南海三維溫鹽結(jié)構(gòu)對(duì)海水透明度的影響分析

鄧美環(huán), 郝增周, 龔 芳, 陶邦一, 何賢強(qiáng)

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南海三維溫鹽結(jié)構(gòu)對(duì)海水透明度的影響分析

鄧美環(huán)1,2, 郝增周1,2, 龔 芳1,2, 陶邦一1,2, 何賢強(qiáng)1,2

(1.衛(wèi)星海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 浙江 杭州, 310012; 2.國(guó)家海洋局第二海洋研究所, 浙江 杭州, 310012)

無(wú)人水下航行器(UUV)試驗(yàn)作業(yè)、航行深度和航路選擇等活動(dòng)受海流、透明度、躍層、海水溫度和鹽度等海洋復(fù)雜水文環(huán)境的影響。研究結(jié)合衛(wèi)星遙感和數(shù)值模式數(shù)據(jù), 從信息流的角度分析了南海海域三維溫鹽結(jié)構(gòu)對(duì)海水透明度(SDD)的影響及區(qū)域分布特征, 規(guī)避了在傳統(tǒng)相關(guān)性分析中無(wú)法準(zhǔn)確描述變量間因果影響關(guān)系的不足。結(jié)果表明, 因受高溫低鹽海域葉綠素濃度較高的影響, 表層鹽度較低的中沙群島及近岸海域, 其SDD主要受淺層海水鹽度的影響; 表層高溫低鹽的南沙群島附近海域SDD主要受20~30 m深處的海水溫度影響; 表層高溫高鹽的西沙群島附近海域SDD主要受60~70 m深處的海水溫度和鹽度影響; 由于受溫度鋒面和懸浮泥沙的影響, 呂宋海峽附近海域SDD主要受30~50 m深處海水溫度的影響。水下三維海水溫度和鹽度的變化影響甚至?xí)觿DD的變化, 因此建議UUV在航行和試驗(yàn)作業(yè)時(shí)應(yīng)盡量選擇最大SDD深度以下, 同時(shí)避開(kāi)水下三維海水溫度和鹽度對(duì)SDD影響較大的深度, 以保證UUV航行的安全、可靠和隱蔽性。

水下航行器; 海水透明度; 三維溫鹽結(jié)構(gòu); 信息流

0 引言

無(wú)人水下航行器(Unmanned Undersea Vehicle, UUV)是一種可搭載多種傳感器或?qū)Ｓ迷O(shè)備的水下運(yùn)動(dòng)平臺(tái), 能夠在水下自主或控制航行, 因其具有較強(qiáng)的靈活性和隱蔽性, 已被廣泛應(yīng)用于水下環(huán)境調(diào)查、目標(biāo)探測(cè)和跟蹤等諸多領(lǐng)域[1]。但UUV的航行會(huì)受到海流、躍層、海水透明度(Secci disk depth, SDD)、海水溫度和鹽度等主要海洋水文環(huán)境因素的影響, 例如 SDD會(huì)影響UUV的安全性和隱蔽性[2]。

UUV的水下通信和探測(cè)常以聲學(xué)或激光為主, 水中聲傳播、光傳播主要受海面、海底、海水介質(zhì)以及水中懸浮物濃度的影響[3]。Richards等[4]通過(guò)研究淺海水域懸浮物濃度對(duì)聲衰減的影響, 建立了稀混濁水體的附加聲衰減系數(shù)的計(jì)算模型。文洪濤等[5]在總結(jié)國(guó)內(nèi)外的混合水聲衰減研究的基礎(chǔ)上, 考慮混濁水體中懸浮物濃度和種類等特性, 對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化, 獲得了更準(zhǔn)確的聲衰減系數(shù)。彭臨慧等[6]利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù), 計(jì)算分析了中國(guó)近海的懸浮物濃度與聲波衰減的關(guān)系, 指出當(dāng)泥沙類懸浮物濃度高于0.1 kg/m3、有機(jī)類懸浮物濃度高于1 kg/m3時(shí)將會(huì)對(duì)聲波傳輸產(chǎn)生影響。在水下激光傳播方面, 姜璐等[7]基于輻射傳遞方程和對(duì)比傳輸方程建立了激光雷達(dá)最大探測(cè)深度與SDD兩者間的關(guān)系式。鐘曉春等[8]使用半解析蒙特卡羅方法對(duì)光束在海水中的衰減進(jìn)行分析, 結(jié)果表明, 后向散射系數(shù)對(duì)水下傳輸?shù)挠绊戄^大, 水中懸浮體濃度影響水下目標(biāo)的探測(cè)性能。因此, 水中懸浮物濃度或SDD影響著UUV平臺(tái)水下探測(cè)和通信的能力。

