倒置式回聲儀的研究進(jìn)展

趙瑞祥，朱小華

（國家海洋局第二海洋研究所，衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012）

倒置式回聲儀的研究進(jìn)展

趙瑞祥，朱小華*

（國家海洋局第二海洋研究所，衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012）

倒置式回聲儀（IES）是一種錨系于海底的海洋觀測儀器，它通過向上發(fā)射聲信號并接收從海面反射的回聲信號，測量并記錄聲信號的垂向往返傳播時(shí)間。倒置式回聲儀具有體積小、設(shè)置方便、性價(jià)比高、安全性強(qiáng)等特點(diǎn)。IES已經(jīng)成功應(yīng)用于全球多個(gè)海區(qū)，并取得了舉世矚目的成果。文中回顧了IES的發(fā)展歷史，系統(tǒng)介紹了有關(guān)IES的研究成果與進(jìn)展及在我國的初步應(yīng)用。

倒置式回聲儀；發(fā)展歷史；研究進(jìn)展；初步應(yīng)用

倒置式回聲儀（Inverted Echo Sounder，以下簡稱IES）是一種錨系于海底的海洋觀測儀器，它通過向上發(fā)射聲信號并接收從海面反射的回聲信號，測量并記錄聲脈沖海底到海面的垂向往返傳播時(shí)間（Vertical Acoustic Travel Time，VATT）。

IES的觀測原理是通過測量聲傳播時(shí)間來監(jiān)測溫躍層深度變化，最早由Rossby[1]于1969年提出。IES經(jīng)羅德島大學(xué)（Rhode Island University）幾十年的發(fā)展，技術(shù)日趨成熟，功能也越來越強(qiáng)大。最新的IES具備壓力傳感器，并有海流計(jì)的數(shù)據(jù)接口，還可通過聲通訊實(shí)現(xiàn)遙測（Telemetry）。其中擁有壓力傳感器的IES稱為PIES（Pressure-gauge-equipped Inverted Echo Sounder），可測海底壓力；而同時(shí)配備壓力傳感器和海流計(jì)的IES稱為C-PIES（Current-Pressure equipped Inverted Echo Sounder），還可測近海底（約海底向上50 m深）的流速。

IES具有如下的特點(diǎn)：（1）觀測時(shí)間長，一般連續(xù)觀測 2～5 a；（2）體積小，設(shè)置方便；（3）適合大面積陣列觀測；（4）觀測性價(jià)比高。IES觀測資料配合GEM(Gravest Empirical Mode)、最優(yōu)插值（Optimal Interpolation）等反演技術(shù)，可獲得傳統(tǒng)觀測方式都難以得到的全水深的溫度、鹽度、流場等海洋環(huán)境動力要素的三維時(shí)空分布；（5）安全性強(qiáng)。具體表現(xiàn)在：IES不受海水腐蝕影響，并且工作環(huán)境穩(wěn)定，幾乎不受漁業(yè)活動破壞，因此IES的回收率很高，超過 95%（http://www.po.gso.uri.edu/dynamics/IES/recovery_stats.html）；（6）IES 可配備聲通訊功能，通過聲通訊手段回收數(shù)據(jù)。

1 IES的發(fā)展歷史

自1973年IES問世以來，羅德島大學(xué)便不斷改進(jìn)其性能，并根據(jù)觀測研究需要，開發(fā)出不同功能的IES。目前IES觀測技術(shù)日趨成熟，已能夠經(jīng)濟(jì)有效地觀測并反演溫度、鹽度和流場等海洋動力要素的時(shí)空分布。表1給出了IES的主要發(fā)展歷史。

除了傳統(tǒng)的IES（包括PIES和C-PIES），還有針對不同觀測和應(yīng)用需求的特殊IES。如2005年在南海布放的Wave-IES[7]、2006年結(jié)合水平靜電計(jì)（Horizontal Electrometer）觀測海流的 H-PIES，以及2007年采用彈出（Pop-up）技術(shù)，并通過銥星通訊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遙測的Pop-up IES。

截止2015年3月，羅德島大學(xué)最新的IES為Model 6.2C。該版本的IES附有壓力傳感器和海流計(jì)接口，具備遙測功能。圖2為C-PIES的基本結(jié)構(gòu)示意圖。

表1 IES的主要發(fā)展進(jìn)程

圖1 1973年在MODE I實(shí)驗(yàn)中投放的IES[2]

