基于船载ADCP和LADCP观测的南海声散射层*

陈　钊，吕连港，杨光兵，姜　莹，刘洪宁，杨春梅，刘宗伟

(1．国家海洋局 第一海洋研究所，山东 青岛 266061；2．海洋环境科学和数值模拟国家海洋局重点实验室,山东 青岛 266061)



基于船载ADCP和LADCP观测的南海声散射层*

陈钊1，2，吕连港1，2，杨光兵1，2，姜莹1，2，刘洪宁1，2，杨春梅1，2，刘宗伟1，2

(1．国家海洋局 第一海洋研究所，山东 青岛 266061；2．海洋环境科学和数值模拟国家海洋局重点实验室,山东 青岛 266061)

摘要:依据2012年ROSE航次船载ADCP和LADCP的观测数据，对南海秋季声散射层的垂向分布特征和日变化进行了分析；根据估算出的散射层中散射体的垂向迁移速度，对散射体类型进行了分析。观测结果表明，南海存在着2个声散射层，一个声散射层位于0～200 m，散射强度具有显著的日变化特征，即白天弱，夜晚强；另一声散射层则处于300～500 m的深度，其散射强度的日变化与另一个相反，白天较强，夜晚变弱。通过计算可得，散射体的垂向迁移，在傍晚时分运动方向向上，速度约为1.74 cm/s；而凌晨左右运动方向向下，速度约为1.39 cm/s。观测结果还表明,ADCP和LADCP的观测结果能够互相补充，更有利于对声散射层的细致研究。

关键词：声散射层；垂直迁移；日变化；LADCP；船载ADCP；南海

声学多普勒流速剖面仪(Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP)是20世纪80年代初发展起来的一种新型测流设备，被广泛应用于海洋调查、海洋物理学研究的海水流速、流向等水文要素的测量，有时也被用来测量浮游动物的丰度和生物量[1-4]。利用ADCP的观测数据可以用来研究湾流弯曲[5]、涡旋[6-7]、海洋锋[8]和北太平洋中层水输运[9]等对浮游动物分布的影响。由于其具有较高的时间和空间分辨率， ADCP的观测结果还可以用于研究海洋生物的垂直迁移[10-16]和季节性迁移[17]。

散射层是海洋中聚集有数量众多并能造成强烈声散射的生物群(浮游生物和鱼)的水层[18]。散射层中的生物体根据其觅食或生存的需求，会进行垂直迁移[19]，形成复杂的食物网[20]，导致散射层具有明显的日变化特征。南海是西北太平洋最大的半封闭海域，海洋资源丰富。目前，对南海声散射层的研究并不多见，且大多研究集中于如下方面：通过爆炸声源产生的混响信号，计算声散射层的深度、厚度和强度[21]；利用回声测深仪观测到声散射层的垂直移动[22]；在测试声相关流速剖面仪同时对声散射层进行观测[23]。这些研究只进行了短时间的观测，没有对声散射层的分布特征进行详细刻画。

本文利用2012年“西太平洋海域海洋灾害对气候变化的响应(ROSE)”航次船载ADCP和下放式ADCP(Lowered Acoustic Doppler Current Profiler，LADCP)的观测结果，研究了南海声散射层的垂向分布及其日变化，估算了散射体的垂向迁移速度并对散射体的类别进行了判断，最后对船载ADCP和LADCP观测数据的差异进行了分析。

1观测及数据处理

1.1观测和仪器设置

在南海进行的航次的工作计划中包含水文、气象、生物和化学四个相关领域的观测。本文所用数据来自“ROSE”2012年航次，调查船为“向阳红09”。海上调查始于2012-09-06，于09-22完成全部站位作业。观测的航线和站位见图1。观测从A1站位开始，到C4站位结束，船载ADCP沿着航线收集数据，在09-16—17期间进行了25 h海浪及海洋上层混合的连续观测。

