南海北部声散射季节变化

高 爽 ，杨光兵 ，熊学军

（1. 中海石油(中国)有限公司深圳分公司 深水工程建设中心, 广东 深圳 518067；2. 自然资源部 第一海洋研究所, 山东 青岛 266061；3. 自然资源部 海洋环境科学与数值模拟重点实验室, 山东 青岛 266061；4. 山东省海洋环境科学与数值模拟重点实验室, 山东 青岛 266061；5. 青岛海洋科学与技术(试点)国家实验室 区域海洋动力学与数值模拟功能实验室, 山东 青岛 266237）

声散射是指声波在传播过程中遇到障碍物时，声波偏离原来的传播方向，向四周扩散开来的现象。在海洋中，声波在遇到粗糙的海底和海面，以及水体中的微小颗粒时，都会发生声散射现象。水体中的声散射现象对开展多个学科的声学海洋学研究具有重要意义[1-5]。利用水体中微小颗粒“随波逐流”的特性和多普勒原理，能够通过测量微小散射颗粒的后向散射信号发生的多普勒频移获取水体的三维流速，基于上述原理开发的声学多普勒流速剖面仪（Acoustic Doppler Current Profiler, ADCP）是20世纪80年代以来最重要的海洋观测仪器之一[6-8]。此外，海洋层结也能够引起显著的声散射信号，声散射信号的时间深度分布已经成为刻画高分辨率内波波面的重要手段[9]。近些年来，通过刻画声散射信号在不同频段的变化特性，声散射信号还被用来反演水体中湍流过程[10-11]。海水中的浮游动物是生物链中的重要一环，在海洋生态系统中不可或缺。浮游动物同时参与碳、氮等多种生化要素的汇集和释放过程，因此在生物地球化学过程中扮演重要角色[4]。大量浮游动物的运动甚至还能对海水的混合产生重要影响[12]。认识浮游动物的时空分布特征及其海洋环境的关系对于理解和预测浮游动物在不同情景中所能产生的影响至关重要[13-14]。相对于传统的拖网采样手段，利用声散射方法观测浮游动物的活动特性和时空变化特征具有快速高效的特点，已经成为研究浮游动物的重要手段[15-16]。海水中的悬浮泥沙是另一种重要的散射源，悬浮泥沙的输运对认识海底沉积动力过程有重要意义，相较于传统的通过采水、抽滤测量悬浮泥沙的方法，通过声散射信号反演水体中的悬浮泥沙的粒径、浓度等信息方便高效，已经成为一种可靠和流行的手段[17-19]。

在海上工程保障中，经常需要利用声散射方法和相关仪器监测内波、强流、泥沙输运、生物活动等[20-21]，水体中复杂多样的散射体使得声散射信号具有复杂的来源，各种海洋仪器设备利用声散射信号开展测量时往往会被不同散射源的散射信号所干扰，排除干扰散射信号是保障海洋仪器设备性能的前提条件[22-24]。由于在不同海区的物理环境、生态环境显著不同，因此海水中的散射源具有明显差异，造成了不同海区具有明显不同的散射信号特征。南海北部海洋动力过程复杂，生物过程多样，同时南海北部海区是重要的海洋工程开展区域和重要的渔业区域。本研究海区为我国南海海洋石油开发活动的毗邻区，同时也是内波活动的上游区，掌握该海区的声散射特征，将有助于开发新型海洋内波监测设备，帮助理解生物附着等生物活动规律，对海洋工程开发建设也具有积极的意义。

此前，在南海北部开展的声散射研究通常观测时间较短，并且往往采用船载移动观测平台，造成观测结果较少且相对不够稳定[25-28]。本研究利用在南海北部布放的锚系系统，基于覆盖4个季节的长期观测数据给出了更可靠的声散射强度的季节变化特征。