SDD的分布與其等深線的分布和走向基本一致, 一般沿岸淺海水域SDD較低, 大洋開(kāi)闊水域SDD較高。SDD作為描述海洋水體光學(xué)性質(zhì)的一個(gè)重要參數(shù), 受海水三維溫鹽結(jié)構(gòu)的影響。海水三維溫鹽結(jié)構(gòu)決定海水溫躍層和混合層深度, 從而影響水中懸浮物和SDD的分布。Yanagi等[9]利用三維模型對(duì)黃海和東海的懸浮物濃度沉積過(guò)程和分布狀況進(jìn)行模擬, 結(jié)果表明, 受三維海水結(jié)構(gòu)的影響, 不同海區(qū)的懸浮物類型不同。張晨等[10]建立了一個(gè)三維溫鹽流耦合數(shù)值模型并模擬了黃渤海溫躍層的形成演化機(jī)制, 結(jié)果表明, 溫躍層的深度及厚度受潮流和風(fēng)浪的共同作用。而溫躍層內(nèi)部的物質(zhì)能量交換受混合層湍流混合的卷入和卷出過(guò)程影響[11], 在混合層較深區(qū)域, 海水混合劇烈, 從而影響SDD的分布。

然而, 目前對(duì)SDD和環(huán)境因子關(guān)系的研究大都是針對(duì)表層環(huán)境要素的定性分析, 如黎潔溪等使用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析得到, 中國(guó)近海海域SDD主要受海水深度、季風(fēng)活動(dòng)及陸地徑流等因素的影響, 其中部分海域如南海北部、東海海域和臺(tái)灣海峽海域的SDD還受到黑潮的影響[12-14]。海水溫度、鹽度等環(huán)境因子影響葉綠素的含量, 從而間接影響SDD的變化, 但高磊等[15]研究了青島近岸SDD與多種環(huán)境因子的關(guān)系, 對(duì)常規(guī)監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行了相關(guān)分析, 結(jié)果顯示海水鹽度與SDD呈現(xiàn)顯著相關(guān), 而海水溫度與SDD的相關(guān)性較差。可以看出, 相關(guān)分析并不能很好地刻畫2個(gè)變量間是否存在影響。鑒于此, 文中采用信息流理論, 描述2個(gè)變量間的影響關(guān)系, 重點(diǎn)研究南海海域三維溫鹽結(jié)構(gòu)對(duì)SDD的影響, 其結(jié)果對(duì)UUV航行的路線規(guī)劃、水聲探測(cè)等方面具有一定指導(dǎo)意義[2,16]。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

南海是中國(guó)近海中面積最大、平均水深最深的海域, 平均水深約1 212 m, 最大水深5 559 m。 水下航行器試驗(yàn)和活動(dòng)區(qū)域最大水深可達(dá)6 km, 因此, 南海是水下航行器試驗(yàn)和活動(dòng)的優(yōu)選區(qū)域。但該海區(qū)受季風(fēng)、海流和上升流的作用明顯, 影響SDD的分布。研究選擇0o~25oN、100o~125oE海域, 覆蓋中國(guó)南海海域, 水深分布如圖1所示。

SDD是指水中白色圓盤的反射光及白盤以上水柱的散射光與周圍海水散射光平衡時(shí)的深度, 用來(lái)表征光線穿透海水的深度, 其測(cè)量通常采用人工目測(cè)布放的水下塞克盤深度的測(cè)量方式。但隨著衛(wèi)星遙感探測(cè)技術(shù)以及SDD探測(cè)原理研究的發(fā)展, 衛(wèi)星光學(xué)遙感探測(cè)技術(shù)已能獲取大范圍的SDD信息, 其反演算法可以分為直接反演和間接反演兩種。直接反演是利用光學(xué)遙感探測(cè)的離水輻亮度或反射率直接估算, 間接反演是通過(guò)反演海水水體固有光學(xué)性質(zhì), 進(jìn)而估算SDD。文中采用基于二流方程和對(duì)比傳輸理論模型得到水下物體的能見(jiàn)度模型, 建立SDD與水體光學(xué)固有光學(xué)量的關(guān)系模型[17]

