夏季加拿大海盆海冰邊緣區(qū)聲體積后向散射強(qiáng)度研究

劉洪寧，呂連港，劉娜，楊光兵，姜瑩，楊春梅，劉宗偉，林麗娜

(1.國(guó)家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島266061；2.海洋環(huán)境科學(xué)和數(shù)值模擬國(guó)家海洋局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島266061)

夏季加拿大海盆海冰邊緣區(qū)聲體積后向散射強(qiáng)度研究

劉洪寧1，2，呂連港1，2，劉娜1，2，楊光兵1，2，姜瑩1，2，楊春梅1，2，劉宗偉1，2，林麗娜1，2

(1.國(guó)家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島266061；2.海洋環(huán)境科學(xué)和數(shù)值模擬國(guó)家海洋局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島266061)

聲信號(hào)的體積后向散射強(qiáng)度是聲傳播過程中一個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)。海冰邊緣區(qū)的聲體積后向散射強(qiáng)度研究對(duì)深入認(rèn)識(shí)北極聲場(chǎng)環(huán)境有著十分重要的意義。本文利用中國(guó)第六次北極科學(xué)考察獲取的數(shù)據(jù)資料研究了海冰邊緣區(qū)聲體積后向散射強(qiáng)度特性。結(jié)果表明：加拿大海盆海冰邊緣區(qū)是聲體積后向散射強(qiáng)度的明顯過渡區(qū)。無冰海面(海冰密集度小于15%)海洋深層水的聲體積后向散射強(qiáng)度明顯大于密集海冰區(qū)域的海水(海冰密集度大于50%)。討論了聲體積后向散射強(qiáng)度與海冰融化之間的關(guān)系，造成融冰區(qū)聲體積后向散射強(qiáng)度增大的原因是水下懸浮泥沙、浮游生物等懸浮物質(zhì)增加。根據(jù)海冰密集海域的海水后向散射強(qiáng)度弱的特點(diǎn)，對(duì)北極下放式聲學(xué)多普勒測(cè)流儀(LADCP)觀測(cè)的設(shè)置提出建議。

聲體積后向散射強(qiáng)度；海冰邊緣區(qū)；加拿大海盆

1 引言

海冰邊緣區(qū)是無冰海面與密集冰區(qū)的分界地帶。海冰對(duì)太陽的反照率遠(yuǎn)大于海水，海面若失去海冰的覆蓋，直接與大氣接觸，則會(huì)受到太陽輻射、海風(fēng)等因素影響，水文、生態(tài)結(jié)構(gòu)將隨之改變，而密集冰區(qū)繼續(xù)維持原有的水下結(jié)構(gòu)。因此，無冰海面與密集冰區(qū)在水文、生物等方面有著顯著的差異，研究海冰邊緣區(qū)具有十分重要的價(jià)值。

目前對(duì)海冰邊緣區(qū)的研究主要是在物理海洋、生物等領(lǐng)域。趙進(jìn)平等研究了北冰洋海冰邊緣區(qū)的溫度和鹽度結(jié)構(gòu)，認(rèn)為開闊海水更多的是上混合層和躍層結(jié)構(gòu)，冰下海水主要是次表層暖水結(jié)構(gòu)[1]。Sakshaug和Skjoldal的研究結(jié)論是在春夏季海冰邊緣區(qū)，海冰融化為浮游植物的生長(zhǎng)提供了一個(gè)含有豐富營(yíng)養(yǎng)鹽的透光層[2]。Bradstreet和Cross認(rèn)為在海冰融化邊緣區(qū)的海水中有大量富含硅藻的冰屑等，這為海洋生物提供食物來源[3]。

