夏季加拿大海盆海冰边缘区声体积后向散射强度研究

刘洪宁，吕连港，刘娜，杨光兵，姜莹，杨春梅，刘宗伟，林丽娜

(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)

夏季加拿大海盆海冰边缘区声体积后向散射强度研究

刘洪宁1，2，吕连港1，2，刘娜1，2，杨光兵1，2，姜莹1，2，杨春梅1，2，刘宗伟1，2，林丽娜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)

声信号的体积后向散射强度是声传播过程中一个关键的参数。海冰边缘区的声体积后向散射强度研究对深入认识北极声场环境有着十分重要的意义。本文利用中国第六次北极科学考察获取的数据资料研究了海冰边缘区声体积后向散射强度特性。结果表明：加拿大海盆海冰边缘区是声体积后向散射强度的明显过渡区。无冰海面(海冰密集度小于15%)海洋深层水的声体积后向散射强度明显大于密集海冰区域的海水(海冰密集度大于50%)。讨论了声体积后向散射强度与海冰融化之间的关系，造成融冰区声体积后向散射强度增大的原因是水下悬浮泥沙、浮游生物等悬浮物质增加。根据海冰密集海域的海水后向散射强度弱的特点，对北极下放式声学多普勒测流仪(LADCP)观测的设置提出建议。

声体积后向散射强度；海冰边缘区；加拿大海盆

1 引言

海冰边缘区是无冰海面与密集冰区的分界地带。海冰对太阳的反照率远大于海水，海面若失去海冰的覆盖，直接与大气接触，则会受到太阳辐射、海风等因素影响，水文、生态结构将随之改变，而密集冰区继续维持原有的水下结构。因此，无冰海面与密集冰区在水文、生物等方面有着显著的差异，研究海冰边缘区具有十分重要的价值。

目前对海冰边缘区的研究主要是在物理海洋、生物等领域。赵进平等研究了北冰洋海冰边缘区的温度和盐度结构，认为开阔海水更多的是上混合层和跃层结构，冰下海水主要是次表层暖水结构[1]。Sakshaug和Skjoldal的研究结论是在春夏季海冰边缘区，海冰融化为浮游植物的生长提供了一个含有丰富营养盐的透光层[2]。Bradstreet和Cross认为在海冰融化边缘区的海水中有大量富含硅藻的冰屑等，这为海洋生物提供食物来源[3]。

尽管海冰边缘区是物理海洋、生物等领域的研究热点区域，但是目前还未有此区域水下声体积后向散射强度的研究。随着2014年美国海军研究实验室在其水声研究计划中明确水声学三大学科，即浅海声学、深海声学、北极声学，对北极声学的研究已经是声学研究的热点之一。在1994年进行了北冰洋声传输实验(TAP)[4—5]，其目的是利用声信号来监测北冰洋温度与海冰变化。TAP实验证明了海洋中传输的声信号会有很低的传播损失和较高的相位稳定性，并且利用声学方法可以反演海冰的特性[6]。TAP实验研究表明在声传播路径上北极中层水(AIW)平均上升了约0.4℃[7]。声信号的体积后向散射强度是声传播过程中重要的参数。海冰融化边缘区的声体积后向散射强度研究对更加深入认识北极声场环境有着十分重要的意义。

目前，国内对北冰洋声后向散射特征的研究近乎空白。本文对下放式声学多普勒测流仪(LADCP)声体积后向散射强度进行研究，发现海冰边缘区是声后向散射强度的显著过渡区。为提高以后南北极科学调查中LADCP数据质量，对LADCP设置方法给予建议。

2 观测与数据处理

2014年7-9月的中国第六次北极科学考察，为期76天，本次调查共获取90个站位的CTD、叶绿素浓度等观测资料和89个站位的LADCP观测资料。

本航次使用的LADCP为RDI公司的300 kHz骏马-哨兵型下放式声学多普勒测流仪。该仪器与海鸟911PlusCTD温盐深剖面仪捆绑共同下放、回收。

LADCP不能直接测量体积后散射强度(Sv)，它记录的是回声强度E，回声强度根据参考文献[8]可表达为:

E=SL+Sv+C0-20lg R-2aR，

(1)

式中，SL为声源强度；a为海水的吸收系数；R为换能器沿探测方向到分析水层的距离(R=D/cos β，D为海面到探测水层的垂直距离，β为换能器测量方向和ADCP换能器组中轴线的夹角，本文所用LADCP的β为20°)；C0为常数系数。

本次北极考察中300 kHz LADCP在不同水深区域的设置参数不同(表1)，本文利用1stBinRange的回声信号计算海水Sv。将回波强度E转换为声体积后向散射强度(Sv)的公式为[9]:

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

LDBM-PDBW+2αR+KC(E-Er)，

(2)

式中，Kc是转换系数(dB/count)，范围0.35～0.55，典型值为0.45，本文取值0.45；E是LADCP观测的回波强度(count)；Er是接收器接收信号最低阈值(count)，取典型值40；R是沿声波波束方向散射体与LADCP的距离；α是海水与散射体吸收系数，取值0.069 dB/m。Tx是换能器温度(℃)；PDBW=10log10(P)，P是声波发射功率(W)，LDBM=10log10(L)，L是发射脉冲长度(m)；C为修正参数，取值-148.2 dB。

表1 300 kHz LADCP设置参数Tab.1 Parameters of 300 kHz LADCP

海冰密集度数据采用的Nimbus-7/SMMR，DMSP/SSM/I海冰密集度数据，由NSIDC(National Snow & Ice Data Center)提供。数据分辨率为12 km，数据获取网址为：http://nsidc.org/data/nsidc-0051.html

现场测温仪器为美国海鸟(SBE)公司生产的高精度温盐深测量系统——海鸟911PlusCTD温盐深剖面仪。此CTD加装了叶绿素传感器，采样率为24 Hz。同时RBR concerto浊度仪与CTD一同下放，采样率为0.33 Hz，将水温、叶绿素、浊度原始数据进行质量控制后按照线性平滑采样处理成1 m深度间隔数据。本文使用了B08、S05、S07、S08四个站位的浊度数据。

3 观测结果

3.1 声体积后向散射强度

海水的声体积后向散射强度如图1所示。在加拿大海盆内部区域300 m以深海水的Sv远低于加拿大海盆陆坡区域(约15 dB)，这一明显的分界出现在站位S07与S08之间，这一现象却并未出现在白令海洋盆与陆坡区域；加拿大海盆海水的声体积后向散射强度明显低于白令海。

3.2 海冰密集度

如图2所示，调查船在8月2日，以S01、S02站位为中心，半径48 km范围内的平均海冰密集度为12.0%；8月3日，以S03、S04、S05、S06站位为中心，半径48 km范围内平均海冰密集度为11.8%；8月4日，以S07、S08站位为中心，半径48 km范围内平均海冰密集度为45%；8月5日，以C11站位为中心，半径48 km范围内平均海冰密集度大于55%。这说明在S01～S06站位区域为海冰密集度小于15%的无冰海面，S07、S08站位为海冰密集度小于15%的无冰海面与海冰密集度大于50%的密集海冰区分界线。海冰密集度15%为无冰海面与海冰区分界阈值[10]。下文简称海冰密集度小于15%的海域为无冰海面，海冰密集度大于50%的海域为密集海冰区。

图1 白令海、楚科奇海、加拿大海盆共28个站位的声体积后向散射强度Fig.1 Volume backscattering strength (Sv) of 28 stations in the Bering Sea，Chukchi Sea and Canada Basin

图2 2014年8月2-5日的调查区域的海冰密集度Fig.2 Ice concentration in the investigation area on 2-5 August，2014

图3 调查站位水深0～700 m温度Fig.3 Temperature profile of 0 to 700 m in the investigation area