圖2 C-PIES的結(jié)構(gòu)示意圖

2 IES的應(yīng)用

IES已成功應(yīng)用于全球多個(gè)海區(qū)，并取得了一系列矚目的成果。目前，通過IES獲得的研究成果可大致分為以下幾個(gè)方面。

（1） 主溫躍層深度及其相關(guān)參數(shù)的觀測。在早期的研究中，IES主要用來觀測主溫躍層深度的變化。Tom Rossby[1]結(jié)合已有的水文實(shí)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)主溫躍層的深度和海底-海面聲音往返傳播時(shí)間之間存在很好的線性關(guān)系，由此提出了IES觀測的概念。后來，在1973年實(shí)施的MODE I實(shí)驗(yàn)中，Watts和Rossby首次應(yīng)用IES，成功監(jiān)測到灣流區(qū)兩個(gè)月的溫躍層深度變化[2]，并提出VATT、動力高度、總熱容量與主溫躍層深度之間存在很好的線性關(guān)系。此后，在全球多個(gè)海域[8-11]，特別是在美國大淺灘和佛羅里達(dá)之間，多次觀測實(shí)驗(yàn)采用IES反演主溫躍層深度及其相關(guān)參數(shù)。在灣流區(qū)，IES還用于監(jiān)測灣流鋒區(qū)的位置和流徑。

（2） 海洋動力參數(shù)剖面的反演。 Watts和Rossby[2]指出，IES所測量的VATT是一個(gè)從海底到海面的垂向積分量，因此它僅對第一斜壓模態(tài)的變化敏感，而對垂向的細(xì)微結(jié)構(gòu)不敏感。早期的研究中，IES僅用來觀測主溫躍層深度及其相關(guān)參數(shù)，并沒有人反演得到海洋動力參數(shù)的剖面分布。直到2001年，Watts和 Sun[6]提出了 GEM（Gravest Empirical Mode）。GEM是歷史水文資料在二維空間上的壓縮和投影，在功能上可看做是一張二維的查找表（圖3(a)）。PIES觀測的往返傳播時(shí)間和海底壓力的時(shí)間序列，通過深度轉(zhuǎn)化（leveling）后，可以在GEM上查找到對應(yīng)的全水深的溫度、鹽度、比容異常剖面，從而進(jìn)一步計(jì)算得到流場分布。Watts和Sun還在GEM表層和次表層加入季節(jié)模型，以提高GEM對受熱鹽強(qiáng)迫顯著的上層海洋的模擬能力。GEM大大拓展了PIES的應(yīng)用范圍，顯著提高了其觀測能力。GEM已成功應(yīng)用于北大西洋暖流[12]、黑潮區(qū)[13]、南極繞極流[6]、日本海[14]、琉球海流[15]、黑潮延伸體[16]等多個(gè)海區(qū)的PIES（C-PIES）觀測反演中。

建立和應(yīng)用GEM有兩點(diǎn)需要特別注意：（1）GEM以研究海區(qū)的歷史水文資料為基礎(chǔ)，因此在建立GEM之前，需要確認(rèn)該海區(qū)先前已進(jìn)行了足夠多的CTD觀測；（2）標(biāo)準(zhǔn)的GEM假定往返傳播時(shí)間和溫鹽剖面之間有一一對應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。然而，在某些海區(qū)，受到熱鹽入侵或風(fēng)攪拌等因素的影響，溫鹽剖面呈現(xiàn)多個(gè)模態(tài)，因此在這些海區(qū)應(yīng)用GEM時(shí)，需要采用其他的參數(shù)來解釋這些模態(tài)帶來的方差，以減小GEM的誤差。例如，Mitchell等[17]在研究日本海的郁陵海盆（Ulleung Basin）時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于該海區(qū)永久溫躍層太淺且季節(jié)信號的空間變化很大，VATT與溫鹽剖面在上層并不存在一一對應(yīng)的關(guān)系，標(biāo)準(zhǔn)的GEM并不適用。因此，他利用歷史水文實(shí)測數(shù)據(jù)相對美國海軍的MODAS（Modular Ocean Data Assimilation System）的修正，建立了“殘余 GEM”（Residual GEM）（圖 3(b)）。Park 等[14]則結(jié)合衛(wèi)星SST資料建立起多參數(shù)GEM技術(shù)（MI-GEM，Multi-Index GEM）（圖 3(c),圖 3(d)）。相對殘余 GEM技術(shù)，它能夠大大提高反演精度，更好地捕捉到剖面信息。

圖3 溫度的GEM

（3） 海洋動力參數(shù)的三維反演。 單獨(dú)的IES（包括PIES，CPIES）只能對投放點(diǎn)的海洋動力參數(shù)進(jìn)行觀測和反演。而將多個(gè)IES組成陣列，采用最優(yōu)插值（Optimal Interpolation，以下稱為 OI）方法，就可對投放海區(qū)的海洋動力參數(shù)的三維空間分布做出最優(yōu)估計(jì)。OI由Bretherton等[18]在1976年引入海洋學(xué)，并在20世紀(jì)80年代中期引入IES的數(shù)據(jù)處理。Watts等[19]使用OI來繪制灣流鋒區(qū)的網(wǎng)格化溫躍層深度場。Tracey等[20]提出迭代投影法（Iterative mapping）來提高OI的精度。Watts等[21]使用PIES測得海底壓力數(shù)據(jù)，通過OI來繪制灣流區(qū)的深水流場和壓力場。Donohue等[16]則結(jié)合KESS項(xiàng)目中的C-PIES陣列，采用GEM和OI技術(shù)，得到黑潮延伸體區(qū)的溫度、鹽度、流場的三維時(shí)空演變，并分析了反演誤差（圖4）。