1 方法和数据

本研究的观测站位位于南海北部陆坡处（图1），站位经纬度为（116°00′E，20°24′N），水深约650 m,观测方式为锚系定点连续观测。锚系系统包括2套美国TRDI公司生产的WHLR型ADCP，背靠背安装在同一位置处，其中向上测量的75 kHz ADCP，向下测量的为300 kHz ADCP。

图1 观测站位和海区地形Fig. 1 Location of the observation stations and seafloor topography in the study area

从2018年10月至2020年1月，分别在1月、4月、7月和10月四个月份开展了代表4个季节的锚系定点连续观测（表1）。如表1所示，在4次观测中锚系系统的配置基本类似，主要区别为在1月、4月和7月的3次观测中，将2套ADCP安装在约450 m深度处；而在10月的观测中，将2套ADCP安装在约580 m深度处。在全部4个月份的观测中，2套ADCP的层厚均设置为8 m一层，采样间隔均设置为3 min。75 kHz ADCP测量层数为60层，能够覆盖从观测点至海面的全部水层；300 kHz ADCP的层数为15层，覆盖水层厚度约120 m。

表1 各季节锚系系统观测参数Table 1 The observation parameters of mooring system in each season

ADCP观测所直接导出的数据为回声强度数据，需要通过转化以获取声散射强度（Sv）。具体转化关系式为[29]：

式中：C为ADCP性能相关常数，300 kHz ADCP为-148.2 dB，75 kHz ADCP为-163.3 dB；Tx是ADCP所在位置的海水温度（°C）；φ为近场校正函数，即当观测层距离换能器较近时，需要考虑换能器的非球面扩展，由于本文采用的ADCP第一层离换能器的距离已经超过了临界距离，所以无需进行近场校正；R为换能器沿着声波波束方向与散射体之间的距离（m），需要考虑ADCP换能器与垂直法向的倾斜角将ADCP测层与换能器的距离转换为ADCP沿声波束传播至散射体的距离，本研究所采用的ADCP换能器倾斜角均为20°；LDBM与声波脉冲长度L（m）有关，LDBM=10lgL，DBM表示分贝米，即长度取对数，75 kHz ADCP的L为10 m，300 kHz ADCP的L为5 m；PDBW与声波的发射功率有关，PDBW=10lgP, DBW表示分贝瓦，即功率取对数，75 kHz ADCP的PDBW为24，300 kHz ADCP的PDBW为14；α为吸收衰减系数（dB/m），为频率、温度等的函数；Kc为比例因子（dB/count），其典型值为0.45 dB/count；E为回声强度（count），即ADCP直接输出的数据；Er为噪声本底值（count），ADCP设置成功后在空气中正常工作所采集到的回声强度可以认为是Er。

不同的入射声频率具有不同的散射颗粒粒径敏感范围[30]，一般认为300 kHz ADCP能探测到的散射颗粒粒径为16～1 600 μm，而75 kHz ADCP能探测到的散射颗粒粒径为64～6 400 μm。由于不同ADCP的散射颗粒粒径探测范围不同，故本文不直接对比两型ADCP之间的观测结果。此外，由于锚系系统受到海流影响会来回摆动，本文利用ADCP姿态数据对设备摆动倾斜引起的误差进行了修正。

2 观测结果和讨论

2.1 水文背景季节变化特征

图2为观测期间的水温和表征层结的浮力频率情况。表层水温在秋季最大，约29 °C，在冬季最低，约24 °C。在200 m以浅区域，水温秋季最高，夏春次之，冬季最低。在200 m以深，水温的季节变化不明显。层结的主要区别在于冬季具有较深的混合层，表层层结弱，而其他季节海面附近层结则较强。层结在4个季节的区别主要体现在100 m以浅区域，在更深的区域，层结的季节变化不明显。

图2 4个季节的水温和浮力频率剖面Fig. 2 The depth profiles of seawater temperature and buoyancy frequency in four seasons

