逆式回聲測量儀在全球海洋中應用及前景展望

任 強 , 于 非 , 南 峰 , 王建豐 , 孫 凡 陳子飛

(1. 中國科學院海洋研究所, 山東 青島 266071; 2. 中國科學院海洋環流與波動重點實驗室, 山東 青島 266071; 3. 中國科學院大學, 北京 100049; 4. 中國科學院海洋大科學研究中心, 山東 青島 266071)

逆式回聲測量儀(inverted echo sounder, 簡稱IES)是由美國羅德島大學研制的一種坐底式海洋觀測儀器, 其主要測量聲波從海底到海表的傳播時間, 同時搭載壓力和流速傳感器后稱為CPIES (current-pressure inverted echo sounder), 能同步測量海底的壓力和流速流向。

1 IES的發展歷史及組成

早在1969年, Rossby就提出了利用海表到海底的聲速傳播時間來監測主溫躍層深度的變化的構想, 并隨后發明了逆式回聲儀[1]。在隨后的1973年, Rossby和Watts利用多臺IES在大洋動力學試驗中(MODEI)成功觀測到了溫躍層的變化, 這是首次IES的實際應用觀測, 受限于當時的技術條件, 觀測時間較短僅為2個月左右同時數據容量也非常小[2]。20世紀70年代中后期, IES改用耐壓的玻璃球結構同時集成了高精度壓力傳感器, 極大地提高了IES的測量精度和工作水深[3-4]。20世紀80—90年代, IES的硬件主要在存儲能力、遙測能力以及工作時長等方面有了很大的改進, 使得IES在更加復雜的海區穩定工作2～5 a。其后, IES的性能不斷加以完善, 并且根據需要開發出了許多不同功能以應對不同的觀測需求。同時能搭載壓力傳感器(pressure)和海流計(current)的CPIES, 在羅德島大學的開發下不斷得到完善。進入20世紀, IES通過技術積累, 主要在數據應用范圍等方面開展了研究, 如Watts和Sun等[5]結合歷史水文數據創建了根據傳播時間來反演全水層的溫度、鹽度和比容異常等參數的地轉經驗模態(gravest empirical mode, GEM)方法, 該方法是通過建立一個斜壓流函數, 將大量的歷史水文數據投影到此二維空間上, 從而得到一個垂向的水文結構場, 它的優點是能夠將所有觀測到的歷史數據進行整體的質控及診斷分析, 減少中尺度渦和海流等引起的非線性誤差。通過多個CPIES組成的觀測陣列, 基于GEM方法可以得到絕對流速垂直剖面, 隨后諸多研究完善了GEM方法, 并且在各個海區實現了成功應用[6-9]。后來Xu等[10]開發了一套用于處理CPIES數據中壓力漂移、跳、深度校正以及定標的新技術, 極大的提高了PIES的實際應用性能和范圍。

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、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、溫度傳感器和聲學換能器等傳感器, 同時可設置不同的工作間隔。

圖1 CPIES組成結構示意圖Fig. 1 A schematic diagram of structure and composite of CPIES

2 IES應用功能介紹

Pressure inverted echo sounder (PIES)獲取的數據同時借助于反演算法, 根據其不同的排列方式最終可以得到的參數信息如下表所示(表1)。兩個及以上的 CPIES組合可以反演出絕對流速剖面, 二維布放陣列可以實現觀測海區全水層的 4D速度和溫鹽密結構的反演。一方面, 在較為早的研究時期, IES主要被用來監測主溫躍層的深度的變化, 同時根據其與傳播時間、動力高度和總熱容量之間的線性關系可用于上述參數的計算。另一方面搭載了壓力和海流計的 CPIES能夠反演海洋垂直動力參數[11-14],如全水深的溫度、鹽度、比容異常剖面以及流速剖面, 但這類參數需要借助于2001年Watts和Sun提出的GEM方法進行反演計算。而GEM陣列是將歷史水文資料投影到二維空間上的數據庫, 其主要依賴于觀測海區歷史數據CTD剖面。GEM的成功應用, 可以說極大地提高PIES的觀測能力。再者, 多個 IES(PIES/CPIES)組成的陣列結合最優插值OI (optimal interpolation)方法[15]可以對觀測海區的物理參數的三維空間分布進行反演, 可對海洋中尺度現象過程進行研究。另外多個設備組成的陣列可觀測底層的溫度場、流場等, 目前在黑潮延伸體區域和德雷克海峽等多個海底區域布放的大型陣列已經獲得了長時間的海底實測數據, 并對相關區域的底部環流特征、水團交換及其與上層海洋關系等進行了一系列重要的研究[16-17], 一定程度上彌補了長期以來由于大洋底層連續觀測數據的不足而造成的近底層環流結構及其變化等的研究。同時還有諸多的學者利用改造后的 IES捕捉高頻的信號進行內波和內潮的觀測研究[18-19]。