盡管海冰邊緣區(qū)是物理海洋、生物等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)區(qū)域，但是目前還未有此區(qū)域水下聲體積后向散射強(qiáng)度的研究。隨著2014年美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室在其水聲研究計(jì)劃中明確水聲學(xué)三大學(xué)科，即淺海聲學(xué)、深海聲學(xué)、北極聲學(xué)，對(duì)北極聲學(xué)的研究已經(jīng)是聲學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。在1994年進(jìn)行了北冰洋聲傳輸實(shí)驗(yàn)(TAP)[4—5]，其目的是利用聲信號(hào)來監(jiān)測(cè)北冰洋溫度與海冰變化。TAP實(shí)驗(yàn)證明了海洋中傳輸?shù)穆曅盘?hào)會(huì)有很低的傳播損失和較高的相位穩(wěn)定性，并且利用聲學(xué)方法可以反演海冰的特性[6]。TAP實(shí)驗(yàn)研究表明在聲傳播路徑上北極中層水(AIW)平均上升了約0.4℃[7]。聲信號(hào)的體積后向散射強(qiáng)度是聲傳播過程中重要的參數(shù)。海冰融化邊緣區(qū)的聲體積后向散射強(qiáng)度研究對(duì)更加深入認(rèn)識(shí)北極聲場(chǎng)環(huán)境有著十分重要的意義。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)北冰洋聲后向散射特征的研究近乎空白。本文對(duì)下放式聲學(xué)多普勒測(cè)流儀(LADCP)聲體積后向散射強(qiáng)度進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)海冰邊緣區(qū)是聲后向散射強(qiáng)度的顯著過渡區(qū)。為提高以后南北極科學(xué)調(diào)查中LADCP數(shù)據(jù)質(zhì)量，對(duì)LADCP設(shè)置方法給予建議。

2 觀測(cè)與數(shù)據(jù)處理

2014年7-9月的中國(guó)第六次北極科學(xué)考察，為期76天，本次調(diào)查共獲取90個(gè)站位的CTD、葉綠素濃度等觀測(cè)資料和89個(gè)站位的LADCP觀測(cè)資料。

本航次使用的LADCP為RDI公司的300 kHz駿馬-哨兵型下放式聲學(xué)多普勒測(cè)流儀。該儀器與海鳥911PlusCTD溫鹽深剖面儀捆綁共同下放、回收。

LADCP不能直接測(cè)量體積后散射強(qiáng)度(Sv)，它記錄的是回聲強(qiáng)度E，回聲強(qiáng)度根據(jù)參考文獻(xiàn)[8]可表達(dá)為:

E=SL+Sv+C0-20lg R-2aR，

(1)

式中，SL為聲源強(qiáng)度；a為海水的吸收系數(shù)；R為換能器沿探測(cè)方向到分析水層的距離(R=D/cos β，D為海面到探測(cè)水層的垂直距離，β為換能器測(cè)量方向和ADCP換能器組中軸線的夾角，本文所用LADCP的β為20°)；C0為常數(shù)系數(shù)。

本次北極考察中300 kHz LADCP在不同水深區(qū)域的設(shè)置參數(shù)不同(表1)，本文利用1stBinRange的回聲信號(hào)計(jì)算海水Sv。將回波強(qiáng)度E轉(zhuǎn)換為聲體積后向散射強(qiáng)度(Sv)的公式為[9]:

Sv=C+10log10[(Tx+273.16)R2]-

LDBM-PDBW+2αR+KC(E-Er)，

(2)

式中，Kc是轉(zhuǎn)換系數(shù)(dB/count)，范圍0.35～0.55，典型值為0.45，本文取值0.45；E是LADCP觀測(cè)的回波強(qiáng)度(count)；Er是接收器接收信號(hào)最低閾值(count)，取典型值40；R是沿聲波波束方向散射體與LADCP的距離；α是海水與散射體吸收系數(shù)，取值0.069 dB/m。Tx是換能器溫度(℃)；PDBW=10log10(P)，P是聲波發(fā)射功率(W)，LDBM=10log10(L)，L是發(fā)射脈沖長(zhǎng)度(m)；C為修正參數(shù)，取值-148.2 dB。

