倒置式回声仪的研究进展

赵瑞祥，朱小华

（国家海洋局第二海洋研究所，卫星海洋环境动力学国家重点实验室，浙江 杭州 310012）

倒置式回声仪的研究进展

赵瑞祥，朱小华*

（国家海洋局第二海洋研究所，卫星海洋环境动力学国家重点实验室，浙江 杭州 310012）

倒置式回声仪（IES）是一种锚系于海底的海洋观测仪器，它通过向上发射声信号并接收从海面反射的回声信号，测量并记录声信号的垂向往返传播时间。倒置式回声仪具有体积小、设置方便、性价比高、安全性强等特点。IES已经成功应用于全球多个海区，并取得了举世瞩目的成果。文中回顾了IES的发展历史，系统介绍了有关IES的研究成果与进展及在我国的初步应用。

倒置式回声仪；发展历史；研究进展；初步应用

倒置式回声仪（Inverted Echo Sounder，以下简称IES）是一种锚系于海底的海洋观测仪器，它通过向上发射声信号并接收从海面反射的回声信号，测量并记录声脉冲海底到海面的垂向往返传播时间（Vertical Acoustic Travel Time，VATT）。

IES的观测原理是通过测量声传播时间来监测温跃层深度变化，最早由Rossby[1]于1969年提出。IES经罗德岛大学（Rhode Island University）几十年的发展，技术日趋成熟，功能也越来越强大。最新的IES具备压力传感器，并有海流计的数据接口，还可通过声通讯实现遥测（Telemetry）。其中拥有压力传感器的IES称为PIES（Pressure-gauge-equipped Inverted Echo Sounder），可测海底压力；而同时配备压力传感器和海流计的IES称为C-PIES（Current-Pressure equipped Inverted Echo Sounder），还可测近海底（约海底向上50 m深）的流速。

IES具有如下的特点：（1）观测时间长，一般连续观测 2～5 a；（2）体积小，设置方便；（3）适合大面积阵列观测；（4）观测性价比高。IES观测资料配合GEM(Gravest Empirical Mode)、最优插值（Optimal Interpolation）等反演技术，可获得传统观测方式都难以得到的全水深的温度、盐度、流场等海洋环境动力要素的三维时空分布；（5）安全性强。具体表现在：IES不受海水腐蚀影响，并且工作环境稳定，几乎不受渔业活动破坏，因此IES的回收率很高，超过 95%（http://www.po.gso.uri.edu/dynamics/IES/recovery_stats.html）；（6）IES 可配备声通讯功能，通过声通讯手段回收数据。

1 IES的发展历史

自1973年IES问世以来，罗德岛大学便不断改进其性能，并根据观测研究需要，开发出不同功能的IES。目前IES观测技术日趋成熟，已能够经济有效地观测并反演温度、盐度和流场等海洋动力要素的时空分布。表1给出了IES的主要发展历史。

除了传统的IES（包括PIES和C-PIES），还有针对不同观测和应用需求的特殊IES。如2005年在南海布放的Wave-IES[7]、2006年结合水平静电计（Horizontal Electrometer）观测海流的 H-PIES，以及2007年采用弹出（Pop-up）技术，并通过铱星通讯实现数据遥测的Pop-up IES。

截止2015年3月，罗德岛大学最新的IES为Model 6.2C。该版本的IES附有压力传感器和海流计接口，具备遥测功能。图2为C-PIES的基本结构示意图。

表1 IES的主要发展进程

图1 1973年在MODE I实验中投放的IES[2]