调查中所用的38 kHz船载ADCP参数设置成垂向16 m为一层，共60层，数据采样时间间隔为6 s，第一层到ADCP设备的距离为25 m，设备放置在水下6 m。LADCP的工作频率为307 kHz，参数设置为垂向8 m一层，共14层，数据采样时间间隔为1 s，第一层到LADCP设备的距离为10 m，设备深度由自带的压力传感器提供。调查中使用的温盐深测量系统(Conductivity-Temperature-Depth system，CTD)的型号是海鸟SBE911，可以获得温度、电导率、压力和声速等水文资料，数据采样率为24 Hz。作业时，CTD和LADCP一起下放回收。E1站位的LADCP数据损坏，无法使用。

图1　2012年南海“ROSE”航次的航迹和站位Fig.1　Ship track and observation stations of 2012'S ROSE cruise in the South China Sea

1.2声速剖面和船载ADCP深度修正

图2a为调查海区中水深超过1 000 m的29个站位的平均声速剖面，从图中可以看出50～1 000 m深度声速具有负梯度，从1 540 m/s附近逐渐减小。船载ADCP在判断后向散射回波信号对应的水层深度时，认为声速为常数，其值默认为设备所在水深对应的声速值。当接收回声时间一定时，负的声速梯度使得船载ADCP设置的深度和实际深度之差逐渐增大。根据观测的声速剖面可以对船载ADCP计算的第N层水体深度进行修正，修正后的第N层水体到ADCP的垂直距离d可表示为

(1)

式中，dN为第N层水体到ADCP的默认垂直距离；c1为换能器位置的声速，即ADCP的默认声速；c′为从换能器到第N层的平均声速。ADCP设置的各水层深度与修正后的深度之差如图2b所示。

图2　平均声速剖面和船载ADCP设置与修正深度之差Fig.2　Profile of the average sound velocity and the difference between the pre-set and corrected depths for the ship-board ADCP

1.3后向散射强度及垂直迁移速度估算

用WinADCP软件导出船载ADCP的原始数据，将平均完好率小于80时刻的数据剔除，对4个波束数据进行平均，计算得到平均回声强度数据，利用式(2)[24]计算后向散射强度Sv。

Sv=C+KC(EI-Er)+20lg(RN)+2αRN,

(2)

式中，C是与ADCP自身有关的常数；KC是转换系数；EI是观测所得回声强度；Er是ADCP信号强度本底值；α为海水的吸声系数；RN是沿着波束方向到第N层水层的长度，其计算公式[24]为

(3)

式中，B为盲区的长度；L为脉冲长度；D为ADCP设置的层深；θ为换能器波束与垂直方向的夹角。对数据进行范围检验，去除后向散射强度小于-104 dB的数据(所有时刻平均回声强度为-107 dB)，最后将数据按时间20 min为一组进行平均，获得后向散射的平均强度。

导出LADCP的平均回声强度和深度数据，取每个时刻第一层的回声强度和对应深度进行处理，则RN保持不变，计算后向散射强度。将数据按深度排序，每隔1 m取一个回声强度的平均值，再利用公式(2)计算LADCP观测的后向散射强度。

散射体的垂直迁移速度用后向散射强度异常值SVA进行估算[16]。SVA定义为

(4)

式中，Z代表深度；t代表时间；Sv(Z,t)是船载ADCP观测的散射强度平均日变化；Sv(Z)是Sv(Z,t)在时间上的均值。因为SVA的0 dB等值线(L0(t))代表后向散射强度等于平均值的位置，即由散射体迁移导致的后向散射强度异常的边界，所以散射体的迁移速度可以用L0(t)对时间的导数进行估算。

2观测结果

2.1船载ADCP观测结果

船载ADCP观测的后向散射强度的时间—深度分布见图3，图中的白色区域表示此时设备不工作，或者观测数据完好率较低被剔除。图中黑框圈出的时刻调查船正在浅水区域避风。从图中可以看出，在整个航线上都存在2个声散射层。一个声散射层分布于深度小于200 m的位置，并且其散射强度具有日变化，即白天变弱，夜晚变强。在300～500 m存在另一声散射层，其强度的日变化特征与上一个相反。

图3　船载ADCP观测的后向散射强度的时间-深度分布Fig.3　Time-depth contour of backscattering intensity measured by the ship-board ADCP

