夏季加拿大海盆海冰邊緣區聲體積后向散射強度研究

劉洪寧，呂連港，劉娜，楊光兵，姜瑩，楊春梅，劉宗偉，林麗娜

(1.國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島266061；2.海洋環境科學和數值模擬國家海洋局重點實驗室，山東 青島266061)

夏季加拿大海盆海冰邊緣區聲體積后向散射強度研究

劉洪寧1，2，呂連港1，2，劉娜1，2，楊光兵1，2，姜瑩1，2，楊春梅1，2，劉宗偉1，2，林麗娜1，2

(1.國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島266061；2.海洋環境科學和數值模擬國家海洋局重點實驗室，山東 青島266061)

聲信號的體積后向散射強度是聲傳播過程中一個關鍵的參數。海冰邊緣區的聲體積后向散射強度研究對深入認識北極聲場環境有著十分重要的意義。本文利用中國第六次北極科學考察獲取的數據資料研究了海冰邊緣區聲體積后向散射強度特性。結果表明：加拿大海盆海冰邊緣區是聲體積后向散射強度的明顯過渡區。無冰海面(海冰密集度小于15%)海洋深層水的聲體積后向散射強度明顯大于密集海冰區域的海水(海冰密集度大于50%)。討論了聲體積后向散射強度與海冰融化之間的關系，造成融冰區聲體積后向散射強度增大的原因是水下懸浮泥沙、浮游生物等懸浮物質增加。根據海冰密集海域的海水后向散射強度弱的特點，對北極下放式聲學多普勒測流儀(LADCP)觀測的設置提出建議。

聲體積后向散射強度；海冰邊緣區；加拿大海盆

1 引言

海冰邊緣區是無冰海面與密集冰區的分界地帶。海冰對太陽的反照率遠大于海水，海面若失去海冰的覆蓋，直接與大氣接觸，則會受到太陽輻射、海風等因素影響，水文、生態結構將隨之改變，而密集冰區繼續維持原有的水下結構。因此，無冰海面與密集冰區在水文、生物等方面有著顯著的差異，研究海冰邊緣區具有十分重要的價值。

目前對海冰邊緣區的研究主要是在物理海洋、生物等領域。趙進平等研究了北冰洋海冰邊緣區的溫度和鹽度結構，認為開闊海水更多的是上混合層和躍層結構，冰下海水主要是次表層暖水結構[1]。Sakshaug和Skjoldal的研究結論是在春夏季海冰邊緣區，海冰融化為浮游植物的生長提供了一個含有豐富營養鹽的透光層[2]。Bradstreet和Cross認為在海冰融化邊緣區的海水中有大量富含硅藻的冰屑等，這為海洋生物提供食物來源[3]。

盡管海冰邊緣區是物理海洋、生物等領域的研究熱點區域，但是目前還未有此區域水下聲體積后向散射強度的研究。隨著2014年美國海軍研究實驗室在其水聲研究計劃中明確水聲學三大學科，即淺海聲學、深海聲學、北極聲學，對北極聲學的研究已經是聲學研究的熱點之一。在1994年進行了北冰洋聲傳輸實驗(TAP)[4—5]，其目的是利用聲信號來監測北冰洋溫度與海冰變化。TAP實驗證明了海洋中傳輸的聲信號會有很低的傳播損失和較高的相位穩定性，并且利用聲學方法可以反演海冰的特性[6]。TAP實驗研究表明在聲傳播路徑上北極中層水(AIW)平均上升了約0.4℃[7]。聲信號的體積后向散射強度是聲傳播過程中重要的參數。海冰融化邊緣區的聲體積后向散射強度研究對更加深入認識北極聲場環境有著十分重要的意義。

目前，國內對北冰洋聲后向散射特征的研究近乎空白。本文對下放式聲學多普勒測流儀(LADCP)聲體積后向散射強度進行研究，發現海冰邊緣區是聲后向散射強度的顯著過渡區。為提高以后南北極科學調查中LADCP數據質量，對LADCP設置方法給予建議。

