海洋动态测量理论与方法

第1章　绪论 1.1　海洋动态变化特征 海洋系统具有范围广、变化快、复杂度高的特点，这决定了海洋本身是一个多样、动态且相互关联的庞大体系。海洋动态变化特征主要包括：海面地形起伏变化、天体引力作用下的海水周期性变化、海水流速变化、气候变化造成的海面风速变化、海流运动造成的海洋涡旋、风浪引起的海面粗糙度变化和全球海洋动力循环等海洋物理变化；气候造成的海面温盐度变化和海洋酸度变化等海洋化学变化；海洋环境造成的海洋微生物变化、全球碳循环造成的海洋生物迁徙等海洋生态变化。这些海洋动态变化因素独立存在却又相互影响，彼此之间相互联系，共同构成了海洋系统的变化特征。 海面地形起伏变化是*为直观的海洋动态变化，海面起伏是海面地形的表现形式，海面地形是指平均海水面相对于大地水准面的倾斜，它是一个用来描述海面稳态动力起伏的概念。同时，平均海水面可视为无干扰的稳态海水面，平均海水面相对于大地水准面的起伏被称为稳态海面地形，简称海面地形。海面地形资料不仅能用于研究海洋大地水准面，还能用于深海潮汐、洋流等动力学现象的研究。海面地形变化受多种因素的影响，例如，海洋水文因素、海水密度、大气压力等都会引起海面地形高程差异。其中，海水密度差异是造成海面地形高程差异的主要因素。 气候变化和天体引力作用不仅会造成海面地形起伏变化和潮汐运动，还会引起海水非周期性流动。海流是海洋中发生的一种大范围相对稳定速度的非周期性流动，“大范围”是指海流的空间尺度大，可在几千千米甚至全球范围内流动。而“相对稳定”是指海流的路径、速率和方向在季度、年际尺度甚至更长的时间内保持一致。海流可以分解为两个主要成分：地转流与非地转流。受地球自转偏向力作用而形成的表面海流称为地转流，这是一种*基本的海水流动形式，地转流是海面地形压强梯度力和科氏力平衡的产物；非地转流主要来源于海水深层的摩擦效应，但地转流一般是海流各个分量中的主要分量。同时，人们在研究海流的过程中，按照温度特性，会将海流分为暖流和寒流。海流形成的原因有很多，主要可以归纳为风海流和密度流两种主要类型。其中，风海流是指受风力驱动形成的海流，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有几百米，相对于几千米深的大洋而言只是一个薄层；密度流是指不同海域海水的不同温度和盐度使海水密度产生差异，从而引起海水水位的差异，在海水密度不同的两个海域之间产生了海面的倾斜，造成海水流动，这样形成的海流便称为密度流。 在广阔无垠的海洋中，除了大尺度洋流外，还存在着许多中尺度涡旋（又称天气式海洋涡旋）。中尺度涡旋是指海洋中直径为100～300km、寿命为2～10个月的涡旋，相比于肉眼可见的涡旋，中尺度涡旋的直径更大、寿命更长。中尺度涡旋在海洋动力学，以及海水热、盐、动量、水团及其他化学物质的输送过程中起着重要的作用。大型中尺度涡旋在热带地区非常明显，它们一般连续地在海洋中传播。研究表明，它们主要是由平均环流不稳定性产生的。在涡流的生命周期中，它们表现出明显的快速增长阶段、稳定的成熟阶段和快速的衰减阶段，如果按其持续时间进行归一化处理，这些阶段具有明显的稳定性和对称性。 气象环境的变化不仅会引起海水流速的动态变化，海面粗糙度在一定程度上也会受到其影响。海面粗糙度是反映海洋表面粗糙程度的物理量，它主要描述了微小尺度上的海面起伏情况。同时，海面粗糙度的变化在较大程度上表征了海洋与大气之间的能量传输过程，因此海面粗糙度的提取对于物理海洋方面的研究具有非常重要的意义。海面粗糙度*开始被认为是依赖于风速的，通过量纲分析可以计算出海面粗糙度与风速之间的关系。近年来，大量实验表明海面粗糙度与风浪的状态有关，风吹过海面传递给海水动量从而产生波浪，而风浪又反过来影响大气流动。不同发展程度的风浪具有不同的结构，这使得海面流场及动量交换产生显著变化。