海流觀測方法發展及應用

喬正明 孫霞 劉星 鐘秋文 朱憶 李羽超

摘要：文章針對海流觀測分類及命名在實際應用中存在部分專業術語使用不規范、分類不統一等問題，參考國家標準、行業規范和相關文獻資料，結合觀測原理、發展應用、優缺點和典型設備，接照漂浮法測流、定點測流、走航測流和表層遙感測流四大類，對海流觀測方法進行梳理和分析，為業界提供借鑒和參考。

關鍵詞：海流觀測;測流分類;漂浮法測流;定點測流;走航測流;遙感測流

中圖分類號：P714??? 文獻標志碼：A??? 文章編號：1005-9857（2022）05-0106-05

Development and Application of Current Observation Methods

QIAO Zhengming1，SUN Xia2，LIU Xing1，ZHONG Qiuwen1，ZHU Yi1，LI Yuchao1

（1. Preparation Office of Zhangzhou base of National Marine Technology Center，Xiamen 361007，China;

2. The Experimental High School Attached To Xiamen University，Zhangzhou 363123 ，China）

Abstract：The classification and name of current observation methods are nonstandard used and non-uniform classified in some professional terms. By referring to the national standards，industry norms and relevant，literature，combining with the observation principle，development，application，typical equipment，advantages and disadvantages，the current observation methods were divided into four categories：floating method，fixed-point measurement，aerial measurement and surface remote sensing measurement. Finally，the current observation methods were sorted out and ana-lyzed to provide reference for the industry.

Keywords：Current observation，Classification of flow measurement，Flow measurement by floating method，Fixed point flow measurement，The aerial flow survey，Remote sensing flow measurement

0??? 引言

海流是海水大規模相對穩定的非周期性流動[1-2]，是海洋動力環境的重要參數，對全球氣候穩定、海洋生態系統平衡和海洋開發利用等起著至關重要的作用。因此，海流觀測一直是海洋監測領域所關注的焦點之一[3-4]。

為了在惡劣的海洋環境下準確、方便地觀測海流，人類自17世紀前后開始使用漂流瓶、海冰等漂浮物觀測表層海流[5-6]，1905年世界首臺機械式海流計厄克曼海流計誕生[7]，20世紀70年代末至80年代初首臺聲學多普勒流速剖面儀（ADCP）問世[8]，20世紀70年代以來海洋遙感衛星、海洋觀測雷達等遙感、探測技術應用于海流觀測[9]。經過不斷的探索和發展，海流觀測儀器和觀測方法不斷豐富和發展，為人類認知海洋、探索海洋、研究海洋和應用海洋奠定了堅實基礎。

海流觀測有多種分類方法，現行《海洋調查規范第2部分：海洋水文觀測》（GB/T 12763.2—2007）將海流觀測方式分為定點測流、漂流浮標（建議稱“漂流浮標測流”）和走航測流，同時規范將海流觀測方法分海表面漂移浮標測流（規范中章節標題為“海表面漂移浮標測流”，文中稱“海表面漂流浮標”，為了保持一致性且兼顧業界慣用名稱，以下稱“海表面漂流浮標測流”）、船只錨碇測流、錨碇潛標測流、錨碇明標測流和走航測流5種方法[10]。其他文獻或資料分類方法有：接觸式測流和非接觸式測流[11];漂浮法測流、海流計測流和表層遙感觀測[3];浮標漂移測流法、定點觀測海流和走航測流[12]。目前，對于海流觀測仍然存在部分專業術語使用不準確、分類不統一等現象。為了使海流觀測分類和命名具有連續性和繼承性，避免出現新的混亂，筆者參照相關標準或規范、權威書籍、專業文獻等，依據其工作原理或探測性質，結合業界使用經驗，在原有分類基礎上，對海流觀測方法進行了梳理和總結，并對存在爭議或不統一的地方給出了相關建議，供讀者借鑒和參考。

1??? 海流觀測方法

海流觀測的主要目的在于掌握它的特性，研究其時空變化和分布，找出其活動規律[10]。海流主要觀測要素為流速和流向[10]。流速指海水在單位時間內流過的距離，單位為cm/s或m/s[13];流向指海水流去的方向，單位為度（°），正北為零，順時針計量[10，13]。

綜合不同的海流觀測分類方法，以現行國家規范為基礎，在兼顧業界其他分類方法的基礎上，按照測流方式或原理，本研究將海流觀測方法分漂浮法測流、定點測流、走航測流和表層遙感測流四大類。