2 觀測與數據處理

2014年7-9月的中國第六次北極科學考察，為期76天，本次調查共獲取90個站位的CTD、葉綠素濃度等觀測資料和89個站位的LADCP觀測資料。

本航次使用的LADCP為RDI公司的300 kHz駿馬-哨兵型下放式聲學多普勒測流儀。該儀器與海鳥911PlusCTD溫鹽深剖面儀捆綁共同下放、回收。

LADCP不能直接測量體積后散射強度(Sv)，它記錄的是回聲強度E，回聲強度根據參考文獻[8]可表達為:

E=SL+Sv+C0-20lg R-2aR，

(1)

式中，SL為聲源強度；a為海水的吸收系數；R為換能器沿探測方向到分析水層的距離(R=D/cos β，D為海面到探測水層的垂直距離，β為換能器測量方向和ADCP換能器組中軸線的夾角，本文所用LADCP的β為20°)；C0為常數系數。

本次北極考察中300 kHz LADCP在不同水深區域的設置參數不同(表1)，本文利用1stBinRange的回聲信號計算海水Sv。將回波強度E轉換為聲體積后向散射強度(Sv)的公式為[9]:

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

LDBM-PDBW+2αR+KC(E-Er)，

(2)

式中，Kc是轉換系數(dB/count)，范圍0.35～0.55，典型值為0.45，本文取值0.45；E是LADCP觀測的回波強度(count)；Er是接收器接收信號最低閾值(count)，取典型值40；R是沿聲波波束方向散射體與LADCP的距離；α是海水與散射體吸收系數，取值0.069 dB/m。Tx是換能器溫度(℃)；PDBW=10log10(P)，P是聲波發射功率(W)，LDBM=10log10(L)，L是發射脈沖長度(m)；C為修正參數，取值-148.2 dB。

表1 300 kHz LADCP設置參數Tab.1 Parameters of 300 kHz LADCP

海冰密集度數據采用的Nimbus-7/SMMR，DMSP/SSM/I海冰密集度數據，由NSIDC(National Snow & Ice Data Center)提供。數據分辨率為12 km，數據獲取網址為：http://nsidc.org/data/nsidc-0051.html

現場測溫儀器為美國海鳥(SBE)公司生產的高精度溫鹽深測量系統——海鳥911PlusCTD溫鹽深剖面儀。此CTD加裝了葉綠素傳感器，采樣率為24 Hz。同時RBR concerto濁度儀與CTD一同下放，采樣率為0.33 Hz，將水溫、葉綠素、濁度原始數據進行質量控制后按照線性平滑采樣處理成1 m深度間隔數據。本文使用了B08、S05、S07、S08四個站位的濁度數據。

3 觀測結果

3.1 聲體積后向散射強度

海水的聲體積后向散射強度如圖1所示。在加拿大海盆內部區域300 m以深海水的Sv遠低于加拿大海盆陸坡區域(約15 dB)，這一明顯的分界出現在站位S07與S08之間，這一現象卻并未出現在白令海洋盆與陸坡區域；加拿大海盆海水的聲體積后向散射強度明顯低于白令海。

3.2 海冰密集度

如圖2所示，調查船在8月2日，以S01、S02站位為中心，半徑48 km范圍內的平均海冰密集度為12.0%；8月3日，以S03、S04、S05、S06站位為中心，半徑48 km范圍內平均海冰密集度為11.8%；8月4日，以S07、S08站位為中心，半徑48 km范圍內平均海冰密集度為45%；8月5日，以C11站位為中心，半徑48 km范圍內平均海冰密集度大于55%。這說明在S01～S06站位區域為海冰密集度小于15%的無冰海面，S07、S08站位為海冰密集度小于15%的無冰海面與海冰密集度大于50%的密集海冰區分界線。海冰密集度15%為無冰海面與海冰區分界閾值[10]。下文簡稱海冰密集度小于15%的海域為無冰海面，海冰密集度大于50%的海域為密集海冰區。

圖1 白令海、楚科奇海、加拿大海盆共28個站位的聲體積后向散射強度Fig.1 Volume backscattering strength (Sv) of 28 stations in the Bering Sea，Chukchi Sea and Canada Basin

