膠州灣流速場的聲層析反演研究

劉旭東， 林 巨， 王 歡， 朱小華（. 中國海洋大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 山東 青島6600； . 國家海洋局第二海洋研究所， 淅江 杭州300）

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膠州灣流速場的聲層析反演研究

劉旭東1， 林 巨1， 王 歡1， 朱小華2
（1. 中國海洋大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 山東 青島266100； 2. 國家海洋局第二海洋研究所， 淅江 杭州310012）

采用結(jié)合匹配法和經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)法的射線聲層析反演方法， 針對流場水平分布不均勻特點(diǎn)， 使用距離等效分段方法對反演算法進(jìn)行改進(jìn)， 利用三個斷面聲層析數(shù)據(jù)， 對膠州灣口潮流場的垂直和水平分布進(jìn)行反演。與傳統(tǒng)方法比較， 大大降低與實(shí)測流速垂直分布間的偏差， 平均偏差小于0.02 m/s，流場垂直分布間的相關(guān)系數(shù)提高到0.85以上。分析了聲傳播斷面上不同的流場結(jié)構(gòu)， 以及漲潮期間在膠州灣團(tuán)島附近出現(xiàn)的渦流現(xiàn)象， 并計(jì)算得到灣口海水流量變化。結(jié)果表明， 改進(jìn)的射線聲層析反演方法可有效地用于水平分布不均勻流場監(jiān)測， 僅采用少量聲學(xué)觀測站位， 即可獲得大范圍的復(fù)雜流場三維信息， 有利于近海海洋資源開發(fā)、海洋環(huán)境保護(hù)和船舶航行安全。

射線走時聲層析； 經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)； 匹配方法； 距離等效分段； 膠州灣

［Foundation： Open Project of State Key Laboratory of Satellite Ocean Environment Dynamics （Second Institute of Oceanography， State Oceanic Administration）， No.SOED1001； National Natural Science Foundation of China， No. 41176033； National Program on Key Basic Research Project of China， No. 2007CB411803； The National High Technology Research and Development Program of China， No. 2006AA09Z114］

膠州灣位于山東半島南部， 黃海西部， 是一個總面積約380 km2、平均水深7 m的半封閉海灣， 擁有內(nèi)外兩個灣口， 內(nèi)灣口位于黃島至團(tuán)島一線， 寬約4 km， 最大水深達(dá)60 m， 外灣口位于薛家島至團(tuán)島一線， 寬約3 km， 膠州灣通過此灣口與黃海相連。膠州灣地理位置復(fù)雜， 漲潮時海水通過內(nèi)外灣口的狹長水道涌入膠州灣， 落潮時又涌出至黃海， 因?yàn)晨诟浇０毒€和海底地形復(fù)雜， 形成以潮流為主的復(fù)雜的多渦流場結(jié)構(gòu)［1］。

隨著環(huán)膠州灣經(jīng)濟(jì)和膠州灣水產(chǎn)養(yǎng)殖的迅速發(fā)展， 膠州灣環(huán)境變化巨大， 近年來人們加大對膠州灣海洋動力環(huán)境場、地形地貌、沉積物結(jié)構(gòu)、水交換、水質(zhì)、濕地變遷等方面的研究［2-7］， 其中對流場結(jié)構(gòu)的研究尤其重要， 對于評估灣內(nèi)生態(tài)環(huán)境、海水自凈能力， 保障船只航行安全都有非常重要的意義。目前獲取膠州灣海水流速場信息的方法主要通過船載或懸掛式ADCP測流儀和流速計(jì)， 受航道上船舶來往頻繁及禁止泊船等因素影響， 難以進(jìn)行同步、大尺度空間的流速觀測。

海水是聲波傳播的良好介質(zhì)， 隨著聲層析概念的提出［8］， 利用聲波收發(fā)裝置獲取聲傳播信號， 對其逆推反演能夠獲取需要的海洋參數(shù)。本文探討采用聲層析反演方法來獲取膠州灣口的流場數(shù)據(jù)， 其關(guān)鍵之處即是采用何種逆推反演方法處理聲信號信息得到流場結(jié)構(gòu)， Shang［9］提出了簡正波相位擾動法，得到了垂直于聲傳播斷面的流速； 其余的方法還有聲線走時聲層析方法、匹配場層析算法、簡正波水平折射層析法等［10］， 其主要缺點(diǎn)是只能獲得沿聲傳播斷面方向上的距離平均流速信息， 未能獲得斷面上的總流速矢量， 并且未考慮流速分布水平不均勻情況下的反演。

