沿海声层析测流方法的研究

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沿海声层析技术是目前在近海海洋观测中用于大面积观测的主要手段之一。传统的海洋调查方法往往通过科考船搭载ADCP,CTD等仪器采集海洋环境参数,但这种方法只能测量点或线的海洋环境信息,无法实时获取大范围、长期同步海洋环境信息。而沿海声层析观测技术则是可以弥补传统海洋调查方法中存在的缺陷,我们只要通过设立几个站点放置较少的仪器就可以获取大范围、长时间、连续的海洋环境要素信息,例如海水的温度,流速,盐度等。本文主要研究使用沿海声层析技术在测流方面的应用。沿海声层析测流的基本原理为通过两个站点之间声信号互易传播时间差,就可以推断出站点测线上的平均流速,对于多个站点之间多条测线上的平均流速进行网格化则是可以反演水平二维流场。针对国内目前在河道流量测量以及监测方面的不足,提出利用沿海声层析技术对河道进行流量测量的想法,通过沿海声层析技术实现对河道流量长期监测的目的,并验证基于沿海声层析技术测量流量方法的可行性。本文内容包括对沿海声层析技术背景的介绍,对实验环境进行声线模拟和实地实验测量结果等工作。首先,介绍了水下声信号以声线模型为基础的传播理论,对沿海声层析技术测量两个站点之间的平均流速和多个站点之间反演水平流速场的理论方法进行了介绍。本文在长江大通水文站所在的河道使用沿海声层析系统进行了流量测量实验。在实验测量区域中通过垂直下放和上拉温盐深仪获取长江水体的垂直声速剖面变化,运用到BELLHOP海洋声学传播模型中模拟实验区域站点之间的声线传播情况。此次实验共设置了3个声层析站点,我们以横跨断面的两条测线上的平均流速为基础计算河道的平均流速,分别采用了单测线和双测线两种方法计算断面的平均流量。其中使用单测线方法的计算结果与长江水文网上的结果误差在7%以内。为了验证实际海域流速场声层析观测的可行性,本文还在舟山摘箬山岛东侧的海域使用四台沿海声层析系统进行了小范围的水平流场观测实验。成功观测到了摘箬山岛东侧海域的水平流速场以及沿岸海水的流向,充分说明了运用沿海声层析技术观测小范围流场的可行性。
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