圖4 Donohue等[16]估計(jì)得到的在200 m深平面的最優(yōu)插值法誤差場

（4） 內(nèi)波和內(nèi)潮的觀測。 以上觀測研究皆關(guān)注海洋中的中尺度現(xiàn)象和過程。而通過提高采樣率，有研究通過改造IES成功捕獲到小尺度的內(nèi)波和內(nèi)潮信號。Park[22]通過IES，系統(tǒng)地研究了存在于日本海西南部（郁陵海盆）的內(nèi)潮。Farmer[7]，Li[23]則通過IES觀測到南海的非線性內(nèi)波。

3 PIES在我國的初步應(yīng)用

我國的PIES觀測研究起步較晚。國家海洋局第二海洋研究所在國內(nèi)率先引進(jìn)了PIES，并于2012年10月至2014年7月間在南海西沙附近海域成功布放和回收了5臺PIES（圖5），獲取了連續(xù)22個(gè)月的傳播時(shí)間和海底壓力的時(shí)間序列。通過建立該區(qū)域的GEM，成功反演了該海區(qū)投放期間的溫度、鹽度、流速等水文要素的時(shí)空分布和演變，捕捉到觀測期間幾個(gè)中尺度渦的斷面結(jié)構(gòu)，如圖6所示，第1行圖是衛(wèi)星海面高度計(jì)觀測到的MSLA(Merged Sea Level Anomaly,多衛(wèi)星融合的海面高度異常，來自AVISO)的分布，黑色三角代表PIES的投放點(diǎn)；第2～3行圖為PIES斷面溫度（鹽度）分布，等值線代表位溫（絕對鹽度），而顏色代表相對歷史同期的溫度（鹽度）異常。這是我國第一次自主進(jìn)行PIES觀測，它的成功標(biāo)志著我國具有獨(dú)立進(jìn)行PIES的布放、回收和數(shù)據(jù)處理的能力。

圖5 國家海洋局第二海洋研究所布放PIES時(shí)的情景

圖6 PIES觀測到的2013年10月20日至11月30日的暖渦

4 結(jié)語

IES具有體積小、設(shè)置方便、性價(jià)比高、安全性強(qiáng)等特點(diǎn)，因此適合于大面陣列觀測。IES經(jīng)過羅德島大學(xué)數(shù)十年的發(fā)展，技術(shù)日趨成熟，功能日益強(qiáng)大?，F(xiàn)有的IES都附有壓力計(jì)和海流計(jì)的接口，觀測能力大大提高。早期的IES主要用來觀測溫躍層深度及其相關(guān)動力參數(shù)的變化，而隨后發(fā)展的PIES則可通過GEM反演溫度、鹽度和流速等海洋動力參數(shù)的剖面分布，而PIES（C-PIES）組成的陣列則可采用最優(yōu)插值法進(jìn)一步反演海洋動力參數(shù)的三維時(shí)空分布。另外，經(jīng)過改造的IES可對內(nèi)波和內(nèi)潮等小尺度現(xiàn)象進(jìn)行觀測。

我國于2012年10月起連續(xù)22個(gè)月在南海西沙附近海域成功實(shí)施了PIES觀測，反演得到了溫度、鹽度、流速等海洋動力參數(shù)的時(shí)空變化，并成功觀測到了中尺度渦動力結(jié)構(gòu)的詳細(xì)變化過程。

目前，我國不少單位已經(jīng)計(jì)劃引進(jìn)IES，“863”等項(xiàng)目也正在組織實(shí)施IES的研發(fā)。IES在我國的應(yīng)用將大大提高我國深遠(yuǎn)海洋動力環(huán)境的觀測能力，促進(jìn)我國海洋科學(xué)研究水平的提升。

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Overview on the Research Progress of Inverted Echo Sounders

ZHAO Rui-xiang,ZHU Xiao-hua
State Key Laboratory of Satellite Ocean Environment Dynamics,Second Institute of Oceanography,State Oceanic Administration,Hangzhou 310012,Zhejiang Province,China

Inverted echo sounder(IES)is an ocean bottom-moored instrument,which measures and records the vertical travel time of the sound signal by transmitting it upwards and receiving the reflected signal from the sea surface.IES is featured by its small size,easy configuration,cost-effectiveness and high safety.IESs have been successfully deployed around the world,and gained conspicuous achievement.This paper reviews the development history of IESs,systematically introduces the research progress of IESs,and shows their preliminary application in China.

inverted echo sounder;development history;research progress;preliminary application

P715;TB565

A

1003-2029（2015）03-0054-05

2015-03-10

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃資助項(xiàng)目（2011CB403503）；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41176021，41321004，41276095）

趙瑞祥（1989-），男，碩士，研究實(shí)習(xí)員，主要從事物理海洋學(xué)觀測研究。E-mail:zhaorx@sio.org.cn

朱小華（1963-），男，博士，研究員，主要研究方向?yàn)槲锢砗Ｑ髮W(xué)觀測。E-mail:xhzhu@sio.org.cn