将每天同一时刻的散射强度进行平均，得到南海散射层散射强度的平均日变化如图4所示。从图中可以较明显地看出上散射层散射强度呈现白天弱、夜晚强的日变化特征；而深散射层与上散射层散射强度的日变化呈现一种反相变化，表现为白天强、夜晚弱的特征。从图中亦可见两个散射层之间在03:00—05:00和15:00—17:00两个时间段的垂直方向上变化。经分析这种变化应该是由散射体迁移造成的，部分散射体在黎明时向深海迁移，傍晚时向上层迁移。

图4　船载ADCP观测的散射强度的平均日变化Fig.4　The mean diurnal variation of the scattering intensity measured by the ship-board ADCP

2.2LADCP观测结果

各个站位LADCP观测数据的后向散射强度如图5所示。由图可见，所有站位散射强度随深度的变化趋势基本一致，水深超过500 m的站位都可以分辨出2个散射层的存在，而A2，A8，B4，D5，D7和E3站位在100～200 m深度上可以看到出现了第三个声散射层。

图5　LADCP观测的各站位后向散射强度Fig.5　Profiles of backscattering intensity measured by the LADCP in all of the cruise stations

图6给出了基于LADCP和船载ADCP观测数据的后向散射强度的站位平均值。从图中可以看出多站位平均后的声散射层分布情况，LADCP与船载ADCP的结果基本一致，第一散射层分布于0～200 m，而第二散射层分布于300～500 m。对比而言，LADCP观测的后向散射强度略强，且第二散射层分布的深度略浅。

根据图6所示，选取0～200 m的散射强度平均值作为第一散射层的散射强度，选取300～500 m的散射强度平均值作为第二散射层的散射强度，将各站位散射层的散射强度按照观测时间进行排序，可以得到散射层的日变化趋势图(图7)。可以看出，第一散射层06：00—18:00时间段内的散射强度较其他时间略低(图7a)，整体呈现白天弱、夜晚强的变化特征；第一散射层06：00—18:00时间段内的散射强度较其他时间略高(图7b)，整体呈现白天强、夜晚弱的变化特征。

图6　后向散射强度的多站位平均值Fig.6　The spatial average of backscatter strength

图7　基于LADCP的散射层散射强度的日变化趋势图Fig.7　The diurnal variation of backscatter strength within the scattering layer obtained by LADCP

3讨论

3.1散射体类别和迁移速度

虽然依据ADCP或LADCP的观测结果不能分辨散射体的类别，但是相同区域的生物调查可以提供相关的信息。1983-1985年在南海中部海域进行了4个航次的生物调查，共布设18个垂直分层观测站，采用大型浮游生物标准网附加闭锁装置，分别在0～100，100～200和200～500 m水深处各垂直拖取一次浮游动物样品。样品的分析结果表明，南海中部海域在0～100 m水层中浮游动物数量最多，其中桡足类的种类最为丰富，其次是水母类、毛颚类和端足类，100～200 m层中桡足类大量减少，200～500 m层桡足类显著增加[25]；1997-11和1999-04、1999-07在南沙群岛海区3个昼夜连续站采集了毛颚动物(一种浮游动物)样品进行研究，结果表明部分毛颚动物进行昼夜垂直迁徙[26]；2002-05对南沙群岛渚碧礁浮游动物的群落结构、平面分布、垂直分布和昼夜变化等进行了观测，结果表明礁坪的浮游动物数量昼夜变化显著，均呈白天减少、夜晚增加，其中桡足类数量最多，其次是浮游幼虫和毛颚类[27]。浮游动物具有夜晚上升，白天下降的迁移规律[28]，这种垂直迁移方式和迁移范围与用ADCP观测的声散射层变化特征一致，且声散射层变化特征符合生物活动的规律，因此声散射层的昼夜变化现象可能是由浮游动物的垂直迁移引起的。

图8为SVA均值的日变化。根据L0(t)可以看出，散射体大约从05:00开始向下迁移(由100 m附近迁移到350 m)，整个向下的迁移过程持续到10:00左右结束，迁移速度约为1.39 cm/s；14:00开始向上迁移(由350 m迁移到100 m上下)，整个向上的迁移过程持续到18:00结束，迁移速度约为1.74 cm/s。