1.1??? 漂浮法測流

漂浮法測流是一種傳統的海流觀測方法，其通過跟蹤漂浮物隨海水流動的時空變化來確定海水的流速和流向[3，5]。早期的漂浮物通常選擇漂浮木板、海面浮冰、漂流瓶或船體，后來使用漂流浮標實現對海流的觀測[14]。根據測流技術沿革漂浮法測流可分為漂流瓶測流和漂流浮標測流兩種。

1.1.1??? 漂流瓶測流

漂流瓶又稱郵瓶，根據其漂移路徑及所用時間大致確定海水流速和流向，據此研究海流物質輸送、海洋長期氣候狀況變化等情況，該方法適用于表層流的觀測[12]。漂流瓶測流是早期認知和研究洋流的重要方法和依據，目前該方法已經很少使用。

1.1.2??? 漂流浮標測流

漂流浮標測流是隨著全球定位和衛星通信技術的進步而發展起來的一種十分有效的大尺度海洋環境監測手段，通過岸站、船載、飛機或者衛星搭載的定位系統跟蹤浮標的運動軌跡實現對海流的觀測。根據測量水深不同，漂流浮標測流可分為海表面漂流浮標測流和中性浮標測流兩種。

（1）海表面漂流浮標測流。海表面漂流浮標又稱表層漂流浮標[15]，根據其隨海水流動的情況來確定海水的流速和流向。主要有兩種跟蹤定位方法：一是船體跟蹤，早期通過航船尾隨漂流浮標（如，雙聯浮筒），并用GPS等設備對船體定位，從而獲得漂流浮標的位置;二是儀器跟蹤，采用衛星定位、雷達跟蹤和航空攝影等方法對浮標進行直接定位，改善和提高了漂流浮標的位置測量準確度[14]。目前，常用的海表面漂流浮標由水面浮標和水帆組成，水面浮標內裝有測量傳感器、數據采集控制模塊、衛星通信模塊和電源等，通過Argos數據采集與定位系統或北斗導航系統進行定位和數據傳輸[15]。該方法主要用于3 m以淺海流觀測，通常應用于海表層大尺度洋流觀測。

（2）中性浮標測流。中性浮標會根據要求下潛到設定深度隨海水漂流，從而獲得海面以下特定深度的海水流速和流向，目前主要有兩種定位和通信方法：一是船載聲吶跟蹤，可直接跟蹤定位浮標在水下的位置[14]，浮標不需要反復下潛和上浮，但受水聲定位等技術條件限制，該方法定位距離和精度有限，且需隨船保障，成本較高;二是衛星跟蹤，浮標在預定時間自動上浮至海面，通過衛星完成定位和通信，然后再下潛至設定深度開始下一輪觀測循環[3]，相對于前者而言該方法擺脫了隨船保障和聲學定位的制約，不僅節省了成本而且提高了布放的機動性，擴大了作業范圍[16]。中性浮標一般可實現2 000 m以淺，最深6 000 m的海流觀測[3，11，14]。2000年起實施的Argo全球海洋觀測計劃，使用Argo自動剖面浮標（屬中性浮標）可測量2 000 m 以淺的海水溫度、鹽度和其他特性，并通過浮標的運動軌跡來實現深層流的觀測。截至2021年4月，全球已有近3 800個Argo浮標在海洋中進行測量工作[17]。20世紀末，為了同時滿足垂直剖面溫鹽參數的循環探測需要，中性浮標逐步演變成搭載溫鹽等傳感器的自沉浮式剖面探測浮標（APEX）[16]，擴展了浮標的探測功能。

漂浮法測流，尤其是漂流浮標測流，不但可實現對海洋表層流、深層流的觀測，通過搭載的不同傳感器同時獲得海表面風場、波浪場、氣溫場及不同層深的海水溫度、鹽度、深度等數據，為海洋實際流場、地轉流場、渦動能場和溫度場等結構研究提供重要依據。

1.2??? 定點測流

以錨碇船只或浮標、海洋平臺、測流固定架等作為承載工具，定點安裝或懸掛海流計，實現定點區域海流的長期連續觀測。

1.2.1??? 定點臺架測流

在淺海海流觀測中，以固定臺架為承載工具懸掛海流計，使其處于穩定狀態，實現對海流準確、長期、連續觀測。固定臺架一般分兩種：一是水面支架，海上平臺或其他可借用的固定臺架;二是海底臺架，放置于海底等邊三角形或正棱錐形臺架[12]。定點臺架測流常用機械式海流計和聲學海流計。其中，常用機械式海流計有安德拉海流計和直讀式海流計，具有成本低、安裝方便等特點;常用聲學海流計有聲學多普勒流速剖面儀（ADCP）、聲學多普勒海流單點測量儀、聲學多普勒流速儀（ADV）、時差式聲學海流計等都可用于定點測流，可實現剖面、精細化、大深度測流，同時能測三維流速和弱流，具有技術先進，不破壞流場、測量精度高等特點，在業界得到迅速發展和應用，很快成為海流觀測主力軍。定點測流可實現小尺度、精細化流速觀測，主要用于長期觀測、儀器比對、局部流場等研究。