經(jīng)典的聲層析方法一般假設(shè)聲傳播路徑上的海洋環(huán)境參數(shù)空間分布是均勻的， 但是實(shí)際情況下溫度、鹽度和流速等海洋環(huán)境參數(shù)的空間分布往往是不均勻的， 采用傳統(tǒng)方法將帶來較大的反演誤差。本文以聲線走時聲層析方法為基礎(chǔ)， 考慮了傳播路徑上流速分布的不均勻性， 結(jié)合匹配場方法、經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)（EOF）分析方法和等效分段法， 提出了改進(jìn)的聲線走時聲層析方法。該方法可以用于海水流速水平分布不均勻的流場反演， 與傳統(tǒng)流場監(jiān)測方法相比，僅布設(shè)少數(shù)站位即可同步獲得大范圍的復(fù)雜流場分布， 在難以布設(shè)較多觀測站位的海域如海灣灣口、航道等海域有廣泛應(yīng)用價值。

1 改進(jìn)的聲線走時匹配反演方法

聲線走時匹配反演是基于射線聲學(xué)理論， 采用聲線傳播時間的擾動量來反演聲線所經(jīng)過路徑的海洋環(huán)境參數(shù)。聲傳播時間不僅受聲速擾動影響， 也受到海水流速影響， 當(dāng)使用兩個站點(diǎn)進(jìn)行雙向互易聲傳播時， 由于海水流速為矢量， 可得到沿聲線方向的流速引起的聲傳播時間擾動［11］。

雖然式（1）得到簡化， 但是深度上層數(shù)M可任意設(shè)置，求解過程仍然很復(fù)雜， 可配合匹配算法： 建立一個流速拷貝場u1（ z）， 計(jì)算得到在這個流速場環(huán)境下，兩站點(diǎn)的第i條聲線的互易傳播時間差2d； 當(dāng)拷貝場下全部N條聲線對應(yīng)的互易傳播時間差2d（ i1，， N）與實(shí)測的N條聲線的互易時間差2d相同時， 建立的流速拷貝場就是待求的流速場，從而反演得到流速垂直剖面數(shù)據(jù)。

經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)（EOFs）分解能夠簡化處理復(fù)雜數(shù)據(jù)， 體現(xiàn)出所處理數(shù)據(jù)的時間和空間規(guī)律［12-13］。為了進(jìn)一步減少反演參數(shù)個數(shù)， 可采用EOFs函數(shù)構(gòu)建拷貝場u1（ z）。對某定點(diǎn)實(shí)測流速剖面數(shù)據(jù)矩陣T， 去均值后得到一個新的矩陣T， 求其協(xié)方差矩陣：

存在正交矩陣E， 使矩陣R對角化：

則E矩陣正是我們需要的特征向量矩陣， 第n列反映了流速場第n階特征模態(tài)在深度上的變化， 可用于構(gòu)建流速拷貝場，n是對應(yīng)特征值， 其值的大小反映了對應(yīng)第n階模態(tài)在構(gòu)建原流速場中的方差貢獻(xiàn)大小。

通過對一段時間內(nèi)某垂直剖面上測量的流速數(shù)據(jù)進(jìn)行EOF分解， 獲得構(gòu)建流速拷貝場的向量矩陣E， 拷貝場建立如下

改變各階EOF模態(tài)的系數(shù)n能夠得到不同垂直結(jié)構(gòu)的流速拷貝場u1（ z）， 從而將反演各深度上的流速參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)榉囱莞麟AEOF 模態(tài)對應(yīng)的系數(shù)n， 極大地減少了待反演參數(shù)個數(shù)。

為尋求最匹配系數(shù)n， 通過比較由式（2）求得的拷貝場下各聲線互易傳播時間差與實(shí)驗(yàn)測量的互易時間差間差值， 最小差值對應(yīng)的流速拷貝場即為最匹配的流速場， 因此建立描述匹配度的評價函數(shù)：

