逆式回聲測(cè)量?jī)x在全球海洋中應(yīng)用及前景展望

任 強(qiáng) , 于 非 , 南 峰 , 王建豐 , 孫 凡 陳子飛

(1. 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所, 山東 青島 266071; 2. 中國(guó)科學(xué)院海洋環(huán)流與波動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266071; 3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049; 4. 中國(guó)科學(xué)院海洋大科學(xué)研究中心, 山東 青島 266071)

逆式回聲測(cè)量?jī)x(inverted echo sounder, 簡(jiǎn)稱IES)是由美國(guó)羅德島大學(xué)研制的一種坐底式海洋觀測(cè)儀器, 其主要測(cè)量聲波從海底到海表的傳播時(shí)間, 同時(shí)搭載壓力和流速傳感器后稱為CPIES (current-pressure inverted echo sounder), 能同步測(cè)量海底的壓力和流速流向。

1 IES的發(fā)展歷史及組成

早在1969年, Rossby就提出了利用海表到海底的聲速傳播時(shí)間來(lái)監(jiān)測(cè)主溫躍層深度的變化的構(gòu)想, 并隨后發(fā)明了逆式回聲儀[1]。在隨后的1973年, Rossby和Watts利用多臺(tái)IES在大洋動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)中(MODEI)成功觀測(cè)到了溫躍層的變化, 這是首次IES的實(shí)際應(yīng)用觀測(cè), 受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件, 觀測(cè)時(shí)間較短僅為2個(gè)月左右同時(shí)數(shù)據(jù)容量也非常小[2]。20世紀(jì)70年代中后期, IES改用耐壓的玻璃球結(jié)構(gòu)同時(shí)集成了高精度壓力傳感器, 極大地提高了IES的測(cè)量精度和工作水深[3-4]。20世紀(jì)80—90年代, IES的硬件主要在存儲(chǔ)能力、遙測(cè)能力以及工作時(shí)長(zhǎng)等方面有了很大的改進(jìn), 使得IES在更加復(fù)雜的海區(qū)穩(wěn)定工作2～5 a。其后, IES的性能不斷加以完善, 并且根據(jù)需要開(kāi)發(fā)出了許多不同功能以應(yīng)對(duì)不同的觀測(cè)需求。同時(shí)能搭載壓力傳感器(pressure)和海流計(jì)(current)的CPIES, 在羅德島大學(xué)的開(kāi)發(fā)下不斷得到完善。進(jìn)入20世紀(jì), IES通過(guò)技術(shù)積累, 主要在數(shù)據(jù)應(yīng)用范圍等方面開(kāi)展了研究, 如Watts和Sun等[5]結(jié)合歷史水文數(shù)據(jù)創(chuàng)建了根據(jù)傳播時(shí)間來(lái)反演全水層的溫度、鹽度和比容異常等參數(shù)的地轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)(gravest empirical mode, GEM)方法, 該方法是通過(guò)建立一個(gè)斜壓流函數(shù), 將大量的歷史水文數(shù)據(jù)投影到此二維空間上, 從而得到一個(gè)垂向的水文結(jié)構(gòu)場(chǎng), 它的優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)⑺杏^測(cè)到的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行整體的質(zhì)控及診斷分析, 減少中尺度渦和海流等引起的非線性誤差。通過(guò)多個(gè)CPIES組成的觀測(cè)陣列, 基于GEM方法可以得到絕對(duì)流速垂直剖面, 隨后諸多研究完善了GEM方法, 并且在各個(gè)海區(qū)實(shí)現(xiàn)了成功應(yīng)用[6-9]。后來(lái)Xu等[10]開(kāi)發(fā)了一套用于處理CPIES數(shù)據(jù)中壓力漂移、跳、深度校正以及定標(biāo)的新技術(shù), 極大的提高了PIES的實(shí)際應(yīng)用性能和范圍。

CPIES主要組成如圖1所示, 其中由上至下主要包括打撈浮球、玻璃浮球、海流計(jì)、50 m通訊電纜、PIES倒置式回聲儀以及重塊底座等。其中PIES倒置式回聲儀本體上配備有壓力傳感器、溫度傳感器和聲學(xué)換能器等傳感器, 同時(shí)可設(shè)置不同的工作間隔。

