一种海洋湍流热通量仪及其使用方法
【专利摘要】本发明提供了一种海洋湍流热通量仪及其使用方法，其利用海洋探测快速温度传感器和声学多普勒三维点式流速计(ADV)，通过声学多普勒三维点式流速计姿态数据校正流速数据，基于垂直方向速度脉动和温度脉动的协方差测量海洋垂直方向湍流热通量，来实现海表以下湍流热通量的测量。本发明利用ADV和快速温度传感器实现了海表以下湍流热通量的直接测量。利用ADV自身的电池和存储器进行自容式测量，本发明设计的湍流热通量仪可以集成在潜标上工作，并且能够长期、全天侯测量。
【专利说明】-种海洋溫流热通量仪及其使用方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于海洋探测【技术领域】，具体设及一种海洋端流热通量仪及其使用方法， 其能够同时、同点测量同一运动质点的速度和温度，可W测量海洋中的端流热通量。
【背景技术】
[0002] 国内外成熟的典型海洋观测技术为海洋潜标技术，例如声学多谱勒测速仪 (ADCP)、温盐链等，该些观测技术手段能基本满足对海洋大中尺度动力过程的研究需求， 如：海洋环流、中尺度祸、温盐的粗结构分析等。而海洋端流微结构的观测，对于研究海洋垂 向混合（按照位密方程，维持海洋子午翻转环流所需的端流祸扩散系数至少要大于l(T 4m2/ S)、物质、能量、动量等的垂向输运起着关键作用。该些垂向输运的定量研究主要体现在端 流动量通量、热通量与端流混合率等关键物理量上，而引起垂向输运的通量驱动机制则是 端流垂向混合。
[0003] 对于海洋端流动量通量、热通量的研究是基于对端流混合进行直接观测，该对于 完善海洋模式参数化方案具有十分重要的意义。除此之外，在二氧化碳通量、营养盐通量、 沉积物输送W及微量元素等地球化学物质循环过程中也起着决定性作用。随着海洋科学的 发展，特别是观测技术的进步，使得大气底边界层的动量通量、热通量圧ric et. al.，2004 ; Fairall et.al. 1990]、二氧化碳通量、溶解氧通量等的观测成为可能，且目前已比较成熟。 但是，海洋动量通量、热通量的直接观测，由于受传感器精度、灵敏度及传感器在高压下的 正常工作状态等多种因素的限制，还未见相关技术报道。
[0004] 在深海热液区，对于热通量的观测具有非常重要的科学意义，所W，对于海洋热 通量的研究和开发是十分必要的。但目前还没有成熟技术方案来实现深海热液区的热通量 测量。
【发明内容】
[0005] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种海洋端流热通量仪及其使用方法，其能 够同时、同点测量同一运动质点的速度和温度，利用祸动相关法可直接测量端流热通量。端 流热通量是一能表征热传输的物理量。
[0006] 本发明包括两个方面：第一方面，提供一种海洋端流热通量仪；第二方面，提供一 种使用上述海洋端流热通量仪的方法。
[0007] 第一方面；提供一种海洋端流热通量仪，其工作原理是利用声学多普勒=维点式 流速计和海洋探测快速温度传感器同时、同点测量海洋端流场中速度场与温度场，通过声 学多普勒=维点式流速计姿态数据校正流速数据，基于垂直方向速度脉动和温度脉动的协 方差测量海洋垂直方向端流热通量的方法，实现了海表W下端流热通量的测量。
[0008] 海洋端流热通量仪的工作原理如下；原始流速数据（U，V，W)是相对于S维点式流 速测量仪（ADV)坐标系的，需要进行坐标变换即使ADV坐标系（x*，y*，z*)转换为自然坐标 系（x，y，z);在自然坐标系中，Z轴与竖直方向重合，X轴指向地理北极，坐标原点和ADV重 屯、重合；利用ADV自带的罗经测量巧-z*平面相对于x-z平面与z轴为交线的夹角a，利 用水平仪测量巧-y*平面相对于x-y平面与X轴为交线的夹角0和巧-y*平面相对于x-y 平面与y轴为交线的夹角丫，则自然坐标系下的流速数据（Ui，vi，wi)可W表示为：
[0009]
【权利要求】
1. 一种海洋湍流热通量仪，其利用快速温度传感器和声学多普勒三维点式流速仪 (ADV)，通过声学多普勒三维点式流速仪姿态数据校正流速数据，基于垂直方向速度脉动和 温度脉动的协方差测量海洋垂直方向湍流热通量，来实现海表以下湍流热通量的测量。
2. 依据权利要求1的海洋湍流热通量仪，其特征在于，所述海洋湍流热通量仪工作原 理如下：原始流速数据（u,V，W)是相对于ADV坐标系的，需要进行坐标变换即使ADV坐标 系（x*，y*，z*)转换为自然坐标系（x，y，z);在自然坐标系中，z轴与竖直方向重合，X轴指 向地理北极，坐标原点和三维流速测量仪重心重合；利用三维流速测量仪自带的罗经测量 x*-z*平面相对于X-Z平面与z轴为交线的夹角a，利用水平仪测量x*-y*平面相对于x-y 平面与X轴为交线的夹角0和x*-y*平面相对于x-y平面与y轴为交线的夹角y，则自然 坐标系下的流速数据（U1,V1,W1)可以表示为：
