物理海洋实验的概述.pdf

物理海洋实验讲义 海洋环境学院 2008 年 3 月 1 目 录 物理海洋实验的概述 物理海洋实验的基本设备 实验 1 风浪水槽平均风速测量 实验 2 水槽风浪波面位移的测量和分析 实验 3 海-气边界层的测量和分析 实验 4 水下压力波动的测量与分析 实验 5 科氏力实验 实验 6 泰勒柱实验 实验 7 Rossby 波的实验模拟 2 物理海洋实验的概述 一． 引言 众所周知，物理海洋学是流体力学的一个重要分支，是研究海洋流体和地球 流体动力过程的一门学科。物理海洋学本身又是以应用和实践为主的学科，其研 究方法可分为理论研究、数值模拟、实验研究和海洋调查。各者互为补充，又不 可代替。其中实验研究是物理海洋学的不可忽略的重要组成部分。它的研究范围 遍及物理海洋学的各个领域，对物理海洋学地发展起着关键性的作用。 二．物理海洋实验和海洋调查 从广义上讲，现场海洋调查也属于实验研究的范畴，所不同是，海洋调查直 接探测的对象是真实的海洋，而实验研究大多在实验室模拟环境下进行。 海洋现场调查是研究海洋的重要方法，是直接获取海洋资料的主要途径。但 是海洋调查有局限性： 1）属于被动观测，无法控制环境条件，无法重复现象和过程。 2 ）对于有些非静态的变化过程或者大尺度现象，仅靠有限的海上单点时间 序列的现场观测是无法全面了解的。 3 ） 近代海洋卫星遥感技术虽然可以大范围观测海洋，但是对于海洋内部的 过程仍然无法直接观测到。 4 ） 海上条件复杂和恶劣，且观测费用昂贵，不易采用系统的和精密的、重 复的观测手段。 相比之下，实验室物理模拟研究的优点是： 1）可以控制实验条件，如背景风和背景流。 2 ）可以重复再现海洋现象和过程； 3 ）可以运用各种先进技术手段，精细的、全面的观测； 4 ）可以观察到现象的内部规律，比如 内波、毛细波、Rossby 波、海洋湍 流、贴水面边界层、水下水质点运动等等。 1 三．物理海洋实验研究的主要任务 1．研究海洋运动中的新现象和相应的基本规律，探索相应的基本规律 在物理海洋学研究的许多分支中心的发现和重大研究成果不断涌现。大量的 研究领域和课题仍属于未知。许多问题还未能很好的解决，远非单纯的理论分析 和数值计算能够胜任。因此，实验研究的任务是不断的研究海洋运动中的新现象 和相应的基本规律，探索相应的基本规律。即便是某些运动规律或现象已经可以 从理论上得到预测的情况下，在没有充分的实验验证之前通常是不会得到人们的 正式承认的。 2 ．研究海洋各种尺度过程之间的关系 在海洋中，存在着各种尺度的过程。大到行星尺度的地转运动，小到海面毛 细结构的微尺度过程。他们之间并不是简单独立的，而是存在着相互作用及能量 交换。实验研究的的对象是经比尺变换的模型，模拟范围遍及各种尺度，最有条 件研究各种尺度过程之间的相互关系。 3 ．利用模拟技术解决应用中的实际问题 实验研究的诀窍在于利用模拟技术，以最小的代价和有限的实验条件来发现、 证实或重现某种具有研究价值的物理规律或实际应用问题，解决一些理论方法和 数值方法无法解决的实际问题，这对海洋工程尤其具有重要意义。 4 ．发展实验仪器和测量方法 实验仪器是开展实验研究的必要手段。在多数情况下，实验工作者可以利用 和购置现有的产品，更多的侧重于熟练地和正确地掌握使用仪器。但是，在有些 情况下，实验研究需要研究人员自行研制设计开发新仪器和新方法。实验研究的 进展，往往取决于新技术和手段的突破。 一般来说，一个国家的科学水平常常反映在实验室中。因而，实验研究在一 定意义上反映着整个学科的水平。近年来，随着科学技术的发展，大量的高科技 术和尖端仪器应用于实验研究。但是，总体来说，仍与实