表1 300 kHz LADCP設(shè)置參數(shù)Tab.1 Parameters of 300 kHz LADCP

海冰密集度數(shù)據(jù)采用的Nimbus-7/SMMR，DMSP/SSM/I海冰密集度數(shù)據(jù)，由NSIDC(National Snow & Ice Data Center)提供。數(shù)據(jù)分辨率為12 km，數(shù)據(jù)獲取網(wǎng)址為：http://nsidc.org/data/nsidc-0051.html

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫儀器為美國(guó)海鳥(SBE)公司生產(chǎn)的高精度溫鹽深測(cè)量系統(tǒng)——海鳥911PlusCTD溫鹽深剖面儀。此CTD加裝了葉綠素傳感器，采樣率為24 Hz。同時(shí)RBR concerto濁度儀與CTD一同下放，采樣率為0.33 Hz，將水溫、葉綠素、濁度原始數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制后按照線性平滑采樣處理成1 m深度間隔數(shù)據(jù)。本文使用了B08、S05、S07、S08四個(gè)站位的濁度數(shù)據(jù)。

3 觀測(cè)結(jié)果

3.1 聲體積后向散射強(qiáng)度

海水的聲體積后向散射強(qiáng)度如圖1所示。在加拿大海盆內(nèi)部區(qū)域300 m以深海水的Sv遠(yuǎn)低于加拿大海盆陸坡區(qū)域(約15 dB)，這一明顯的分界出現(xiàn)在站位S07與S08之間，這一現(xiàn)象卻并未出現(xiàn)在白令海洋盆與陸坡區(qū)域；加拿大海盆海水的聲體積后向散射強(qiáng)度明顯低于白令海。

3.2 海冰密集度

如圖2所示，調(diào)查船在8月2日，以S01、S02站位為中心，半徑48 km范圍內(nèi)的平均海冰密集度為12.0%；8月3日，以S03、S04、S05、S06站位為中心，半徑48 km范圍內(nèi)平均海冰密集度為11.8%；8月4日，以S07、S08站位為中心，半徑48 km范圍內(nèi)平均海冰密集度為45%；8月5日，以C11站位為中心，半徑48 km范圍內(nèi)平均海冰密集度大于55%。這說明在S01～S06站位區(qū)域?yàn)楹１芗刃∮?5%的無冰海面，S07、S08站位為海冰密集度小于15%的無冰海面與海冰密集度大于50%的密集海冰區(qū)分界線。海冰密集度15%為無冰海面與海冰區(qū)分界閾值[10]。下文簡(jiǎn)稱海冰密集度小于15%的海域?yàn)闊o冰海面，海冰密集度大于50%的海域?yàn)槊芗１鶇^(qū)。

圖1 白令海、楚科奇海、加拿大海盆共28個(gè)站位的聲體積后向散射強(qiáng)度Fig.1 Volume backscattering strength (Sv) of 28 stations in the Bering Sea，Chukchi Sea and Canada Basin

圖2 2014年8月2-5日的調(diào)查區(qū)域的海冰密集度Fig.2 Ice concentration in the investigation area on 2-5 August，2014

圖3 調(diào)查站位水深0～700 m溫度Fig.3 Temperature profile of 0 to 700 m in the investigation area

圖4 S05、S07、S08、B08四個(gè)站位的濁度Fig.4 Turbidity at stations S05、S07、S08、B08

圖5 葉綠素濃度Fig.5 Chlorophyll concentration

3.3 水溫

S07、S08站位以北的站位(C11、C23、AD04、AD03)在水下50～100 m深度存在一暖水層，而以南的站位(除S05站位)卻不存在這一暖水層，S07、S08區(qū)域是有無暖水層的分界(圖3)。

