利用声学多普勒流速剖面仪分析洋流变化
彭达胡乱
洋流是海洋系统的重要组成部分，在热量、盐分、营养物质、沉积物和污染物的输送中发挥着重要作用。洋流的变化——无论是日变化、季节性变化还是年际变化——都会影响沿海生态系统动态、航运安全、海上作业和海洋规划。为了全面了解洋流行为，需要能够捕捉不同深度和时间尺度下洋流变化的观测数据。声学多普勒流速剖面仪（ADCP）是用于此目的最广泛使用的仪器之一，它是一种基于声学原理的流速测量仪器，可以绘制水体中的流速剖面图。
本文探讨了洋流变化的概念、ADCP 的工作原理、数据采集和处理方法，以及定量识别洋流变化模式的分析方法。
海洋洋流变异性的概念
洋流变化是指洋流速度和方向随时间和空间的变化。一般来说，这些变化受以下几个主要因素的影响：
1. 风和表面环流：风通过摩擦力引发表面流，形成沿岸流、上升流/下降流和埃克曼流。
2. 潮汐：在许多沿海地区，潮汐是产生每日或半每日周期交替水流的主要因素。
3. 密度差异（温盐性）：温度和盐度梯度产生斜压流，斜压流会随季节变化。
4. 波浪和地形相互作用：近岸区域、狭窄海峡和浅水区由于水流与海底的相互作用，经常出现复杂的水流。
5. 大尺度变化：厄尔尼诺-南方涛动 (ENSO)、季风或印度尼西亚贯穿流 (ITF) 等现象可以调节区域性洋流。
由于这些变化通常同时发生，监测仪器必须能够连续、稳定地分层（多深度）记录电流。这正是声学多普勒流速剖面仪（ADCP）发挥关键作用的地方。
ADCP 工作原理
声学多普勒流速剖面仪（ADCP）的工作原理基于多普勒效应，即水中悬浮颗粒（例如浮游生物或细颗粒沉积物）反射声波时频率的变化。ADCP通过多束（通常为3束或4束）发射特定频率的声波信号，然后接收反射信号。通过计算发射信号和接收信号之间的频率差，即可获得沿波束方向的速度分量。
通过结合来自多个波束的信息，ADCP 可以估算不同深度（分为若干测量层）的三维流速矢量（东西向、南北向和垂直分量）。最终得到的是从仪器附近到近海面或近海底的流速剖面，具体取决于安装配置。
一般来说，安装方式主要有两种：
– 底部安装式（安装在底部）：向上测量水柱（向上观察），适合长期监测。
– 船载式（安装在船上）：测量沿调查路径的洋流，适用于快速空间测绘。
测量设计与数据采集
当前变异性分析的成功与否很大程度上取决于观测设计。一些需要确定的重要参数包括：
1. 频率和范围：高频 ADCP（例如 600–1200 kHz）适用于浅水区，具有高分辨率，而较低频率（例如 75–300 kHz）适用于较深的水域。
2. 数据格大小和采样间隔：较小的数据格可以提供更高的垂直分辨率，但会增加噪声。为了捕捉潮汐涨落和快速变化，需要更短的采样间隔，但必须考虑电池和内存容量。
3. 观测持续时间：为了区分潮汐成分和非潮汐成分，理想情况下观测应至少持续数周；对于季节性分析，需要数月的数据。
4. 方向校正：当前数据需要航向、俯仰和横滚信息（罗盘和倾斜传感器），以便将当前分量转换为地理坐标系。
5. 数据质量：信号相关性、速度误差和反射强度等参数对于评估测量质量至关重要。
ADCP数据处理：关键阶段
在进行变异性分析之前，需要对数据进行处理，以确保结果的可靠性：
1. 质量控制（QC）
– 删除相关性低或误差速度高的数据。
– 识别由生物扰动、气泡或极端波浪条件引起的异常值。
2. 磁校正和坐标变换
– 如果不加以校正，磁偏角会导致电流方向出现偏差。
– 数据从仪器/波束坐标转换为东北垂直坐标。
3. 确定空白距离和表面/基底边界
– 在传感器附近有一个无法测量的“空白”区域。
– 在向上观测模式下，近地表数据可能会受到地表反射（旁瓣干扰）的污染。
4. 去污和信号分离
– 可以使用谐波分析或滤波器（例如低通滤波器来突出显示潮下带变化）来分离潮汐分量。
这一步骤确保所识别的变异结构真正反映的是海洋动力学，而不是仪器伪影。
当前变异性分析方法
数据清洗完毕后，可以使用以下方法分析当前的变异性。
1. 基本统计数据和当前玫瑰
均值、最大值、标准差和方向分布等统计量可以描述电流的总体特征。电流玫瑰图显示了主要的趋势方向及其频率。
2. 时间序列和能量谱
多深度时间序列图有助于观察每日或偶发的海流变化（例如，由风暴引起）。为了识别主导周期，通常使用频谱分析（例如，快速傅里叶变换，FFT），该方法通常会在潮汐周期（日潮/半日潮）或天气周期内显示能量峰值。
3. 潮汐分量和潮下带分量的分离
在沿海地区，潮汐流通常占主导地位，并可能掩盖残余流信号。谐波分析可以提取M2、S2、K1、O1等分量。同时，次潮（残余）分量通常与风、密度梯度或区域环流有关。
4. 垂直变化：剪切和水柱结构
ADCP 的优势在于能够探测水流随深度的变化。剖面分析可以揭示：
– 垂直剪切（水流随深度的变化）与水柱的混合和稳定性有关。
– 由于底部摩擦，底部边界层通常水流较慢且方向不同。
– 例如海峡或河口的双层水流，表层有流入，深层有流出。
5. 季节分析和气象影响
利用长期数据，可以从残余流的变化中观察到季风模式或季节性变化。风和气压数据可以与潮下带洋流进行关联，以研究大气和海洋动力学之间的关系。
寻求和支持
虽然ADCP功能非常强大，但它也存在一些需要考虑的局限性：
– 地表扰动（波浪、气泡）会降低近地表数据的质量。
– 旁瓣干扰限制了某些有效深度，尤其是在浅水区。
– 指南针偏差和倾斜误差会影响当前方向。
– 散射体可用性：在非常清澈的水中，反射可能会较弱，因此测量不太稳定。
因此，通常需要使用辅助数据（例如验潮仪、风数据、CTD 或漂流器）进行验证，以提高解释的可靠性。
结论
利用声学多普勒流速剖面仪（ADCP）分析洋流变化，能够有效地从时间和垂直两个维度了解洋流动力学。ADCP能够提供高分辨率的流速剖面观测数据，从而更清晰地分离和解释潮汐分量、残差和流层结构。通过质量控制、方向校正以及频谱分析、潮汐谐波分析和垂直剪切分析等方法，ADCP数据可以为海洋学研究、海岸管理、航行安全以及海事产业的需求提供关键信息。
归根结底，当前变率研究的成功不仅取决于仪器本身，还取决于合理的观测设计、严谨的数据处理以及考虑局部海洋物理过程的解释。当这三个方面达到平衡时，ADCP 就成为揭示不断变化的洋流“脉动”的最佳工具之一。
