陳　釗，呂連港，楊光兵，姜　瑩，劉洪寧，楊春梅，劉宗偉

(1．國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061；2．海洋環(huán)境科學和數(shù)值模擬國家海洋局重點實驗室,山東 青島 266061)

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基于船載ADCP和LADCP觀測的南海聲散射層*

陳釗1，2，呂連港1，2，楊光兵1，2，姜瑩1，2，劉洪寧1，2，楊春梅1，2，劉宗偉1，2

(1．國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061；2．海洋環(huán)境科學和數(shù)值模擬國家海洋局重點實驗室,山東 青島 266061)

摘要:依據(jù)2012年ROSE航次船載ADCP和LADCP的觀測數(shù)據(jù)，對南海秋季聲散射層的垂向分布特征和日變化進行了分析；根據(jù)估算出的散射層中散射體的垂向遷移速度，對散射體類型進行了分析。觀測結果表明，南海存在著2個聲散射層，一個聲散射層位于0～200 m，散射強度具有顯著的日變化特征，即白天弱，夜晚強；另一聲散射層則處于300～500 m的深度，其散射強度的日變化與另一個相反，白天較強，夜晚變?nèi)?。通過計算可得，散射體的垂向遷移，在傍晚時分運動方向向上，速度約為1.74 cm/s；而凌晨左右運動方向向下，速度約為1.39 cm/s。觀測結果還表明,ADCP和LADCP的觀測結果能夠互相補充，更有利于對聲散射層的細致研究。

關鍵詞：聲散射層；垂直遷移；日變化；LADCP；船載ADCP；南海

聲學多普勒流速剖面儀(Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP)是20世紀80年代初發(fā)展起來的一種新型測流設備，被廣泛應用于海洋調(diào)查、海洋物理學研究的海水流速、流向等水文要素的測量，有時也被用來測量浮游動物的豐度和生物量[1-4]。利用ADCP的觀測數(shù)據(jù)可以用來研究灣流彎曲[5]、渦旋[6-7]、海洋鋒[8]和北太平洋中層水輸運[9]等對浮游動物分布的影響。由于其具有較高的時間和空間分辨率， ADCP的觀測結果還可以用于研究海洋生物的垂直遷移[10-16]和季節(jié)性遷移[17]。

散射層是海洋中聚集有數(shù)量眾多并能造成強烈聲散射的生物群(浮游生物和魚)的水層[18]。散射層中的生物體根據(jù)其覓食或生存的需求，會進行垂直遷移[19]，形成復雜的食物網(wǎng)[20]，導致散射層具有明顯的日變化特征。南海是西北太平洋最大的半封閉海域，海洋資源豐富。目前，對南海聲散射層的研究并不多見，且大多研究集中于如下方面：通過爆炸聲源產(chǎn)生的混響信號，計算聲散射層的深度、厚度和強度[21]；利用回聲測深儀觀測到聲散射層的垂直移動[22]；在測試聲相關流速剖面儀同時對聲散射層進行觀測[23]。這些研究只進行了短時間的觀測，沒有對聲散射層的分布特征進行詳細刻畫。

本文利用2012年“西太平洋海域海洋災害對氣候變化的響應(ROSE)”航次船載ADCP和下放式ADCP(Lowered Acoustic Doppler Current Profiler，LADCP)的觀測結果，研究了南海聲散射層的垂向分布及其日變化，估算了散射體的垂向遷移速度并對散射體的類別進行了判斷，最后對船載ADCP和LADCP觀測數(shù)據(jù)的差異進行了分析。

1觀測及數(shù)據(jù)處理

1.1觀測和儀器設置

在南海進行的航次的工作計劃中包含水文、氣象、生物和化學四個相關領域的觀測。本文所用數(shù)據(jù)來自“ROSE”2012年航次，調(diào)查船為“向陽紅09”。海上調(diào)查始于2012-09-06，于09-22完成全部站位作業(yè)。觀測的航線和站位見圖1。觀測從A1站位開始，到C4站位結束，船載ADCP沿著航線收集數(shù)據(jù)，在09-16—17期間進行了25 h海浪及海洋上層混合的連續(xù)觀測。

調(diào)查中所用的38 kHz船載ADCP參數(shù)設置成垂向16 m為一層，共60層，數(shù)據(jù)采樣時間間隔為6 s，第一層到ADCP設備的距離為25 m，設備放置在水下6 m。LADCP的工作頻率為307 kHz，參數(shù)設置為垂向8 m一層，共14層，數(shù)據(jù)采樣時間間隔為1 s，第一層到LADCP設備的距離為10 m，設備深度由自帶的壓力傳感器提供。調(diào)查中使用的溫鹽深測量系統(tǒng)(Conductivity-Temperature-Depth system，CTD)的型號是海鳥SBE911，可以獲得溫度、電導率、壓力和聲速等水文資料，數(shù)據(jù)采樣率為24 Hz。作業(yè)時，CTD和LADCP一起下放回收。E1站位的LADCP數(shù)據(jù)損壞，無法使用。

