湍流与海洋能量和水体的交换演化.docxVIP

湍流与海洋能量和水体的交换演化

海洋湍流观测的现状

munk（1981）总结了20世纪60年代和70年代海洋波及其规模研究。对于海洋的内部运动，其规模大于100米。详细结构，直尺尺度为1.100m。微结构，即海上水流，直径为1.2m。海洋中这些不同尺度的运动,其能量传递过程一般是由大尺度向小尺度传递,最终以湍流混合的形式耗散。海洋内部湍流混合是物理海洋学一个十分重要的研究领域,已经成为制约许多研究领域的改进和发展的关键因素,因此极大面积长时间海洋湍流观测已经成为人们的迫切需求,从而也带动了海洋湍流观测技术的飞速发展。

最早的海洋湍流观测是Grant领导的实验小组在加拿大太平洋海军实验室(PNL)进行的。但是其实验设备因为是船基的拖体水平观测,而且使用的湍流热膜风速计探头,使其存在以下三个问题:一是仪器(实验平台)自身的振动严重影响了实验数据的质量;二是船体的晃动直接影响仪器在水中的深度和速度;三是探头受到环境温度的高度污染。在上世纪60年代出现了第一代垂向自由、半自由落体观测设备,以解决水平拖体观测仪器的自身振动和船体对仪器的影响。同时由于剪切探头(airfoilshearprobe)的相伴而生,大大地解决了探头受温度的影响。最近世界上很多海洋学家已经把湍流观测技术与水下机器人(AUV)、锚系观测平台等技术相结合对海洋内波湍流混合展开了大量的观测。由于我国海洋学本来起步就比国外晚,海洋湍流测量技术更是刚刚处于起步和引进国外设备阶段。

本文针对海洋湍流观测的平台、探头测量原理及其数据修正、资料后处理等关键技术做一个总结性的介绍,为我国使用引进的海洋湍流设备和自主开发海洋湍流测量设备提供参考。

1海洋湍流观测技术

自从1950年Grant等在加拿大太平洋海军实验室(PNL)开展的海洋湍流观测以来,其它的一些国家和实验室也相继开始了自己的海洋湍流观测技术的研发,如Moum在美国勒冈州立大学研制的MARLIN海洋湍流观测仪、Gregg在美国华盛顿大学应用物理实验室研制的改进性海洋微尺度剖面仪(AMP)、Shirshov在前苏联加里宁格勒海洋研究院研制的微尺度剖面仪BAKLAN等等。根据这些测量平台在水中运动的轨迹不同可以分为不同的类型,但是其在水中的运动速度和测量精度的设定又满足相同的规律。

1.1测量平台稳定性差

根据湍流测量平台在海洋中运动轨迹的不同,可以大体分为水平湍流测量平台和垂向湍流剖面仪(简称垂向剖面仪),及其其它的测量平台,如锚系测量平台(Lueck等,1997)。水平测量平台不言而喻其在海洋中运动轨迹为准水平的,而垂向剖面仪则是单点的垂向剖面测量平台技术。它们各有利弊,水平测量平台很难在技术上解决实验平台的稳定性,给测量精度带来了很大的影响;垂直剖面仪虽然很大程度上解决了稳定性问题,但是本身的测量过程决定了其测量范围仅限于垂向,获取的数据量非常有限。

1.1.1双线性气象方面的数据序列和评价平台

水平测量平台研发起步比较早,1950年Grant等在加拿大PNL研制的湍流观测设备就是一种的水平测量平台技术。早期的水平测量平台技术多数都是一种在海洋中缓慢运动的拖体设备。PNL于1960年终止了对海洋水平拖体观测设备的研发,转让给了新成立的加拿大海洋科学研究院(InstituteofOceanSciences,简称IOS)。接着IOS先后在Nasmyth、Gargett的组织研发下先后改进了早期的技术,并且也得到了可喜的成果。Nasmyth在近岸观测到了三个环境温度变化较小而速度脉动非常大的数据序列,有一个是95s的,另外两个是175s的。这三个数据序列因为其受环境影响非常小后来便成了人们普遍认可的一个标准谱称为Nasmyth谱。前苏联在同时期也研制了一些类似的湍流观测仪器,但是由于历史原因公开资料很少,对其具体的情况不是很了解。这一时期使用的探头多数都是热线热膜风速仪技术,受环境温度的污染比较大(下一部分将有详细介绍),并且受船体和测量平台自身振动的影响较大。所以之后Osborn和Lueck研发的设备便把热线热膜探头换成了剪切探头(下一部分将有详细介绍),并且采用了一种长线拖曳技术,极大的提高了数据的质量。Lueck再一次对长线拖体技术进行了改进,研制成了现在还在应用的水平海洋湍流观测系统HOTDAD(HotizontalOceanTurbulenceDataAcquisitionDevice)。Moum(2001)等在勒冈州立大学研制的MARLIN水平海洋测量平台是最新的一种拖体测量设备,不过已经不是单纯的湍流测量设备,而是一种集成了许多其它的海洋要素测量技术于一身的拖体测量系统。

除了水平拖体测量平台技术以外,还有一些其它的非拖体的水平平台技术。Gargett等(1984)研制了一种人工