海洋湍流观测技术

湍流在海洋能量和水体的交换演化中起着非常重要的作用。海洋湍流研究的发展和海洋湍流观测仪器的研发密切相关。世界上湍流观测仪器的研发起步于上世纪50年代,但是我国在湍流观测设备方面到目前为止仅仅处于起步和引进国外设备阶段。针对我国的情况,文中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。     

高浓度悬浮泥沙的声学观测

在分析高浓度悬浮泥沙的声衰减机理和进行实验研究的基础上,研制了两种型号的超声波观测仪器(UBD-500/1500超声重度计)用于悬浮泥沙浓度剖面的连续和实时观测,并且已经在长江口航道的浮泥探测、黄河小浪底水库的泥沙观测中得到应用.讨论了测量原理和仪器的设计、标定等问题.这种基于声衰减测量原理的观测仪器的主要优点是标定简便和稳定,含沙量观测范围为10～800kg/m3,标定后的测量误差可达±5%(F.S).     

长江口海域潮汐和潮流的观测研究

长江口邻近海域具有显著的强潮特征,除近岸海域外,离岸海域缺乏长期实测的潮汐潮流资料.本文分析了长时间序列的水位观测资料,结果显示长江口海域的潮汐类型属于正规半日潮,近岸海域浅水分潮显著;M2分潮是最显著的半日分潮,振幅具有从东面开阔海域向西面杭州湾口浅水海域或岛群增加的趋势.剖面海流观测资料表明本海域的潮流类型为正规半...     

声学悬浮泥沙观测数据现场定标研究

用声学设备探测水体中悬浮泥沙浓度及其变化的关键问题是对观测数据进行标定。通过分析在长江口海域现场观测得到的声学后向散射强度数据和水样泥沙实测值,提出了三种将声学观测数据转换为泥沙浓度的现场标定方法。结果表明,采用特征时刻标定所得数据与实际值相比离散性较小,统计误差约为20%.该方法比同步采水标定更为简便实用。     

天津港航道悬移质输运特征的观测研究

运用现场观测的天津港航道处水深、流速以及悬沙浓度资料,采用垂向平均的计算方法,得到天津港航道的悬移质 输沙率,讨论当前条件下天津港航道悬移质输沙的特点,为天津港港区及航道附近水域的泥沙输运及淤积研究提供可靠依据。     

南海北部陆架陆坡区海流观测研究

针对2006-2009年期间,南海北部陆架陆坡区3个站ADCP海流连续观测资料,采用功率谱分析、潮流调和分析方法,重点分析了陆架陆坡区100 m,200 m和1 200 m水深海域海流的垂向结构,探讨了环流的季节变化和空间分布特征,特别讨论了南海暖流和北陆坡流的时空变化特征。结果表明,陆架陆坡区潮流类型属于不规则日潮,深水站点中层表现为正规全日潮类型,垂向为"三层结构",甚至更加复杂。O₁,K₁,M₂,S₂等分潮总体上为顺时针旋转,在深水站点,基本表现为西北－东南走向的往复流形态。从能量角度看,表层和底层海流中,潮流所占份额较大,分别占30%~40%和40%~50%,中层较小,约为20%。对东沙群岛西南陆架陆坡区环流,观测计算结果证实了西向强流的存在,且垂向结构具有显著的季节变化,在200 m水深处没有明显的南海暖流,只是10~30 m以上层次存在逆风海流。海南岛以东海域连续15个月表层环流的结果表明,冬季明显受到南海暖流的影响,存在东北向的逆风海流,夏秋季的环流表现为西南向,流速较强,夏季也存在逆风情况,造成上述情形的原因可能是该地南海暖流的流轴具有季节性变化——冬季偏南,夏季偏北。     

南海北部陆架海域内潮特征的观测研究

利用2014年南海东沙岛西北部海域70余天的流速剖面高频观测资料,研究分析了该海区正压潮、内潮的时空分布特征。结果表明,观测海区正压潮流以O_1,K_1,M_2,S_2为主;斜压潮流中,除四大分潮之外,MU_2与2Q_1分潮能量也较强;内潮的主轴方向基本沿东南-西北方向,近似与局地等深线垂直。全日内潮的锁相部分占全日内潮能量的17.5%,而半日内潮的锁相部分占半日内潮能量的30%;进一步研究发现半日内潮主要由第一模态主导,而全日内潮第二模态占比50%,约为其第一模态能量的两倍;内潮模态能量占比显示出显著的大小潮调制的半月周期。对比不同垂向模态计算方法发现,当流速观测深度有限时,利用全水深温盐资料计算观测范围内流速垂向模态是更为准确的方式。     

声学悬浮泥沙观测系统的研制和应用

为观测水中悬浮泥沙的浓度剖面、监测水中污染物及研究近岸海区泥沙的迁移和沉积,研制了声学悬浮泥沙观测系统(ASSM).总结了设计时主要技术参数的确定及解决关键技术的方法。应用此系统观测长江口悬浮泥沙,得到典型悬浮泥沙浓度剖面。     