某條聲線對應(yīng)的互易傳播時間差反應(yīng)了該聲線經(jīng)過路徑上海水流速的距離積分效果， 當(dāng)反演斷面流速水平分布的不均勻性較強(qiáng)時， 通過經(jīng)典聲線走時匹配反演方法難以準(zhǔn)確獲取流速分布。根據(jù)流速本身特點(diǎn)和反演斷面流速的不均勻性， 可作如下改進(jìn)：

（1） 由于其矢量性特點(diǎn)， 流速不同于溫度和鹽度等其他標(biāo)量型海洋環(huán)境參數(shù)， 在忽略上升流和下降流的情況下， 水平方向上的總流速可以分為兩個相互垂直的流速分量。反演得到這兩個流速分量， 就得到聲傳播斷面上總流速的大小及方向。將總的互易傳播時間差d進(jìn)行等效分段處理， 即第一方向流速分量uEW（ z）引起的時間差dEW和第二方向流速分量uSN（ z）引起的時間差dSN， 設(shè)兩站點(diǎn)間的連線與第一方向的夾角為， 則得到，

（2） 由于流速在聲傳播斷面上的水平分布不均勻特點(diǎn)， 同一斷面上的不同水平距離處的流場結(jié)構(gòu)不同。將一個斷面分成多個子斷面， 每個子斷面的流速對于總互易傳播時間差都有貢獻(xiàn)， 每個子斷面流速引起的互易傳播時間差也增加到反演參數(shù)中： 假設(shè)總互易傳播時間差包含L個子斷面上的互易傳播時間差， 每個子斷面的互易傳播時間差中又包含兩個方向流速分量引起的互易傳播時間差dEW和dSN， 則式（7）改進(jìn)為：

將dEW l、dSN l和sl（ z）增設(shè)為反演參數(shù)， 則評價函數(shù)改進(jìn)為：

當(dāng)評價函數(shù)值最大時， 得到最優(yōu)的距離分段點(diǎn)和最優(yōu)的時間差分段點(diǎn)， 進(jìn)而反演得到各個子斷面的第一方向和第二方向的垂直剖面流速。

2 實(shí)驗(yàn)及觀測數(shù)據(jù)介紹

2010年7月25～26日， 國家海洋局第二海洋研究所與中國海洋大學(xué)在青島膠州灣聯(lián)合進(jìn)行了淺海聲層析實(shí)驗(yàn)， 測量站點(diǎn)見圖1， 布設(shè)了C1～C7七個聲層析站位， 為便于反演和比測， 另外布設(shè)了M0～M3四個船載錨定式ADCP測流儀， 進(jìn)行定點(diǎn)流速測量，并沿C2C7、C5C3和M0C2斷面采用船載ADCP進(jìn)行流速測量。在C1～C7站點(diǎn)水下3 m處安裝有收發(fā)合置水聲換能器， 每隔3 min發(fā)射載波頻率為5 000 Hz的偽隨機(jī)序列聲信號。

經(jīng)過20 h的測量和數(shù)據(jù)采集， 在C1、C2和C3站點(diǎn)獲得了較好的互易傳輸聲信號， 可用于反演C1C2， C1C3和C2C3斷面的流速。但受膠州灣復(fù)雜的海底地形和夏季灣內(nèi)存在鋒面影響， 其余四個聲層析站位未接收到聲信號。因C1C2， C1C3和C2C3三個斷面位于膠州灣內(nèi)灣口， 可通過聲學(xué)數(shù)據(jù)反演獲得灣口位置的流速結(jié)構(gòu)變化。

實(shí)驗(yàn)期間在C7站位同步布設(shè)了一個海底錨定溫深儀， 圖2為測量時段內(nèi)的水位變化情況， 可見聲層析實(shí)驗(yàn)經(jīng)歷了一個完整的半日潮。灣口位置的漲潮時長短于落潮時長， 測點(diǎn)處水位落差為3 m左右。

圖1 膠州灣實(shí)驗(yàn)站點(diǎn)和走航路線圖Fig. 1 Site location of the Jiaozhou Bay experiment