圖1　2012年南?！癛OSE”航次的航跡和站位Fig.1　Ship track and observation stations of 2012'S ROSE cruise in the South China Sea

1.2聲速剖面和船載ADCP深度修正

圖2a為調(diào)查海區(qū)中水深超過1 000 m的29個站位的平均聲速剖面，從圖中可以看出50～1 000 m深度聲速具有負梯度，從1 540 m/s附近逐漸減小。船載ADCP在判斷后向散射回波信號對應的水層深度時，認為聲速為常數(shù)，其值默認為設備所在水深對應的聲速值。當接收回聲時間一定時，負的聲速梯度使得船載ADCP設置的深度和實際深度之差逐漸增大。根據(jù)觀測的聲速剖面可以對船載ADCP計算的第N層水體深度進行修正，修正后的第N層水體到ADCP的垂直距離d可表示為

(1)

式中，dN為第N層水體到ADCP的默認垂直距離；c1為換能器位置的聲速，即ADCP的默認聲速；c′為從換能器到第N層的平均聲速。ADCP設置的各水層深度與修正后的深度之差如圖2b所示。

圖2　平均聲速剖面和船載ADCP設置與修正深度之差Fig.2　Profile of the average sound velocity and the difference between the pre-set and corrected depths for the ship-board ADCP

1.3后向散射強度及垂直遷移速度估算

用WinADCP軟件導出船載ADCP的原始數(shù)據(jù)，將平均完好率小于80時刻的數(shù)據(jù)剔除，對4個波束數(shù)據(jù)進行平均，計算得到平均回聲強度數(shù)據(jù)，利用式(2)[24]計算后向散射強度Sv。

Sv=C+KC(EI-Er)+20lg(RN)+2αRN,

(2)

式中，C是與ADCP自身有關的常數(shù)；KC是轉(zhuǎn)換系數(shù)；EI是觀測所得回聲強度；Er是ADCP信號強度本底值；α為海水的吸聲系數(shù)；RN是沿著波束方向到第N層水層的長度，其計算公式[24]為

(3)

式中，B為盲區(qū)的長度；L為脈沖長度；D為ADCP設置的層深；θ為換能器波束與垂直方向的夾角。對數(shù)據(jù)進行范圍檢驗，去除后向散射強度小于-104 dB的數(shù)據(jù)(所有時刻平均回聲強度為-107 dB)，最后將數(shù)據(jù)按時間20 min為一組進行平均，獲得后向散射的平均強度。

導出LADCP的平均回聲強度和深度數(shù)據(jù)，取每個時刻第一層的回聲強度和對應深度進行處理，則RN保持不變，計算后向散射強度。將數(shù)據(jù)按深度排序，每隔1 m取一個回聲強度的平均值，再利用公式(2)計算LADCP觀測的后向散射強度。

散射體的垂直遷移速度用后向散射強度異常值SVA進行估算[16]。SVA定義為

(4)

式中，Z代表深度；t代表時間；Sv(Z,t)是船載ADCP觀測的散射強度平均日變化；Sv(Z)是Sv(Z,t)在時間上的均值。因為SVA的0 dB等值線(L0(t))代表后向散射強度等于平均值的位置，即由散射體遷移導致的后向散射強度異常的邊界，所以散射體的遷移速度可以用L0(t)對時間的導數(shù)進行估算。

2觀測結果

2.1船載ADCP觀測結果

船載ADCP觀測的后向散射強度的時間—深度分布見圖3，圖中的白色區(qū)域表示此時設備不工作，或者觀測數(shù)據(jù)完好率較低被剔除。圖中黑框圈出的時刻調(diào)查船正在淺水區(qū)域避風。從圖中可以看出，在整個航線上都存在2個聲散射層。一個聲散射層分布于深度小于200 m的位置，并且其散射強度具有日變化，即白天變?nèi)?，夜晚變強。?00～500 m存在另一聲散射層，其強度的日變化特征與上一個相反。

圖3　船載ADCP觀測的后向散射強度的時間-深度分布Fig.3　Time-depth contour of backscattering intensity measured by the ship-board ADCP

將每天同一時刻的散射強度進行平均，得到南海散射層散射強度的平均日變化如圖4所示。從圖中可以較明顯地看出上散射層散射強度呈現(xiàn)白天弱、夜晚強的日變化特征；而深散射層與上散射層散射強度的日變化呈現(xiàn)一種反相變化，表現(xiàn)為白天強、夜晚弱的特征。從圖中亦可見兩個散射層之間在03:00—05:00和15:00—17:00兩個時間段的垂直方向上變化。經(jīng)分析這種變化應該是由散射體遷移造成的，部分散射體在黎明時向深海遷移，傍晚時向上層遷移。

