在漂泊狀態(tài)下使用WH ADCP測(cè)流

梁廣建 ，王江偉 ，徐 剛

（1.南海艦隊(duì)海洋水文氣象中心，廣東 湛江 524001；2.總參氣象水文局，北京 100073；3.92488部隊(duì)，廣東 湛江524064）

在漂泊狀態(tài)下使用WH ADCP測(cè)流

梁廣建1，王江偉2，徐 剛3

（1.南海艦隊(duì)海洋水文氣象中心，廣東 湛江 524001；2.總參氣象水文局，北京 100073；3.92488部隊(duì)，廣東 湛江524064）

WH ADCP主要用在沉底式潛標(biāo)觀測(cè)和錨系式潛標(biāo)觀測(cè)，在以調(diào)查船為平臺(tái)的海洋調(diào)查中則常用UCM、SLC等海流儀。由于WH ADCP具有體積小，可同時(shí)觀測(cè)多層的優(yōu)點(diǎn)，可考慮將其用在以調(diào)查船為平臺(tái)的海洋調(diào)查中。介紹WH ADCP以調(diào)查船為平臺(tái)的海洋調(diào)查中的使用方法，并與OSADCP的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比，證明WH ADCP用在連續(xù)站觀測(cè)中效果理想。

WH ADCP；OS ADCP；海洋調(diào)查；海流

WH ADCP全稱Work Horse Broadband Acoustic Doppler Current Profilers[1]，其工作原理與OS ADCP相同，是利用聲學(xué)多普勒原理對(duì)海流遙測(cè)，有不破壞流場(chǎng)和可同時(shí)觀測(cè)多層的優(yōu)點(diǎn)[2]，是目前海洋海流測(cè)量比較理想的工具。OSADCP為船載式走航測(cè)流儀，能在船只航行的情況下測(cè)量，其體積相對(duì)較大，安裝難度也大，必須安裝在船底，還需連接計(jì)算機(jī)機(jī)、GPS、羅徑才能工作。WH ADCP主要用于大洋浮標(biāo)布放（錨系或座底），港口測(cè)量，湖泊測(cè)量，河道測(cè)量，岸邊測(cè)量等海洋監(jiān)測(cè)中，它的特點(diǎn)是體積小，重量輕，攜帶和使用方便，能連續(xù)工作幾個(gè)月，既可自容，又可直讀，耗電低，精度高。在大洋的海洋調(diào)查中，連續(xù)站的海流觀測(cè)方法通常是利用絞車吊放UCM、SLC等單點(diǎn)海流儀，投放在標(biāo)準(zhǔn)層測(cè)流，為消除船舶噪聲等因素影響，一般每層觀測(cè)3 min，然后取平均[3]，6個(gè)層次觀測(cè)時(shí)間約為20 min，層次越多，觀測(cè)時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)流速變化大的海區(qū)無(wú)法達(dá)到同步觀測(cè)的目的。將WH ADCP用在連續(xù)站的海流觀測(cè)，能達(dá)到上下層同步觀測(cè)，而且得到5 min的采樣間隔，精確獲得海區(qū)各層海流的分布及變化趨勢(shì)。大型海洋綜合調(diào)查船雖然安裝OS ADCP，但其不能測(cè)表層流，而且受安裝、羅徑、環(huán)境擾動(dòng)等因素影響測(cè)量精度[4]。本文對(duì)300 KWH ADCP在調(diào)查船漂泊狀態(tài)中的使用方式進(jìn)行研究，并與船載式150KOSADCP結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

1 吊放方式

1.1 向下測(cè)量吊放方式

在儀器吊放前，應(yīng)先制作儀器架，儀器架的作用是方便儀器的吊放、維持其穩(wěn)定的姿態(tài)和保護(hù)儀器，制作儀器架應(yīng)注意的是探頭前方15°范圍內(nèi)不應(yīng)有障礙物。簡(jiǎn)單的儀器架如圖1所示，由4根不銹鋼管組成，上下有吊環(huán)，中間有兩個(gè)圓盤(pán)固定儀器。向下測(cè)量吊放方式是用絞車將儀器吊放到海面，儀器探頭朝下進(jìn)行測(cè)流，為增加儀器的穩(wěn)定可在儀器的下方吊掛鉛魚(yú)，如圖2所示。儀器吊放在10 m的深度范圍內(nèi)且深度應(yīng)大于船體吃水深度，吊放時(shí)儀器盡可能的遠(yuǎn)離船體，遠(yuǎn)離船體有聲源的地方。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是吊放快捷，還可接上電纜實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示，及時(shí)掌握儀器的狀態(tài)。缺點(diǎn)是不能觀測(cè)表層流，在惡劣海況時(shí)船體的狀態(tài)和海面混響會(huì)對(duì)測(cè)量精度造成一定的影響。