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

自1973年IES第一次被應用于海洋現場觀測以來, 其技術能力經過近半個世紀的發展取得了極大的提升, 同時觀測能力已經被各國研究機構所認定并逐步形成了一種較為新型的觀測手段作為傳統海洋調查觀測的補充。目前CPIES在全世界的應用范圍非常廣, 基本上涵蓋了世界各大海區(圖 2), 圖中可以看出應用區域主要位于黑潮及其黑潮延伸體、日本海、北大西洋暖流區、南極繞極流等區域。進入 21世紀, 海洋學的研究已經進入新的發展階段,各個國家都日益加大對海洋科技的投入。長期連續數據的獲取仍然是目前海洋研究的重要方式之一,相對于其它錨系潛標、浮標等海洋觀測設備來說,IES能夠滿足長期連續觀測的需求的同時能兼顧安全性、操作方便和成本較低等特點。

3 PIES的應用簡介

3.1 PIES在世界大洋中的應用

目前 PIES/CPIES已應用在全球海洋多個區域,并取得了一系列成果。下面重點介紹目前世界上已經成功布放的規模較大的科學觀測項目。

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

3.1.1 KESS計劃

黑潮延伸體系統研究(Kuroshio extension system study, 簡稱KESS)的總體目標定量定性的分析黑潮延伸體和黑潮回轉環流之間的變化和相互作用的動力學和熱力學過程。2004年到2006年, 美國 3所單位(羅得島大學、伍茲霍爾海洋研究所和夏威夷大學)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。該陣列的成功實施, 通過4D分辨率的時變密度和速度場, 計算分析了該區域的熱量、鹽度、動量和位勢渦度的跨鋒面交換, 極大地促進了黑潮延伸體區域的動力學特征及黑潮結構變異的研究[20-25]。

圖3 KESS項目站位分布圖Fig. 3 Map of KESS project station distribution

3.1.2 Drake Passage項目

Drake Passage CPIES項目(以下簡稱cDrake)的目標是了解南極繞極流(ACC)在德雷克海峽的輸運通量和變化的動力過程。該計劃由美國Scripps 研究所和羅德島大學共同開展共歷時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), 期間每年通過聲波遙測技術收集數據, 使儀器在項目結束前不受干擾極大的節省了各類成本, 并有效地保證了數據的連續性。該項目用一條斷面跨越德雷克海峽來研究南極繞極流輸運的水平和垂直結構時間變化過程, 同時利用局部動力學陣列描述中尺度渦旋場, 并為觀測陣列和數值模擬的評估提供指導作用[26-27]。

圖4 Drake Passage項目站位分布圖Fig. 4 Map of Drake Passage project station distribution

3.1.3 JES(Japan/East Sea)項目

該計劃由韓國海洋與發展研究機構(Korean Ocean Reasearch and Development Institute(KORDI))和日本的應用力學研究所(Research Institute for Applied Mechanics(RIAM))共同合作下組織開展。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CPIES, 每個站位之間的間距為55～60 km(圖5), 該陣列回收了23個PIES和12個單點海流計 RCMs。該項目旨在了解日本海西南地區的中尺度環流、觀測對馬暖流分支的輸運時間變化特征以及對近海環流和東朝鮮暖流的上層環流和路徑變化進行觀測, 進一步了解該區域內上層、深層海流與渦旋之間相互作用的物理過程[28-31]。

圖5 JES項目站位分布圖Fig. 5 Map of JES project station distribution

3.1.4 GOM(Gulf of Mexico)項目

GOM 項目是由美國羅德島大學為主導的觀測計劃, 觀測區域集中在墨西哥灣, 也是目前世界上 IES布放數量最多的區域, 時間跨度從2001—2009年。但是GOM陣列并不是單次完成的布放, 其歷經9年共由5次觀測布放。早在2001年, 針對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年完成了針對墨西哥灣的中部、西部和東部的觀測陣列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流的動力特征[32-34]。