圖4　船載ADCP觀測的散射強度的平均日變化Fig.4　The mean diurnal variation of the scattering intensity measured by the ship-board ADCP

2.2LADCP觀測結果

各個站位LADCP觀測數(shù)據(jù)的后向散射強度如圖5所示。由圖可見，所有站位散射強度隨深度的變化趨勢基本一致，水深超過500 m的站位都可以分辨出2個散射層的存在，而A2，A8，B4，D5，D7和E3站位在100～200 m深度上可以看到出現(xiàn)了第三個聲散射層。

圖5　LADCP觀測的各站位后向散射強度Fig.5　Profiles of backscattering intensity measured by the LADCP in all of the cruise stations

圖6給出了基于LADCP和船載ADCP觀測數(shù)據(jù)的后向散射強度的站位平均值。從圖中可以看出多站位平均后的聲散射層分布情況，LADCP與船載ADCP的結果基本一致，第一散射層分布于0～200 m，而第二散射層分布于300～500 m。對比而言，LADCP觀測的后向散射強度略強，且第二散射層分布的深度略淺。

根據(jù)圖6所示，選取0～200 m的散射強度平均值作為第一散射層的散射強度，選取300～500 m的散射強度平均值作為第二散射層的散射強度，將各站位散射層的散射強度按照觀測時間進行排序，可以得到散射層的日變化趨勢圖(圖7)?？梢钥闯觯谝簧⑸鋵?6：00—18:00時間段內(nèi)的散射強度較其他時間略低(圖7a)，整體呈現(xiàn)白天弱、夜晚強的變化特征；第一散射層06：00—18:00時間段內(nèi)的散射強度較其他時間略高(圖7b)，整體呈現(xiàn)白天強、夜晚弱的變化特征。

圖6　后向散射強度的多站位平均值Fig.6　The spatial average of backscatter strength

圖7　基于LADCP的散射層散射強度的日變化趨勢圖Fig.7　The diurnal variation of backscatter strength within the scattering layer obtained by LADCP

3討論

3.1散射體類別和遷移速度

雖然依據(jù)ADCP或LADCP的觀測結果不能分辨散射體的類別，但是相同區(qū)域的生物調(diào)查可以提供相關的信息。1983-1985年在南海中部海域進行了4個航次的生物調(diào)查，共布設18個垂直分層觀測站，采用大型浮游生物標準網(wǎng)附加閉鎖裝置，分別在0～100，100～200和200～500 m水深處各垂直拖取一次浮游動物樣品。樣品的分析結果表明，南海中部海域在0～100 m水層中浮游動物數(shù)量最多，其中橈足類的種類最為豐富，其次是水母類、毛顎類和端足類，100～200 m層中橈足類大量減少，200～500 m層橈足類顯著增加[25]；1997-11和1999-04、1999-07在南沙群島海區(qū)3個晝夜連續(xù)站采集了毛顎動物(一種浮游動物)樣品進行研究，結果表明部分毛顎動物進行晝夜垂直遷徙[26]；2002-05對南沙群島渚碧礁浮游動物的群落結構、平面分布、垂直分布和晝夜變化等進行了觀測，結果表明礁坪的浮游動物數(shù)量晝夜變化顯著，均呈白天減少、夜晚增加，其中橈足類數(shù)量最多，其次是浮游幼蟲和毛顎類[27]。浮游動物具有夜晚上升，白天下降的遷移規(guī)律[28]，這種垂直遷移方式和遷移范圍與用ADCP觀測的聲散射層變化特征一致，且聲散射層變化特征符合生物活動的規(guī)律，因此聲散射層的晝夜變化現(xiàn)象可能是由浮游動物的垂直遷移引起的。

圖8為SVA均值的日變化。根據(jù)L0(t)可以看出，散射體大約從05:00開始向下遷移(由100 m附近遷移到350 m)，整個向下的遷移過程持續(xù)到10:00左右結束，遷移速度約為1.39 cm/s；14:00開始向上遷移(由350 m遷移到100 m上下)，整個向上的遷移過程持續(xù)到18:00結束，遷移速度約為1.74 cm/s。

圖8　基于ADCP的SVA均值的日變化Fig.8　The mean diurnal variation of the SVA obtained by the ship-board ADCP

3.2船載ADCP和LADCP對比

船載ADCP觀測的散射層強度和LADCP觀測的結果不同(圖6)，原因是船載ADCP和LADCP的工作頻率不同，307 kHz的LADCP可以探測到個體更小的散射體，從而影響了接收回聲的強度，同時使兩種ADCP觀測的散射體垂直分布深度產(chǎn)生差異。