式中: s為懸浮泥沙濃度。圖2給出了2010~2012年南海年均SDD的空間分布。

溫鹽流是表征物理海洋特征的基本參數(shù), 水下空間三維溫鹽結(jié)構(gòu)能夠刻畫海水溫度和海水鹽度的時(shí)空變化和動(dòng)態(tài)分布。全球Argo探測(cè)系統(tǒng)能夠探測(cè)水下三維溫鹽結(jié)構(gòu), 但獲得的僅是有限數(shù)量點(diǎn)上的溫鹽數(shù)據(jù)。目前大面積的溫鹽結(jié)構(gòu)常常依靠數(shù)值模式模擬獲得，文中所用的三維溫鹽結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)為法國(guó)Mercator Ocean公司負(fù)責(zé)的哥白尼海洋監(jiān)測(cè)計(jì)劃(Copernicus marine environment monitoring service, CMEMS)模擬的全球海洋再分析數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)采用歐洲海洋環(huán)流模式模擬獲得,模式采用等矩形水平網(wǎng)格, 水平分辨率為1/4, 垂直分層共75層, 其中小于200 m時(shí)采用大洋水深地形圖(general bathymetric chart of the oceans, GEBCO)進(jìn)行分層, 共分為31層, 大于300 m時(shí)采用1弧分網(wǎng)格全球地形數(shù)據(jù)集(1 arc-minute earth topography, ETOPO1)進(jìn)行分層, 共分為41層, 200~300 m采用線性差值, 分為3層。模擬過(guò)程中采用墨卡托同化系統(tǒng)2.0(système d’assimi- lation mercator version 2, SAM2)將實(shí)測(cè)的溫鹽剖面數(shù)據(jù)、遙感的海表溫度和海面高度異常數(shù)據(jù)、海冰數(shù)據(jù)同化進(jìn)數(shù)值模式,模擬再分析, 獲得三維溫鹽數(shù)據(jù)[18-19]。

1.2 研究方法

1.2.1 多源衛(wèi)星SDD融合方法

1.2.2 Liang-Kleman信息流以及時(shí)序因果分析

相關(guān)分析是分析變量間關(guān)聯(lián)關(guān)系的常用方法, 變量間的關(guān)聯(lián)性可用相關(guān)系數(shù)大小表示, 但不能很好地刻畫變量間的因果性[20], 雖然后來(lái)發(fā)展的時(shí)間滯后相關(guān)分析[21]能分析變量間的因果影響關(guān)系, 卻不能分辨相位差是因滯后還是超前影響而引起的。2000年, Schreiber[22]提出了信息流的概念, 2014年, Liang等[20,23]引入信息流分析解釋了不同變量之間的因果影響, 適用于線性或非線性系統(tǒng), 解決了有關(guān)因果性與相關(guān)性的長(zhǎng)期爭(zhēng)端。

2 結(jié)果與分析

2.1 表層海水溫度和鹽度對(duì)SDD的影響

圖5為南海海域表層海水溫度和鹽度至SDD信息流的空間分布, 全面地給出了表層海水溫度和海水鹽度對(duì)SDD影響顯著的區(qū)域。整個(gè)南海海域的表層海水溫度對(duì)SDD有顯著影響的區(qū)域主要集中分布在呂宋海峽西側(cè), 南沙群島及其以南附近海域, 同時(shí)其信息流的傳遞均為正值, 表明該海域海水溫度變化會(huì)引起SDD的劇烈波動(dòng); 南海北部陸架海域也是表層海水溫度對(duì)SDD有顯著影響的區(qū)域, 但其表層海水溫度對(duì)信息流的傳遞為負(fù)值, 表明該海域海水溫度使得SDD的變化趨于平穩(wěn); 中沙群島和西沙群島附近海域, 表層海水溫度對(duì)SDD幾乎沒(méi)有影響。主要原因是因?yàn)閰嗡魏{西側(cè)和南海北部陸架海域存在多個(gè)溫度鋒面, 溫度鋒面影響懸浮泥沙的擴(kuò)散與沉降, 從而影響SDD的變化。而南沙群島附近海域?yàn)楦邷氐望}海區(qū), 溫度影響葉綠素的濃度, 間接影響SDD的變化。表層海水鹽度對(duì)SDD的影響主要集中在沿岸和南海海盆海域, 其他海域的表層海水鹽度對(duì)SDD幾乎沒(méi)有影響, 這主要是因?yàn)辂}度過(guò)高會(huì)影響浮游植物的生長(zhǎng), 降低葉綠素濃度, 由于徑流注入和降水的作用, 沿岸和南海海盆海域的海水鹽度較低, 導(dǎo)致葉綠素濃度較高, 對(duì)SDD的影響較為顯著。