图2 C-PIES的结构示意图

2 IES的应用

IES已成功应用于全球多个海区，并取得了一系列瞩目的成果。目前，通过IES获得的研究成果可大致分为以下几个方面。

（1） 主温跃层深度及其相关参数的观测。在早期的研究中，IES主要用来观测主温跃层深度的变化。Tom Rossby[1]结合已有的水文实测数据发现主温跃层的深度和海底-海面声音往返传播时间之间存在很好的线性关系，由此提出了IES观测的概念。后来，在1973年实施的MODE I实验中，Watts和Rossby首次应用IES，成功监测到湾流区两个月的温跃层深度变化[2]，并提出VATT、动力高度、总热容量与主温跃层深度之间存在很好的线性关系。此后，在全球多个海域[8-11]，特别是在美国大浅滩和佛罗里达之间，多次观测实验采用IES反演主温跃层深度及其相关参数。在湾流区，IES还用于监测湾流锋区的位置和流径。

（2） 海洋动力参数剖面的反演。 Watts和Rossby[2]指出，IES所测量的VATT是一个从海底到海面的垂向积分量，因此它仅对第一斜压模态的变化敏感，而对垂向的细微结构不敏感。早期的研究中，IES仅用来观测主温跃层深度及其相关参数，并没有人反演得到海洋动力参数的剖面分布。直到2001年，Watts和 Sun[6]提出了 GEM（Gravest Empirical Mode）。GEM是历史水文资料在二维空间上的压缩和投影，在功能上可看做是一张二维的查找表（图3(a)）。PIES观测的往返传播时间和海底压力的时间序列，通过深度转化（leveling）后，可以在GEM上查找到对应的全水深的温度、盐度、比容异常剖面，从而进一步计算得到流场分布。Watts和Sun还在GEM表层和次表层加入季节模型，以提高GEM对受热盐强迫显著的上层海洋的模拟能力。GEM大大拓展了PIES的应用范围，显著提高了其观测能力。GEM已成功应用于北大西洋暖流[12]、黑潮区[13]、南极绕极流[6]、日本海[14]、琉球海流[15]、黑潮延伸体[16]等多个海区的PIES（C-PIES）观测反演中。

建立和应用GEM有两点需要特别注意：（1）GEM以研究海区的历史水文资料为基础，因此在建立GEM之前，需要确认该海区先前已进行了足够多的CTD观测；（2）标准的GEM假定往返传播时间和温盐剖面之间有一一对应的经验关系。然而，在某些海区，受到热盐入侵或风搅拌等因素的影响，温盐剖面呈现多个模态，因此在这些海区应用GEM时，需要采用其他的参数来解释这些模态带来的方差，以减小GEM的误差。例如，Mitchell等[17]在研究日本海的郁陵海盆（Ulleung Basin）时发现，由于该海区永久温跃层太浅且季节信号的空间变化很大，VATT与温盐剖面在上层并不存在一一对应的关系，标准的GEM并不适用。因此，他利用历史水文实测数据相对美国海军的MODAS（Modular Ocean Data Assimilation System）的修正，建立了“残余 GEM”（Residual GEM）（图 3(b)）。Park 等[14]则结合卫星SST资料建立起多参数GEM技术（MI-GEM，Multi-Index GEM）（图 3(c),图 3(d)）。相对残余 GEM技术，它能够大大提高反演精度，更好地捕捉到剖面信息。

图3 温度的GEM

（3） 海洋动力参数的三维反演。 单独的IES（包括PIES，CPIES）只能对投放点的海洋动力参数进行观测和反演。而将多个IES组成阵列，采用最优插值（Optimal Interpolation，以下称为 OI）方法，就可对投放海区的海洋动力参数的三维空间分布做出最优估计。OI由Bretherton等[18]在1976年引入海洋学，并在20世纪80年代中期引入IES的数据处理。Watts等[19]使用OI来绘制湾流锋区的网格化温跃层深度场。Tracey等[20]提出迭代投影法（Iterative mapping）来提高OI的精度。Watts等[21]使用PIES测得海底压力数据，通过OI来绘制湾流区的深水流场和压力场。Donohue等[16]则结合KESS项目中的C-PIES阵列，采用GEM和OI技术，得到黑潮延伸体区的温度、盐度、流场的三维时空演变，并分析了反演误差（图4）。