圖2 實(shí)驗(yàn)期間膠州灣水位圖Fig. 2 Time series showing changes in sea level during the experiment

圖3為實(shí)驗(yàn)期間在灣口位置采用CTD測的溫度和鹽度的垂直剖面變化圖（該測點(diǎn)位于聲層析站位C1、C3連線中間位置附近， 具體位置見圖1， 測量時間為7月26日13：35左右）， 可見在15 m以下水層溫度和鹽度幾乎不隨深度增加而改變， 15 m以上水層溫度隨深度增大而減小， 這主要是受夏季晝間日照影響， 而鹽度隨深度增加而增大， 則是受膠州灣北部各河流流入淡水影響。在灣口附近， 因潮流流速較大， 且存在多個渦漩， 海水混合強(qiáng)烈， 溫鹽水平分布差異不大， 因此本文聲傳播數(shù)值模擬及反演中采用上述測點(diǎn)得到的溫鹽數(shù)據(jù)。且15 m以下水層溫鹽幾乎不變， 水深大于25 m時對應(yīng)溫鹽值采用25 m水層處數(shù)據(jù)。通過射線聲傳播模型進(jìn)行數(shù)值模擬， 可得到本征聲線路徑（如圖4所示）， C1、C2間存在三條本征射線， 其到達(dá)時間可用于辨別實(shí)測聲信號中的多途峰值及其對應(yīng)到達(dá)時間范圍。

圖3 實(shí)驗(yàn)期間膠州灣口溫度和鹽度垂直剖面圖Fig. 3 Temperature and salinity vertical profile throughout experiment period

圖4 C1C2斷面本征聲線Fig. 4 Eigenrays along the C1C2 section

圖5為7月26日1：00到2：00間C1站點(diǎn)和C2站點(diǎn)相互發(fā)射和接收到的到達(dá)聲信號相關(guān)波形瀑布圖。在信號到達(dá)時， 大部分時間點(diǎn)均存在明顯的三個較大峰值， 每個峰值對應(yīng)一條本征聲線信號到達(dá)，而峰值在到達(dá)時間上的擾動， 則主要是受水體溫鹽、流速變化以及船舶位置漂移影響。

圖5 C2站點(diǎn)接收的C1站點(diǎn)（a）和C1站點(diǎn)接收的C2站點(diǎn)（b）聲信號瀑布圖Fig. 5 Stack diagram of received signal at （a） St.C2 transmitted from St.C1 and （b） at St.C1 transmitted from St.C2

圖6 M2站點(diǎn)ADCP（a）和C2C7斷面走航ADCP（b）測量的南北流速圖Fig. 6 North–south component of current measured by （a）mooring ADCP at St.M2 and （b） shipboard ADCP along the C2C7 section

圖6a為M2站點(diǎn)定點(diǎn)ADCP測流儀獲取的垂直剖面南北流速數(shù)據(jù)（向北為正， 向南為負(fù)）， 測量的流速有效深度會因水位的變化而變化， 其變化趨勢與圖2的水位變化幾乎一致； 且可見流速變化與漲落潮時間有關(guān)， 在漲潮時流速向北， 落潮時流速向南，漲落潮的平潮時間流速大小到達(dá)最大值， 漲潮時流速最大值大于落潮時的流速最大值。

圖6b為C2至C7間船載走航ADCP測流儀獲取的流速垂直剖面南北分量結(jié)果， 測量時間為7月26日7：50～9：50， 流速變化與水平位置有關(guān)， 在灣口附近流速存在較大的垂直梯度， 而在灣內(nèi)流速垂直梯度幾乎為零。