2.2 水体声散射整体季节变化特征

在4个季节中声散射均主要分为2层，即位于约100 m深度附近的上散射层和位于400 m深度附近的深散射层（图3）。2个散射层之间每天出现2次条带状连接，这是由于浮游动物的昼夜垂直迁移（Diel Vertical Migration，DVM）引起的强散射条带。由于整体的声散射结构存在明显的昼夜变化，即上散射层在白天弱、夜间强，深散射层相应地为白天强、夜间弱，因此，浮游动物应为海区内的一个主要散射体来源。

就季节变化而言，冬季和夏季的上散射层最浅，位于100 m以浅；春季和秋季的上散射层较深，其深度接近200 m。深散射层冬季最浅，其上缘接近300 m深度处；夏季最深，基本位于400 m以深位置；春秋两季相似，介于冬夏两季之间。因此，两散射层的距离在夏季最远，冬季次之，春、秋季最近。在200～300 m深度处、白天出现的较低散射区域内，冬季的散射最强，而夏季最弱。此外，在春季和冬季，还可发现在上散射层和深散射层之间的200 m水深处，还存在一层较弱的主要出现在夜间的散射层。

图4为300 kHz声散射层在4个季节的变化情况，可见冬季声散射强度的昼夜变化最不明显。此外，冬季深散射层深度最浅（图3），说明浮游动物在冬季的迁移深度比较浅，因此导致300 kHz ADCP测量范围内的浮游动物昼夜迁移引起的散射强度变化很小。由图4可见，夏季虽然存在昼夜变化，但是强度较弱，而夏季的深散射层虽然最深，但是强度在4个季节中最弱（图3），说明夏季深散射层中的浮游动物量可能最少；春季的声散射强度和昼夜变化在4个季节中最强也最明显，秋季虽然由于观测深度较深声散射强度较弱，但昼夜变化明显（图3和图4），因此可以认为春秋两季深散射层中的浮游生物量最大，迁移深度也比较深。

图3 4个季节的75 kHz声散射强度分布Fig. 3 Distribution of the sound scattering intensity at 75 kHz in four seasons

图4 4个季节的300 kHz声散射强度分布Fig. 4 Distribution of the sound scattering intensity at 300 kHz in four seasons

2.3 声散射日变化的季节变化特征

散射强度分布的日变化在4个季节中也有显著不同的变化特征。图5为4个季节中的1 d散射强度变化情况，其最主要特征体现在浮游动物昼夜迁移发生时间显著不同。夏季，浮游动物离开上散射层的时间最早，在清晨05:00即开始向下迁移，在傍晚浮游动物从深散射层回到上散射层的时间最晚，返回时间接近20:00；冬季，浮游动物向深散射层迁移的时间最晚，在早晨06:00之后才开始迁移，在傍晚浮游动物从深散射层回到上散射层的时间最早，在18:00之前即能回到上散射层；春秋两季的迁移时间介于冬夏两季之间。

由图5还可见内波活动引起的散射层的快速抖动。其中，春季的散射层抖动更密集而冬季的散射层抖动相对较少，这表明夏季的内波活动更多，这与此前的内波观测结果基本一致[31]。

图6为300 kHz声散射强度的日变化情况。由图6可见，春秋两季声散射强度存在显著的昼夜变化，即白天向下迁移的浮游动物使480～580 m乃至590～640 m（秋季）深度的声散射产生了显著上升；在夏季，这一深度声散射强度的昼夜变化很弱，这可能主要是由深散射层在夏季本身强度较弱引起的（图5）；在冬季，这一深度的声散射强度的昼夜变化也不明显，这应主要是由深散射层在冬季比较浅所致。

图5 4个季节的75 kHz声散射强度日变化Fig. 5 The daily variation of the sound scattering intensity at 75 kHz in four seasons

图6 4个季节的300 kHz声散射强度日变化Fig. 6 The daily variation of the sound scattering intensity at 300 kHz in four seasons