1.2.2??? 船只錨碇測流

以錨碇船為承載工具，利用絞車和鋼絲繩懸掛海流計實現海流觀測。目前常用的海流計主要有直讀式海流計和安德拉海流計[10]。該方法通常用于機動定點流速測量，彌補了定點臺架測流機動性差的問題，但由于受船體或懸掛裝置等影響，觀測精度較定點臺架測流差。

1.2.3??? 錨碇潛標測流

以錨碇潛標為承載工具，懸掛自容式海流計實現對海流的觀測，分錨碇淺水應用型潛標和錨碇深水應用型潛標兩種[10]。常用海流計有自容式ADCP和安德拉海流計。錨碇潛標測流可實現對單層或多層海流的長期連續觀測，具有精度高、觀測數據連續等特點，同時該方法對自容式海流計的穩定性要求較高，一般布放和回收周期不小于6個月。

1.2.4??? 錨碇明標測流

與錨碇潛標測流相比，錨碇明標測流主要增加了水上浮筒部分，其內裝有電池盒和閃光裝置[10]。水上浮筒搭載發射器、電池盒和風速計等裝置，實現對海流計狀態監測和控制，并可將測流數據實時傳回岸站，相較錨碇潛標測流有效地解決了海流計狀態無法監測、海流數據獲取周期長等問題。

1.3??? 走航測流

以航船、無人潛航器等移動載體為承載工具，搭載走航式ADCP等測流儀器實現對航行區域海流的剖面觀測[10]。該方法可以同時觀測不同深度的多層剖面海流，不僅節省時間、效率高，而且觀測范圍廣，且可通過船載發電設備或牽引電纜供電，能實時獲取海流數據，實時性高。近年來，走航式ADCP最大可探測880 m～1 000 m深度的水層流速，得到較為廣泛的應用，尤其是在海洋測流方面的應用，實現了全球海域千米海深內的海流測量，是目前最先進的一種測流方法[18]。走航測流比較難以克服的問題有：①外界自然因素容易導致船體晃動，進而影響儀器測量的準確性;②船體產生的噪聲也會對設備造成干擾，引起測量結果不準確：③測量時需對坐標、數據進行空間變換、方向修正，對測量船航行穩定性和航速大小要求較高。

1.4??? 表層遙感測流

1.4.1??? 海洋遙感衛星測流

隨著衛星遙感技術的發展，從衛星數據中提取海表流場參數的反演算法成為研究熱點。海洋遙感衛星從功能上一般分為海洋光學遙感衛星和微波遙感衛星[9]。海洋光學遙感衛星主要通過遙感測量海洋水體的可見光和近紅外的光譜信息來提取海洋的葉綠素、海平面高度、海表溫度和波浪場以及其他污染物質等監測信息，目前用于海流觀測較少;海洋微波遙感衛星攜帶雷達高度計、合成孔徑雷達等微波遙感傳感器，獲得流、浪、海面風速等重要動力參數，據此實現海洋表面風場反演、洋流監測、海洋內波和表面波的測量等。

其中，雷達高度計是一種垂直下視非成像雷達[19]，利用衛星正下方的脈沖回波特征，分別測量海面高度、有效波高及后向散射系數，可同時獲得流、浪、海面風速等重要動力參數，實現對大洋環流、海洋潮汐和中尺度海洋現象等觀測[9]。1973年首臺星載雷達高度計測高精度1 m，經過40余年的發展，其測量精度達到厘米級，據此反演海流數據精度在近赤道處為30 cm/s，在中高緯地區為5～ 10 cm/s[20];合成孔徑雷達是一種主動式微波遙感系統，其利用衛星運動狀態下天線陣列的孔徑合成技術，通過測量海面微波后向散射信號及其相位獲取海面信息，經數據處理后得到的海面雷達后向散射圖像主要與海面粗糙度相關，據此實現海洋表面風場反演、洋流監測、海洋內波和表面波的測量等[3，9]。近年來，星載合成孔徑雷達發展迅速，空間分辨率可達1 m量級，通過與ADCP現場同步實驗及數值模擬結果比較表明，空間分辨率100 m前提下反演的海表流速的均方根誤差為0.1 m/s[21]。

