倒置式回聲儀的研究進展

趙瑞祥，朱小華

（國家海洋局第二海洋研究所，衛星海洋環境動力學國家重點實驗室，浙江 杭州 310012）

倒置式回聲儀的研究進展

趙瑞祥，朱小華*

（國家海洋局第二海洋研究所，衛星海洋環境動力學國家重點實驗室，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間。倒置式回聲儀具有體積小、設置方便、性價比高、安全性強等特點。IES已經成功應用于全球多個海區，并取得了舉世矚目的成果。文中回顧了IES的發展歷史，系統介紹了有關IES的研究成果與進展及在我國的初步應用。

倒置式回聲儀；發展歷史；研究進展；初步應用

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間（Vertical Acoustic Travel Time，VATT）。

IES的觀測原理是通過測量聲傳播時間來監測溫躍層深度變化，最早由Rossby[1]于1969年提出。IES經羅德島大學（Rhode Island University）幾十年的發展，技術日趨成熟，功能也越來越強大。最新的IES具備壓力傳感器，并有海流計的數據接口，還可通過聲通訊實現遙測（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；而同時配備壓力傳感器和海流計的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：（1）觀測時間長，一般連續觀測 2～5 a；（2）體積小，設置方便；（3）適合大面積陣列觀測；（4）觀測性價比高。IES觀測資料配合GEM(Gravest Empirical Mode)、最優插值（Optimal Interpolation）等反演技術，可獲得傳統觀測方式都難以得到的全水深的溫度、鹽度、流場等海洋環境動力要素的三維時空分布；（5）安全性強。具體表現在：IES不受海水腐蝕影響，并且工作環境穩定，幾乎不受漁業活動破壞，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據。

1 IES的發展歷史

自1973年IES問世以來，羅德島大學便不斷改進其性能，并根據觀測研究需要，開發出不同功能的IES。目前IES觀測技術日趨成熟，已能夠經濟有效地觀測并反演溫度、鹽度和流場等海洋動力要素的時空分布。表1給出了IES的主要發展歷史。

除了傳統的IES（包括PIES和C-PIES），還有針對不同觀測和應用需求的特殊IES。如2005年在南海布放的Wave-IES[7]、2006年結合水平靜電計（Horizontal Electrometer）觀測海流的 H-PIES，以及2007年采用彈出（Pop-up）技術，并通過銥星通訊實現數據遙測的Pop-up IES。

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

表1 IES的主要發展進程

圖1 1973年在MODE I實驗中投放的IES[2]

圖2 C-PIES的結構示意圖

2 IES的應用

IES已成功應用于全球多個海區，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方面。

（1） 主溫躍層深度及其相關參數的觀測。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]結合已有的水文實測數據發現主溫躍層的深度和海底-海面聲音往返傳播時間之間存在很好的線性關系，由此提出了IES觀測的概念。后來，在1973年實施的MODE I實驗中，Watts和Rossby首次應用IES，成功監測到灣流區兩個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系。此后，在全球多個海域[8-11]，特別是在美國大淺灘和佛羅里達之間，多次觀測實驗采用IES反演主溫躍層深度及其相關參數。在灣流區，IES還用于監測灣流鋒區的位置和流徑。

（2） 海洋動力參數剖面的反演。 Watts和Rossby[2]指出，IES所測量的VATT是一個從海底到海面的垂向積分量，因此它僅對第一斜壓模態的變化敏感，而對垂向的細微結構不敏感。早期的研究中，IES僅用來觀測主溫躍層深度及其相關參數，并沒有人反演得到海洋動力參數的剖面分布。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觀測的往返傳播時間和海底壓力的時間序列，通過深度轉化（leveling）后，可以在GEM上查找到對應的全水深的溫度、鹽度、比容異常剖面，從而進一步計算得到流場分布。Watts和Sun還在GEM表層和次表層加入季節模型，以提高GEM對受熱鹽強迫顯著的上層海洋的模擬能力。GEM大大拓展了PIES的應用范圍，顯著提高了其觀測能力。GEM已成功應用于北大西洋暖流[12]、黑潮區[13]、南極繞極流[6]、日本海[14]、琉球海流[15]、黑潮延伸體[16]等多個海區的PIES（C-PIES）觀測反演中。

