海洋环流中的海流形成的环流系统或流旋详解

海流是指海水大规模相对稳定的流动，是海水重要的普遍运动形式之一。所谓“大规模”是指它的空间尺度大，具有数百、数千千米甚至全球范围的流域；“相对稳定”的含义是在较长的时间内，例如一个月、一季、一年或者多年，其流动方向、速率和流动路径大致相似。

海洋环流一般是指海域中的海流形成首尾相接的相对独立的环流系统或流旋。就整个世界大洋而言，海洋环流的时空变化是连续的，它把世界大洋联系在一起，使世界大洋的各种水文、化学要素及热盐状况得以保持长期相对稳定。

海流一般是三维的，即不但水平方向流动，而且在铅直方向上也存在流动，当然，由于海洋的水平尺度（数百至数千千米甚至上万千米）远远大于其铅直尺度，因此水平方向的流动远比铅直方向上的流动强得多。尽管后者相当微弱，但它在海洋学中却有其特殊的重要性。习惯上常把海流的水平运动分量狭义地称为海流，而其铅直分量单独命名为上升流和下降流。

8.2.2.1 海流的成因及表示方法

海流形成的原因很多，但归纳起来不外乎两种。第一种原因是海面上的风力驱动，它形成风生海流。由于海水运动中黏滞性对动量的消耗，这种流动随深度的增大而减弱，直至小到可以忽略，其所涉及的深度通常只为几百米，相对于几千米深的大洋而言是一薄层。海流形成的第二种原因是海水的温盐变化。因为海水密度的分布与变化直接受温、盐的支配，而密度的分布又决定了海洋压力场的结构。实际海洋中的等压面往往是倾斜的，即等压面与等势面并不一致，这就在水平方向上产生了一种引起海水流动的力，从而导致了海流的形成。另外海面上的增密效应又可直接地引起海水在铅直方向上的运动。海流形成之后，由于海水的连续性，在海水产生辐散或辐聚的地方，将导致升、降流的形成。

为了讨论方便起见，也可根据海水受力情况及其成因等，从不同角度对海流分类和命名。例如，由风引起的海流称为风海流或漂流，由温盐变化引起的称为热盐环流；从受力情况分又有地转流、惯性流等称谓；考虑发生的区域不同又有洋流、陆架流、赤道流、东西边界流等。

描述海水运动的方法有两种：一是拉格朗日方法，二是欧拉方法。前者是跟踪水质点以描述它的时空变化，这种方法实现起来比较困难，但近代用漂流瓶以及中性浮子等追踪流迹，可近似地了解流的变化规律。通常多用欧拉方法来测量和描述海流，即在海洋中某些站点同时对海流进行观测，依测量结果，用矢量表示海流的速度大小和方向，绘制流线图来描述流场中速度的分布。如果流场不随时间而变化，那么流线也就代表了水质点的运动轨迹。

海流流速的单位，按SI单位制是m/s；流向以地理方位角表示，指海水流去的方向。例如，海水以0.10m/s的速度向北流去，则流向记为0°（北），向东流动则为90°，向南流动为180°，向西流动为270°。流向与风向的定义恰恰相反，风向指风吹来的方向。绘制海流图时常用箭矢符号，矢长度表示流速大小，箭头方向表示流向。

1.海流观测方法

（1）定点观测海流

目前，海洋水文观测中，通常采用定点方法测流，以锚定的船只或浮标、海上平台或特制固定架等为承载工具，悬挂海流计进行海流观测。

1）定点台架方式测流：在浅海海流观测中，若能用固定台架悬挂仪器，使海流计处于稳定状态，则可测得比较准确的海流资料并能进行长时间的连续观测。

①水面台架：若在观测海区内已有与测流点比较吻合的海上平台或其他可借用的固定台架，用以悬挂海流计，将是既节省又有效的测流方式。实测时，要尽可能地避免台架等对流场产生的影响，否则，测得的海流资料误差过大，甚至不能使用。

②海底台架：按一定尺寸制作等三角形或正棱锥形台架放置于海底，将海流计固定于框架中部的适当位置，就能长时间连续观测浅海底层流。当然，首先必须能够保证仪器安全并能确保台架不会在风浪作用下翻倒或出现其他意外事件。

我国曾用这个方式将三架海流计悬挂于正棱锥铁架上，放于石臼大港水深10m的海底上，测量距底0.3m、1m、2m的海流长达1年以上，以研究海底粗糙度，计算泥沙起动流速。这也是我国第一次用这种方法测流。

2）锚定浮标：以锚定浮标或潜标为承载工具，悬挂自记式海流计进行海流观测，称为锚定浮标测流。有的仅用于观测表层海流，有的则用于同时观测多层海流。前者通常设放在进行周日连续观测的调查船附近，以取得海流周日连续观测资料。观测结束时将浮标收回。后者一般是单独或多个联合使用，以取得长时间海流资料，观测结束时将浮标收回。