2.2 三維溫鹽結(jié)構(gòu)對(duì)海水透明度的影響分布

圖6分別給出了22.76 m, 47.21 m, 69.02 m 三個(gè)深度下, 海水溫度和海水鹽度到SDD的信息流分布。其中圖6(a)~(c)為海水溫度到SDD的信息流分布, 圖6(d)~(f)為海水鹽度到SDD的信息流分布。浮游植物生長(zhǎng)受溫度和鹽度的共同作用, 海水葉綠素濃度隨深度的變化曲線呈現(xiàn)傾斜的正態(tài)分布特征, 造成不同海域達(dá)到最大葉綠素濃度的深度不同。同時(shí), 海水三維溫鹽結(jié)構(gòu)的變化不僅影響葉綠素濃度還影響混合層的深度, 從而影響SDD的變化。從整體上看, 海水鹽度對(duì)SDD影響程度隨深度增加而逐漸減弱的區(qū)域主要集中分布在表層鹽度較低的沿岸和中沙群島附近海域; 海水溫度和海水鹽度對(duì)SDD影響程度隨深度增加而逐漸增大的區(qū)域主要分布在表層為高溫高鹽的西沙群島海域; 海水溫度對(duì)SDD影響程度并不隨深度增加而發(fā)生明顯變化的區(qū)域主要分布在呂宋海峽西側(cè)海域, 且一直呈現(xiàn)較高的值, 其原因是該海域SDD主要受溫度鋒面的影響。海水溫度到SDD的信息流傳遞方向隨著深度的增加而發(fā)生變化的區(qū)域主要集中在北部灣海域, 臺(tái)灣島南部和南沙群島及其以南海域。其中北部灣海域由負(fù)的信息傳遞變?yōu)檎男畔鬟f, 而臺(tái)灣島南部和南沙群島及其以南海域則是由正的信息傳遞變?yōu)樨?fù)的信息傳遞。

3 討論

為分析說(shuō)明SDD主要受哪層深度處的海水溫度和海水鹽度的影響, 研究根據(jù)計(jì)算的不同深度處海水溫度和海水鹽度到SDD的信息流, 選取信息流達(dá)到第1個(gè)極值點(diǎn)的深度作為該海域SDD受海水溫度和海水鹽度影響最大的深度。圖7給出了海水溫度和鹽度對(duì)SDD影響最大的深度分布, 可以看出, 在呂宋海峽西側(cè), 40~50 m深度處的海水鹽度對(duì)SDD影響最大; 西沙群島附近海域, 60~80 m深度處的海水溫度和鹽度對(duì)SDD影響最大; 北部灣海域, 表層至10 m深度處的海水溫度對(duì)SDD的影響最大; 而海水鹽度對(duì)SDD影響最大的深度在20~40 m之間; 南海南部表層至40 m深度處的海水溫度對(duì)SDD影響最大; 海盆東側(cè)海域, 表層至40 m深度處的鹽度對(duì)SDD影響最大。

進(jìn)一步分析討論南海海域影響SDD變化的主控因子的空間分布。研究利用海水溫度和海水鹽度到SDD的信息流差值, 結(jié)合海水溫度和海水鹽度對(duì)SDD影響最大的深度, 得到影響SDD變化的主控因子空間分布, 結(jié)果如圖8所示。由圖可知, 西沙群島和南沙群島附近海域, SDD受海水溫度和海水鹽度共同影響, 且兩者對(duì)SDD的影響程度相當(dāng); 在南海海盆周邊、呂宋海峽附近和南沙群島以南海域的SDD主要受海水水溫的影響, 海水水溫為主控因素; 南海海盆靠近中沙群島附近、東南半島沿岸和北海海域的SDD變化主要受海水鹽度的影響。

4 結(jié)論

研究引入信息流分析方法, 分析了南海海域表層海水溫度和海水鹽度對(duì)SDD的影響, 以及水下三維溫鹽結(jié)構(gòu)對(duì)SDD的影響。討論分析了SDD受海水溫度、海水鹽度影響最大的深度, 以及影響SDD變化的溫鹽主控因子。該方法克服了相關(guān)分析中變量間因果影響關(guān)系不明確的缺點(diǎn), 準(zhǔn)確刻畫海水溫度和鹽度與SDD間的影響關(guān)系, 為UUV航路規(guī)劃、作業(yè)深度選擇, 以及水下工程建設(shè)等提供科學(xué)依據(jù)和建議。