建立和應用GEM有兩點需要特別注意：（1）GEM以研究海區的歷史水文資料為基礎，因此在建立GEM之前，需要確認該海區先前已進行了足夠多的CTD觀測；（2）標準的GEM假定往返傳播時間和溫鹽剖面之間有一一對應的經驗關系。然而，在某些海區，受到熱鹽入侵或風攪拌等因素的影響，溫鹽剖面呈現多個模態，因此在這些海區應用GEM時，需要采用其他的參數來解釋這些模態帶來的方差，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）時發現，由于該海區永久溫躍層太淺且季節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的關系，標準的GEM并不適用。因此，他利用歷史水文實測數據相對美國海軍的MODAS（Modular Ocean Data Assimilation System）的修正，建立了“殘余 GEM”（Residual GEM）（圖 3(b)）。Park 等[14]則結合衛星SST資料建立起多參數GEM技術（MI-GEM，Multi-Index GEM）（圖 3(c),圖 3(d)）。相對殘余 GEM技術，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） 海洋動力參數的三維反演。 單獨的IES（包括PIES，CPIES）只能對投放點的海洋動力參數進行觀測和反演。而將多個IES組成陣列，采用最優插值（Optimal Interpolation，以下稱為 OI）方法，就可對投放海區的海洋動力參數的三維空間分布做出最優估計。OI由Bretherton等[18]在1976年引入海洋學，并在20世紀80年代中期引入IES的數據處理。Watts等[19]使用OI來繪制灣流鋒區的網格化溫躍層深度場。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測得海底壓力數據，通過OI來繪制灣流區的深水流場和壓力場。Donohue等[16]則結合KESS項目中的C-PIES陣列，采用GEM和OI技術，得到黑潮延伸體區的溫度、鹽度、流場的三維時空演變，并分析了反演誤差（圖4）。

圖4 Donohue等[16]估計得到的在200 m深平面的最優插值法誤差場

（4） 內波和內潮的觀測。 以上觀測研究皆關注海洋中的中尺度現象和過程。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波和內潮信號。Park[22]通過IES，系統地研究了存在于日本海西南部（郁陵海盆）的內潮。Farmer[7]，Li[23]則通過IES觀測到南海的非線性內波。

3 PIES在我國的初步應用

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率先引進了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22個月的傳播時間和海底壓力的時間序列。通過建立該區域的GEM，成功反演了該海區投放期間的溫度、鹽度、流速等水文要素的時空分布和演變，捕捉到觀測期間幾個中尺度渦的斷面結構，如圖6所示，第1行圖是衛星海面高度計觀測到的MSLA(Merged Sea Level Anomaly,多衛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；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行PIES觀測，它的成功標志著我國具有獨立進行PIES的布放、回收和數據處理的能力。

圖5 國家海洋局第二海洋研究所布放PIES時的情景

圖6 PIES觀測到的2013年10月20日至11月30日的暖渦

4 結語

IES具有體積小、設置方便、性價比高、安全性強等特點，因此適合于大面陣列觀測。IES經過羅德島大學數十年的發展，技術日趨成熟，功能日益強大。現有的IES都附有壓力計和海流計的接口，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動力參數的變化，而隨后發展的PIES則可通過GEM反演溫度、鹽度和流速等海洋動力參數的剖面分布，而PIES（C-PIES）組成的陣列則可采用最優插值法進一步反演海洋動力參數的三維時空分布。另外，經過改造的IES可對內波和內潮等小尺度現象進行觀測。

我國于2012年10月起連續22個月在南海西沙附近海域成功實施了PIES觀測，反演得到了溫度、鹽度、流速等海洋動力參數的時空變化，并成功觀測到了中尺度渦動力結構的詳細變化過程。

目前，我國不少單位已經計劃引進IES，“863”等項目也正在組織實施IES的研發。IES在我國的應用將大大提高我國深遠海洋動力環境的觀測能力，促進我國海洋科學研究水平的提升。

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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

國家重點基礎研究發展規劃資助項目（2011CB403503）；國家自然科學基金資助項目（41176021，41321004，41276095）

趙瑞祥（1989-），男，碩士，研究實習員，主要從事物理海洋學觀測研究。E-mail:zhaorx@sio.org.cn

朱小華（1963-），男，博士，研究員，主要研究方向為物理海洋學觀測。E-mail:xhzhu@sio.org.cn