通過對定點(diǎn)ADCP流速數(shù)據(jù)進(jìn)行EOF分解（如圖7所示）， 可獲取聲層析反演中構(gòu)建流速拷貝場的各階垂直向量。第一階EOF是主成分， 代表正壓流分量， 描述流速深度平均值的大小， 第二階和第三階EOF代表斜壓流分量， 描述流速隨深度的變化。流速東西和南北分量的EOF分析結(jié)果十分相似， 前三階EOF占總方差比重達(dá)到95%以上， 因此反演中使用前三階EOF描述流速深度變化。根據(jù)文獻(xiàn)［1-3］等的膠州灣潮流場結(jié)構(gòu)分布研究成果及所獲取的流速觀測數(shù)據(jù)， 各聲層析斷面流速反演時所采用的EOF模態(tài)來自于其鄰近定點(diǎn)ADCP數(shù)據(jù)分析結(jié)果， 其中C1C3、C2C3斷面采用M2、M3站位數(shù)據(jù)分析結(jié)果，C1C2斷面則采用2010年11月在C1站位附近獲取的定點(diǎn)ADCP觀測數(shù)據(jù)分析結(jié)果。

圖7 M2站位流速東西分量（a）和南北分量（b）的前三階EOF 向量Fig. 7 First three EOFs of （a） eastward component and （b）northward component of current at St.M2

3 流速反演結(jié)果和誤差分析

采用前面介紹的反演算法， 對C1C2斷面， C1C3斷面和C2C3斷面水平流速進(jìn)行聲學(xué)反演計(jì)算， 將海水流速方向分為東西和南北方向分量（本文中東西流速分量反演結(jié)果以向東為正， 南北流速分量反演結(jié)果以向北為正）。

3.1 距離未等效分段反演

C1C2斷面位于團(tuán)島至黃島一線的灣口位置， 反演結(jié)果反映灣口流速結(jié)構(gòu)變化特點(diǎn)， 并便于計(jì)算灣口流量。

圖8是C1C2斷面未考慮距離等效分段的流速垂直分布反演結(jié)果， 由結(jié)果可見東西分量幅值要遠(yuǎn)小于南北分量幅值， 在漲潮期間， 南北流速朝向北， 流速方向在漲潮和落潮期間相反。C2C7段船載ADCP走航路徑經(jīng)過C1C2斷面， 通過GPS數(shù)據(jù)， 將走航路徑與斷面交叉處時段的走航ADCP實(shí)測流速與反演流速對比， 結(jié)果如圖9所示。

圖8 C1C2斷面反演流速東西分量（a）和南北分量（b）時間變化圖Fig. 8 Variation in （a） eastward component and （b） northward component of inversion current along the C1C2 section

反演流速尤其是東西分量在深度上的變化趨勢與實(shí)測流速基本相同， 但是有一定的偏差值， 東西分量偏差小于南北分量偏差。C1C2斷面反演流速東西分量垂直分布與ADCP實(shí)測流速間的平均誤差為0.022 m/s， 相關(guān)系數(shù)為0.825； 而對南北分量而言，對應(yīng)平均誤差為0.050 m/s， 相關(guān)系數(shù)為0.247， 這主要是因?yàn)閿嗝嫔狭魉偎椒植疾痪鶆虻慕Y(jié)果， 在以下反演中將考慮其影響。

圖9 C1C2斷面反演流速與實(shí)測流速東西分量（a， b）和南北分量比較（c， d）Fig. 9 Comparison between the inversion results and the measurements along the C1C2 section for （a， b）eastward component of current and （c， d） northward component of current

3.2 距離等效分段反演

將C1C2斷面分為兩個等效子斷面， 將最優(yōu)距離分段點(diǎn)位置參數(shù)加入到反演參數(shù)中， 采用遍歷法尋找最優(yōu)解， C1C2斷面中鄰近C1站位子斷面的東西和南北分量垂直剖面反演結(jié)果見圖10， 鄰近C2站位子斷面的反演結(jié)果見圖11。

圖10 鄰近C1站位的子斷面反演流速東西分量（a）和南北分量（b）垂直分布時間變化圖Fig. 10 Variation of （a） eastward component and （b） northward component in the vertical profile of inversion current for the subsection near St.C1 along the C1C2 section

圖11 鄰近C2站位的子斷面反演流速東西分量（a）和南北分量（b）垂直分布時間變化圖Fig. 11 Variation of （a） eastward component and （b） northward component in the vertical profile of inversion current for the subsection near St.C2 along the C1C2 section