最新发展的大、中型多要素水文气象观测浮标一般都有测流探头，可进行长时间的连续的海流观测。

3）锚定船测流：以船只为承载工具，利用绞车和钢丝绳悬挂海流计观测海流仍是常用的和最主要的测流方式。

首先根据水深确定观测层次，然后将海流计沉放至预定水层，测量流速和流向并记下观测时间。当钢丝或电缆倾角大于10°时，需做深度的倾角订正。如用自记式海流计，可根据绞车和钢丝绳的负载，采用三角架和平衡浮标，在绞车的钢丝绳上悬挂多台海流计同时观测多层海流。

（2）走航测流

在船只行走的同时观测海流，不仅可以节省时间，提高效益，而且可以同时测多层海流。此外，使常规方法很难测流的海区（如深海）的海流观测得以实现。

新近发展和应用的一些走航式海流观测仪器（如ADCP），为海流观测开辟了新的途径，测流方式提高到了新的水平。其测流原理大多是，测出船对海底的绝对速度，同时测出船对水的相对速度，再矢量合成得出水对海底的速度即海水的流速、流向（见图8-21）。

2.海流计简介

海流观测是水文观测重要而又困难的观测项目，现场条件对海流观测的准确度有极大的影响。为了在恶劣的海洋条件下，能准确、方便地观测海流，科学家们研制出了各具特色的海流观测仪器。

图8-21 走航测流示意图

（1）机械旋桨式海流计

这类仪器的基本原理是依据旋桨叶片受水流推动的转数来确定流速，用磁盘确定流向（见图8-22）。根据这类仪器记录部分的特点，大致可分为厄克曼型、印刷型、照相型、磁带记录型、遥测型、直读型、电传型等旋桨式海流计。

1）厄克曼海流计：它是厄克曼在1905年（瑞典物理海洋学家V.W.Ekman）首先设计制造的一种海流仪器，主要由轭架、旋桨、离合器、计数器、流向盒及尾舵等部件构成。

七十多年来一直保持其最初的形式，但目前在向电子化方向发展，仪器的测量深度不受限制。但是，不能测低速流，因为旋桨起动速度一般为0.03m/s，测量精度一般为：流速±0.05m/s，流向10°～15°。

图8-22 机械旋桨式海流计

2）印刷型海流计：是船用或浮标用的定点自记测流仪器，最大使用深度为6000m，连续记录时间长达半年之久，流速流向记录在纸带或锡箔上。

图8-23 照相型海流计

印刷型海流计的记录装置由弹簧带动，工作程序由定时机构控制，测量流速范围一般在0.03～2m/s，流速的方均误差小于2%，流向精度为±5°，自记工作时间由时钟控制轮决定。

3）照相型海流计：是船用的定点自记测流仪器。照相型海流计用一个大直径导流叶轮测量流速，流向随海流的转动方向的度盘示数进行照相记录，其测量值记录在耐压壳内的胶上（见图8-23）。

胶卷一般用宽16mm、长15m，可记录6000幅照片。该仪器的测量深度为150m，自记工作时间达30天。

4）磁带记录型海流计：是浮标用的定点自记测流仪器（见图8-24），其工作原理多数将测量数据以二进制编码方式记录在磁带上，也有用其他方式记录在磁带上。最大使用深度为1000～6000m，大致测量流速范围为0.03～4m/s，精度为±0.03～0.05m/s，

如挪威产的安德拉海流计，是目前世界上使用最广泛的海流计。

图8-24 磁带记录型海流计

5）遥测型海流计：系浮标用定点自记测流仪器，该仪器系统为双频道的无线电遥测装置，包括装在浮标上的传感器和装在船上或岸上的接收装置。流速与流向值根据自记仪纸带上记录脉冲频率和相对位置而进行测定。安装在岸或船上的接收装置能够连续定向接收来自三个浮标的数据。其测量范围为0.1～3.6m/s，流速测量精度为±0.05m/s，流向精度为±10°。

6）直读型海流计：系船用定点测流仪器。流速流向测量的电信号均经电缆传递到显示器（见图8-25）。测量数据直观、资料整理方便、测量速度快，有的可以兼测深度。仪器最大使用深度为150～660m，流速测量范围为0.05～7m/s。

美国、苏联、日本都有生产，中国海洋大学海洋仪器厂也进行批量生产。

图8-25 直读型海流计

仪器主要有水下探测器、水上数据终端等部分组成，其间以三芯轻便电缆传输信号并承担水下探测器重量。

仪器采用旋桨式转子感应流速，其转速与被测流速成正比，在规定的测量范围内具有良好的线性关系，仪器的旋桨具有良好的流入角特性和倾斜特性，动态特征好。

仪器采用了双垂直和双水平尾翼，流速从0.03～3.5m/s不同速度下，海流计始终置水平状态，并且旋桨都处于正面迎流位置，充分体现了标准极坐标型海流计的要求。机内罗盘受地磁定向，其夹角即为磁流向。