圖1 儀器架

1.2 向上測(cè)量吊放方式

將儀器吊放至儀器測(cè)量范圍內(nèi)或指定深度，探頭朝上進(jìn)行測(cè)量，如圖3所示，這種方式測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是儀器遠(yuǎn)離海面，消除了海面混響和船體的磁場(chǎng)等因素影響[5]，而且深水流速小，能保證儀器在水下的姿態(tài)穩(wěn)定，還能測(cè)表層流，惡劣海況對(duì)其影響較小，是推薦的使用方法。另外，在其下方還可增加測(cè)量?jī)x器，儀器探頭朝下，如圖4所示，加大測(cè)量范圍。WH ADCP的型號(hào)有多種，它的頻率越小，測(cè)量范圍越大，但其分辯率越低，1200K WH ADCP層長(zhǎng)最小可設(shè)為0.25 m，但其測(cè)量范圍僅為16 m以內(nèi)。根據(jù)海流的變化主要在上層特點(diǎn)，向上測(cè)量使用分辨率高的WH ADCP 300K，層長(zhǎng)可設(shè)為2 m，測(cè)量范圍為110 m，深層海流變化小則使用范圍大的WH ADCP 75K，測(cè)量范圍為800 m，層長(zhǎng)可設(shè)為16 m，儀器吊放深度為110 m，整個(gè)測(cè)量深度可達(dá)910 m。缺點(diǎn)是在水淺時(shí)注意儀器觸底，且無(wú)法采用直讀方式。

圖2 儀器向下測(cè)量的吊放示意圖

圖3 儀器向上測(cè)量的吊放示意圖

圖4 雙儀器吊放

2 資料預(yù)處理

資料預(yù)處理的主要內(nèi)容是計(jì)算絕對(duì)流速及異常值處理。由于船的移動(dòng)，儀器測(cè)的流速是相對(duì)船的流速而不是對(duì)地流速。當(dāng)船拋錨時(shí)船的移速較小，基本可忽略，當(dāng)船在漂泊時(shí)則船的移速較大，甚至超過(guò)流速，這時(shí)須刪除船速[6]。船速的刪除方法一般是利用GPS船位數(shù)據(jù)計(jì)算船速，通過(guò)矢量合成計(jì)算出真實(shí)流速。通過(guò)GPS計(jì)算船速的方法較多，常用的有逐點(diǎn)法、逐段法、實(shí)際航速平均法、起點(diǎn)終點(diǎn)法等，這里介紹一種適用的逐點(diǎn)法[7]，方法是以ADCP儀器測(cè)量時(shí)間為中點(diǎn)將儀器測(cè)量平均間隔時(shí)間長(zhǎng)度分為前后兩段，利用GPS在前段內(nèi)取 7 個(gè)連續(xù)船位 P1，P2，P3，P4，P5，P6，P7及時(shí)間 T1，T2，T3，T4，T5，T6，T7，對(duì)應(yīng)后段的船位 P1′，P2′，P3′，P4′，P5′，P6′，P7′及具體時(shí)間 T1′，T2′，T3′，T4′，T5′，T6′，T7′，對(duì)應(yīng)點(diǎn)時(shí)間差為平均間隔的一半左右。利用前后段對(duì)應(yīng)兩點(diǎn)的位置和時(shí)間計(jì)算相應(yīng)的船速：νi=Si/ti，其中

Si為 Pi和 Pi′之間累積的距離，單位為 n mile，yi，yi′，xi，xi′分別為經(jīng)緯度，單位為分，ti=Ti′－Ti為各段航行時(shí)間。刪除船速的最大值和最小值，或是認(rèn)為不可靠的數(shù)據(jù)，對(duì)剩余的5個(gè)νi值進(jìn)行平均（式2）算出船速船，通過(guò)矢量合成算出絕對(duì)流速絕=相+船