海洋中的低频波动导致三维流速测量附加了三维平动速度（叫，V(l，Wtl)，实际测点的流 速为（U1-Uc^V1-VmW1-Wtl);然后求得各真实速度的脉动值u'，v'，w'，单位（m/s); 根据涡动相关法，海洋湍流热通量Ft可以表示为
式中匕是测量点的湍流热通量（W/m2)，Cp为海水的定压比热容（J/kg/K)，P是海水密 度（kg/m3)，w'是海水垂向速度的脉动值（m/s)，T'是测量点的温度脉动值（K)，上划线表 示时间序列的平均。
3. 依据权利要求1的海洋湍流热通量仪，其特征在于，快速温度传感器由探头（37)、钛 合金弯形管（36)、锥形管（35)、第一圆筒管（34)、内丝扣连接件、外螺丝（33)、第二圆筒管 (32)、第三圆筒管（31)等8部分组成，内丝扣连接件设置在锥形管（35)与第一圆筒管（34) 之间，快速温度传感器的耐压外壳采用TC4钛合金棒加工而成，快速温度传感器中各部件 之间连接关系如下：探头（37)插入钛合金管（36)中，钛合金管（36)置入锥形管（35)中， 第一圆筒管（34)，壁厚1.2_，锥形管（35)与第一圆筒管（34)由内丝扣连接件连接，第一 圆筒管（34)中有外丝扣的一端置入第二圆筒管（32)的内丝扣中并连接，同时再通过外螺 丝（33)固定第一圆筒管（34)和第二圆筒管（32)，第二圆筒管（32)的另一端的外丝扣与含 有内丝扣的第三圆筒管（31)连接；第三圆筒管（31)中设置有电路，并与水密线连接。
4. 依据权利要求3的海洋湍流热通量仪，其特征在于，快速温度传感器中的探头在测 量体附近的直径为I. 8mm(晕米）。
5. 依据权利要求3的海洋湍流热通量仪，其特征在于，海洋湍流热通量仪进一步包括 内置可以校正海洋湍流热通量仪姿态的姿态校正传感器的三维流速测量仪，所述三维流速 测量仪以100?250Hz频率测量单点三维流速，经过数字滤波后输出1?64Hz的三维流速 数据。
6. 依据权利要求3的海洋湍流热通量仪，其特征在于，海洋湍流热通量仪进一步包括 4个6000米水深耐压钛合金电池仓，管壁厚0. 8cm，仓体内径61. 5mm，有效容积长度460mm， 可以放2组450Wh锂电池组；电池仓与三维流速测量仪主机用Y型水密线连接，每根线有2 芯，可同时连接4个电池仓。
7. 依据权利要求6的海洋湍流热通量仪，其特征在于，所述快速温度传感器通过耐压 水密线连接三维流速测量仪后盖特制8芯接口，用于数据传输和供电需求；快速温度传感 器和三维流速测量仪（含姿态校正传感器）的测量点是同一点，快速温度传感器采样信号 与三维流速测量仪的采样信号同步，采样频率1-64HZ可调。
8. 依据权利要求6的海洋湍流热通量仪，其特征在于，快速温度传感器和三维流速测 量仪外壳由TC4钛合金加工而成，由316不锈钢支架将ADV和快速温度传感器固定在支架 上，并保证快速温度传感器探头位于三维流速测量仪测量点上；外支架形成的园柱绕流对 流场的影响在测量点要忽略不计。
9. 依据权利要求6的海洋湍流热通量仪，其特征在于，可以在1-5000米水下同点观测 海洋湍流的热通量、动量通量、湍动能耗散率和热耗散率。
10. -种使用上述权利要求的海洋湍流热通量仪的方法，其包括以下步骤： 第一步，三维流速测量仪和快速温度传感器同步采集同一点的三维流速（u，v，w)和温 度（T)，通过三维流速测量仪自带的罗经和水平仪测量三维流速测量仪姿态得到真实流速 (U1,V1,W1),然后求得各真实速度的脉动值u'，v'，w'，单位（m/s); 根据涡动相关法，海洋湍流热通量Ft可以表示为：^ = (),/.7W。 式中匕是测量点的湍流热通量（W/m2)，Cp为海水的定压比热容（J/kg/K)，P是海水密 度（kg/m3)，w'是海水垂向速度的脉动值（m/s)，T'是测量点的温度脉动值（K)，上划线表 示时间序列的平均； 第二步，湍流动量通量（N/m2)可以通过以下计算公式得到： /n，V,W，其中u'，V'，w'分别为东西南北和垂向速度脉动值，单位（m/s)，上划线表示时间序列的平均。
【文档编号】G01K17/20GK104502001SQ201410854973
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月31日 优先权日:2014年12月31日
【发明者】尚晓东, 陈桂英 申请人:中国科学院南海海洋研究所