测流装置的种类及种类

测流装置

测量海流的速度和方向的仪器装置。分定点海流计和漂浮测流装置两类。

定点海流计

根据流速传感器的工作原理，又可分为旋转式海流计和非旋转式海流计两种。

旋转式海流计

利用海流的动能推动机械式流速传感器旋转，根据流速传感器的转速与流速成正比的原理测定流速，并用随流定向的尾翼和磁罗盘确定流向。常见的机械式流速传感器有旋桨、萨沃纽斯转子、螺旋推进器式转子、埃克曼海流计等几种。

非旋转式海流计

种类很多，分别利用声、光、电、磁的原理测量海流，流速传感器中没有随流旋转的部件。①声学海流计。利用声波在顺流和逆流传播时速度不同的原理而设计的测流仪器。海流计的换能器同时向正反两个方向发射高频声脉冲，由于海流的影响，声脉冲到达接收换能器的时间（或相位、频率）不同，测出这一时间差（或相位、频率差）即可求出流速。②多普勒海流计。利用随海水流动的悬浮粒子所散射的声波测流仪器称为声学多普勒海流计；利用激光光束的多普勒频移测流的仪器称为激光多普勒海流计。③电磁海流计。根据海流在磁场中运动所产生的电动势的差异测量海流的仪器。其中测量海流在地球磁场中运动所感生的电动势的地磁场电磁海流计（GEK），测量时两个电极装在长电缆末端，适用于走航测流；测量海流在人工磁场中运动所感生的电动势的人工磁场电磁海流计，是用电极间的海水做导电体，通过固定在传感器上的电极测量，适用于定点测流。④热线海流计。利用加热电阻丝的热损耗随海流流速不同而变化的特性测量流速的仪器。一般用镀铂钨丝做电阻丝，恒温式的测出电阻丝上电流的变化，恒流式的测出电阻丝上电压的变化，再求出流速。⑤应变片海流计。利用海流对应变片压力的变化换算成流速的仪器。非旋转式海流计不设尾翼，而是采用矢量测量的方法，即利用罗盘的测值，直接把互相垂直的两个流速传感器的测值换算成流速的东西分量和南北分量，进而求出合成流速和流向。

旋转式海流计结构简单，成本低，但其流速传感器的惯性较大，不适用于表层和波浪区海流的测量；此外，它的转动部件易磨损，且受海洋生物附着的影响较大，测量准确度较低，但仍然是目前用途最广的常规测流仪器。非旋转式海流计的电路和结构较复杂，造价较高，但它没有机械惯性，响应较快，测量精确度较高，且对被测流场的干扰甚小，适用于准确度要求较高的场合。特别是激光多普勒海流计、热线海流计和应变片海流计更适用于海流微结构的测量，例如近底层流、水－气交界处的表面流、小尺度湍流和切变流的测量。此外，声学多普勒海流计还适用于走航测流，在航行过程中能测出不同水层的流速。

漂浮测流装置

利用海中漂浮物体随流移动的现象，通过对漂浮物体时空变化的测量来确定流速和流向的装置。一般用漂流瓶、漂流卡、漂流绳和表面浮标等测量表面流，用漂流伞、漂流板和中性浮标等测某特定水层的海流。最原始的观测方法是根据放出的漂流绳长度和秒表测得的时间计算流速，目测流向，或者根据漂流瓶（卡）的投放与拾到时刻的时间差和距离计算流速、流向。通常采用无线电定位技术或声学定位技术，从船舶、飞机和卫星上跟踪浮标的轨迹，从而测定海流。在特殊情况下，还可用特殊染料作示踪物质，用荧光计测量或彩色照相等方法测定该物质的运动轨迹，从而计算流速和流向。

定点海流计的测量准确度较高，一般悬挂在海上固定的平台（如抛锚的船舶、锚碇浮标、石油平台等）上，测量局部海区某固定点的海流。用几台海流计同时悬挂在潜标系统上，还可测量海流随深度变化的规律。漂浮装置的测量准确度较低，但却具有大面积快速测流的能力，特别适用于大、中尺度涡旋的测量。

近年来出现的综合自返式测流装置，利用电磁或声学原理，既在自动升降过程中测量不同深度层海流的瞬时值，又根据探头漂移的距离测量海流的平均水平流速，可以快速测流。

海洋环流数值模拟

在一定的初始条件和边界条件下，按一定的步长把基本方程（质量、动量、热量和盐量守恒的方程）离散化成差分方程，利用近代电子计算机来数值地求解方程组以模拟出海洋环流。这是研究实际海洋环流的一种重要方法。

所有用来数值求解的方程，例如平均运动方程、连续方程、湍流盐量扩散方程和湍流热量传导方程或湍流密度扩散方程，可根据需要写成有限差分方程，也可用有限元方法加以离散。所有的项（包括非线性项）及外加的驱动力因子，都可以同时加以考虑，这就是它比解析法优越之处。计算中先用某种二维的或三维的适当网格，首先把所有微分方程离散化为差分方程，再把边界条件（例如表面应力、温度、盐度和侧向开边界上的流速）内插到网格上。计算的初始条件是指计算起始时刻的流速、温度及盐度等的初始分布：流速通常从全域为零的静止状况开始计算，而温度和盐度等则需要有其随空间分布的初始状态。这样，依模式通过向前的时间步长而逐步进行计算，即所谓"时间积分"。

数值模拟方法的优点，在于可以考虑方程中几乎所有的项及近似真实的地形和海岸线，使其结果比经过简化而抽象化以后的解析解更为"逼真"。作为海面边界条件的风应力，一般利用S．黑勒曼风应力公式，计算以强迫函数输入式中的拖曳系数对风速和其他参数的依赖关系。

当提高空间分辨率，即缩小网格的空间步长时，对于通用的显式技术来说，为了保证计算的稳定性就必须缩短时间步长。对于二维流场而言，两方向的分辨率加倍，则计算工作量大约要增加8倍。对于三维流场，若三方向的分辨率都加倍，则计算工作量大约增加16倍。由此可见，希望通过增加分辨率以描述较小尺度的流况的想法，将受到计算机容量和速度的限制。例如，要想模拟能反映空间尺度约为100公里的中尺度涡旋的问题，就需空间步长约为25公里的分辨率才行。基于目前计算机的容量和速度，用这样的分辨率来模拟某些有限的海域还可以，而对全球大洋环流的数值模拟则是不可能的。

为使计算稳定，在非线性模式中要引入足够的摩擦耗散项。当运动增强时，摩擦效应也增大，直到供给运动的能量输入率与摩擦耗散能量之速率达成平衡，使运动保持有界。在计算中，通常把湍流系数作为恒量。可是，湍流摩擦应力（湍流扩散项）可用湍流粘滞系数（湍流扩散系数）与平均速度梯度（平均盐度梯度或温度梯度）的乘积来表示，说明湍流粘滞系数与空间分辨率有一定的联系。为使湍流摩擦保持合理性，故当采用较大的网距时，湍流粘滞系数必须相应增加，即选用的湍流粘滞系数通常大于我们根据实际观测所推断出来的值，这有可能削弱非线性项的作用。近来，有人采用了可变的湍流粘滞系数，将之取为与流速应变率的均方根成正比的关系，这有助于实现非线性效应的处理。然而，采用较低的、更切合实际的平均湍流粘滞系数值，可以保持计算的稳定性。