2.4 时间平均声散射强度的季节变化

图7为4个季节中时间平均75 kHz声散射强度的深度分布，从图7中可见明显的2层散射层结构和散射强度的四季变化。在上散射层中（100 m以浅），同深度层夏秋两季的声散射强度最强，而春冬两季较低；在深散射层中，春冬两季声散射最强，而夏秋较低。深散射层存在散射强度极大值，冬季极大值的位置最浅，夏季最深。在2个散射层之间存在声散射强度极小值，秋季的散射极小值所处深度最深，位于约300 m深度处；夏季的散射极小值所处深度最浅，位于约240 m深度处；秋季的散射强度极小值最小，而其余3个季节的极小值比较接近。

图7 时间平均75 kHz声散射强度深度剖面的季节变化Fig. 7 The Seasonal variations of depth profiles of the time-averaged sound scattering intensity at 75 kHz

图8为不同季节时间平均的300 kHz声散射强度在490～580 m深度层的变化情况。由于秋季的观测深度不在此深度范围，所以没有一起比较。从春、夏、冬三个季节可见，在490～580 m深度层，声散射强度也存在一个极小值，该值深度在冬季最浅，位于约520 m深度处；在夏季最深，位于约530 m深度处；春季则处于冬夏之间。

图8 时间平均300 kHz声散射强度深度剖面的季节变化Fig. 8 The Seasonal variations of depth profiles of the time-averaged sound scattering intensity at 300 kHz

3 结 语

本文利用在南海4个季节开展的锚系观测数据，通过修正ADCP的回声强度数据得到了声散射强度的垂向和时间变化分布。对比分析了海区水体声散射强度的整体季节变化特征、日变化的季节变化特征以及时间平均的声散射强度的季节变化。主要结论如下：

1）观测结果表明水体声散射分布存在明显的上散射层和深散射层，散射层分布存在显著的季节变化。上散射层在冬夏最浅，位于100 m以浅，春秋最深，接近200 m；深散射层同样在冬季最浅，其上缘位于约300 m深度处，而夏季深散射层的深度最深，基本位于400 m以深区域，春秋两季则介于冬夏两季之间。因此，上散射层和深散射层之间的距离在冬季最近，在夏季最远。

2）浮游动物是海区中的主要散射体，散射强度的变化体现出浮游动物在四季昼夜迁移特性的不同。在早晨，夏季浮游动物离开上散射层的时间最早，而冬季则最晚，春秋两季的迁移时间介于冬夏两季之间。在傍晚，冬季浮游动物从深散射层回到上散射层的时间最早，而夏季则最晚。冬季浮游动物处于上散射层的时间为18:00至次日06:00，约12 h；夏季浮游动物处于上散射层的时间为20:00至次日05:00，约9 h。

3）声散射强度还可以指示浮游动物生物量的季节变化。从时间平均的声散射强度的垂直分布来看，上散射层在春秋两季的声散射强度最强，而冬夏较低，表明春秋两季上散射层中的浮游动物生物量最多，而冬夏两季的浮游动物生物量较少，这可能是由于观测海区位于亚热带，春秋两季的温度更适宜浮游动物生存。在深散射层中，冬夏两季声散射最强，而春秋最低。深散射层中存在散射强度极大值，冬季散射强度极大值的位置最浅。此外，在2个散射层之间存在散射极小值，春季的声散射强度极小值最深，秋季的极小值最浅。

海洋中的声散射源复杂多样，因此海洋中声散射的时空变化是复杂的，本研究利用长时间序列的定点连续现场观测数据虽然给出了南海北部的高频声散射季节变化特征，并讨论了浮游动物和海洋微结构在其中扮演的重要角色，但本研究的观测数据仍很有限，对声散射场季节变化的更深入认识仍需要结合更丰富的同步水文和生态环境等的观测，此外，根据浮游动物的动态生长特征等环境特点建立声散射模型是今后了解和利用海区声散射场动态变化的一个必要手段。