图8　基于ADCP的SVA均值的日变化Fig.8　The mean diurnal variation of the SVA obtained by the ship-board ADCP

3.2船载ADCP和LADCP对比

船载ADCP观测的散射层强度和LADCP观测的结果不同(图6)，原因是船载ADCP和LADCP的工作频率不同，307 kHz的LADCP可以探测到个体更小的散射体，从而影响了接收回声的强度，同时使两种ADCP观测的散射体垂直分布深度产生差异。

38 kHz船载ADCP的最大测量深度为1 000 m左右，而LADCP测量范围更广，最大测量深度可达6 000 m。船载ADCP可以在水平方向上获得高密度的数据，而LADCP只能在站位进行定点观测；LADCP可以在垂向上获得高密度的数据，而船载ADCP的参数设置为每隔16 m水深记录一组数据，无法得到每层内部的回声情况。

图9为A2站位ADCP和LADCP观测的散射强度，其中船载ADCP取09-07T16:19附近的20 min平均值，此时LADCP下放到100 m左右。由图可知，LADCP的数据显示在第一散射层以下，深度为100 m左右又出现了一层散射层，而船载ADCP观测的现象并不明显，说明此处的散射体对高频信号的散射能力更强。

图9　A2站位的散射强度Fig.9　The scattering intensity at station A2

5结论

利用船载ADCP和LADCP的观测数据，研究了南海声散射层的垂向分布及其日变化特征。观测结果表明南海一般存在2个声散射层，第一散射层分布于0～200 m，而第二散射层分布于300～500 m。2个声散射层都有明显的日变化，白天上散射层弱，深散射层强，晚间则相反，这种变化和浮游动物垂直迁移规律一致，所以散射层的昼夜变化现象应该主要是由浮游动物的垂直迁移引起的。用L0(t)估算了散射体的垂直迁移速度，傍晚向上迁移的速度约为1.39 cm/s，凌晨向下迁移的速度约为1.74 cm/s。

船载ADCP观测的散射层与LADCP观测结果有差异，这是船载ADCP和LADCP频率不同引起的，频率高的LADCP可以探测到更小的散射体。38 kHz船载ADCP的最大测量深度仅有1 000 m左右，而LADCP测量范围广，最大测量深度可达6 000 m。船载ADCP可以在水平方向上获得高密度的数据，而LADCP只能在站位进行定点观测；LADCP可以在垂向上获得高密度的数据，而船载ADCP设置为每隔16 m水深记录一组数据，这样无法得知每层内部的回声情况。处理LADCP数据时只取每个位置第一层的回声进行处理，则其回声强度与后向散射强度的变化一致，可以更准确地描述散射层垂直变化。

参考文献(References)：

[1]FLAGG C N, SMITH S L. On the use of the acoustic Doppler current profiler to measure zooplankton abundance[J].Deep Sea Research Part A. Oceanographic Research Papers, 1989, 36(3): 455-474.

[2]HEYWOOD K J, SCROPE-HOWE S, BARTON E D. Estimation of zooplankton abundance from shipborne ADCP backscatter[J].Deep Sea Research Part A. Oceanographic Research Papers, 1991, 38(6): 677-691.

[3]ZHOU M, NORDHAUSEN W, HUNTLEY M. ADCP measurements of the distribution and abundance of euphausiids near the Antarctic Peninsula in winter[J].Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers, 1994, 41(9): 1425-1445.

[4]ASHJIAN C J, SMITH S L, FLAGG C N, et al. Distribution, annual cycle, and vertical migration of acoustically derived biomass in the Arabian Sea during 1994-1995[J].Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography, 2002, 49(12): 2377-2402.

[5]ASHJIAN C J, SMITH S L, FLAGG C N, et al. The influence of a Gulf Stream meander on the distribution of zooplankton biomass in the Slope Water, the Gulf Stream, and the Sargasso Sea, described using a shipboard acoustic Doppler current profiler[J].Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers, 1994, 41(1): 23-50.

[6]ZIMMERMAN R A, BIGGS D C. Patterns of distribution of sound-scattering zooplankton in warm-and cold-core eddies in the Gulf of Mexico, from a narrowband acoustic Doppler current profiler survey[J].Journal of Geophysical Research: Oceans(1978-2012), 1999, 104(C3): 5251-5262.