異常值可采用傳統(tǒng)的閾值判別法和變率判別法[8]。閾值判別法：根據(jù)要素可能的取值范圍設(shè)定相應(yīng)的閾值，超過(guò)閾值的數(shù)據(jù)即可確認(rèn)為異常數(shù)據(jù)或列為可疑異常數(shù)據(jù)。變率判別法：要素的時(shí)間變化率應(yīng)在一定的范圍內(nèi)，并具有某種規(guī)律性?？衫眠@一特性對(duì)異常觀測(cè)值進(jìn)行判別。ADCP可用來(lái)判別的要素有水平流速流向、垂直流速、完好率、回波強(qiáng)度、羅徑值、縱橫搖值等。另外還可用濾波等方法判別。異常數(shù)據(jù)的處理：根據(jù)水文要素序列的特征和分析要求，采取簡(jiǎn)單剔除或進(jìn)行插值處理。測(cè)量過(guò)程中發(fā)現(xiàn)最多的異常值為下放或上升過(guò)程的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可通過(guò)垂直流速來(lái)判別。

3 測(cè)量結(jié)果分析

3.1 與VMADCP比對(duì)

利用一次海洋調(diào)查作業(yè)中使用的測(cè)流儀器300K WHADCP、150K OS ADCP進(jìn)行數(shù)據(jù)分析比較，兩儀器距離60 m,測(cè)量地點(diǎn)為南海南部，水深大于2 000 m，由于海況較差，WHADCP采用水中探頭朝上方式測(cè)量，儀器投放深為105 m，采樣間隔5 min，層長(zhǎng)4 m，連續(xù)觀測(cè)25 h（連續(xù)站），由于水深無(wú)法拋錨，船受風(fēng)和海流影響有一定的速度，因此利用GPS信息采用逐段法計(jì)算船速。150KVMADCP探頭深度為4 m，采樣間隔5 min，層長(zhǎng)8 m。為方便比較，將WHADCP與VMADCP數(shù)據(jù)通過(guò)三次樣條插值方法插值到整點(diǎn)時(shí)刻20 m，30 m，50 m，75 m層，流速分量對(duì)比如圖5和表1。

圖5 75 m層流速分量圖

從圖5及表1可看出，兩種儀器的測(cè)量數(shù)據(jù)總體趨勢(shì)一致，測(cè)量值相差不大，個(gè)別相差較大的從流速的時(shí)間變化來(lái)看是由OS ADCP突變引起，從圖中可判別為異常值，這跟儀器工作環(huán)境有關(guān)，OSADCP固定在船體上，受船體搖擺及海面噪聲干擾大，WH ADCP放至水下105 m，消除了船體的磁場(chǎng)及環(huán)境干擾的等影響。

3.2 儀器姿態(tài)分析

儀器在水下的姿態(tài)變化也影響到測(cè)量的精度，姿態(tài)變化越激烈，測(cè)量效果越差，儀器姿態(tài)可做為測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量好壞的判斷依據(jù)。儀器在水下的姿態(tài)要素主要有縱搖、橫搖和羅徑，這些要素可通過(guò)儀器內(nèi)部的傳感器獲得，圖6為WHADCP在水下的姿態(tài)變化圖。