圖1 CPIES組成結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 A schematic diagram of structure and composite of CPIES

2 IES應(yīng)用功能介紹

Pressure inverted echo sounder (PIES)獲取的數(shù)據(jù)同時(shí)借助于反演算法, 根據(jù)其不同的排列方式最終可以得到的參數(shù)信息如下表所示(表1)。兩個(gè)及以上的 CPIES組合可以反演出絕對(duì)流速剖面, 二維布放陣列可以實(shí)現(xiàn)觀測(cè)海區(qū)全水層的 4D速度和溫鹽密結(jié)構(gòu)的反演。一方面, 在較為早的研究時(shí)期, IES主要被用來(lái)監(jiān)測(cè)主溫躍層的深度的變化, 同時(shí)根據(jù)其與傳播時(shí)間、動(dòng)力高度和總熱容量之間的線性關(guān)系可用于上述參數(shù)的計(jì)算。另一方面搭載了壓力和海流計(jì)的 CPIES能夠反演海洋垂直動(dòng)力參數(shù)[11-14],如全水深的溫度、鹽度、比容異常剖面以及流速剖面, 但這類參數(shù)需要借助于2001年Watts和Sun提出的GEM方法進(jìn)行反演計(jì)算。而GEM陣列是將歷史水文資料投影到二維空間上的數(shù)據(jù)庫(kù), 其主要依賴于觀測(cè)海區(qū)歷史數(shù)據(jù)CTD剖面。GEM的成功應(yīng)用, 可以說(shuō)極大地提高PIES的觀測(cè)能力。再者, 多個(gè) IES(PIES/CPIES)組成的陣列結(jié)合最優(yōu)插值OI (optimal interpolation)方法[15]可以對(duì)觀測(cè)海區(qū)的物理參數(shù)的三維空間分布進(jìn)行反演, 可對(duì)海洋中尺度現(xiàn)象過(guò)程進(jìn)行研究。另外多個(gè)設(shè)備組成的陣列可觀測(cè)底層的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)等, 目前在黑潮延伸體區(qū)域和德雷克海峽等多個(gè)海底區(qū)域布放的大型陣列已經(jīng)獲得了長(zhǎng)時(shí)間的海底實(shí)測(cè)數(shù)據(jù), 并對(duì)相關(guān)區(qū)域的底部環(huán)流特征、水團(tuán)交換及其與上層海洋關(guān)系等進(jìn)行了一系列重要的研究[16-17], 一定程度上彌補(bǔ)了長(zhǎng)期以來(lái)由于大洋底層連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)的不足而造成的近底層環(huán)流結(jié)構(gòu)及其變化等的研究。同時(shí)還有諸多的學(xué)者利用改造后的 IES捕捉高頻的信號(hào)進(jìn)行內(nèi)波和內(nèi)潮的觀測(cè)研究[18-19]。

表1 不同排列組合下的PIES觀測(cè)功能Tab. 1 PIES observation function under different permutations and combinations

自1973年IES第一次被應(yīng)用于海洋現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)以來(lái), 其技術(shù)能力經(jīng)過(guò)近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展取得了極大的提升, 同時(shí)觀測(cè)能力已經(jīng)被各國(guó)研究機(jī)構(gòu)所認(rèn)定并逐步形成了一種較為新型的觀測(cè)手段作為傳統(tǒng)海洋調(diào)查觀測(cè)的補(bǔ)充。目前CPIES在全世界的應(yīng)用范圍非常廣, 基本上涵蓋了世界各大海區(qū)(圖 2), 圖中可以看出應(yīng)用區(qū)域主要位于黑潮及其黑潮延伸體、日本海、北大西洋暖流區(qū)、南極繞極流等區(qū)域。進(jìn)入 21世紀(jì), 海洋學(xué)的研究已經(jīng)進(jìn)入新的發(fā)展階段,各個(gè)國(guó)家都日益加大對(duì)海洋科技的投入。長(zhǎng)期連續(xù)數(shù)據(jù)的獲取仍然是目前海洋研究的重要方式之一,相對(duì)于其它錨系潛標(biāo)、浮標(biāo)等海洋觀測(cè)設(shè)備來(lái)說(shuō),IES能夠滿足長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)的需求的同時(shí)能兼顧安全性、操作方便和成本較低等特點(diǎn)。