在C1C2斷面， 因?yàn)闉晨诔驗(yàn)槟媳狈较颍?潮流漲潮落潮時從灣口涌入或涌出， 流速東西分量的變化幅值要小于南北分量的變化幅值。兩個子斷面的流速有著明顯區(qū)別， 鄰近C1站位子斷面與鄰近C2站位子斷面的流速變化在時間上并不同步， 鄰近C2站位子斷面的流速南北分量在漲潮期間的轉(zhuǎn)向要早于鄰近C1站位子斷面， 且落潮最大流速大于漲潮最大流速， 與鄰近C1站位子斷面正好相反； 鄰近C1站位子斷面的流速東西分量在漲潮期間的轉(zhuǎn)向略早于鄰近C2站位子斷面； 漲潮期間鄰近C2站位子斷面的流速南北分量最大值出現(xiàn)時段早于東西分量。

C2C7段船載ADCP走航路徑與C1C2斷面的交叉點(diǎn)距離C1站位2960 m， 此時刻反演得到的最優(yōu)距離分段點(diǎn)距離C1點(diǎn)為2400 m， 交叉點(diǎn)位于鄰近C2站位子斷面中， 使用該子斷面的反演流速與C2C7段實(shí)測ADCP走航流速進(jìn)行比較， 如圖12所示。

圖12 C1C2斷面反演流速東西分量（a， b）和南北分量（c， d）與ADCP實(shí)測結(jié)果比較Fig. 12 Comparison between the inversion results and the measurements along the C1C2 section for the （a， b）eastward component of current and （c， d） northward component of current

與圖9中未考慮距離等效分段的反演結(jié)果相比，采用等效距離分段后C1C2斷面反演的流速垂直分布尤其是南北分量更加接近于ADCP實(shí)測結(jié)果， 兩者間偏差值進(jìn)一步縮小。反演東西分量與ADCP實(shí)測流速的平均偏差為0.019 m/s， 相關(guān)系數(shù)為0.852，兩者間在深度上的變化趨勢更為接近， 相關(guān)性略增強(qiáng)， 偏差更??； 南北分量的平均偏差為0.011 m/s， 相關(guān)系數(shù)為0.911， 兩者間垂直變化趨勢基本相同， 相關(guān)程度得到極大提高， 且偏差也大大減小， 反演結(jié)果更加準(zhǔn)確?？梢娛褂镁嚯x等效分段后的反演結(jié)果與實(shí)測流速更為接近， 更能反映流速在水平距離上的不均勻性。

為進(jìn)一步說明結(jié)合距離等效分段的反演方法的優(yōu)點(diǎn)， 對C1C3斷面反演進(jìn)行分析。 C1點(diǎn)位于黃島附近的灣口位置， C3點(diǎn)位于灣內(nèi)東岸位置， 能夠反演灣內(nèi)和灣口的流速差異以及膠州灣東岸和西岸的流速差異。C1C3斷面距離未等效分段反演結(jié)果如圖13。反演結(jié)果顯示C1C3斷面流速南北分量變化幅值較東西分量大； 在漲潮時， C1C3斷面平均流速東西分量朝東， 南北分量朝北， 落潮時則相反。

圖13 C1C3斷面反演流速東西分量（a）和南北分量（b）垂直分布變化圖Fig. 13 Variation in （a） eastward component of current and （b）northward component of current along the C1C3 section

采用距離等效分段反演算法， 將C1C3分為兩個子斷面， 計(jì)算兩個子斷面的東西流速和南北流速，如圖14和圖15所示。

從分段反演結(jié)果中看出， C1C3斷面兩個子斷面的流速變化有明顯差異： 鄰近C1站位子斷面的流速東西分量在漲潮時流向西， 與鄰近C3站位子斷面相反， 因?yàn)镃3和C1點(diǎn)分別位于膠州灣東岸和西岸， 表明潮流流入灣口后通潮通道影響， 分別向東、西向流動； 鄰近C1站位流速南北分量幅值變化大于鄰近C3站位子斷面， 這主要是由于C1站位位于灣口， 灣口窄灣內(nèi)寬， 海流在灣口處流速大。距離等效分段反演的結(jié)果體現(xiàn)了C1C3斷面流速水平分布不均勻特點(diǎn)， 更符合膠州灣流場規(guī)律。