（2）电磁海流计

该类仪器是应用法拉第电磁感应定理，通过测量海水流过磁场时所产生的感应电动势来测定海流的（见图8-26）。根据磁场的来源不同，可分为地磁场海流计和人造磁场电磁海流计。

1）地磁场电磁海流计：分为深海型（水深大于100m）和表层型（只适用于测表面层的海流）。

优点是：可以走航自记。水下部件结构简易，可靠性高。

缺点是：由于它与地球垂直磁直强度有关，不能在赤道附近使用，只适用于地磁垂直强度大于0.1Oe的海区，同时，它受船磁的影响也较大，其测流范围在0.03～3m/s，测量精度为±0.02m/s，流向精度为±5°。

图8-26 电磁海流计

2）人造磁场电磁海流计：受深度和纬度的限制不大。它适于船用或锚定水下测量。

它的水下传感器呈流线型，底部垂直地安装两对电极，内装有电磁线圈，把30Hz的正弦交流电作用在线圈上，线圈便产生一交流磁场，当海水流过磁场时，电极产生一个输出信号，根据输出信号的相位和振幅，最后换算得出流速值。该仪器流速测量范围为15.4～257cm/s，测量精度为±0.26cm/s。(www.xing528.com)

目前，世界上广泛使用的是美国Interocean公司生产的S4型的电磁海流计，其外形是球形，很好地解决了仪器倾斜对测流的影响。

其主要优点为：精度高，测量值可靠，体积小，操作简便，无活动部件，对流场无影响，其测量范围是流速0～350cm/s，精度为±1cm/s，或2%满量程，流向精度为±2°。

（3）声学多普勒海流计

该类仪器是以声波在流动液体中的多普勒频移来测流速的。

其优点是：声速可以自动校准，能连续记录，仪器无活动部件，无摩擦和滞后现象，测量时感应时间快，测量精度高，可测弱流等。

其缺点是：存在仪器的本身发射功率、电池寿命和声波衰减等问题，因此限制了该类仪器的使用。该类仪器的大致精度在±2cm/s，流向精度为±5°，工作最大深度为50～6000m不等。

广泛使用的有美国的UCM-60（图8-27）、EG&G公司的SACM-3声学海流计和挪威安德拉公司生产的RCM9多普勒海流计。严格地说，ADCP（声学多普勒海流剖面仪）也应该是此类海流计，不过其发声频率、功率和接收回声以及处理方式有所不同。

（4）光学式海流计

目前激光多普勒技术可以应用在实验室中测流，有人认为激光多普勒流速计的精度能达到百分之几的量级，空间分辨率大约为0.5m，时间分辨率大约为0.5s，此技术可用于海洋中测流速，但此项技术尚处在研究阶段，离实际应用还有距离。

图8-27 声学多普勒海流计

（5）电阻式海流计

该型仪器是利用海流对电阻丝的降温作用来测流的，其优点是可测瞬时流和低速流，测量精度高，可以遥测，但当前未见于实际应用。

（6）遮阻涡流海流计

它的工作原理是：将一扁平或圆柱杆置于流场中，必在其后产生海水涡动现象，用声学方法测出涡流的频率，并根据频率与流速成正比、与圆柱杆的直径成反比的关系得出流速值。测量信号传输到记录系统加以记录。如美国J-TEC联合公司生产的CM-1106CD型涡流计就是一例，其流速测量范围为0.1～5.0m/s，测量精度为量程的±2%。

海洋调查中最广泛应用的仍然是各种类型的安德拉海流计和直读式海流计，声学多普勒海流计是目前唯一可测量弱流的仪器，广泛用于大型海洋调查中。

声学多普勒海流剖面仪（ADCP）是目前观测多层海流剖面的最有效的方法。其特点是精度高、分辨率高，操作方便。自20世纪70年代末以来，ADCP的观测技术迅速发展，国际上出现了多种类型的ADCP。

目前国际上的大型海洋研究项目中，如TOGA（热带海洋与全球大气计划）、WOCE（世界大洋环流实验）、WEPOCS等都使用ADCP。ADCP已被海委会（IOC）正式列为四种新型的先进海洋观测仪器之一。

ADCP测流原理：是测定声波入射到海水中微颗粒后向散射在频率上的多普勒频移，从而得到不同水层水体的运动速度（图8-28）。

超声源（或发射器）和接收器（散射体）之间有相对运动，则接收器所接收到的频率和声源的固有频率是不一致的，若它们是相互靠近的，则接收频率高于发射频率，反之则低，这种现象称为多普勒效应。接收频率和发射频率之差叫多普勒频移。