圖2 2014年8月2-5日的調查區域的海冰密集度Fig.2 Ice concentration in the investigation area on 2-5 August，2014

圖3 調查站位水深0～700 m溫度Fig.3 Temperature profile of 0 to 700 m in the investigation area

圖4 S05、S07、S08、B08四個站位的濁度Fig.4 Turbidity at stations S05、S07、S08、B08

圖5 葉綠素濃度Fig.5 Chlorophyll concentration

3.3 水溫

S07、S08站位以北的站位(C11、C23、AD04、AD03)在水下50～100 m深度存在一暖水層，而以南的站位(除S05站位)卻不存在這一暖水層，S07、S08區域是有無暖水層的分界(圖3)。

3.4 海水濁度

白令海洋盆、加拿大海盆、加拿大海盆陸架區域4個站位的濁度數據如圖4所示。位于北冰洋的S05、S07、S08站位的海水濁度隨深度增加是逐漸減小的，B08站位(白令海)的濁度小于以上3個站位。

3.5 葉綠素濃度

圖5顯示葉綠素濃度從南向北有減小的趨勢，但是S07、S08站位南北濃度分界不明顯。S01～S04站位位于陸架區域，葉綠素濃度遠高于陸坡與洋盆區域，陸坡洋盆區的葉綠素極大值集中在約60 m深度，濃度小于0.5 μg/L。

4 討論

北冰洋冰下海水會有暖水層，這是北極特殊的水文現象。這一暖水層的形成原因是冰下海水不受風的影響，太陽輻射透過海冰加熱海水，海冰的溫室效應保存了這部分熱量[11]，同時海冰又會吸收附近海水熱量，由此在次表層的會形成暖水層，而無冰海面的熱量不可避免的受風生混合作用的影響，次表層暖水結構被破壞，所以冰下海水與開闊海域分別形成次表層結構與混合結構[1]。通過對加拿大海盆0～700 m溫度數據分析可以看出(圖3)，S08以北的站位在50～100 m會形成一個次表層暖水層，而S01～S07站位由于海冰已經融化，次表層暖水現象消失。衛星測得的海冰密集度與實測水文數據同時反映了站位作業期間實時海冰的存在情況，即S07、S08區域以南海冰大部分已經融化，海冰密集度小于15%，而此區域以北大部分海冰還未融化，海冰密集度大于50%，S07、S08區域是調查期間已融冰的無冰海面與密集海冰區的分界。S07、S08區域也是聲體積后向散射強度的顯著變化區域。綜上所述，無冰海區深層海水的體積后向散射強度要大于密集海冰區。

下面討論造成這一現象的原因。圖4所示S05、S07、S08站位300 m以深海水濁度由南往北逐漸減小。濁度是指水中懸浮顆粒對光線的阻礙程度，主要反映水體的渾濁程度，但不能反映水體中是否存在透明、半透明等物質，如生物。白令海(B08站位)海水的體積后向散射強度遠大于加拿大海盆內部，但是濁度卻很小，由此可以說明白令海的不透明物質濃度小于加拿大海盆，透明、半透明物質含量遠大于加拿大海盆；海冰邊緣區聲體積后向散射強度的明顯過渡主要由不透明物質變化引起的。

不透明物質主要有兩種：不透明動植物活體、代謝物等與懸浮泥沙。通常認為對于北極浮游植物而言光照和溫度相較于營養鹽更重要。海冰融化時，海冰中普遍存在的一些藻類特別是硅藻類的休眠孢子進入海水中萌發，增加表層海水的初級生產力，進而使浮游動物開始繁衍代謝，莊燕培等研究表明海冰中無機氮含量高于表層海水，融冰過程會補充海水的氮源[12]。硅藻是北極海水的優勢藻類，北極海冰融化導致硅藻濃度有巨大提升。同時海冰融化也使進入水下的光輻射強度顯著增強，同樣會刺激海水中浮游植物的生長[13]，進而導致海中浮游動物增加，為遠洋和底棲動植物提供額外的食物。通過圖5證明海冰融化后綠色浮游植物有增多的趨勢，之所以未在S07、S08站位形成明顯的濃度分界，是因為夏季海冰融化速度較快，而浮游動植物的生長繁殖有滯后性，并且葉綠素濃度也不能完全代表海水中浮游生物的含量。