3.4 海水濁度

白令海洋盆、加拿大海盆、加拿大海盆陸架區(qū)域4個(gè)站位的濁度數(shù)據(jù)如圖4所示。位于北冰洋的S05、S07、S08站位的海水濁度隨深度增加是逐漸減小的，B08站位(白令海)的濁度小于以上3個(gè)站位。

3.5 葉綠素濃度

圖5顯示葉綠素濃度從南向北有減小的趨勢(shì)，但是S07、S08站位南北濃度分界不明顯。S01～S04站位位于陸架區(qū)域，葉綠素濃度遠(yuǎn)高于陸坡與洋盆區(qū)域，陸坡洋盆區(qū)的葉綠素極大值集中在約60 m深度，濃度小于0.5 μg/L。

4 討論

北冰洋冰下海水會(huì)有暖水層，這是北極特殊的水文現(xiàn)象。這一暖水層的形成原因是冰下海水不受風(fēng)的影響，太陽輻射透過海冰加熱海水，海冰的溫室效應(yīng)保存了這部分熱量[11]，同時(shí)海冰又會(huì)吸收附近海水熱量，由此在次表層的會(huì)形成暖水層，而無冰海面的熱量不可避免的受風(fēng)生混合作用的影響，次表層暖水結(jié)構(gòu)被破壞，所以冰下海水與開闊海域分別形成次表層結(jié)構(gòu)與混合結(jié)構(gòu)[1]。通過對(duì)加拿大海盆0～700 m溫度數(shù)據(jù)分析可以看出(圖3)，S08以北的站位在50～100 m會(huì)形成一個(gè)次表層暖水層，而S01～S07站位由于海冰已經(jīng)融化，次表層暖水現(xiàn)象消失。衛(wèi)星測(cè)得的海冰密集度與實(shí)測(cè)水文數(shù)據(jù)同時(shí)反映了站位作業(yè)期間實(shí)時(shí)海冰的存在情況，即S07、S08區(qū)域以南海冰大部分已經(jīng)融化，海冰密集度小于15%，而此區(qū)域以北大部分海冰還未融化，海冰密集度大于50%，S07、S08區(qū)域是調(diào)查期間已融冰的無冰海面與密集海冰區(qū)的分界。S07、S08區(qū)域也是聲體積后向散射強(qiáng)度的顯著變化區(qū)域。綜上所述，無冰海區(qū)深層海水的體積后向散射強(qiáng)度要大于密集海冰區(qū)。

下面討論造成這一現(xiàn)象的原因。圖4所示S05、S07、S08站位300 m以深海水濁度由南往北逐漸減小。濁度是指水中懸浮顆粒對(duì)光線的阻礙程度，主要反映水體的渾濁程度，但不能反映水體中是否存在透明、半透明等物質(zhì)，如生物。白令海(B08站位)海水的體積后向散射強(qiáng)度遠(yuǎn)大于加拿大海盆內(nèi)部，但是濁度卻很小，由此可以說明白令海的不透明物質(zhì)濃度小于加拿大海盆，透明、半透明物質(zhì)含量遠(yuǎn)大于加拿大海盆；海冰邊緣區(qū)聲體積后向散射強(qiáng)度的明顯過渡主要由不透明物質(zhì)變化引起的。

不透明物質(zhì)主要有兩種：不透明動(dòng)植物活體、代謝物等與懸浮泥沙。通常認(rèn)為對(duì)于北極浮游植物而言光照和溫度相較于營(yíng)養(yǎng)鹽更重要。海冰融化時(shí)，海冰中普遍存在的一些藻類特別是硅藻類的休眠孢子進(jìn)入海水中萌發(fā)，增加表層海水的初級(jí)生產(chǎn)力，進(jìn)而使浮游動(dòng)物開始繁衍代謝，莊燕培等研究表明海冰中無機(jī)氮含量高于表層海水，融冰過程會(huì)補(bǔ)充海水的氮源[12]。硅藻是北極海水的優(yōu)勢(shì)藻類，北極海冰融化導(dǎo)致硅藻濃度有巨大提升。同時(shí)海冰融化也使進(jìn)入水下的光輻射強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，同樣會(huì)刺激海水中浮游植物的生長(zhǎng)[13]，進(jìn)而導(dǎo)致海中浮游動(dòng)物增加，為遠(yuǎn)洋和底棲動(dòng)植物提供額外的食物。通過圖5證明海冰融化后綠色浮游植物有增多的趨勢(shì)，之所以未在S07、S08站位形成明顯的濃度分界，是因?yàn)橄募竞１诨俣容^快，而浮游動(dòng)植物的生長(zhǎng)繁殖有滯后性，并且葉綠素濃度也不能完全代表海水中浮游生物的含量。