3 PIES的應(yīng)用簡(jiǎn)介

3.1 PIES在世界大洋中的應(yīng)用

目前 PIES/CPIES已應(yīng)用在全球海洋多個(gè)區(qū)域,并取得了一系列成果。下面重點(diǎn)介紹目前世界上已經(jīng)成功布放的規(guī)模較大的科學(xué)觀測(cè)項(xiàng)目。

圖2 CPIES在全球海洋中的應(yīng)用分布圖Fig. 2 Map of CPIES application distribution in the global ocean

3.1.1 KESS計(jì)劃

黑潮延伸體系統(tǒng)研究(Kuroshio extension system study, 簡(jiǎn)稱KESS)的總體目標(biāo)定量定性的分析黑潮延伸體和黑潮回轉(zhuǎn)環(huán)流之間的變化和相互作用的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)過(guò)程。2004年到2006年, 美國(guó) 3所單位(羅得島大學(xué)、伍茲霍爾海洋研究所和夏威夷大學(xué))的研究人員在日本以東布放了近底部壓力、流速傳感器的 CPIES陣列(見(jiàn)圖 3)。其是目前世界上最大的單體 CPIES陣列, 共包括 46座CPIES, 8座錨系潛標(biāo)。該陣列的成功實(shí)施, 通過(guò)4D分辨率的時(shí)變密度和速度場(chǎng), 計(jì)算分析了該區(qū)域的熱量、鹽度、動(dòng)量和位勢(shì)渦度的跨鋒面交換, 極大地促進(jìn)了黑潮延伸體區(qū)域的動(dòng)力學(xué)特征及黑潮結(jié)構(gòu)變異的研究[20-25]。

圖3 KESS項(xiàng)目站位分布圖Fig. 3 Map of KESS project station distribution

3.1.2 Drake Passage項(xiàng)目

Drake Passage CPIES項(xiàng)目(以下簡(jiǎn)稱cDrake)的目標(biāo)是了解南極繞極流(ACC)在德雷克海峽的輸運(yùn)通量和變化的動(dòng)力過(guò)程。該計(jì)劃由美國(guó)Scripps 研究所和羅德島大學(xué)共同開(kāi)展共歷時(shí)4 a(2007—2011年),于 2007年在德雷克海峽部署了 41座 CPIES并在2011年回收(圖4), 期間每年通過(guò)聲波遙測(cè)技術(shù)收集數(shù)據(jù), 使儀器在項(xiàng)目結(jié)束前不受干擾極大的節(jié)省了各類成本, 并有效地保證了數(shù)據(jù)的連續(xù)性。該項(xiàng)目用一條斷面跨越德雷克海峽來(lái)研究南極繞極流輸運(yùn)的水平和垂直結(jié)構(gòu)時(shí)間變化過(guò)程, 同時(shí)利用局部動(dòng)力學(xué)陣列描述中尺度渦旋場(chǎng), 并為觀測(cè)陣列和數(shù)值模擬的評(píng)估提供指導(dǎo)作用[26-27]。

圖4 Drake Passage項(xiàng)目站位分布圖Fig. 4 Map of Drake Passage project station distribution

3.1.3 JES(Japan/East Sea)項(xiàng)目

該計(jì)劃由韓國(guó)海洋與發(fā)展研究機(jī)構(gòu)(Korean Ocean Reasearch and Development Institute(KORDI))和日本的應(yīng)用力學(xué)研究所(Research Institute for Applied Mechanics(RIAM))共同合作下組織開(kāi)展。從1999年6月到2001年7月, 在日本海的西南端布放以5×5的陣列排列的25個(gè)CPIES, 每個(gè)站位之間的間距為55～60 km(圖5), 該陣列回收了23個(gè)PIES和12個(gè)單點(diǎn)海流計(jì) RCMs。該項(xiàng)目旨在了解日本海西南地區(qū)的中尺度環(huán)流、觀測(cè)對(duì)馬暖流分支的輸運(yùn)時(shí)間變化特征以及對(duì)近海環(huán)流和東朝鮮暖流的上層環(huán)流和路徑變化進(jìn)行觀測(cè), 進(jìn)一步了解該區(qū)域內(nèi)上層、深層海流與渦旋之間相互作用的物理過(guò)程[28-31]。