海洋遙感衛星測流具有大面積同步、全天時、全天候、高重復頻率的海表流場數據觀測等特點[3]。隨著海洋遙感時間、空間和輻射分辨率的提升，海洋遙感測流精度不斷提高，在兼顧大尺度、全天候的前提下實現了高精度測量。

1.4.2??? 海洋觀測雷達測流

海洋觀測雷達測流是現代海流觀測技術的重要手段和發展方向，其原理為雷達向海面輻射電磁波，經海洋表面反射后被雷達接收，通過分析其隨時空變化情況，得到清晰、實時的海表面高度變化等相關數據，據此反演海流信息[3]。常用的以波浪場和流場為觀測對象的海洋觀測雷達主要有高頻地波雷達、X波段測波雷達、C波段多普勒測波雷達或S波段多普勒測波雷達。

其中，高頻地波雷達，工作頻率3～30 MHz，作用距離300 km以上，利用海洋表面對高頻電磁波的一階散射和二階散射機制，從回波中提取風場、浪場和流場等信息。目前，國外產品地波雷達觀測海流流速和傳統測流儀器觀測結果均方差約0.1 m/s量級，統計均值為0.132 m/s，最大值不超0.2 m/s[22];國產OSMAR-S便攜式雷達系統與海流計在統一位置海流觀測結果對比，其中流速相關系數和均方根誤差分別為0.88 m/s和0.103 7 m/s，流向的相關系數和均方根誤差則分別為0.98。和15.12。[23]。由此表明，雷達觀測得到的矢量流速與海流計觀測結果吻合得很好;X波段測波雷達，一般安裝于船舶、海岸、海島或海洋平臺上，利用回波信號的強弱獲取海面波浪信息，海面回波信號會形成明暗相間的條紋影像，通過分析影響序列，獲取表面流（場）、波浪（場）等信息，另外該型雷達還用來觀測海冰和溢油等[9，19]。目前，X波段測波雷達觀測海流流速和傳統測流儀器觀測結果均方差在10 cm/s量級。由于該波段測波雷達的波長為3 cm 左右，在使用過程中極易受到降雨、冰雹等天氣過程的影響[19];多普勒測波雷達，是一種先進的微波雷達，通過脈沖多普勒原理得到水體質點的速度譜，從而獲得海浪和海表面流等參數。該類型雷達工作在C波段或S波段，具有測量精度高、無須標定、可觀測不同海況等特點，國內在石油平臺上有少量應用[9]。

目前，海洋觀測雷達測流已逐步從單機觀測到多機聯網觀測，可采用不同的電磁波波段，同時兼顧大范圍遙感和高精度測量，彌補了走航測流觀測范圍有限和海洋遙感測流觀測精度難以提高的問題。

2??? 小結

隨著科技的不斷進步，海流觀測技術得到了豐富的發展和提升，各觀測手段都有其獨特的優勢和特點，但也存在局限性，對于漂浮法測流屬被動式測流，測流精度不高，適用于大尺度海洋環流觀測;對于岸基臺站、明標、潛標等定點測流，觀測范圍以點、面或某一層深海流為主;對于走航式測流，雖然增大了測量范圍，提高了觀測效率，但受船體晃動等引起的測流誤差不可忽視，直接影響測流精度;對于表層遙感測流，雖具有宏觀大尺度、快速和高頻度動態觀測等優點，主要觀測或反演表層流，且受分辨率等影響，測流精度不高，同時也易受云量、雨雪、運行軌道或頻率等因素影響。

近年來，伴隨數字信號的處理技術、水聲技術、遙感技術、圖形圖像處理技術及計算機技術的日益成熟和完善，未來海流觀測仍會以走航測流實現大范圍、高精度、大斷面觀測為主，以表層遙感測流和漂流浮標測流實現大范圍、不間斷觀測為輔，以定點測流實現長期、精細化觀測為補充，多種測流方法并存的局面，測流設備更加智能化、測流數據更加精細化、測流產品更加專用化。

目前，我國海洋測流技術已取得飛速發展，相關技術已步入世界前列，測流體系相對成熟，行業規范或標準相對齊全，對于海流觀測分類或術語的進一步規范和統一是適應新技術新方法的迫切需求，相信在行業人員的不斷努力下，我國的海洋探測體系會更加成熟和完善。

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