海洋0-10m潛流強度與方向的測量方案研究

牛星

【摘? 要】大海表面看似風平浪靜、紋絲不動，其實內部并不安分守己，而是時時刻刻都在流動。不同層面水流方向不同，水流強度也不同。海洋0-10m的潛流主要對在海洋上行駛影響較大，順著潛流方向流速加快，同樣逆著潛流方向阻力也會加大。同時潛流的變化也是溫度和季候變化的一種體現，因此對地理海洋生物的研究的作用也異常重要。對海洋潛流的測量由于環境的限制，其實并不好測量。采用流速流量測量儀對水流方向和水流速度進行測量，通過伯努利定律測量出水流強度。海洋運輸的運用越來越廣泛，測量潛流方向和強度的研究也日趨重要。

【關鍵詞】潛流;流速流量測量儀;方向;強度

引言

潛流就是潛水水流，一般不同層面的水流方向和水流速度均不不同。0-10m深度的潛流主要對海洋表面行駛的輪船影響較大，更深的潛流而對潛艇影響較大。所以研究潛流流速和流向對海洋運輸意義重大。潛流流向同樣也代表著優質海水的流向，其含氧量和含氧量對沿海經濟的發展意義重大。同時，潛流流向和水素的變化，也是海洋溫度和海洋氣候變化的一種體現，對海洋地理和生物的研究也有重大意義。郭緒雷、徐靜靜等學者通過新型的流速流量儀對地下水流的測量進行了研究，本次研究對其進行了參考借鑒。

早在1886年，在鋪設海洋電纜時，有-科學家發現了海洋表面潛流，但并沒有對潛流進行了深入研究。過了將近半個多世紀，美國科學家在赤道附近再次發現海洋潛流，蘇聯科學家在大西洋發現潛流，科學家才真正認識到海洋潛流是真實存在的，“潛流”在真正從被遺忘的角落里走出來。其中最為著名的是太平洋赤道潛流，太平洋赤道潛流以其流速快，流幅狹窄而著名。赤道潛流處在赤道流下部、中層海水上部，溫度變化急劇的層次中，與表層南北赤道流流向相反，自大洋西部流向東部，流速比表層流大，流幅比表層流窄。赤道潛流是由于東北信風和東南信風輸送的海水在大洋古岸堆積，導致海面由西向東下傾，因此產生回流而形成的。太平洋赤道潛流，又稱克倫威爾海流，位于赤道兩旁南、北緯2度之間，海面以下100～300米深的水層中，厚度約為200米，寬度300千米左右，從亞洲東部菲律賓外海向東，流到美洲西部加拉帕戈斯島附近，流長1.4萬千米。海流的核心位置自西向東逐漸上升，在東部沒有風的時候有時可達到海面。最大流速100～200厘米/秒。并且對海洋南、北半球的熱量交換，鹽分運輸和氧氣交換起著重要作用。

1 所用傳感器介紹

傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。傳感器的運用日益廣泛，在日常生活中隨處可見。本文主要運用了新型的流速流量儀，集測量方向和速度與一體。傳統的流速流量儀只是對水流速度進行測量，若是測水流方向還要使用別的儀器進行輔助。本文使用的新型的流速流量儀加入了羅盤，可以在測速度的同時進行方向的檢測，提高了效率。

2 技術方法原理

眾所周知，海洋主要中離子主要是鈉離子和氯離子，但是同樣存在很多膠粒，也就是一些懸浮物。而流量是一種標量參數，所有測量方法測量出來的結果都是一個標量，隨著地球物理和高分辨率一起的發展，測量海洋潛流的強度和方向變成 一種可能，并且正在不斷發展。傳統的測量方法大多都是電阻率法、自然電位法、充電法、示蹤法等[2-7]，但是使用環境有限，不能廣發使用。而Aqua Vision流速流量測量儀可以追蹤拍攝膠粒的流動軌跡，以其自帶的羅盤可以計算出潛流流向，然后傳輸到計算機上，得到膠粒運動的一些列高分辨率圖片，進而可以看出膠粒不同時間運動的點位，然后通過兩點位置連線，進而計算出運動速度，通過伯努利定律計算出潛流流速強度。

在工作時，先將流速流量測量儀固定，減少水的流動對儀器的影響，膠粒通過膠粒采集器的膠粒通道，高分辨率攝像機會追蹤拍攝膠粒運動圖片，將圖片傳輸到高分辨率顯示屏上，可以清楚地看到膠粒的運動，根據羅盤測出潛流水流方向，羅盤采用普通羅盤，如圖1，羅盤位于膠粒通道下面，以潛流自東向西流動為例，如圖2，在通過計算機計算出潛流的運動速度。由于儀器的放置會對水流的運動有影響，所以在進行測試時，要在放置儀器15min之后進行測量，以減少人為干擾和外界干擾。

3 模擬試驗

將儀器放置水中，根據羅盤測出水流方向，根據測量出的水流方向調整膠粒通道進水口位置，使進水口與水流方向平行。如圖3，在膠粒通道進水口和出水口個放置一個流速流量計，分別測進水口和出水口膠粒速度，如果速度差距過大，則重新調整儀器位置，然后取平均值做為膠粒速度。多次試驗測量膠粒速度最后取平均速度作為最終膠粒速度，通過伯努利定理（公式1）計算出潛流強度。

伯努利定理：c=p+（1/2）pv2+pgh

C——常量;ρ——流;體密度v——流體速度;g——重力加速度;h——該點所在高度

盡管伯努利定理適用于理想液體，對于潛流強度我們只需要近似的計算出結果，所以可以把海水近似的看成理想液體。

4 結論

（1）本次設計采用最新的流速流量測量儀較傳統儀器相比，測量更方便，結果更準確，所得出的結果能更準確的顯示出海洋潛流的方向和強度，對潛流的研究意義重大。（2）海洋潛流的流向代表著優質海水的流向，其含氧量、含鹽量和含熱量對海洋研究和發展的意義重大。

展望：

本文只是對海洋潛流的方向和強度的測量進行初步設計，其理論和結果還需要進一步的演練和推演，并且缺少具體試驗結論作為理論支撐。以后對海洋潛流的研究應該還存在以下問題：（1）本次設計只是對定點定時間進行測量，并且測量出的結果只是平均速度，并不能具體的體現出海洋潛流的方向和強度的具體變化趨勢。（2）測量的速度均為水平流速，海洋中不同層面的潛流會互相越流、互相影響，對于越流的影響本文并沒有解決。雖然測量仍存在一些問題，但是其研究意義還是非常重大，發展前景還是一片光明。

參考文獻：

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