圖中橫坐標(biāo)為觀測(cè)次數(shù),采樣間隔5 min，測(cè)量時(shí)風(fēng)速較大，船的漂移速度也較大，圓圈變化激烈處為因船漂離測(cè)站太遠(yuǎn)，需將儀器提出水面動(dòng)船返回測(cè)站造成。測(cè)量時(shí)海況為4級(jí)，儀器在水中的縱搖和橫搖變化較小，最大分別為0.36°和0.67°，標(biāo)準(zhǔn)差為0.12和0.27，羅徑變化率稍大，最大為19°?？傮w來(lái)說(shuō)姿態(tài)較穩(wěn)定，均達(dá)到儀器的測(cè)量要求。圖7為只刪除船速?zèng)]有經(jīng)異常值處理的矢量圖，圖中橫坐標(biāo)為觀測(cè)次數(shù)，縱坐標(biāo)為深度，從圖中可看出，WH ADCP觀測(cè)資料的異常值較少，且有很高時(shí)間分辨率和垂直空間分辨率，能很好地反映出時(shí)間和空間變化規(guī)律：海區(qū)的海流為層狀結(jié)構(gòu),說(shuō)明海洋密度層結(jié)對(duì)流速結(jié)構(gòu)的影響非常明顯[9]，上層為東北流到東南流的轉(zhuǎn)變，中層為東北流到西北流的轉(zhuǎn)變，而底層基本維持偏北流。最上一層接近表層，測(cè)量時(shí)為西南風(fēng)季節(jié)，風(fēng)向?yàn)槲髂?，流向基本與風(fēng)向一致，為東北流。

表1 流速誤差分析表

圖6 儀器姿態(tài)圖（上圖為羅徑，下圖為縱橫搖）

圖7 WHADCP觀測(cè)矢量圖

4 結(jié)論

WH ADCP在飄泊狀態(tài)下使用時(shí)，儀器在水下的姿態(tài)穩(wěn)定，4級(jí)海況下縱橫搖的傾角均小于1°，測(cè)量結(jié)果與VMADCP具有很強(qiáng)的一致性，且異常值明顯少于VMADCP。采用向上測(cè)量方式，減少了船體磁場(chǎng)的影響，還能測(cè)量表層流，與VMADCP一起使用，彌補(bǔ)VMADCP無(wú)法測(cè)得表層的缺點(diǎn)，能較好在反映出海流隨時(shí)間和空間變化規(guī)律，因而可用于大洋海洋調(diào)查時(shí)的連續(xù)站觀測(cè)。

[1]RDInstruments.WorkHorse Technical Manual[M]，1998.

[2]RDInstruments.Ocean Surveyor Technical Manual[M]，1999.

[3]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T12763.2-2007.海洋調(diào)查規(guī)范：海洋水文觀測(cè)[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2007.

[4]刁新源,于非,葛人峰,等.船載ADCP測(cè)量誤差的因素分析和校正方法[J].海洋科學(xué)進(jìn)展，2006,24(4)：552-560.

[5]侍茂崇,高郭平,鮑獻(xiàn)文.海洋調(diào)查方法導(dǎo)論[M].青島：中國(guó)海洋大學(xué)出版社，2008.

[6] 吳中鼎,梁廣建,李占橋.ADCP 資料處理中的船速計(jì)算[J].海洋測(cè)繪，2004，24（5）：13-15,19.

[7] 丁舉.利用 GPS測(cè)試船舶航速的算法研究[J].船舶工程，2005,27（3）：5-8.

[8]陳上及,馬繼瑞.海洋數(shù)據(jù)處理分析方法及其運(yùn)用[M].北京：海洋出版社，1991：445-448.

[9]杜巖,王東曉,陳榮裕,等.南海西邊界ADCP觀測(cè)海流的垂直結(jié)構(gòu)[J].海洋工程，2004,22(2)：31-38.

WH-ADCP Ocean Current Measuring on Float Boat

LIANG Guang-jian1,WANG Jiang-wei2,XU Gang3
(1.The Navy Fleet of the South Sea Hydrological and Meteorological Center,Zhanjiang Guangdong,524001,China;2.Meteorological and Hydrological Bureau of the General Staff,Beijing 100073,China;3.92488 Troops,Zhanjiang Guangdong 524064,China)

WH ADCP is primarily used in mooring observatory.The standard current observation platform in the ocean research vessel survey is often UCM,SLC and other ocean current meter.As WH ADCP is small and can be used to observe simultaneously multi levels.It can be considered as a platform in the ocean research vessel surveys.The WH ADCP onboard used for marine survey is introduced.The comparison results with the OS ADCP analysis is used to prove the effectiveness of WH ADCP in continuous observation stations.

WH ADCP;OS ADCP;ocean survey;ocean current

P715;TM 170.6050

B

1003-2029（2011）04-0038-04

2011-07-16

梁廣建（1969—），男，大學(xué)，高級(jí)工程師，主要從事海洋調(diào)查。