懸浮泥沙來自從陸地分離出來進入海洋中的浮冰，其將陸源物質一并攜帶進入到海洋中，并在融化過程中逐漸釋放入水。在陸架區海冰的融化釋放了大量生物體進入水體。而在陸坡區和北冰洋核心區，海冰釋放進入水體的顆粒物則以碎屑礦物、黏土礦物和生物碎屑為主[14]，同樣原來滯留在海冰上的塵土也落入水中，這些塵土來自陸地，通過氣流攜帶停留在冰上。

在高緯海區，海岸線附近海冰被釋放進入海洋中通過波弗特環流攜帶向開放大洋漂移，陸源的粗顆粒碎屑在冰融化的過程中卸載到海水中。

圖6為第1～3次北極科學考察采集的北冰洋西部表層沉積物中粒徑大于1 mm粗顆粒含量分布情況。本文中的S07(73°24′59″N，155°08′15″W)、S08(74°01′10″N，154°17′23″)區域也是1～3次北極考察粒徑大于1 mm粗顆粒分布的一個過渡區，這與LADCP聲體積后向散射強度的過渡相對應。圖7是在S06站位拍攝的海冰圖，明顯看出海冰較“臟”，也證明了攜帶泥沙的海冰漂流至此，融化后泥沙入水，導致海水散射強度增加。

綜上所述，海冰融化引起水中懸浮泥沙與浮游生物等懸浮物質增加，導致聲體積后向散射強度增加。

現在討論北極無冰海區與海冰密集區水下聲散射強度的明顯差異對LADCP海流觀測的影響。本航次300 kHz LADCP深水區海流觀測中，測流層數為14層，層厚為8 m。在北極海冰密集區，由于深層水的后向散射強度小，若回聲信號強度小于換能器檢測閾值(實驗儀器回聲強度檢測閾值為40 count)，則LADCP認為接收信號為無效值(-32768)。數據處理后發現在海冰密集區，第4～14層海流數據(如流速、流向等)90%以上為無效值(-32768)，第1～3層的海流數據含有較多無效值，這造成極大的數據浪費；而無冰海區只有第10層之后90%以上為無效值，1～3層幾乎不含有無效值。在以后北極科學考察中，LADCP的參數設置需要根據海冰密集度情況而定。

圖7 攝于2014年8月3日(S06站位)海冰圖Fig.7 Seaice image was taken in 3 August 2014(station S06)

5 結論

利用2014年夏季中國第六次科學考察數據分析結果，得到以下結論：

(1)夏季，加拿大海盆海冰邊緣區是聲后向散射強度明顯的過渡區。無冰海面的海洋深層水的聲后向散射強度明顯大于密集海冰區。

(2)無冰海面水下散射體主要為浮游生物與懸浮泥沙等懸浮物質，其來源分別是：海冰融化后，海冰中普遍存在的一些藻類特別是硅藻類的休眠孢子以及無機氮進入海水中，增加表層海水的初級生產力，進而使浮游動物開始繁衍代謝。同時進入水下的光輻射強度顯著增強，會刺激海水中浮游植物的生長，生物代謝產物逐漸沉入至深層水，導致深層水的聲散射強度增加；同時海岸線附近海冰分離出來進入海洋，并將陸源物質一并攜帶進入到海洋中，在融化過程中逐漸釋放入水。

(3)北極海冰密集區深層水的后向散射強度小，建議在以后的北極科學考察中，進入海冰密集度較大區域后，海流觀測儀器LADCP需將層厚、層數設置適當減小。

[1] 趙進平，史久新，矯玉田. 夏季北冰洋海冰邊緣區海水溫鹽結構及其形成機理[J]. 海洋與湖沼，2003，34(4): 375-388．

Zhao Jinping，Shi Jiuxin，Jiao Yutian. Temperature and salinity structures in summer marginal ice zone of Arctic Ocean and an analytical study on their thermodynamics[J]. Oceanologia Et Limnologia Sinica，2003，34(4): 375-388．