图4 S05、S07、S08、B08四个站位的浊度Fig.4 Turbidity at stations S05、S07、S08、B08

图5 叶绿素浓度Fig.5 Chlorophyll concentration

3.3 水温

S07、S08站位以北的站位(C11、C23、AD04、AD03)在水下50～100 m深度存在一暖水层，而以南的站位(除S05站位)却不存在这一暖水层，S07、S08区域是有无暖水层的分界(图3)。

3.4 海水浊度

白令海洋盆、加拿大海盆、加拿大海盆陆架区域4个站位的浊度数据如图4所示。位于北冰洋的S05、S07、S08站位的海水浊度随深度增加是逐渐减小的，B08站位(白令海)的浊度小于以上3个站位。

3.5 叶绿素浓度

图5显示叶绿素浓度从南向北有减小的趋势，但是S07、S08站位南北浓度分界不明显。S01～S04站位位于陆架区域，叶绿素浓度远高于陆坡与洋盆区域，陆坡洋盆区的叶绿素极大值集中在约60 m深度，浓度小于0.5 μg/L。

4 讨论

北冰洋冰下海水会有暖水层，这是北极特殊的水文现象。这一暖水层的形成原因是冰下海水不受风的影响，太阳辐射透过海冰加热海水，海冰的温室效应保存了这部分热量[11]，同时海冰又会吸收附近海水热量，由此在次表层的会形成暖水层，而无冰海面的热量不可避免的受风生混合作用的影响，次表层暖水结构被破坏，所以冰下海水与开阔海域分别形成次表层结构与混合结构[1]。通过对加拿大海盆0～700 m温度数据分析可以看出(图3)，S08以北的站位在50～100 m会形成一个次表层暖水层，而S01～S07站位由于海冰已经融化，次表层暖水现象消失。卫星测得的海冰密集度与实测水文数据同时反映了站位作业期间实时海冰的存在情况，即S07、S08区域以南海冰大部分已经融化，海冰密集度小于15%，而此区域以北大部分海冰还未融化，海冰密集度大于50%，S07、S08区域是调查期间已融冰的无冰海面与密集海冰区的分界。S07、S08区域也是声体积后向散射强度的显著变化区域。综上所述，无冰海区深层海水的体积后向散射强度要大于密集海冰区。

下面讨论造成这一现象的原因。图4所示S05、S07、S08站位300 m以深海水浊度由南往北逐渐减小。浊度是指水中悬浮颗粒对光线的阻碍程度，主要反映水体的浑浊程度，但不能反映水体中是否存在透明、半透明等物质，如生物。白令海(B08站位)海水的体积后向散射强度远大于加拿大海盆内部，但是浊度却很小，由此可以说明白令海的不透明物质浓度小于加拿大海盆，透明、半透明物质含量远大于加拿大海盆；海冰边缘区声体积后向散射强度的明显过渡主要由不透明物质变化引起的。

不透明物质主要有两种：不透明动植物活体、代谢物等与悬浮泥沙。通常认为对于北极浮游植物而言光照和温度相较于营养盐更重要。海冰融化时，海冰中普遍存在的一些藻类特别是硅藻类的休眠孢子进入海水中萌发，增加表层海水的初级生产力，进而使浮游动物开始繁衍代谢，庄燕培等研究表明海冰中无机氮含量高于表层海水，融冰过程会补充海水的氮源[12]。硅藻是北极海水的优势藻类，北极海冰融化导致硅藻浓度有巨大提升。同时海冰融化也使进入水下的光辐射强度显著增强，同样会刺激海水中浮游植物的生长[13]，进而导致海中浮游动物增加，为远洋和底栖动植物提供额外的食物。通过图5证明海冰融化后绿色浮游植物有增多的趋势，之所以未在S07、S08站位形成明显的浓度分界，是因为夏季海冰融化速度较快，而浮游动植物的生长繁殖有滞后性，并且叶绿素浓度也不能完全代表海水中浮游生物的含量。

