南海北部聲散射季節(jié)變化

高 爽 ，楊光兵 ，熊學軍

（1. 中海石油(中國)有限公司深圳分公司 深水工程建設中心, 廣東 深圳 518067；2. 自然資源部 第一海洋研究所, 山東 青島 266061；3. 自然資源部 海洋環(huán)境科學與數(shù)值模擬重點實驗室, 山東 青島 266061；4. 山東省海洋環(huán)境科學與數(shù)值模擬重點實驗室, 山東 青島 266061；5. 青島海洋科學與技術(shù)(試點)國家實驗室 區(qū)域海洋動力學與數(shù)值模擬功能實驗室, 山東 青島 266237）

聲散射是指聲波在傳播過程中遇到障礙物時，聲波偏離原來的傳播方向，向四周擴散開來的現(xiàn)象。在海洋中，聲波在遇到粗糙的海底和海面，以及水體中的微小顆粒時，都會發(fā)生聲散射現(xiàn)象。水體中的聲散射現(xiàn)象對開展多個學科的聲學海洋學研究具有重要意義[1-5]。利用水體中微小顆?！半S波逐流”的特性和多普勒原理，能夠通過測量微小散射顆粒的后向散射信號發(fā)生的多普勒頻移獲取水體的三維流速，基于上述原理開發(fā)的聲學多普勒流速剖面儀（Acoustic Doppler Current Profiler, ADCP）是20世紀80年代以來最重要的海洋觀測儀器之一[6-8]。此外，海洋層結(jié)也能夠引起顯著的聲散射信號，聲散射信號的時間深度分布已經(jīng)成為刻畫高分辨率內(nèi)波波面的重要手段[9]。近些年來，通過刻畫聲散射信號在不同頻段的變化特性，聲散射信號還被用來反演水體中湍流過程[10-11]。海水中的浮游動物是生物鏈中的重要一環(huán)，在海洋生態(tài)系統(tǒng)中不可或缺。浮游動物同時參與碳、氮等多種生化要素的匯集和釋放過程，因此在生物地球化學過程中扮演重要角色[4]。大量浮游動物的運動甚至還能對海水的混合產(chǎn)生重要影響[12]。認識浮游動物的時空分布特征及其海洋環(huán)境的關(guān)系對于理解和預測浮游動物在不同情景中所能產(chǎn)生的影響至關(guān)重要[13-14]。相對于傳統(tǒng)的拖網(wǎng)采樣手段，利用聲散射方法觀測浮游動物的活動特性和時空變化特征具有快速高效的特點，已經(jīng)成為研究浮游動物的重要手段[15-16]。海水中的懸浮泥沙是另一種重要的散射源，懸浮泥沙的輸運對認識海底沉積動力過程有重要意義，相較于傳統(tǒng)的通過采水、抽濾測量懸浮泥沙的方法，通過聲散射信號反演水體中的懸浮泥沙的粒徑、濃度等信息方便高效，已經(jīng)成為一種可靠和流行的手段[17-19]。

在海上工程保障中，經(jīng)常需要利用聲散射方法和相關(guān)儀器監(jiān)測內(nèi)波、強流、泥沙輸運、生物活動等[20-21]，水體中復雜多樣的散射體使得聲散射信號具有復雜的來源，各種海洋儀器設備利用聲散射信號開展測量時往往會被不同散射源的散射信號所干擾，排除干擾散射信號是保障海洋儀器設備性能的前提條件[22-24]。由于在不同海區(qū)的物理環(huán)境、生態(tài)環(huán)境顯著不同，因此海水中的散射源具有明顯差異，造成了不同海區(qū)具有明顯不同的散射信號特征。南海北部海洋動力過程復雜，生物過程多樣，同時南海北部海區(qū)是重要的海洋工程開展區(qū)域和重要的漁業(yè)區(qū)域。本研究海區(qū)為我國南海海洋石油開發(fā)活動的毗鄰區(qū)，同時也是內(nèi)波活動的上游區(qū)，掌握該海區(qū)的聲散射特征，將有助于開發(fā)新型海洋內(nèi)波監(jiān)測設備，幫助理解生物附著等生物活動規(guī)律，對海洋工程開發(fā)建設也具有積極的意義。

此前，在南海北部開展的聲散射研究通常觀測時間較短，并且往往采用船載移動觀測平臺，造成觀測結(jié)果較少且相對不夠穩(wěn)定[25-28]。本研究利用在南海北部布放的錨系系統(tǒng)，基于覆蓋4個季節(jié)的長期觀測數(shù)據(jù)給出了更可靠的聲散射強度的季節(jié)變化特征。