圖5 JES項(xiàng)目站位分布圖Fig. 5 Map of JES project station distribution

3.1.4 GOM(Gulf of Mexico)項(xiàng)目

GOM 項(xiàng)目是由美國(guó)羅德島大學(xué)為主導(dǎo)的觀測(cè)計(jì)劃, 觀測(cè)區(qū)域集中在墨西哥灣, 也是目前世界上 IES布放數(shù)量最多的區(qū)域, 時(shí)間跨度從2001—2009年。但是GOM陣列并不是單次完成的布放, 其歷經(jīng)9年共由5次觀測(cè)布放。早在2001年, 針對(duì)DeSoto峽谷渦旋入侵墨西哥灣的研究布放了3套CPIES, 其后分別在2003—2004年, 2004—2005年, 2004—2006年完成了針對(duì)墨西哥灣的中部、西部和東部的觀測(cè)陣列PIES布放, 最后在2009—2011年布放了間隔為53 km左右的25座CPIES, 其目的是為了研究墨西哥灣流套環(huán)流的動(dòng)力特征[32-34]。

除了上述幾個(gè)大型的計(jì)劃以外, 還有其他大小規(guī)模不一的CPIES觀測(cè)等。

3.1.5 PIES在我國(guó)的應(yīng)用

PIES在我國(guó)的觀測(cè)應(yīng)用較晚。直到2012年, 自然資源部第二海洋研究所(SIOMNR)引進(jìn)了 5臺(tái)PIES并在南海西沙附近實(shí)現(xiàn)了成功布放和回收, 并獲取了接近 22個(gè)月的數(shù)據(jù), 結(jié)合建立的 GEM反演了南海海域觀測(cè)時(shí)間內(nèi)的溫度、鹽度和流速的時(shí)空分布和變化特征, 捕捉到了中尺度渦的橫切斷面結(jié)構(gòu)[35], 同時(shí)觀測(cè)到了南海北部近 7天的海底壓力對(duì)大氣表面壓力和風(fēng)的響應(yīng)[36]。借助于 CPIES, Zhao等首次發(fā)現(xiàn)了南海海底壓強(qiáng)的近 5天振蕩特征[37]。這也是PIES在我國(guó)的應(yīng)用布放并取得的一系列的研究成果之一。

2018年 6月, 在自然資源部“全球變化與海氣相互作用專項(xiàng)”項(xiàng)目下, 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所(IOCAS)和 SIOMNR開(kāi)展合作在呂宋海峽周邊布放了40套CPIES和3套錨系潛標(biāo)陣列(圖6)。這是我國(guó)首次超大規(guī)模的 CPIES觀測(cè)應(yīng)用, 在世界上也是單體規(guī)模第三大的陣列, 并且于2019年8月成功回收了39套CPIES。

圖6 呂宋海峽附近CPIES項(xiàng)目站位分布圖Fig. 6 Map of CPIES project station distribution near the Luzhon Strait

呂宋海峽是太平洋西邊界地區(qū)的重要豁口, 也是南海和太平洋物質(zhì)及能量交換的最主要通道。黑潮作為最強(qiáng)勁的西邊界流之一, 對(duì)西邊界地區(qū)的海洋環(huán)流和氣候等具有重大影響。呂宋海峽黑潮兩側(cè)都是中尺度渦高發(fā)區(qū), 西傳中尺度渦對(duì)黑潮流量和流軸都有重要的調(diào)制作用。因而對(duì)該類問(wèn)題的研究需要進(jìn)一步確定中尺度渦的結(jié)構(gòu)特征及其演變過(guò)程等, 而目前對(duì)于中尺度渦的研究其主要是基于平均態(tài)的溫鹽場(chǎng), 因而很少有覆蓋到渦旋內(nèi)部的觀測(cè)陣列所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行的研究。圖7所示的CPIES初步反演的氣旋渦某個(gè)時(shí)刻溫鹽異常的三維結(jié)構(gòu)圖,基于此我們?cè)趨嗡魏{附近獲取了長(zhǎng)達(dá)一年的數(shù)據(jù),加之該區(qū)域是中尺度渦高發(fā)地區(qū), 因而我們可以持續(xù)的對(duì)中尺度渦進(jìn)行跟蹤反演, 進(jìn)而研究中尺度渦旋的演變過(guò)程。因此CPIES在我國(guó)的應(yīng)用可對(duì)呂宋海峽水交換變化特征、中尺度渦三維結(jié)構(gòu)以及黑潮-中尺度渦相互作用過(guò)程等科學(xué)問(wèn)題展開(kāi)深入的分析,為我國(guó)在該海域的研究提供新手段新思路的同時(shí)進(jìn)一步提高海洋科學(xué)的研究水平。