悬浮泥沙来自从陆地分离出来进入海洋中的浮冰，其将陆源物质一并携带进入到海洋中，并在融化过程中逐渐释放入水。在陆架区海冰的融化释放了大量生物体进入水体。而在陆坡区和北冰洋核心区，海冰释放进入水体的颗粒物则以碎屑矿物、黏土矿物和生物碎屑为主[14]，同样原来滞留在海冰上的尘土也落入水中，这些尘土来自陆地，通过气流携带停留在冰上。

在高纬海区，海岸线附近海冰被释放进入海洋中通过波弗特环流携带向开放大洋漂移，陆源的粗颗粒碎屑在冰融化的过程中卸载到海水中。

图6为第1～3次北极科学考察采集的北冰洋西部表层沉积物中粒径大于1 mm粗颗粒含量分布情况。本文中的S07(73°24′59″N，155°08′15″W)、S08(74°01′10″N，154°17′23″)区域也是1～3次北极考察粒径大于1 mm粗颗粒分布的一个过渡区，这与LADCP声体积后向散射强度的过渡相对应。图7是在S06站位拍摄的海冰图，明显看出海冰较“脏”，也证明了携带泥沙的海冰漂流至此，融化后泥沙入水，导致海水散射强度增加。

综上所述，海冰融化引起水中悬浮泥沙与浮游生物等悬浮物质增加，导致声体积后向散射强度增加。

现在讨论北极无冰海区与海冰密集区水下声散射强度的明显差异对LADCP海流观测的影响。本航次300 kHz LADCP深水区海流观测中，测流层数为14层，层厚为8 m。在北极海冰密集区，由于深层水的后向散射强度小，若回声信号强度小于换能器检测阈值(实验仪器回声强度检测阈值为40 count)，则LADCP认为接收信号为无效值(-32768)。数据处理后发现在海冰密集区，第4～14层海流数据(如流速、流向等)90%以上为无效值(-32768)，第1～3层的海流数据含有较多无效值，这造成极大的数据浪费；而无冰海区只有第10层之后90%以上为无效值，1～3层几乎不含有无效值。在以后北极科学考察中，LADCP的参数设置需要根据海冰密集度情况而定。

图7 摄于2014年8月3日(S06站位)海冰图Fig.7 Seaice image was taken in 3 August 2014(station S06)

5 结论

利用2014年夏季中国第六次科学考察数据分析结果，得到以下结论：

(1)夏季，加拿大海盆海冰边缘区是声后向散射强度明显的过渡区。无冰海面的海洋深层水的声后向散射强度明显大于密集海冰区。

(2)无冰海面水下散射体主要为浮游生物与悬浮泥沙等悬浮物质，其来源分别是：海冰融化后，海冰中普遍存在的一些藻类特别是硅藻类的休眠孢子以及无机氮进入海水中，增加表层海水的初级生产力，进而使浮游动物开始繁衍代谢。同时进入水下的光辐射强度显著增强，会刺激海水中浮游植物的生长，生物代谢产物逐渐沉入至深层水，导致深层水的声散射强度增加；同时海岸线附近海冰分离出来进入海洋，并将陆源物质一并携带进入到海洋中，在融化过程中逐渐释放入水。

(3)北极海冰密集区深层水的后向散射强度小，建议在以后的北极科学考察中，进入海冰密集度较大区域后，海流观测仪器LADCP需将层厚、层数设置适当减小。

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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。

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(U1406404)；南北极环境综合考察与评估专项(CHINARE2015-03-01，CHINARE2015-04-03)；海洋公益性行业科研专项(201205007)；国家海洋局第一海洋研究所2014年度基本科研业务费专项资金项目(2014T02)。

刘洪宁(1989—)，男，山东省青岛市人，研究方向为声学海洋学。E-mail：liuhn@fio.org.cn

10.3969/j.issn.0253-4193.2015.11.012

P733.2

A

0253-4193(2015)11-0127-08

刘洪宁，吕连港，刘娜，等. 夏季加拿大海盆海冰边缘区声体积后向散射强度研究[J]. 海洋学报，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