1 方法和數(shù)據(jù)

本研究的觀測站位位于南海北部陸坡處（圖1），站位經(jīng)緯度為（116°00′E，20°24′N），水深約650 m,觀測方式為錨系定點連續(xù)觀測。錨系系統(tǒng)包括2套美國TRDI公司生產(chǎn)的WHLR型ADCP，背靠背安裝在同一位置處，其中向上測量的75 kHz ADCP，向下測量的為300 kHz ADCP。

圖1 觀測站位和海區(qū)地形Fig. 1 Location of the observation stations and seafloor topography in the study area

從2018年10月至2020年1月，分別在1月、4月、7月和10月四個月份開展了代表4個季節(jié)的錨系定點連續(xù)觀測（表1）。如表1所示，在4次觀測中錨系系統(tǒng)的配置基本類似，主要區(qū)別為在1月、4月和7月的3次觀測中，將2套ADCP安裝在約450 m深度處；而在10月的觀測中，將2套ADCP安裝在約580 m深度處。在全部4個月份的觀測中，2套ADCP的層厚均設置為8 m一層，采樣間隔均設置為3 min。75 kHz ADCP測量層數(shù)為60層，能夠覆蓋從觀測點至海面的全部水層；300 kHz ADCP的層數(shù)為15層，覆蓋水層厚度約120 m。

表1 各季節(jié)錨系系統(tǒng)觀測參數(shù)Table 1 The observation parameters of mooring system in each season

ADCP觀測所直接導出的數(shù)據(jù)為回聲強度數(shù)據(jù)，需要通過轉(zhuǎn)化以獲取聲散射強度（Sv）。具體轉(zhuǎn)化關(guān)系式為[29]：

式中：C為ADCP性能相關(guān)常數(shù)，300 kHz ADCP為-148.2 dB，75 kHz ADCP為-163.3 dB；Tx是ADCP所在位置的海水溫度（°C）；φ為近場校正函數(shù)，即當觀測層距離換能器較近時，需要考慮換能器的非球面擴展，由于本文采用的ADCP第一層離換能器的距離已經(jīng)超過了臨界距離，所以無需進行近場校正；R為換能器沿著聲波波束方向與散射體之間的距離（m），需要考慮ADCP換能器與垂直法向的傾斜角將ADCP測層與換能器的距離轉(zhuǎn)換為ADCP沿聲波束傳播至散射體的距離，本研究所采用的ADCP換能器傾斜角均為20°；LDBM與聲波脈沖長度L（m）有關(guān)，LDBM=10lgL，DBM表示分貝米，即長度取對數(shù)，75 kHz ADCP的L為10 m，300 kHz ADCP的L為5 m；PDBW與聲波的發(fā)射功率有關(guān)，PDBW=10lgP, DBW表示分貝瓦，即功率取對數(shù)，75 kHz ADCP的PDBW為24，300 kHz ADCP的PDBW為14；α為吸收衰減系數(shù)（dB/m），為頻率、溫度等的函數(shù)；Kc為比例因子（dB/count），其典型值為0.45 dB/count；E為回聲強度（count），即ADCP直接輸出的數(shù)據(jù)；Er為噪聲本底值（count），ADCP設置成功后在空氣中正常工作所采集到的回聲強度可以認為是Er。

不同的入射聲頻率具有不同的散射顆粒粒徑敏感范圍[30]，一般認為300 kHz ADCP能探測到的散射顆粒粒徑為16～1 600 μm，而75 kHz ADCP能探測到的散射顆粒粒徑為64～6 400 μm。由于不同ADCP的散射顆粒粒徑探測范圍不同，故本文不直接對比兩型ADCP之間的觀測結(jié)果。此外，由于錨系系統(tǒng)受到海流影響會來回擺動，本文利用ADCP姿態(tài)數(shù)據(jù)對設備擺動傾斜引起的誤差進行了修正。

2 觀測結(jié)果和討論

2.1 水文背景季節(jié)變化特征

圖2為觀測期間的水溫和表征層結(jié)的浮力頻率情況。表層水溫在秋季最大，約29 °C，在冬季最低，約24 °C。在200 m以淺區(qū)域，水溫秋季最高，夏春次之，冬季最低。在200 m以深，水溫的季節(jié)變化不明顯。層結(jié)的主要區(qū)別在于冬季具有較深的混合層，表層層結(jié)弱，而其他季節(jié)海面附近層結(jié)則較強。層結(jié)在4個季節(jié)的區(qū)別主要體現(xiàn)在100 m以淺區(qū)域，在更深的區(qū)域，層結(jié)的季節(jié)變化不明顯。