目前，常用来表征海面粗糙度与风浪状态之间关系的物理量有两个：①风浪波龄。随着风浪波龄增加，海面粗糙度降低。②风浪波陡。由于海面粗糙度与风浪波面特征量的关系，海面粗糙度与风浪波陡对数形式之间存在线性关系（葛苏放等，2012）。 类似于海面粗糙度是描述海洋表面平整程度的物理量，海温是反映海水热状况的物理量，也是表征海洋水文状况的重要因素之一。作为一个多世纪以来海洋学家研究*为成熟的海洋物理因子，海温与全球变暖之间存在*为直接的相互影响关系。全球变暖对于海洋的影响首先体现在海温的升高；而由于海温对全球变暖的敏感性，可以通过实时监测海温的变化以及通过积累的历史资料总结海温变化的规律，进而科学地判断全球变暖的发展趋势。海水盐度同样在全球水循环和大洋环流中扮演重要角色，同时也是全球气候变化的重要指标之一。海洋表面的降水、蒸发、河流径流和海冰的形成与融化都会对海洋表面盐度产生影响，这些盐度变化通过海水垂直运动被传输至深海，通过对流和扩散影响到其他区域，继而在不同水体之间产生溶盐量差，*终影响海洋动力循环和全球气候变化。目前利用ARGO（Array for Real-time Geostrophic Oceanography）全球海洋观测网可以获取全球高精度的海温、海盐实测数据，而基于土壤水分和海洋盐度（soil moisture and ocean salinity，SMOS）卫星等遥感卫星技术可以实现全球海洋无间断全覆盖的海洋盐度观测（张海峰，2014）。 除了上述动态变化特征以外，海洋系统还包括其他动态变化特征。例如，月球和太阳引力作用下所形成的潮汐现象、受海底地形影响的海面重力场变化、地球板壳运动所造成的海底地形的变化以及受海水光谱吸收和散射特征影响的海色变化等。 1.2　海洋动态测量内容 按照学科建设的目标任务，现代海洋测绘学通常围绕以下几个方面开展深入研究：①海洋测量基准。主要任务包括：建立高精度、连续、动态海洋大地（包括海底）、垂直重力、磁力等测量基准；建立与维持陆海统一的海洋（含海岸、海岛礁与海底）大地控制网；构建海域重力异常模型，精化海洋大地水准面，建立海面地形、平均海面和深度基准面模型，并建立海陆无缝垂直基准。②海洋导航定位。主要任务包括：研制海岸、海面、水下等动态测量平台；实现高精度无线电导航定位、卫星导航定位及长基线、短基线、超短基线声学导航定位等。③海洋探测。主要任务包括：研究声呐、激光、可见光、雷达等测量与成像技术；测量高分辨率海岸地形、海底地形地貌、地质构造、海洋重力磁力等要素；研究数据与图像精细化处理理论和方法。④海洋测绘产品制作。主要任务包括：海图等测绘系列产品设计和制作；海洋测绘信息化生产体系构建；数字海图、电子航海图技术与产品高性能按需快速服务；海洋测绘产品国家标准化、国际标准化。⑤海洋地理信息工程。主要任务包括：海洋测绘数据库建立；多用途海洋地理信息系统研制、海洋测绘信息网络化服务。⑥海洋测绘装备。主要任务包括：星载、机载、船载、车载和水下有人/无人探测平台、设备、测量系统及数据处理软件研制；海洋测绘数据管理、制作分发与信息应用服务等软硬件系统的研制和开发（赵建虎，2007；赵建虎等，2017a）。 在现有人力资源和技术力量的基础上，我国以卫星遥感、航空遥感和地面监测为数据采集的主要手段，实现了对近岸及其他开发活动海域的实时监测；并建立了一个稳定、高效运行的国家海域动态监测管理系统，确保社会公众能及时了解我国海域使用管理政策和海洋开发现状，促进海洋开发的合理有序、海域资源的可持续利用和海洋经济的健康发展（徐文斌，2009）。 （1）海洋大地测量。研究建立海洋大地控制网点、确定地球形状和大小及其动态变化、研究海面地形与变化的理论与技术。