[7]JIANG S, DICKEY T D, STEINBERG D K, et al. Temporal variability of zooplankton biomass from ADCP backscatter time series data at the Bermuda Testbed Mooring site[J].Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers, 2007, 54(4): 608-636.

[8]WADE I P, HEYWOOD K J. Acoustic backscatter observations of zooplankton abundance and behaviour and the influence of oceanic fronts in the northeast Atlantic[J].Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography, 2001, 48(4): 899-924.

[9]Lü L G, QIAO F L, YUAN Y L. Latitudinal variation of deep scattering layer in the Western Pacific[J].Journal of Hydrodynamics, 2004, 16(5).

[10]PLUEDDEMANN A J, PINKEL R. Characterization of the patterns of diel migration using a Doppler sonar[J].Deep Sea Research Part A. Oceanographic Research Papers, 1989, 36(4): 509-530.

[11]FISCHER J, VISBECK M. Seasonal variation of the daily zooplankton migration in the Greenland Sea[J].Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers, 1993, 40(8): 1547-1557.

[12]KANEKO A, ZHU X H, RADENAC M H. Diurnal variability and its quantification of subsurface sound scatters in the western equatorial Pacific[J].Oceanographic Literature Review, 1997, 44(4): 300-300.

[13]ASHJIAN C J, SMITH S L, FLAGG C N, et al. Patterns and occurrence of diel vertical migration of zooplankton biomass in the Mid-Atlantic Bight described by an acoustic Doppler current profiler[J].Continental Shelf Research, 1998, 18(8): 831-858.

[14]ZHU X H, TAKASUGI Y, NAGAO M, et al. Diurnal cycle of sound scatters and measurements of turbidity using ADCP in Beppu Bay[J].Journal of Oceanography, 2000, 56(5): 559-565.

[15]LENN Y D, CHERESKIN T K, GLATTS R C. Seasonal to tidal variability in currents, stratification and acoustic backscatter in an Antarctic ecosystem at Deception Island[J].Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography, 2003, 50(10): 1665-1683.

[16]LÜ L G, LIU J, YU F, et al. Vertical migration of sound scatters in the southern Yellow Sea in summer[J].Ocean Science Journal, 2007, 42(1): 1-8.

[17]CISEWSKI B, STRASS V H, RHEIN M, et al. Seasonal variation of diel vertical migration of zooplankton from ADCP backscatter time series data in the Lazarev Sea, Antarctica[J].Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers, 2010, 57(1): 78-94.

[18]KALTENBERG A M. 38-kHz ADCP investigation of deep scattering layers in sperm whale habitat in the northern Gulf of Mexico[D].College Station, TX: Texas A&M University, 2004.

[19]HWANG D, KANG D, SEO H, et al. Biomass estimation of zooplankton communities and characteristics on deep scattering layer (DSL) in East China Sea[C]∥Ocean'04. Mtts/IEEE Techno-Ocean'04. IEEE, 2004, 3: 1292-1297.

[20]MARINO A, GENEVA A. Deep scattering layer investigation through multi-beam bathymetry[C]∥Oceans 94: Oceans engineering for today's technology and tomorrow's preservation: proceedings. IEEE, 1994, 3: III/184-III/188.

[21]LI Y X, YANG Y H, LI Z K, et al. Experimental study on the deep scattering layer in South China Sea[J].Acta Oceanologica Sinica (in Chinese), 1986, 1(8): 107-110. 李玉昕, 杨颐华, 李志宽, 等. 南海深水散射层的实验研究[J].海洋学报 (中文版), 1986, 1(8): 107-110.

[22]CHEN C Y, ZHANG S Z. A practical investigation on demersal fish and DSL rhythmic vertical migration by acoustic method[J].Marine Sciences, 1994, 18(3): 53-56. 陈次颖, 章淑珍. 应用水声方法考察底栖鱼类和 DSL (深海散射层) 的垂直移动[J].海洋科学, 1994, 18(3): 53-56.