懸浮泥沙來自從陸地分離出來進(jìn)入海洋中的浮冰，其將陸源物質(zhì)一并攜帶進(jìn)入到海洋中，并在融化過程中逐漸釋放入水。在陸架區(qū)海冰的融化釋放了大量生物體進(jìn)入水體。而在陸坡區(qū)和北冰洋核心區(qū)，海冰釋放進(jìn)入水體的顆粒物則以碎屑礦物、黏土礦物和生物碎屑為主[14]，同樣原來滯留在海冰上的塵土也落入水中，這些塵土來自陸地，通過氣流攜帶停留在冰上。

在高緯海區(qū)，海岸線附近海冰被釋放進(jìn)入海洋中通過波弗特環(huán)流攜帶向開放大洋漂移，陸源的粗顆粒碎屑在冰融化的過程中卸載到海水中。

圖6為第1～3次北極科學(xué)考察采集的北冰洋西部表層沉積物中粒徑大于1 mm粗顆粒含量分布情況。本文中的S07(73°24′59″N，155°08′15″W)、S08(74°01′10″N，154°17′23″)區(qū)域也是1～3次北極考察粒徑大于1 mm粗顆粒分布的一個(gè)過渡區(qū)，這與LADCP聲體積后向散射強(qiáng)度的過渡相對(duì)應(yīng)。圖7是在S06站位拍攝的海冰圖，明顯看出海冰較“臟”，也證明了攜帶泥沙的海冰漂流至此，融化后泥沙入水，導(dǎo)致海水散射強(qiáng)度增加。

綜上所述，海冰融化引起水中懸浮泥沙與浮游生物等懸浮物質(zhì)增加，導(dǎo)致聲體積后向散射強(qiáng)度增加。

現(xiàn)在討論北極無冰海區(qū)與海冰密集區(qū)水下聲散射強(qiáng)度的明顯差異對(duì)LADCP海流觀測(cè)的影響。本航次300 kHz LADCP深水區(qū)海流觀測(cè)中，測(cè)流層數(shù)為14層，層厚為8 m。在北極海冰密集區(qū)，由于深層水的后向散射強(qiáng)度小，若回聲信號(hào)強(qiáng)度小于換能器檢測(cè)閾值(實(shí)驗(yàn)儀器回聲強(qiáng)度檢測(cè)閾值為40 count)，則LADCP認(rèn)為接收信號(hào)為無效值(-32768)。數(shù)據(jù)處理后發(fā)現(xiàn)在海冰密集區(qū)，第4～14層海流數(shù)據(jù)(如流速、流向等)90%以上為無效值(-32768)，第1～3層的海流數(shù)據(jù)含有較多無效值，這造成極大的數(shù)據(jù)浪費(fèi)；而無冰海區(qū)只有第10層之后90%以上為無效值，1～3層幾乎不含有無效值。在以后北極科學(xué)考察中，LADCP的參數(shù)設(shè)置需要根據(jù)海冰密集度情況而定。

圖7 攝于2014年8月3日(S06站位)海冰圖Fig.7 Seaice image was taken in 3 August 2014(station S06)

