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1、第24卷第6期热带海洋学报Vol.24,No.62005年11月JOURNALOFTROPICALOCEANOGRAPHYNov.,2005文章编号:100925470(2005)0620072207海洋水文多参数测量仪确定主波向的方法和应用12,1111龙小敏,章克本,王盛安,蔡树群,陈俊昌(1.中国科学院南海海洋研究所,广东广州510301;2.中山大学,广东广州510275)摘要:海洋水文多参数测量仪是南海海洋研究所新研制的一种可以同步测量海流、波浪、潮位、水温、电导率的仪器,利用同步观测压力和矢量流速估计海面方向谱的方法(PU
2、V方法)可以计算得到海面方向谱,进而求得主波向。利用该仪器现场实测数据与荷兰MARKⅡ型“波浪骑士”方向浮标观测资料进行对比分析,表明两者的主波向吻合性好。关键词:PUV方法;波浪方向谱;主波向中图分类号:P716.1文献标识码:A1海洋水文多参数测量仪简介海洋水文多参数测量仪(以下简称多参数仪)是在“九五”国家863计划成果“SZS321型压力式波潮仪”的基础上新研制成功的观测仪器,其外观如图1所示,最大外型尺寸为ª170mm×580mm。多参数仪中集成了温盐传感器、压力传感器、海流传感器及电子罗盘,实现了海流、波浪、潮位、水温、电
3、导率的同步观测,其使用方式灵活,可工作于自容方式、电缆实时传输方式、无线实时传输方式,在实时传输工作方式时能显示各种测量参数及其过程曲线,所研制的配套软件界面友好,功能丰富。多参数仪采用铂热敏电阻测量水温;采用4电极传感器测量电导率;采用电磁海流传感器和电子罗盘测量流速、流向;采用压力传感器测量仪器所处位置的海水压力来换算潮位,反演波高和波周期;应用同步观测压力和矢量流速估计海面方向谱的方法(PUV方法)估计波浪方向谱,从而求出主波向。由于水层的滤波作用,使波浪的计算十分复杂,课题组在国家863计划海洋监测技术主题资助[1]下较好地解
4、决了波高、波周期的反演。图1海洋水文多参数测量仪Fig.1Oceanicmulti2parameter2PUV方法hydrologicalgauge[2—4]所谓PUV方法,就是通过同步观测压力和矢量流速来估收稿日期:2005204220;修订日期:2005207212基金项目:广东省科技计划项目(2003C32609);国家863计划海洋监测主题项目(2004AA639650);中国科学院仪器研制项目“水文多参数综合测量仪”;中国科学院与中国海洋石油总公司合作课题“新型海上平台优化设计和安全保障的关键技术研究”资助作者简介:龙小敏(
5、1960—),女,广东省廉江市人,助理研究员,主要从事海洋监测技术研究。©1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net第6期龙小敏等:海洋水文多参数测量仪确定主波向的方法和应用73计海面方向谱的方法。海面波浪并非只沿单一方向传播,它所包含的各种波分量实际上是沿着在某一主方向周围的各个方向上传播的。这里把描述海浪能量相对于组成波频率和方向分布的函数S(ω,θ)称为波浪方向谱,以区别于描述海浪能量相对
6、于组成波频率分布的函数S(ω)———频谱。波浪方向谱的观测、确定显然比频谱困难得多。为了获得海面波浪方向谱S(ω,θ),可将其展为Fourier级数,并通过在现场观测水下压力P及流速分量U、V的资料导[3—5]出的自谱、互谱与该Fourier级数系数的关系,从而给出Fourier级数的近似估式。假定海面是由振幅为an、频率为ωn、初位相为ξn(此处为一随机量,于[0,2π]上均匀分[2]布)的许多简单波的叠加,其波面可表示为∞ζ(t)=6ancos(ωnt+ξn)(1)n=1方向谱一般表达为波浪频谱S0(ω)与一方向分布函数G(ω,θ
7、)的乘积:S(ω,θ)=S0(ω)G(ω,θ)(2)在以下公式中,ω为波分量的圆频率,z为仪器所处深度(z轴向上为正),d为观测点水深,k为波数,g为重力加速度,ρ为海水密度。[5]波浪频谱S0(ω)与测点深度处的压力谱Sp(ω)的关系可以表达为:22chkdS0(ω)=NSp(ω)2(3)chk(d+z)这里,N为换算系数;Sp(ω)为压力谱,它可以通过测量到的压力数据计算得到。自谱Spp(ω)、Suu(ω)、Svv(ω)及互谱Spu(ω)、Spv(ω)、Suv(ω)通过求相关函数Rpp(τ)、Ruu(τ)、Rvv(τ)及互相关函数
8、Rpu(τ)、Rpv(τ)、Ruv(τ)得到。T1Rpp(τ)=limp(t)p(t+τ)dtT→∞2T∫-TTπ∞π∞1j(k·r)-ωt+ξ)j(k·r-ω(t+τ)+ξ)=limRekpedA(ω,θ)×Rekpe