把上述原理应用到声学多普勒反向散射系统时，如果一束超声波能量射入非均匀液体介质时，液体中的不均匀体把部分能量散射回接收器，反向散射声波信号的频率与发射频率将不同，产生多普勒频移，它比例于发射/接收器和反向散射体的相对运动速度。这就是声学多普勒速度传感器的原理。

利用回声速（至少三束）测得水体反散射的多普勒频移，便可以求得三维流速并且可以转换为地球坐标下的u（东分量）、v（北分量）和w（垂直分量）。

由于声速在一定水域中、在一定深度范围内的水体中的传播速度基本是不变的，根据由声波发射到接收的时间差，便可以确定深度。利用不断发射的声脉冲，确定一定的发射时间间隔及滞后，通过对多普勒频移的谱宽度的估计运算，便可以得到整个水体剖面逐层段上水体的流速。

图8-28 声学多普勒海流剖面仪（ADCP）测流原理示意图

8.2.2.2 资料整理与分析

海洋观测给出的是流速、流向的离散型的数值，必须经过分析推理才能获取我们所需要的信息，进而探索海流的运动规律和内在的机制。

1.流速量曲线图

海流观测大多数是对某测点上流速、流向随时间变化的连续观测，因而流速流向曲线图属于水文要素变化的范畴，是过程曲线。

2.流速流向曲线修匀

观测时流场的随机干扰和各种偶然误差的客观存在，依观测的数据所绘制的流速流向曲线会在主体变化上产生一些上下扰动，甚至在个别点上产生大的跳跃，使曲线呈锯齿状，因而不能完全反映实际海流或不能真实地体现客观流场，所以要预先对流速流向曲线图进行必要修匀。

为摸清工程海区海流运动规律，需要

1）首先获得系统的海流观测资料，在此基础上进行潮流调和分析，计算出最大可能潮流流速、垂线平均流速和余流，绘制出流速流向曲线图、矢量图、潮流与潮位变化关系图，以如实反映海流的时空演变规律。

2）余流是低频的流动，具有3、5、10、15天，甚至更高的变化周期。在一个定点站只观测25h的海流资料，是得不出准确的余流值的，要尽可能延长观测资料的时间序列长度。

3）用观测24h的海流资料序列来分析余流要比用25h海流资料序列分析余流误差大，引起最大误差可达±4%。

潮流和余流（或常流）之合成，构成海水在十几千米范围内或者更大尺度的运动。潮流是海水在天体引潮力作用下产生的周期性流动，而余流则是指从流的观测资料中除去周期性潮流之外所剩余的那部分流动。产生这种剩余的流动因素是很复杂的，其中，有风应力、海面倾斜（气压或径流变化）、海水密度分布不均匀以及潮汐余流等。无论是潮流还是余流，均对国防、航运海洋资源开发和利用等产生重大影响。

8.2.2.3 资料统计

通过路由区具有时间代表性和海域代表性的实测海流资料，或收集路由区以往实测资料，分析路由区的流况、实测最大涨落潮流速、平均大潮流速、平均小潮流速、最大可能潮流速、余流等海流基本要素。通过调和分析获取路由区潮流特征；通过数学模型或经验公式计算路由区的不同重现期海流。

海流观测区域的大小，应根据工程的要求、当地水文气象状况和地形条件确定，应着重在拟建工程及其附近进行海流观测。海流观测工作应根据工程的要求选用以下方法：

1）单站或单船定点连续观测；

2）多站或多船同步连续观测，包括多船同步断面观测；

3）大面海流观测。

在潮流比较显著的近岸海区，对于海流观测资料的分析：

1）ongoing实测海流值绘制各种海流图，从中选定有关特征值；

2）用断面测点实测海流值，计算断面流量；

3）用大面流路资料，绘制测区流路区；

4）一次或多次周日观测采用准调和分析方法。

对于河口区，水流观测资料的分析，采用

1）直接利用实测资料进行分析；

2）在潮波变形不显著的河段内，也可采用准调和分析方法，进行整理分析。

海流特征值的计算

潮流性质的划分采用潮流性质系数 作为判别标准：

F≤0.5 正规半日潮流

0.5＜F≤2.0 不正规半日潮流

2.0＜F≤4.0 不正规全日潮流

4.0＜F 正规全日潮流。

其中，为主要太阴日分潮流O₁的最大流速；为主要太阴太阳合成日分潮流K₁的最大流速；为主要太阴半日分潮流M₂的最大流速。

余流通常指实测海流中扣除了周期性的潮流后的剩余部分，它是风海流、密度流、潮汐余流等的综合反映，是由热盐效应和风等因素引起，岸线和地形对它有显著影响。