三门湾近期水动力特性观测研究

利用2013年夏季包括大、中、小潮的三门湾大范围、同步水文观测资料,系统分析了三门湾近期潮动力的时空变化特征.结果表明,三门湾属于强潮海湾,湾顶处的各项潮汐特征值均大于湾口处.潮汐属于正规半日潮性质,潮波在向湾顶传播过程中浅水分潮增强明显.涨、落潮流历时相当,涨、落潮平均流速大小也比较接近,整体上优势流保持在45%~58%之间,涨落潮动力相对平衡.涨、落潮流矢表现出明显的往复流运动形式,整体涨落潮流向顺应三门湾的平面形态,主流向与湾内等深线基本平行.底摩擦对潮流的垂向结构作用明显,流速在垂向方向存在着明显的差异,大致成对数型结构分布,即表层或次表层流速最大,越靠下层流速越小,底层流速最小.各个测站之间,底层流速相对集中,越靠上层各测站之间流速大小差异越大,表层和次表层各站点之间流速大小差异最大.流速梯度极大值出现在急流附近,流速梯度的极小值出现在憩流附近.海床底部的粗糙度对流速梯度有着较大的影响.     

浅海悬沙浓度观测方法的对比研究

在动力和沉积条件复杂的浅海海域获取水-体的悬沙浓度有多种方法,目前较先进的主要是声学和光学浊度测量方法,但均需通过现场采集水样进行浊度标定;水样的分析方法主要有抽滤法和沉淀干燥法。根据2010年3—4月在厦门九龙江口获取的光学(OBS、LISST-100X)和声学(ADCP、ADP和ADV)浊度数据,以及现场同步水样,对这两种获取悬沙浓度的方法进行了比较;2011年2—3月在长江口北支获取水样,分别使用抽滤法和沉淀干燥法获取悬沙浓度数据进行比对分析。结果表明,声学和光学方法都具有较高的精度,在同一观测层位,光学与声学仪器的相对误差均较小;由于声波在水体中传播距离较远,声学方法可获得沿水深的整个剖面的信息,因而比光学仪器具有更高的空间分辨率和测量范围。对比发现,抽滤法获得的悬沙浓度数值略低于沉淀干燥法获得的结果,可能与沉淀干燥法难以洗净盐分有关。     

声学方法监测悬浮物浓度的定标技术研究

海洋中特别是河口海岸中存在着大量的悬浮物，其中，包含有内陆河流夹带的大量泥沙、海洋内浮游生物及残骸，以及大陆倾倒的大量废水废渣，造成对海洋的污染。研究悬浮物随深度剖面的变化关系，即它的时空特性，将给河口和港湾的疏浚、泥沙综合治理、沿岸工程建设、环境污染防止等方面提供可靠的理论依据和直观方便的监测手段。所以，对悬浮物浓度的定标的研究有着十分重要的现实意义。     

不同悬沙组分对潮流的响应关系研究

通过建立一维水深平均悬沙模型,对典型潮流控制的海湾内不同悬沙组分对潮流的响应关系进行了研究。模型以泥沙的水平输运、再悬浮和沉降为主要物理过程,以M2,S2分潮及余流为主要动力因素,反演了湄洲湾支水道内粉砂、淤泥组分含量的时间序列,采用2007-08潮位、潮流、悬沙、底质同步观测资料进行分析和验证。通过三角傅里叶分析,将悬沙的时间序列分解为12个主要的谐波分量,模型分解得到的主要傅里叶分量具有M2分潮两倍的角速度与1/4日潮周期,该分量粉砂组分振幅6.1 mg/L,淤泥组分振幅1.5 mg/L;次主要傅里叶分量具有M2分潮的角速度,振幅受水平输沙、余流、M2分潮流共同影响,粉砂组分振幅4.9 mg/L,淤泥组分振幅1.2 mg/L。由于粉砂组分单位起动能力强、沉降速度高,且淤泥组分由于粘结力等因素起动条件较高,粉砂组分振幅高于淤泥组分。测站位置余流与涨潮流方向一致,余流致使涨潮过程中粉砂组分含量所占百分比上升,而落潮过程下降,淤泥组分则相反。     

长江口外及其邻近海域含沙量时空变化特征分析

根据2005年7月和11月在长江口外进行的大范围水文、泥沙调查资料,分析了长江口外及其邻近海域含沙量的时空变化特征。结果表明:研究区域内含沙量近岸高,外海低;不论夏、秋季与大、小潮,杭州湾含沙量最高,其次是长江口外,临近123°E站含沙量比杭州湾、长江口处含沙量低1~2个数量级;所测量区域内含沙量呈现出显著和复杂的潮周期、大小潮和夏秋季变化特征。对长江口外及邻近海域含沙量时空变化特征的原因进行了初步分析。     

Study of A Geo-Acoustic Model of Gas-Bearing Sediment and Its Application in Sediment with Low Acoustic Velocity

A new geo-acoustic model for gas-bearing sediment is proposed based on the work of Dvorkin and Prasad, and Biot theory. Only five geophysical parameters: sediment mineral composition, free gas saturation, tortuosity (also known as the structure factor), permeability, and porosity, are considered in the model. A benefit of this model is that we need only five parameters instead of ten parameters in the Biot’s formulas for acoustic velocity and attenuation calculation. Here the model is demonstrated with the in-situ experimental data collected from the Hangzhou Bay, China. The results of this study suggest that free gas content in sediment is the most critical condition resulting in a low acoustic velocity (compressional wave). The respective contributions of the other four parameters in the model are also discussed.     