圖2 4個季節(jié)的水溫和浮力頻率剖面Fig. 2 The depth profiles of seawater temperature and buoyancy frequency in four seasons

2.2 水體聲散射整體季節(jié)變化特征

在4個季節(jié)中聲散射均主要分為2層，即位于約100 m深度附近的上散射層和位于400 m深度附近的深散射層（圖3）。2個散射層之間每天出現(xiàn)2次條帶狀連接，這是由于浮游動物的晝夜垂直遷移（Diel Vertical Migration，DVM）引起的強散射條帶。由于整體的聲散射結(jié)構(gòu)存在明顯的晝夜變化，即上散射層在白天弱、夜間強，深散射層相應地為白天強、夜間弱，因此，浮游動物應為海區(qū)內(nèi)的一個主要散射體來源。

就季節(jié)變化而言，冬季和夏季的上散射層最淺，位于100 m以淺；春季和秋季的上散射層較深，其深度接近200 m。深散射層冬季最淺，其上緣接近300 m深度處；夏季最深，基本位于400 m以深位置；春秋兩季相似，介于冬夏兩季之間。因此，兩散射層的距離在夏季最遠，冬季次之，春、秋季最近。在200～300 m深度處、白天出現(xiàn)的較低散射區(qū)域內(nèi)，冬季的散射最強，而夏季最弱。此外，在春季和冬季，還可發(fā)現(xiàn)在上散射層和深散射層之間的200 m水深處，還存在一層較弱的主要出現(xiàn)在夜間的散射層。

圖4為300 kHz聲散射層在4個季節(jié)的變化情況，可見冬季聲散射強度的晝夜變化最不明顯。此外，冬季深散射層深度最淺（圖3），說明浮游動物在冬季的遷移深度比較淺，因此導致300 kHz ADCP測量范圍內(nèi)的浮游動物晝夜遷移引起的散射強度變化很小。由圖4可見，夏季雖然存在晝夜變化，但是強度較弱，而夏季的深散射層雖然最深，但是強度在4個季節(jié)中最弱（圖3），說明夏季深散射層中的浮游動物量可能最少；春季的聲散射強度和晝夜變化在4個季節(jié)中最強也最明顯，秋季雖然由于觀測深度較深聲散射強度較弱，但晝夜變化明顯（圖3和圖4），因此可以認為春秋兩季深散射層中的浮游生物量最大，遷移深度也比較深。

圖3 4個季節(jié)的75 kHz聲散射強度分布Fig. 3 Distribution of the sound scattering intensity at 75 kHz in four seasons

圖4 4個季節(jié)的300 kHz聲散射強度分布Fig. 4 Distribution of the sound scattering intensity at 300 kHz in four seasons

2.3 聲散射日變化的季節(jié)變化特征

散射強度分布的日變化在4個季節(jié)中也有顯著不同的變化特征。圖5為4個季節(jié)中的1 d散射強度變化情況，其最主要特征體現(xiàn)在浮游動物晝夜遷移發(fā)生時間顯著不同。夏季，浮游動物離開上散射層的時間最早，在清晨05:00即開始向下遷移，在傍晚浮游動物從深散射層回到上散射層的時間最晚，返回時間接近20:00；冬季，浮游動物向深散射層遷移的時間最晚，在早晨06:00之后才開始遷移，在傍晚浮游動物從深散射層回到上散射層的時間最早，在18:00之前即能回到上散射層；春秋兩季的遷移時間介于冬夏兩季之間。

由圖5還可見內(nèi)波活動引起的散射層的快速抖動。其中，春季的散射層抖動更密集而冬季的散射層抖動相對較少，這表明夏季的內(nèi)波活動更多，這與此前的內(nèi)波觀測結(jié)果基本一致[31]。

圖6為300 kHz聲散射強度的日變化情況。由圖6可見，春秋兩季聲散射強度存在顯著的晝夜變化，即白天向下遷移的浮游動物使480～580 m乃至590～640 m（秋季）深度的聲散射產(chǎn)生了顯著上升；在夏季，這一深度聲散射強度的晝夜變化很弱，這可能主要是由深散射層在夏季本身強度較弱引起的（圖5）；在冬季，這一深度的聲散射強度的晝夜變化也不明顯，這應主要是由深散射層在冬季比較淺所致。

圖5 4個季節(jié)的75 kHz聲散射強度日變化Fig. 5 The daily variation of the sound scattering intensity at 75 kHz in four seasons

圖6 4個季節(jié)的300 kHz聲散射強度日變化Fig. 6 The daily variation of the sound scattering intensity at 300 kHz in four seasons