海洋动态测量的基本任务包括：①建立海洋大地控制网，确定平面和垂直基准体系与维持框架，为实现高精度的海洋动态导航定位提供陆海统一的基准；②测定平均海面、海面地形和大地水准面等观测要素，为船舰精确导航、海洋资源开发、海洋划界、海洋工程设计施工以及研究海底、海面空间形态及其时空变化规律等研究领域提供基础数据（申家双等，2021；海军海洋测绘研究所和中国海军百科全书编审委员会，2014）。主要内容包括建立海洋大地控制网，实施控制测量（建立海洋测量平面与高程控制、加密海控点），海洋（海岸、水面、水下）高精度定位，测定平均海面、海面地形和海洋大地水准面等，为海洋测量定位、舰船精确导航、海洋划界、海洋工程设计与施工提供控制基础，并为研究地球形状提供基础数据（测绘学名词审定委员会，2020）。 （2）海洋控制测量。在海洋大地控制网（点）基础上加密测定海洋控制点的平面位置和高程，以此为海岸地形、海底地形、助航标志测定以及海洋工程测量等提供平面控制和高程控制基础。海洋控制点按照平面控制精度可分为一、二级控制点，其点位分布方式应满足海岸带、海底地形等专业测量要求。 （3）海面动态定位。通过光学定位、无线电定位、卫星定位和声学定位等方法实现在近海岸区域确定水面载体的位置。而在离海岸较远的区域则采用卫星定位、声学定位和无线电定位系统来进行水面载体定位（徐卫明等，2014）。 （4）水下动态定位。主要通过船载惯性导航系统、水声定位系统以及组合定位系统确定水下运载体的位置。 （5）平均海面的测定。一般在沿海设立验潮站，测定该站每小时的水位，由此计算出日、月、年和多年平均海面。平均海面是利用某地一定时间内每小时的海面高度来求算术平均值，故又称平均海水面。多年平均海水面的计算是通过18.6a（潮汐天文周期）或更长时间的连续观测资料来计算的。 （6）海面地形的测定。近海岸海面地形通常是采用几何水准法进行测定，深远海海面地形则通常采用海洋水准测量法来测定。开阔海域的海面地形也可以通过卫星测高方法确定，该方法是利用多年卫星测高数据解算的平均海平面和大地水准面求解得到的。 （7）海洋大地水准面的测定。综合利用地面和空间大地测量技术来确定海洋大地水准面。地面大地测量技术包括重力测量、天文大地测量、卫星导航定位、水准测量等测量技术。空间大地测量技术则包括卫星测高、卫星激光测距、卫星重力测量等技术手段。 1.3　海洋动态测量方法 海洋动态测量是人类认识海洋、了解海洋的重要手段，是进行海洋测绘信息获取、处理和应用三元体系任务的前提。海洋动态测量的基本任务是获取多要素、高精度、多时态的海洋基础信息，并按照相关规范要求对数据进行质量控制与标准化处理，生成海洋测量成果（或图件），为编制各类海图、编写航海资料提供基础信息。同时，在此基础上为海洋航行、海洋发展、海洋工程、海洋研究和海岸带管理提供支撑服务（Bekiashev and Serebriakov，1981；申家双等，2018）。 海洋动态测量是对海洋、江河湖泊以及与其毗邻的陆地地理空间要素进行测定和描述的综合型测量任务。同时，海洋测量学还与海洋学、航海学、地质学等多个学科存在联系，特别是与海图制图学和海洋地理信息工程技术关系*为密切。按照海洋动态测量学科的定义，其测量对象包括海洋、江河湖泊及其毗邻陆地，是各种自然要素、人工要素与人文要素等组成的综合体。其中，自然要素通常包括海岸线、岸滩地形、海面地形、海底水深地形与底质类型、海洋重磁场、海洋潮汐、海水温度、海水盐度、海水密度、海洋洋流、海面波浪、海底泥沙、海水水色、海洋冰川、海水透明度等。人工要素包括在海洋中进行人工建设、人为设置或改造形成的要素，如海岸的港口设施、海洋中搭建的各种平台、航行标志、人为设置的障碍物和专门设置的海洋界限（如禁航区、港界、行政界线）等。人文要素不仅包括海洋上的通信、交通、运输、补给和一些社会情况，还包括海洋政治、海洋经济、人口、民族、宗教、历史、景观等要素（翟国君和黄谟涛，2017；翟国君等，2012）。 海洋动态测量从传统的海洋大地测量发展至今，除了进行基础海洋信息获取外也扩展出了更多种类的海上测量方式，如海洋重