5 結(jié)論

利用2014年夏季中國(guó)第六次科學(xué)考察數(shù)據(jù)分析結(jié)果，得到以下結(jié)論：

(1)夏季，加拿大海盆海冰邊緣區(qū)是聲后向散射強(qiáng)度明顯的過渡區(qū)。無冰海面的海洋深層水的聲后向散射強(qiáng)度明顯大于密集海冰區(qū)。

(2)無冰海面水下散射體主要為浮游生物與懸浮泥沙等懸浮物質(zhì)，其來源分別是：海冰融化后，海冰中普遍存在的一些藻類特別是硅藻類的休眠孢子以及無機(jī)氮進(jìn)入海水中，增加表層海水的初級(jí)生產(chǎn)力，進(jìn)而使浮游動(dòng)物開始繁衍代謝。同時(shí)進(jìn)入水下的光輻射強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，會(huì)刺激海水中浮游植物的生長(zhǎng)，生物代謝產(chǎn)物逐漸沉入至深層水，導(dǎo)致深層水的聲散射強(qiáng)度增加；同時(shí)海岸線附近海冰分離出來進(jìn)入海洋，并將陸源物質(zhì)一并攜帶進(jìn)入到海洋中，在融化過程中逐漸釋放入水。

(3)北極海冰密集區(qū)深層水的后向散射強(qiáng)度小，建議在以后的北極科學(xué)考察中，進(jìn)入海冰密集度較大區(qū)域后，海流觀測(cè)儀器LADCP需將層厚、層數(shù)設(shè)置適當(dāng)減小。

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Study on volume backscattering strength in summer marginal ice zone of Canada Basin

Liu Hongning1，2，Lü Lian’gang1，2，Liu Na1，2，Yang Guangbing1，2，Jiang Ying1，2，Yang Chunmei1，2，Liu Zongwei1，2，Lin Li’na1，2

(1.FirstInstituteofOceanography，StateOceanicAdministration，Qingdao266061，China；2.KeyLaboratoryofMarineScienceandNumericalModeling，StateOceanicAdministration，Qingdao266061，China)

Volume backscatter strength (Sv) is a key parameter for acoustic transmission. Study on volume backscattering strength in marginal ice zone (MIZ) in the Arctic plays an important role in the knowledge of the Arctic acoustic environment. Based on the investigation during the Sixth Chinese National Arctic Research Expedition in summer 2014，the characteristics of backscatter strength in MIZ are analyzed. The results show thatSvunder the open water (ice concentration less than 15%) is significantly higher than that in seawater under the packed ice (ice concentration more than 50%). Ice melt causes increasing of opaque creatures and suspended sediment，and leads to increase ofSv. According to the characteristics of lowSvunder the packed ice，the proposal about the parameters of LADCP setting is given．

volume backscattering strength; marginal ice zone; Canada Basin

2015-04-15；

2015-06-14。

國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)——山東省人民政府聯(lián)合資助海洋科學(xué)研究中心項(xiàng)目(U1406404)；南北極環(huán)境綜合考察與評(píng)估專項(xiàng)(CHINARE2015-03-01，CHINARE2015-04-03)；海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201205007)；國(guó)家海洋局第一海洋研究所2014年度基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2014T02)。

劉洪寧(1989—)，男，山東省青島市人，研究方向?yàn)槁晫W(xué)海洋學(xué)。E-mail：liuhn@fio.org.cn

10.3969/j.issn.0253-4193.2015.11.012

P733.2

A

0253-4193(2015)11-0127-08

劉洪寧，呂連港，劉娜，等. 夏季加拿大海盆海冰邊緣區(qū)聲體積后向散射強(qiáng)度研究[J]. 海洋學(xué)報(bào)，2015，37(11): 127-134，

Liu Hongning，Lü Lian’gang，Liu Na，et al. Study on volume backscratching strength in summer marginal ice zone of Canada Basin[J]. Haiyang Xuebao，2015，37(11): 127-134，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2015.11.012