2.4 時間平均聲散射強度的季節(jié)變化

圖7為4個季節(jié)中時間平均75 kHz聲散射強度的深度分布，從圖7中可見明顯的2層散射層結(jié)構(gòu)和散射強度的四季變化。在上散射層中（100 m以淺），同深度層夏秋兩季的聲散射強度最強，而春冬兩季較低；在深散射層中，春冬兩季聲散射最強，而夏秋較低。深散射層存在散射強度極大值，冬季極大值的位置最淺，夏季最深。在2個散射層之間存在聲散射強度極小值，秋季的散射極小值所處深度最深，位于約300 m深度處；夏季的散射極小值所處深度最淺，位于約240 m深度處；秋季的散射強度極小值最小，而其余3個季節(jié)的極小值比較接近。

圖7 時間平均75 kHz聲散射強度深度剖面的季節(jié)變化Fig. 7 The Seasonal variations of depth profiles of the time-averaged sound scattering intensity at 75 kHz

圖8為不同季節(jié)時間平均的300 kHz聲散射強度在490～580 m深度層的變化情況。由于秋季的觀測深度不在此深度范圍，所以沒有一起比較。從春、夏、冬三個季節(jié)可見，在490～580 m深度層，聲散射強度也存在一個極小值，該值深度在冬季最淺，位于約520 m深度處；在夏季最深，位于約530 m深度處；春季則處于冬夏之間。

圖8 時間平均300 kHz聲散射強度深度剖面的季節(jié)變化Fig. 8 The Seasonal variations of depth profiles of the time-averaged sound scattering intensity at 300 kHz

3 結(jié) 語

本文利用在南海4個季節(jié)開展的錨系觀測數(shù)據(jù)，通過修正ADCP的回聲強度數(shù)據(jù)得到了聲散射強度的垂向和時間變化分布。對比分析了海區(qū)水體聲散射強度的整體季節(jié)變化特征、日變化的季節(jié)變化特征以及時間平均的聲散射強度的季節(jié)變化。主要結(jié)論如下：

1）觀測結(jié)果表明水體聲散射分布存在明顯的上散射層和深散射層，散射層分布存在顯著的季節(jié)變化。上散射層在冬夏最淺，位于100 m以淺，春秋最深，接近200 m；深散射層同樣在冬季最淺，其上緣位于約300 m深度處，而夏季深散射層的深度最深，基本位于400 m以深區(qū)域，春秋兩季則介于冬夏兩季之間。因此，上散射層和深散射層之間的距離在冬季最近，在夏季最遠。

2）浮游動物是海區(qū)中的主要散射體，散射強度的變化體現(xiàn)出浮游動物在四季晝夜遷移特性的不同。在早晨，夏季浮游動物離開上散射層的時間最早，而冬季則最晚，春秋兩季的遷移時間介于冬夏兩季之間。在傍晚，冬季浮游動物從深散射層回到上散射層的時間最早，而夏季則最晚。冬季浮游動物處于上散射層的時間為18:00至次日06:00，約12 h；夏季浮游動物處于上散射層的時間為20:00至次日05:00，約9 h。

3）聲散射強度還可以指示浮游動物生物量的季節(jié)變化。從時間平均的聲散射強度的垂直分布來看，上散射層在春秋兩季的聲散射強度最強，而冬夏較低，表明春秋兩季上散射層中的浮游動物生物量最多，而冬夏兩季的浮游動物生物量較少，這可能是由于觀測海區(qū)位于亞熱帶，春秋兩季的溫度更適宜浮游動物生存。在深散射層中，冬夏兩季聲散射最強，而春秋最低。深散射層中存在散射強度極大值，冬季散射強度極大值的位置最淺。此外，在2個散射層之間存在散射極小值，春季的聲散射強度極小值最深，秋季的極小值最淺。

海洋中的聲散射源復雜多樣，因此海洋中聲散射的時空變化是復雜的，本研究利用長時間序列的定點連續(xù)現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)雖然給出了南海北部的高頻聲散射季節(jié)變化特征，并討論了浮游動物和海洋微結(jié)構(gòu)在其中扮演的重要角色，但本研究的觀測數(shù)據(jù)仍很有限，對聲散射場季節(jié)變化的更深入認識仍需要結(jié)合更豐富的同步水文和生態(tài)環(huán)境等的觀測，此外，根據(jù)浮游動物的動態(tài)生長特征等環(huán)境特點建立聲散射模型是今后了解和利用海區(qū)聲散射場動態(tài)變化的一個必要手段。