤波。,2、波浪过滤,波浪是引起船姿变化的一个主要因素，船姿作用下GPS-2天线相位中心到船体吃水面的垂距发生瞬时改变，该变化量即为船姿对水位测量的补偿量，设p、r为纵摇和横摇，则船姿对水位的补偿量为：,则瞬时垂距为：,经姿态补偿后，瞬时海面高程Ts为：,（1）姿态补偿,（2）门限滤波,由于波浪的涌动，船体被抬高或降低，其影响较大。故必须进行门限滤波。,只要选择适当的t（涌浪周期），便可利用下式实现涌浪的滤除：,为了更好地确定t， 需要考虑两个方面的因素：,一是波浪的周期变化基本趋于平稳；,二是短时间内