[2] Sakshaug E，Skjoldal H R. Life at the ice edge[J]. Ambio (Sweden)，1989，18: 60-67．

[3] Bradstreet M S W，Cross W E. Trophic relationships at high Arctic ice edges[J]. Arctic，1982，35(1): 1-12．

[4] Mikhalevsky P N，Baggeroer A B，Gavrilov A，et al. Continuous wave and M-sequence transmissions across the Arctic[J]. The Journal of the Acoustical Society of America，1994，96(5): 3235-3236．

[5] Pawlowicz R，Farmer D，Sotirin B，et al. Shallow-water receptions from the transarctic acoustic propagation experiment[J]. The Journal of the Acoustical Society of America，1996，100(3): 1482-1492．

[6] Mikhalevsky P N，Gavrilov A N，Baggeroer A B. The transarctic acoustic propagation experiment and climate monitoring in the Arctic[J]. Oceanic Engineering，1999，24(2): 183-201．

[7] Headrick R H，Spiesberger J L，Bushong P J. Tidal signals in basin-scale acoustic transmissions[J]. The Journal of the Acoustical Society of America，1993，93(2): 790-802．

[8] Gordon R L，Instruments R D. Principles of operation a practical primer[S]. RD Instruments，San Diego，1996．

[9] Deines K L. Backscatter estimation using broadband acoustic Doppler current profilers[C]// Proceedings of the Ieee Sixth Working Conference on IEEE，1999: 249-253．

[10] 曹梅盛，李新，陳賢章，等. 冰凍圈遙感[M]. 北京: 科學出版社，2006: 177-183．

Cao Meisheng，Li Xin，Chen Xianzhang，et al. Remote Sensing of Cryosphere[M]. Beijing: Science Press，2006: 177-183．

[11] Maykut G A，McPhee M G. Solar heating of the Arctic mixed layer[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans (1978—2012)，1995，100(C12): 24691-24703．

[12] 莊燕培，金海燕，陳建芳，等. 北冰洋中心區表層海水營養鹽及浮游植物群落對快速融冰的響應[J]. 極地研究，2012，24(2): 151-158．

Zhuang Yangpei，Jin Haiyan，Chen Jianfang，et al. Response of nutrients and the surface phytoplankton community to ice melting in the central Arctic Ocean[J]. Chinese Journal of Polar Research，2012，24(2): 151-158．

[13] 楊清良，林更銘，林茂，等. 楚科奇海和白令海浮游植物的種類組成與分布[J]. 極地研究，2002，14(2):410-421．

Yang Qingliang，Lin Gengming，Lin Mao，et al. Species composition and distribution of phytoplankton in Chukchi sea and Bering sea[J]. Chinese Journal of Polar Research，2002，14(2):410-421．

[14] 孫燁忱，王汝建，肖文申，等. 西北冰洋表層沉積物中生源和陸源粗組分及其沉積環境[J]. 海洋學報，2011，33(2)：103-114．

Sun Yechen，Wang Ruijian，Xiao Wenshen，et al. Biogenic and terrigenous coarse fractions in surface sediments of the western Arctic Ocean and their sedimentary environments[J]. Haiyang Xuebao，2011，33(2):103-114．

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。

國家自然科學基金委員會——山東省人民政府聯合資助海洋科學研究中心項目(U1406404)；南北極環境綜合考察與評估專項(CHINARE2015-03-01，CHINARE2015-04-03)；海洋公益性行業科研專項(201205007)；國家海洋局第一海洋研究所2014年度基本科研業務費專項資金項目(2014T02)。

劉洪寧(1989—)，男，山東省青島市人，研究方向為聲學海洋學。E-mail：liuhn@fio.org.cn

10.3969/j.issn.0253-4193.2015.11.012

P733.2

A

0253-4193(2015)11-0127-08

劉洪寧，呂連港，劉娜，等. 夏季加拿大海盆海冰邊緣區聲體積后向散射強度研究[J]. 海洋學報，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