图4 Donohue等[16]估计得到的在200 m深平面的最优插值法误差场

（4） 内波和内潮的观测。 以上观测研究皆关注海洋中的中尺度现象和过程。而通过提高采样率，有研究通过改造IES成功捕获到小尺度的内波和内潮信号。Park[22]通过IES，系统地研究了存在于日本海西南部（郁陵海盆）的内潮。Farmer[7]，Li[23]则通过IES观测到南海的非线性内波。

3 PIES在我国的初步应用

我国的PIES观测研究起步较晚。国家海洋局第二海洋研究所在国内率先引进了PIES，并于2012年10月至2014年7月间在南海西沙附近海域成功布放和回收了5台PIES（图5），获取了连续22个月的传播时间和海底压力的时间序列。通过建立该区域的GEM，成功反演了该海区投放期间的温度、盐度、流速等水文要素的时空分布和演变，捕捉到观测期间几个中尺度涡的断面结构，如图6所示，第1行图是卫星海面高度计观测到的MSLA(Merged Sea Level Anomaly,多卫星融合的海面高度异常，来自AVISO)的分布，黑色三角代表PIES的投放点；第2～3行图为PIES断面温度（盐度）分布，等值线代表位温（绝对盐度），而颜色代表相对历史同期的温度（盐度）异常。这是我国第一次自主进行PIES观测，它的成功标志着我国具有独立进行PIES的布放、回收和数据处理的能力。

图5 国家海洋局第二海洋研究所布放PIES时的情景

图6 PIES观测到的2013年10月20日至11月30日的暖涡

4 结语

IES具有体积小、设置方便、性价比高、安全性强等特点，因此适合于大面阵列观测。IES经过罗德岛大学数十年的发展，技术日趋成熟，功能日益强大。现有的IES都附有压力计和海流计的接口，观测能力大大提高。早期的IES主要用来观测温跃层深度及其相关动力参数的变化，而随后发展的PIES则可通过GEM反演温度、盐度和流速等海洋动力参数的剖面分布，而PIES（C-PIES）组成的阵列则可采用最优插值法进一步反演海洋动力参数的三维时空分布。另外，经过改造的IES可对内波和内潮等小尺度现象进行观测。

我国于2012年10月起连续22个月在南海西沙附近海域成功实施了PIES观测，反演得到了温度、盐度、流速等海洋动力参数的时空变化，并成功观测到了中尺度涡动力结构的详细变化过程。

目前，我国不少单位已经计划引进IES，“863”等项目也正在组织实施IES的研发。IES在我国的应用将大大提高我国深远海洋动力环境的观测能力，促进我国海洋科学研究水平的提升。

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Overview on the Research Progress of Inverted Echo Sounders

ZHAO Rui-xiang,ZHU Xiao-hua
State Key Laboratory of Satellite Ocean Environment Dynamics,Second Institute of Oceanography,State Oceanic Administration,Hangzhou 310012,Zhejiang Province,China

Inverted echo sounder(IES)is an ocean bottom-moored instrument,which measures and records the vertical travel time of the sound signal by transmitting it upwards and receiving the reflected signal from the sea surface.IES is featured by its small size,easy configuration,cost-effectiveness and high safety.IESs have been successfully deployed around the world,and gained conspicuous achievement.This paper reviews the development history of IESs,systematically introduces the research progress of IESs,and shows their preliminary application in China.

inverted echo sounder;development history;research progress;preliminary application

P715;TB565

A

1003-2029（2015）03-0054-05

2015-03-10

国家重点基础研究发展规划资助项目（2011CB403503）；国家自然科学基金资助项目（41176021，41321004，41276095）

赵瑞祥（1989-），男，硕士，研究实习员，主要从事物理海洋学观测研究。E-mail:zhaorx@sio.org.cn

朱小华（1963-），男，博士，研究员，主要研究方向为物理海洋学观测。E-mail:xhzhu@sio.org.cn