Перевод: Тронь Александр Анатольевич

10.9. Измерители течений, основанные на   эйлеровском подходе к гидродинамике. 

Существует много различных типов измерителей, использующий гидродинамический подход Эйлера и работающих как на судах, так и на якорных станциях.

Якорные станции устанавливаются с судов на время от нескольких месяцев до года и более. Установка и последующий демонтаж оборудования делают эту методику дорогостоящей, поэтому в настоящее время развернуто всего несколько измерителей подобного типа.

Подводные измерители, подобные тому, который показан на Рис. 10.18 справа, имеют ряд преимуществ по сравнению со снабженными поверхностными поплавками, а именно: у них отсутствует поверхностный поплавок, положение которого постоянно подвергается воздействию сильных изменчивых поверхностных течений, они не заметны и не привлекают лишнего внимания, расположены на достаточной глубине, чтобы не попасть в рыболовные сети. Результаты измерений заякоренных датчиков подвержены ошибкам, основными источниками которых являются:

1. Перемещения датчиков, которые для подводных измерителей заметно меньше, чем у датчиков с поверхностным поплавком, в силу чего последние используются редко.

2. Рабочий период заякоренных измерителей недостаточно длителен, чтобы корректно оценить среднюю скоростьилимежгодовуюизменчивостьскорости.

3. Датчики довольно быстро облепляются морскими организмами, особенно у измерителей, расположенных вблизи от поверхности в течение нескольких недель и более.

Доплеровские акустические измерители профилей течений. Наиболее распространенным типом измерителей скоростей течений и профилей их параметров, работающих на эйлеровом принципе, являются акустические измерители. Обычно, такие измерители излучают звук в виде трех или четырех узких пучков в различных направлениях и принимают отраженный планктоном и мелкими пузырьками воздуха сигнал, частота которого сдвинута относительно частоты излучения на величину пропорциональную радиальной скорости отражателя. Комбинируя данные по трем или четырем пучкам, оценивают горизонтальную скорость течения, в предположении малости скорости отражателя относительно морской воды.

Обычно применяются два типа акустических измерителей. В системе доплеровского акустического измерителя профиля течений (ADCP) измеряется доплеровское смещение сигнала, отраженного от водных масс, подобно тому, как это делается в радиолокации при исследовании рассеяния радиоимпульсов в зависимости от расстояния от измерителя. Данные, поступающие от нескольких излучателей, работающих в режиме узконаправленных пучков, комбинируются для оценки горизонтальной скорости течения как функции от расстояния до излучателя. При измерениях с судов, пучки направляются по диагонали вниз, под 3 – 4-мя углами относительно курса судна. При килевой установке измерителя пучок направляется по диагонали вверх.

Судовые измерители широко используются для построения профилей скоростей течений в диапазоне 200 – 300 м под поверхностью моря при переходах между гидрографическими станциями. Поскольку судно движется относительно океанского дна, его скорость, как по величине, так и по направлению, должна быть точно известна. Начиная с девяностых годов, эта задача решается с помощью GPS навигации.

Доплеровские акустические измерители течений значительно проще ADCP систем. Они излучают непрерывный сигнал и измеряют локальную скорость вблизи самого измерителя, а не профиль скорости на различных расстояниях. Они устанавливаются на заякоренных платформах и, иногда, совмещаются с электронными измерителями температуры, плотности и солености (CTD) и передают данные о скорости как функции времени в течение многих дней и месяцев. На Рис. 10.19 представлен подобный измеритель, разработанный «Аандера Инструментс». Измерители CTD типа используются на гидрографических станциях для профилирования скоростей течений.

Рис. 10.19. Пример якорного акустического измерителя течений RCM-9 сконструированного «Аандера Инструментс». Две компоненты горизонтальной скорости измеряются акустической системой, а направление относительно севера – инерционным компасом, работающим на эффекте Холла. Источник питания, электроника, система записи информации смонтированы в прочном корпусе. Точность определения скорости течения составляет ± 0.15 см/сек по величине и ± 5^о по направлению.

10.10. Важные выводы.

1. Распределение давления в океане практически точно совпадает с соответствующим гидростатическому равновесию, поэтому давление с высокой точностью вычисляется по данным измерения температуры и проводимости воды по уравнению состояния. Гидрографические данные позволяют получить поле давления в океане с точностью до постоянной.

2. Течения в океане с большой точностью определяются геострофическим балансом, когда сила Кориолиса уравновешена горизонтальным градиентом давления, за исключением поверхностного и придонного пограничных слоев.

3. Спутниковые альтиметрические наблюдения позволяют построить топографию поверхности океана и измерить поверхностные геострофические течения, для чего необходимо знать конфигурацию геоида. Если форма геоида не известна, то альтиметрические данные используются для исследования изменчивости топографии и геострофических течений.

4. TOPEX/POSEIDON и Jason являются, в настоящее время, самыми совершенными спутниковыми альтиметрическими системами, измеряющими топографию океанской поверхности и её изменчивость с точностью ± 4 см.

5. Гидрографические данные используются для расчета скоростей геострофических течений в глубине океана относительного известного потока на некотором горизонте, в качестве которого могут быть выбраны или поверхность океана, где течения измеряются по спутниковым данным, или некоторый горизонт с нулевой скоростью на глубине 1 – 2 км.

6. Часть общего потока не зависящая от глубины, называется баротропным потоком, изменяющаяся с глубиной – бароклинным. Гидрографические данные позволяют оценивать только бароклинную составляющую потока.

7. Геосторофический поток стационарен, поэтому реальные течения в океане не являются сторого геострофическими. Геострофическое приближение не применимо в близэкваториальной зоне, где параметр Кориолиса обращается в нуль.

8. Наклоны поверхностей постоянной плотности или температуры, измеряемые по гидрографическим сечениям, могут использоваться для определения потока нормального к сечению.

9. Лагранжевая методика оценки течений отслеживает движение конкретного объема воды путем наблюдений за поверхностными дрейфующими измерителями, получением данных о положении заглубленных буёв или оценкой траекторий химических трассеров, таких, например, как тритий.

10. Измерители течений, использующие принцип Эйлера, дают скорость потока в данной фиксированной точке. Измерения проводятся с заякоренных платформ или с использованием акустических измерителей профилей течений с кораблей или гидрографических датчиков.