38 kHz船載ADCP的最大測量深度為1 000 m左右，而LADCP測量范圍更廣，最大測量深度可達6 000 m。船載ADCP可以在水平方向上獲得高密度的數(shù)據(jù)，而LADCP只能在站位進行定點觀測；LADCP可以在垂向上獲得高密度的數(shù)據(jù)，而船載ADCP的參數(shù)設置為每隔16 m水深記錄一組數(shù)據(jù)，無法得到每層內(nèi)部的回聲情況。

圖9為A2站位ADCP和LADCP觀測的散射強度，其中船載ADCP取09-07T16:19附近的20 min平均值，此時LADCP下放到100 m左右。由圖可知，LADCP的數(shù)據(jù)顯示在第一散射層以下，深度為100 m左右又出現(xiàn)了一層散射層，而船載ADCP觀測的現(xiàn)象并不明顯，說明此處的散射體對高頻信號的散射能力更強。

圖9　A2站位的散射強度Fig.9　The scattering intensity at station A2

5結論

利用船載ADCP和LADCP的觀測數(shù)據(jù)，研究了南海聲散射層的垂向分布及其日變化特征。觀測結果表明南海一般存在2個聲散射層，第一散射層分布于0～200 m，而第二散射層分布于300～500 m。2個聲散射層都有明顯的日變化，白天上散射層弱，深散射層強，晚間則相反，這種變化和浮游動物垂直遷移規(guī)律一致，所以散射層的晝夜變化現(xiàn)象應該主要是由浮游動物的垂直遷移引起的。用L0(t)估算了散射體的垂直遷移速度，傍晚向上遷移的速度約為1.39 cm/s，凌晨向下遷移的速度約為1.74 cm/s。

船載ADCP觀測的散射層與LADCP觀測結果有差異，這是船載ADCP和LADCP頻率不同引起的，頻率高的LADCP可以探測到更小的散射體。38 kHz船載ADCP的最大測量深度僅有1 000 m左右，而LADCP測量范圍廣，最大測量深度可達6 000 m。船載ADCP可以在水平方向上獲得高密度的數(shù)據(jù)，而LADCP只能在站位進行定點觀測；LADCP可以在垂向上獲得高密度的數(shù)據(jù)，而船載ADCP設置為每隔16 m水深記錄一組數(shù)據(jù)，這樣無法得知每層內(nèi)部的回聲情況。處理LADCP數(shù)據(jù)時只取每個位置第一層的回聲進行處理，則其回聲強度與后向散射強度的變化一致，可以更準確地描述散射層垂直變化。

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Received: June 8, 2015

*收稿日期：2015-06-08

作者簡介：陳釗(1990-)，男，山東青島人，碩士研究生，主要從事聲學海洋學方面研究.E-mail：chenzhao@fio.org.cn(王燕編輯)

中圖分類號：P733.2

文獻標識碼：A

文章編號：1671-6647(2016)02-0240-10

doi:10.3969/j.issn.1671-6647.2016.02.009

Research on Sound Scattering Layer in the South China Sea Observed With Ship-board ADCP and LADCP

CHEN Zhao1,2, Lü Lian-gang1,2, YANG Guang-bing1,2, JIANG Ying1,2,LIU Hong-ning1,2, YANG Chun-mei1,2, LIU Zong-wei1,2

(1.TheFirstInstituteofOceanography,SOA, Qingdao 266061, China;2.KeyLaboratoryofMarineScienceandNumericalModeling,SOA, Qingdao 266061, China)

Abstract:The vertical distribution feature and diurnal variation of sound scattering layers in the South China Sea were analyzed with the data obtained by the ship-board ADCP and LADCP during an autumn cruise of the ROSE(Responses of Marine Hazards to Climate Change in the Western Pacific) project in 2012. The scatterers in the scattering layer were categorized by the estimates of their vertical speeds. The measurements showed the existence of two sound scattering layers at two depths, 0～200 m and 300～500 m. Significant diurnal variation was observed in the shallower scattering layer, with weak strength in daytime and strong in nighttime. While this diurnal variation was reversed in the deeper counterpart, with strong strength in daytime and weak in nighttime. The vertical moving velocities of the scatterers were also estimated, with an ascending velocity of around 1.74 cm/s at nightfall and a descending velocity of around 1.39 cm/s before dawn. The analysis also showed that the measurements made by ADCP and LADCP could well complement each other, which benefits the study on sound scattering layer.

Key words:sound scattering layer; vertical migration; diurnal variation; Lowered Acoustic Doppler Current Profiler; Ship-board Acoustic Doppler Current Profiler; South China Sea

資助項目：國家自然科學基金委員會-山東省人民政府聯(lián)合資助海洋科學研究中心項目——海洋環(huán)境動力學和數(shù)值模擬(U1406404)