[23]GONG L H, FENG L, WANG C H, et al. Deep scattering layer observation using acoustic correlation current profiler[J].Technical Acoustics, 2008, 27(6): 807-811. 龚丽辉, 冯雷, 王长红, 等. 利用声相关流速剖面仪观测深水散射层[J].声学技术, 2008, 27(6): 807-811.

[24]DEINES K L. Backscatter estimation using broadband acoustic Doppler current profilers[C]∥Current measurement, 1999. Proceedings of the ieee sixth working conference on. IEEE, 1999: 249-253.

[25]CHEN R X, CAI B J, LIN M, et al. Vertical distribution of zooplankton in the middle of the South China Sea[J].Acta Oceanologica Sinica (in Chinese), 1988, 3(10): 337-341. 陈瑞祥, 蔡秉及, 林茂, 等. 南海中部海域浮游动物的垂直分布[J].海洋学报 (中文版), 1988, 3(10): 337-341.

[26]ZHANG G X, YIN J Q. Diurnal vertical migration of chaetognath around Nansha islands waters southern South China Sea[J].Journal of Tropical Oceanography, 2002, 21(1): 48-56. 张谷贤, 尹健强. 南沙群岛海区毛颚动物的昼夜垂直移动[J].热带海洋学报, 2002, 21(1): 48-56.

[27]YIN J Q, CHEN Q C, TAN Y H, et al. Macrobenthic community characters of Zhubi Reef, Nansha Islands, South China Sea[J].Journal of Tropical Oceanography, 2003, 22(6): 1-8.尹健强, 陈清潮, 谭烨辉, 等. 南沙群岛渚碧礁春季浮游动物群落特征[J].热带海洋学报, 2003, 22(6): 1-8.

[28]LIU S H, SUN S, HAN B P. Hypotheses and theories of mechanisms underlying the diel vertical migration of zooplankton: a review[J].Ecological Science, 2008, 27(6): 515-521. 刘顺会, 孙松, 韩博平. 浮游动物昼夜垂直迁移机理的主要假说及其研究进展[J].生态科学, 2008, 27(6): 515-521.

Received: June 8, 2015

*收稿日期：2015-06-08

作者简介：陈钊(1990-)，男，山东青岛人，硕士研究生，主要从事声学海洋学方面研究.E-mail：chenzhao@fio.org.cn(王燕编辑)

中图分类号：P733.2

文献标识码：A

文章编号：1671-6647(2016)02-0240-10

doi:10.3969/j.issn.1671-6647.2016.02.009

Research on Sound Scattering Layer in the South China Sea Observed With Ship-board ADCP and LADCP

CHEN Zhao1,2, LÜ Lian-gang1,2, YANG Guang-bing1,2, JIANG Ying1,2,LIU Hong-ning1,2, YANG Chun-mei1,2, LIU Zong-wei1,2

(1.TheFirstInstituteofOceanography,SOA, Qingdao 266061, China;2.KeyLaboratoryofMarineScienceandNumericalModeling,SOA, Qingdao 266061, China)

Abstract:The vertical distribution feature and diurnal variation of sound scattering layers in the South China Sea were analyzed with the data obtained by the ship-board ADCP and LADCP during an autumn cruise of the ROSE(Responses of Marine Hazards to Climate Change in the Western Pacific) project in 2012. The scatterers in the scattering layer were categorized by the estimates of their vertical speeds. The measurements showed the existence of two sound scattering layers at two depths, 0～200 m and 300～500 m. Significant diurnal variation was observed in the shallower scattering layer, with weak strength in daytime and strong in nighttime. While this diurnal variation was reversed in the deeper counterpart, with strong strength in daytime and weak in nighttime. The vertical moving velocities of the scatterers were also estimated, with an ascending velocity of around 1.74 cm/s at nightfall and a descending velocity of around 1.39 cm/s before dawn. The analysis also showed that the measurements made by ADCP and LADCP could well complement each other, which benefits the study on sound scattering layer.

Key words:sound scattering layer; vertical migration; diurnal variation; Lowered Acoustic Doppler Current Profiler; Ship-board Acoustic Doppler Current Profiler; South China Sea

资助项目：国家自然科学基金委员会-山东省人民政府联合资助海洋科学研究中心项目——海洋环境动力学和数值模拟(U1406404)