Study of A Geo-Acoustic Model of Gas-Bearing Sediment and Its Application in Sediment with Low Acoustic Veloctiy

A new geo-acoustic model for gas-bearing sediment is proposed based on the work of Dvorkin and Prasad, and Biot theory. Only five geophysical parameters: sediment mineral composition, free gas saturation, tortuosity (also known as the structure factor), permeability, and porosity, are considered in the model. A benefit of this model is that we need only five parameters instead of ten parameters in the Biot's formulas for acoustic velocity and attenuation calculation. Here the model is demonstrated with the in-situ experimental data collected from the Hangzhou Bay, China. The results of this study suggest that free gas content in sediment is the most critical condition resulting in a low acoustic velocity (compressional wave). The respective contributions of the other four parameters in the model are also discussed.     

近地层风廓线与垂直湍流强度关系研究

通过改进Prandtl 混合长理论,得出近地层风廓线形式     

光学观测小波方法的比较研究

本文系统地分析国外几十年来用光学方法对海面微尺度波浪观测的研究方法和观测装置,从中比较各自的优缺点,对于今后在此方面的研究工作提供帮助。     

长江、黄河悬移载荷粒度组成的比较研究

针对沉积物粒度参数对入海泥沙通量、物源和沉积动力模型研究的重要性,利用激光粒度分析仪对2000～2001年期间长江、黄河下游不同季节悬移载荷的粒度组成进行了比较研究。结果显示,长江下游悬移载荷的粒度组成以粉砂、粘土为主,几乎不含砂,分选较差,泥沙来源比较复杂。黄河下游悬移载荷的粒度组成以粉砂为主,粘土次之,并含少量砂,分选较差,泥沙绝大部分来自黄土高原。长江下游不同季节悬移载荷粒度组成差别较小,而黄河下游悬移载荷组成有明显的季节性变化。黄河与长江悬浮沉积物的粒度组成有显著的差异．沉积物物源、河道形态和纵比降以及水量变化可能是造成这一区别的主要原因。     

Comparative Study of Sand Porosity and a Technique for Determining Porosity of Undisturbed Marine Sediment

Porosity is a fundamental property of marine sediment from which wet bulk density can be easily determined and used in a variety of geoacoustic, geotechnical, and sedimentological studies, analyses, and models. However, methods of sampling marine sands suffer from the common problem of core disturbance making the in situ porosity difficult to obtain. Embedding the sediment within an epoxy resin matrix will minimize the disturbance to the microfabric and preserve the in situ sedimentary structure for subsequent study. Image analysis can then be used on thin sections to study the microfabric and porometry. A comprehensive review and analysis of published data on the porosity of predominantly clean sands has been completed and a simple, accurate, and nondestructive technique is described for preparing and measuring the porosity of marine sediment (siliciclastic sand) that has been infiltrated aboard ship immediately upon sample collection and chemically fixed and infiltrated with epoxy shortly thereafter. The average porosity of 36 samples of marine sand collected offshore Fort Walton Beach, Florida, and embedded with resin was determined to be 41.30%. From the review of published data the average porosity of sand was determined to be 37.7%, 42.3%, and 46.3% for packed, natural (in situ), and loose packing conditions, respectively, for a range of sorting coefficients and grain sizes.     

Comparative Study of Sand Porosity and a Technique for Determining Porosity of Undisturbed Marine Sediment

Porosity is a fundamental property of marine sediment from which wet bulk density can be easily determined and used in a variety of geoacoustic, geotechnical, and sedimentological studies, analyses, and models. However, methods of sampling marine sands suffer from the common problem of core disturbance making the in situ porosity difficult to obtain. Embedding the sediment within an epoxy resin matrix will minimize the disturbance to the microfabric and preserve the in situ sedimentary structure for subsequent study. Image analysis can then be used on thin sections to study the microfabric and porometry. A comprehensive review and analysis of published data on the porosity of predominantly clean sands has been completed and a simple, accurate, and nondestructive technique is described for preparing and measuring the porosity of marine sediment (siliciclastic sand) that has been infiltrated aboard ship immediately upon sample collection and chemically fixed and infiltrated with epoxy shortly thereafter. The average porosity of 36 samples of marine sand collected offshore Fort Walton Beach, Florida, and embedded with resin was determined to be 41.30%. From the review of published data the average porosity of sand was determined to be 37.7%, 42.3%, and 46.3% for packed, natural (in situ), and loose packing conditions, respectively, for a range of sorting coefficients and grain sizes.