圖14 C1C3斷面鄰近C1站位子斷面的反演流速東西分量（a）和南北分量（b）變化圖Fig. 14 Variation of （a） eastward component and （b） northward component in the vertical profile of the subsection near St.C1 along the C1C3 section

圖15 C1C3斷面鄰近C3站位子斷面的反演流速東西分量（a）和南北分量（b）變化圖Fig. 15 Variation of （a） eastward component and （b） northward component in the vertical profile of the subsection near St.C3 along the C1C3 section

C2C7段船載ADCP走航路徑與C1C3斷面的交叉點(diǎn)的位置距離C1站位1707 m， 反演的最優(yōu)距離分段點(diǎn)為距離C1站位3900 m， 所以將鄰近C1站位子斷面的距離等效分段和C1C3斷面距離未等效分段反演結(jié)果與實(shí)測流速進(jìn)行比較， 如圖16所示。

圖16 C1C3斷面反演流速東西分量（a， b）和南北分量（c， d）與ADCP實(shí)測結(jié)果比較Fig. 16 （a， b） Eastward component， and （c， d） northward component of inversion current compared with ADCP observations

等效分段反演流速東西分量與實(shí)測流速的平均偏差為0.010 m/s， 相關(guān)系數(shù)為0.969， 南北分量的平均偏值為0.010 m/s， 相關(guān)系數(shù)為0.992， 未等效分段反演流速東西結(jié)果與實(shí)測流速的均方誤差為0.025 m/s，相關(guān)系數(shù)為0.882， 南北分量的均方誤差為0.034 m/s，相關(guān)系數(shù)為0.657?？梢姷刃Х侄畏囱莺蟮慕Y(jié)果與實(shí)測流速更為接近， 精確度提高， 很好的體現(xiàn)流速水平不均勻特點(diǎn)。

4 水平流場和流量變化分析

有前述流速垂直分布反演結(jié)果可見， 除了在漲潮和落潮流速最大值出現(xiàn)時段附近流速東西和南北分量存在略大的垂直梯度， 在其余時段垂直深度上變化不大。為更直觀的觀察膠州灣口的流場變化， 取流速在深度上的平均值， 將C1C2斷面， C1C3斷面和C2C3斷面流速反演結(jié)果畫成流速水平矢量圖。7月 26日3：00～8：00間漲潮期、平潮期、落潮期膠州灣口水平流速矢量圖如圖17所示。

圖17 膠州灣口漲潮、平潮和落潮時反演流速矢量圖Fig. 17 Vector plot of inversion current during flood tidal， slack tidal， and ebb tidal stages at the mouth of Jiaozhou Bay

在漲潮中間時刻往后， 膠州灣口形成一順時針渦漩［2-3］， 在黃島附近， 海水流入膠州灣， 在團(tuán)島附近，海水流出膠州灣， 在文獻(xiàn)［2］中的大潮期間的數(shù)值模擬和實(shí)際ADCP測量結(jié)果中， 團(tuán)島至黃島灣口位置處穩(wěn)定的渦漩現(xiàn)象持續(xù)近2 h， 與本文中反演結(jié)果相同。

進(jìn)入漲潮后的平潮階段即轉(zhuǎn)流階段， 灣口西岸海域的流速流向?yàn)硟?nèi)并基本接近零， 團(tuán)島附近的流速流出灣外并且也適量減小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)［2］中的數(shù)值模擬和實(shí)測結(jié)果相同。

進(jìn)入落潮， 3個斷面的流速都流向?yàn)惩猓?沒有明顯的部分海域流速提前逆轉(zhuǎn)的現(xiàn)象， 也沒有渦漩出現(xiàn)。與文獻(xiàn)［7］中大潮落潮時段內(nèi)數(shù)值模擬和實(shí)測結(jié)果相似。