研究發(fā)現(xiàn), 由于溫度鋒面的作用, 表層海水溫度對(duì)SDD有顯著影響的區(qū)域主要分布在呂宋海峽西側(cè)和南海北部陸架海域。由于高溫低鹽的環(huán)境適合浮游植物的生長(zhǎng), 表層海水溫度對(duì)SDD有顯著影響的區(qū)域還分布在南沙群島及其以南附近海域; 表層海水鹽度對(duì)SDD有顯著影響的區(qū)域主要集中在沿岸和南海海盆海域。隨著深度的增加, 沿岸和中沙群島附近海域的海水鹽度對(duì)SDD影響程度逐漸減弱。呂宋海峽西側(cè)海域受到溫度鋒面的影響, 該海域海水溫度對(duì)SDD的影響程度并沒(méi)有因?yàn)樯疃鹊脑黾佣l(fā)生明顯變化, 其主要受到30~50 m深處海水溫度的影響, 海水鹽度幾乎不影響該海域的SDD。西沙群島附近海域的鹽度較高, 隨著深度的增加鹽度逐漸降低, 在60~70 m深處, 海水溫度和海水鹽度對(duì)SDD的影響最為顯著。而南沙群島及其以南附近海域, 主要受20~30 m深處的海水水溫影響。近岸和中沙群島附近海域, 則要受淺層海水鹽度的影響。海水溫度和鹽度變化會(huì)對(duì)SDD產(chǎn)生影響, 當(dāng)海水溫度或海水鹽度到SDD的信息流傳遞為正傳遞時(shí), 海水溫度或海水鹽度的變化將會(huì)導(dǎo)致下一時(shí)刻的SDD波動(dòng)劇烈, 因此, 進(jìn)行UUV投放、航行和試驗(yàn)時(shí), 一方面選擇SDD深度較大的海域, 另一方面應(yīng)盡量避開(kāi)SDD受海水溫度和海水鹽度影響較大的區(qū)域。

SDD作為描述海洋水體光學(xué)性質(zhì)的一個(gè)重要參數(shù), 并非依賴于單個(gè)環(huán)境因子, 而是受到多種環(huán)境因子共同作用,該研究分別計(jì)算并重點(diǎn)分析了海水溫度、鹽度對(duì)SDD的影響, 今后將會(huì)深入考慮海水溫度和鹽度等多種環(huán)境因子對(duì)SDD的綜合影響,對(duì)研究進(jìn)行完善。

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Effect of Three-Dimensional Temperature and Salinity Structure on Secci Disk Depth in South China Sea

DENG Mei-huan1,2, HAO Zeng-zhou1,2, GONG Fang1,2, TAO Bang-yi1,2, HE Xian-qiang1,2

(1.State Key Laboratory of Satellite Ocean Environment Dynamics, Hangzhou 310012, China 2.The Second Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Hangzhou 310012, China)

The experiment, navigation depth and sea route of an Unmanned Undersea Vehicle (UUV) are affected by ocean current, transparency, spring layer, seawater temperature and salinity, as well as other complex hydrological environments.Based on the information ?ow concept, this paper investigates the cause-e?ect relation between the three-dimensional temperature and salinity structure and the Secci Disk Depth (SDD) by using the data of satellite remote sensing and numerical model in South China Sea, which avoids the disadvantage of the traditional correlation analysis that the causal relationship among variables cannot be accurately described.The results show that: 1) The SDD in the area around the Zhongsha Islands and offshore with lower salinity is mainly affected by the salinity of the shallow sea water because the chlorophyll concentrations are high in the seawater with higher temperature and lower salinity; 2) Seawater of the area around the Nansha Islands with high temperature and low salinity, so the SDD mainly affected by the temperature of the seawater at a depth of 20-30 meters; 3) The SDD in the area around the Xisha Islands with higher temperature and salinity is mainly affected by the temperature and salinity of the seawater at a depth of 60-70 meters; and 4) Due to the influences of temperature front and suspended sediment, the SDD around Luzon strait is mainly affected by the temperature of the seawater at a depth of 30-50 meters.Therefore, it is suggested that UUV should navigate and conduct experiment beneath the depth with maximum SDD and keep away from the depth range, where the underwater three-dimensional temperature and salinity structure has significant impact on the SDD, in order to ensure its safety, reliability and invisibility.

unmanned undersea vehicle(UUV)；Secci disk depth(SDD); three-dimensional temperature and salinity structure; information flow

U674.941; P731.14; P722.7

A

2096-3920(2018)06-0596-09

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.06.014

2018-07-31;

2018-09-17.

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助(2016YFC1400203); 中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(JT1503).

鄧美環(huán)(1994-), 女, 在讀碩士, 研究方向?yàn)槎嘁仃P(guān)聯(lián)影響分析研究.

鄧美環(huán), 郝增周, 龔芳, 等.南海三維溫鹽結(jié)構(gòu)對(duì)海水透明度的影響分析[J].水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2018, 26(6): 596-604.

(責(zé)任編輯: 陳 曦)