圖7 臺(tái)灣以東中尺度渦的溫度和鹽度異常三維結(jié)構(gòu)分布Fig. 7 Three-dimensional structure distribution of temperature and salinity anomaly of mesoscale eddies east of Taiwan. The green triangle is the CPIES site

4 CPIES的應(yīng)用前景及展望

IES的發(fā)展及應(yīng)用已經(jīng)約半個(gè)世紀(jì), 到目前為止IES的觀測(cè)能力已經(jīng)有了極大的提升, 可搭載壓力傳感器(PIES)和流速儀(CPIES)對(duì)基本的物理海洋背景參數(shù)進(jìn)行多維度的觀測(cè)。結(jié)合 GEM 方法, 可反演得到四維空間尺度的溫度、鹽度和流速場(chǎng)。CPIES的應(yīng)用可對(duì)如下科學(xué)問(wèn)題的研究提供一些新的思路方式：(1)中尺度渦三維結(jié)構(gòu)。中尺度渦作為海洋物質(zhì)和能量輸運(yùn)的載體普遍存在于世界海洋中, 其動(dòng)能要比大部分海域的平均動(dòng)能大一個(gè)量級(jí), 對(duì)大洋環(huán)流、海洋能量平衡、水團(tuán)分布、熱鹽和營(yíng)業(yè)物質(zhì)輸運(yùn)等具有重大作用[38-40]。近年來(lái)由于衛(wèi)星產(chǎn)品、水下剖面浮標(biāo)(Argo)、錨系潛標(biāo)陣列以及航次調(diào)查提供的數(shù)據(jù)和模式產(chǎn)品的應(yīng)用, 對(duì)于中尺度渦的平均態(tài)三維結(jié)構(gòu)已經(jīng)取得了很大的認(rèn)識(shí)[41-43], 但是目前對(duì)于中尺度渦的三維結(jié)特征仍需要進(jìn)一步的研究。圖8所示的為CPIES陣列與錨系潛標(biāo)結(jié)合觀測(cè)表層和次表層中尺度渦示意圖,基于 CPIES陣列的布放, 將能捕捉到中尺度渦過(guò)程并基于數(shù)據(jù)反演描述其結(jié)構(gòu), 為研究中尺度渦提供一種新的手段方式。(2)渦流相互作用過(guò)程： 中尺度渦在世界大洋廣泛存在且與大洋環(huán)流緊密相連, 而渦流相互作用過(guò)程復(fù)雜, 動(dòng)力機(jī)制尚不明確, 是國(guó)際前沿問(wèn)題,也是國(guó)內(nèi)外學(xué)者比較關(guān)注的方向。

逆式回聲記錄儀目前已經(jīng)在世界多個(gè)海區(qū)實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模的成功應(yīng)用, 相對(duì)于同等規(guī)模的錨系潛標(biāo)陣列, 其具有明顯的布放回收方便、性價(jià)比高和安全性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。基于 CPIES的應(yīng)用, 可解析出中尺度過(guò)程等海洋動(dòng)力參數(shù)過(guò)程, 進(jìn)一步認(rèn)識(shí)中尺度渦產(chǎn)生機(jī)制, 并能對(duì)小尺度現(xiàn)象如內(nèi)波和內(nèi)潮等進(jìn)行觀測(cè)。對(duì)后續(xù)大洋環(huán)流理論發(fā)展、中尺度渦產(chǎn)生和消亡機(jī)理、海洋中不同尺度能量串級(jí)等具有重要意義。

圖8 臺(tái)灣以東CPIES觀測(cè)示意圖Fig. 8 Schematic of CPIES observations east of Taiwan