除了上述幾個大型的計劃以外, 還有其他大小規模不一的CPIES觀測等。

3.1.5 PIES在我國的應用

PIES在我國的觀測應用較晚。直到2012年, 自然資源部第二海洋研究所(SIOMNR)引進了 5臺PIES并在南海西沙附近實現了成功布放和回收, 并獲取了接近 22個月的數據, 結合建立的 GEM反演了南海海域觀測時間內的溫度、鹽度和流速的時空分布和變化特征, 捕捉到了中尺度渦的橫切斷面結構[35], 同時觀測到了南海北部近 7天的海底壓力對大氣表面壓力和風的響應[36]。借助于 CPIES, Zhao等首次發現了南海海底壓強的近 5天振蕩特征[37]。這也是PIES在我國的應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”項目下, 中國科學院海洋研究所(IOCAS)和 SIOMNR開展合作在呂宋海峽周邊布放了40套CPIES和3套錨系潛標陣列(圖6)。這是我國首次超大規模的 CPIES觀測應用, 在世界上也是單體規模第三大的陣列, 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的重要豁口, 也是南海和太平洋物質及能量交換的最主要通道。黑潮作為最強勁的西邊界流之一, 對西邊界地區的海洋環流和氣候等具有重大影響。呂宋海峽黑潮兩側都是中尺度渦高發區, 西傳中尺度渦對黑潮流量和流軸都有重要的調制作用。因而對該類問題的研究需要進一步確定中尺度渦的結構特征及其演變過程等, 而目前對于中尺度渦的研究其主要是基于平均態的溫鹽場, 因而很少有覆蓋到渦旋內部的觀測陣列所獲取的數據進行的研究。圖7所示的CPIES初步反演的氣旋渦某個時刻溫鹽異常的三維結構圖,基于此我們在呂宋海峽附近獲取了長達一年的數據,加之該區域是中尺度渦高發地區, 因而我們可以持續的對中尺度渦進行跟蹤反演, 進而研究中尺度渦旋的演變過程。因此CPIES在我國的應用可對呂宋海峽水交換變化特征、中尺度渦三維結構以及黑潮-中尺度渦相互作用過程等科學問題展開深入的分析,為我國在該海域的研究提供新手段新思路的同時進一步提高海洋科學的研究水平。

圖7 臺灣以東中尺度渦的溫度和鹽度異常三維結構分布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的應用前景及展望

IES的發展及應用已經約半個世紀, 到目前為止IES的觀測能力已經有了極大的提升, 可搭載壓力傳感器(PIES)和流速儀(CPIES)對基本的物理海洋背景參數進行多維度的觀測。結合 GEM 方法, 可反演得到四維空間尺度的溫度、鹽度和流速場。CPIES的應用可對如下科學問題的研究提供一些新的思路方式：(1)中尺度渦三維結構。中尺度渦作為海洋物質和能量輸運的載體普遍存在于世界海洋中, 其動能要比大部分海域的平均動能大一個量級, 對大洋環流、海洋能量平衡、水團分布、熱鹽和營業物質輸運等具有重大作用[38-40]。近年來由于衛星產品、水下剖面浮標(Argo)、錨系潛標陣列以及航次調查提供的數據和模式產品的應用, 對于中尺度渦的平均態三維結構已經取得了很大的認識[41-43], 但是目前對于中尺度渦的三維結特征仍需要進一步的研究。圖8所示的為CPIES陣列與錨系潛標結合觀測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程并基于數據反演描述其結構, 為研究中尺度渦提供一種新的手段方式。(2)渦流相互作用過程： 中尺度渦在世界大洋廣泛存在且與大洋環流緊密相連, 而渦流相互作用過程復雜, 動力機制尚不明確, 是國際前沿問題,也是國內外學者比較關注的方向。

逆式回聲記錄儀目前已經在世界多個海區實現了大規模的成功應用, 相對于同等規模的錨系潛標陣列, 其具有明顯的布放回收方便、性價比高和安全性強等優點。基于 CPIES的應用, 可解析出中尺度過程等海洋動力參數過程, 進一步認識中尺度渦產生機制, 并能對小尺度現象如內波和內潮等進行觀測。對后續大洋環流理論發展、中尺度渦產生和消亡機理、海洋中不同尺度能量串級等具有重要意義。

圖8 臺灣以東CPIES觀測示意圖Fig. 8 Schematic of CPIES observations east of Taiwan