通過C1C2斷面距離等效分段流速反演結(jié)果求出實(shí)驗(yàn)階段流過C1C2斷面的流量變化（圖18）， 規(guī)定海水流入時流量為正， 流出為負(fù)。由反演結(jié)果可見，大潮期間通過膠州灣口最大漲潮流量11×104m3/s，最大落潮流量為8×104m3/s， 與文獻(xiàn)［2］中實(shí)測的大潮期間流量范圍（–8×104至10×104m3/s）大致相同。落潮期間流量有明顯的抖動， 即在落潮中間時刻， 流量減小， 之后又增大的現(xiàn)象， 與文獻(xiàn)［2］中的模擬和實(shí)測結(jié)果相同。對比C1C2斷面流速反演結(jié)果， 在落潮時間內(nèi)， 南北流速和東西流速存在流速值減小的現(xiàn)象， 造成落潮流量的抖動現(xiàn)象。

5 結(jié)論

與傳統(tǒng)的錨定或船載測流方式相比， 聲層析方法僅需布設(shè)較少數(shù)量的聲學(xué)站位， 即可獲得大范圍的復(fù)雜流場垂直和水平分布， 適合于港灣、航道等淺海海洋環(huán)境監(jiān)測。本文在傳統(tǒng)的射線走時聲層析反演方法中引入經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)， 使用匹配方法， 針對流場水平不均勻特性， 結(jié)合距離等效分段方法， 反演膠州灣流場的垂直和水平變化， 得到以下結(jié)論： （1）對斷面距離等效分段， 并考慮流速兩個垂直分量的等效影響， 可獲得子斷面流速變化。與距離不等效分段反演流速比較， 等效分段反演結(jié)果更接近實(shí)測流速，適合于處理流場水平分布不均勻的場合。（2）利用膠州灣口3個斷面聲層析數(shù)據(jù)獲得流速場的垂直和水平分布， 可見漲潮期間灣口位置團(tuán)島邊渦流的出現(xiàn)；得到大潮期間灣口的流量在8×104～11×104m3/s， 漲潮流量大于落潮流量。與文獻(xiàn)中觀測數(shù)據(jù)吻合。

圖18 C1C2斷面流量變化圖Fig. 18 Time series of inversion current transport at the C1C2 section

致謝： 感謝國家海洋局第二海洋研究所吳清松、廖光洪、樊孝鵬、張傳正、李博、駱鵬參加了海上實(shí)驗(yàn)工作。感謝兩位評審專家專業(yè)性的評審意見。

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（本文編輯： 劉珊珊）

Determination of inversion current field in the Jiaozhou Bay based on coastal acoustic tomography data

LIU Xu-dong1， LIN Ju1， WANG Huan1， ZHU Xiao-hua2
（1. College of Information Science and Engineering， Ocean University of China， Qingdao 266100， China； 2. Second Institute of Oceanography， State Oceanic Administration， Hangzhou 310012， China）

May， 10， 2013

ray time-of-flight acoustic tomography； empirical orthogonal function； matching field method； subsection-equivalent method； the Jiaozhou Bay

Based on coastal acoustic tomography data， the ray time-of-flight acoustic tomography method is combined with the matching field method and empirical orthogonal function analysis to invert the current field along three sections. The inversion method is improved using the subsection equivalent method to invert the vertical and horizontal distributions of the current in a current-range-dependent case. The deviation between the inversion results and the current measurements are considerably reduced compared with the use of the traditional inversion method； the average deviation is below 0.02 m/s， and the correlation coefficient of current vertical profile is increased to over 0.85. According to the inversion results， the current field in the acoustic experiment domain near the mouth of the Jiaozhou Bay is analyzed， and the transport volume is calculated. The results show that the modified ray time-flight acoustic tomography method can be applied to monitor current fields that have a range-dependent horizontal distribution， and the large-scale three dimensional information of the complicated current field can be obtained by deploying a small number of acoustic stations， which are useful in the studies of coastal marine resource exploitation， marine environment conservation， and shipping traffic safety.

P733.23

A

1000-3096（2016）01-0101-11

10.11759/hykx20130510003

2013-05-10；

2014-01-03

國家海洋局第二海洋研究所衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目（SOED1001）； 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41176033）；國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2007CB411803）； 國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）（2006AA09Z114）

劉旭東（1987-）， 男， 山東日照人， 碩士， 研究方向?yàn)楹Ｑ舐晫W(xué)， E-mail： liuxudong02013@126.com； 林巨， 通信作者， E-mail：julin97@gmail.com