劉旭東， 林 巨， 王 歡， 朱小華（. 中國海洋大學 信息科學與工程學院， 山東 青島6600； . 國家海洋局第二海洋研究所， 淅江 杭州300）

?

膠州灣流速場的聲層析反演研究

劉旭東1， 林 巨1， 王 歡1， 朱小華2
（1. 中國海洋大學 信息科學與工程學院， 山東 青島266100； 2. 國家海洋局第二海洋研究所， 淅江 杭州310012）

采用結合匹配法和經驗正交函數(shù)法的射線聲層析反演方法， 針對流場水平分布不均勻特點， 使用距離等效分段方法對反演算法進行改進， 利用三個斷面聲層析數(shù)據， 對膠州灣口潮流場的垂直和水平分布進行反演。與傳統(tǒng)方法比較， 大大降低與實測流速垂直分布間的偏差， 平均偏差小于0.02 m/s，流場垂直分布間的相關系數(shù)提高到0.85以上。分析了聲傳播斷面上不同的流場結構， 以及漲潮期間在膠州灣團島附近出現(xiàn)的渦流現(xiàn)象， 并計算得到灣口海水流量變化。結果表明， 改進的射線聲層析反演方法可有效地用于水平分布不均勻流場監(jiān)測， 僅采用少量聲學觀測站位， 即可獲得大范圍的復雜流場三維信息， 有利于近海海洋資源開發(fā)、海洋環(huán)境保護和船舶航行安全。

射線走時聲層析； 經驗正交函數(shù)； 匹配方法； 距離等效分段； 膠州灣

［Foundation： Open Project of State Key Laboratory of Satellite Ocean Environment Dynamics （Second Institute of Oceanography， State Oceanic Administration）， No.SOED1001； National Natural Science Foundation of China， No. 41176033； National Program on Key Basic Research Project of China， No. 2007CB411803； The National High Technology Research and Development Program of China， No. 2006AA09Z114］

膠州灣位于山東半島南部， 黃海西部， 是一個總面積約380 km2、平均水深7 m的半封閉海灣， 擁有內外兩個灣口， 內灣口位于黃島至團島一線， 寬約4 km， 最大水深達60 m， 外灣口位于薛家島至團島一線， 寬約3 km， 膠州灣通過此灣口與黃海相連。膠州灣地理位置復雜， 漲潮時海水通過內外灣口的狹長水道涌入膠州灣， 落潮時又涌出至黃海， 因灣口附近海岸線和海底地形復雜， 形成以潮流為主的復雜的多渦流場結構［1］。

隨著環(huán)膠州灣經濟和膠州灣水產養(yǎng)殖的迅速發(fā)展， 膠州灣環(huán)境變化巨大， 近年來人們加大對膠州灣海洋動力環(huán)境場、地形地貌、沉積物結構、水交換、水質、濕地變遷等方面的研究［2-7］， 其中對流場結構的研究尤其重要， 對于評估灣內生態(tài)環(huán)境、海水自凈能力， 保障船只航行安全都有非常重要的意義。目前獲取膠州灣海水流速場信息的方法主要通過船載或懸掛式ADCP測流儀和流速計， 受航道上船舶來往頻繁及禁止泊船等因素影響， 難以進行同步、大尺度空間的流速觀測。

海水是聲波傳播的良好介質， 隨著聲層析概念的提出［8］， 利用聲波收發(fā)裝置獲取聲傳播信號， 對其逆推反演能夠獲取需要的海洋參數(shù)。本文探討采用聲層析反演方法來獲取膠州灣口的流場數(shù)據， 其關鍵之處即是采用何種逆推反演方法處理聲信號信息得到流場結構， Shang［9］提出了簡正波相位擾動法，得到了垂直于聲傳播斷面的流速； 其余的方法還有聲線走時聲層析方法、匹配場層析算法、簡正波水平折射層析法等［10］， 其主要缺點是只能獲得沿聲傳播斷面方向上的距離平均流速信息， 未能獲得斷面上的總流速矢量， 并且未考慮流速分布水平不均勻情況下的反演。

經典的聲層析方法一般假設聲傳播路徑上的海洋環(huán)境參數(shù)空間分布是均勻的， 但是實際情況下溫度、鹽度和流速等海洋環(huán)境參數(shù)的空間分布往往是不均勻的， 采用傳統(tǒng)方法將帶來較大的反演誤差。本文以聲線走時聲層析方法為基礎， 考慮了傳播路徑上流速分布的不均勻性， 結合匹配場方法、經驗正交函數(shù)（EOF）分析方法和等效分段法， 提出了改進的聲線走時聲層析方法。該方法可以用于海水流速水平分布不均勻的流場反演， 與傳統(tǒng)流場監(jiān)測方法相比，僅布設少數(shù)站位即可同步獲得大范圍的復雜流場分布， 在難以布設較多觀測站位的海域如海灣灣口、航道等海域有廣泛應用價值。

1 改進的聲線走時匹配反演方法

聲線走時匹配反演是基于射線聲學理論， 采用聲線傳播時間的擾動量來反演聲線所經過路徑的海洋環(huán)境參數(shù)。聲傳播時間不僅受聲速擾動影響， 也受到海水流速影響， 當使用兩個站點進行雙向互易聲傳播時， 由于海水流速為矢量， 可得到沿聲線方向的流速引起的聲傳播時間擾動［11］。

雖然式（1）得到簡化， 但是深度上層數(shù)M可任意設置，求解過程仍然很復雜， 可配合匹配算法： 建立一個流速拷貝場u1（ z）， 計算得到在這個流速場環(huán)境下，兩站點的第i條聲線的互易傳播時間差2d； 當拷貝場下全部N條聲線對應的互易傳播時間差2d（ i1，， N）與實測的N條聲線的互易時間差2d相同時， 建立的流速拷貝場就是待求的流速場，從而反演得到流速垂直剖面數(shù)據。

經驗正交函數(shù)（EOFs）分解能夠簡化處理復雜數(shù)據， 體現(xiàn)出所處理數(shù)據的時間和空間規(guī)律［12-13］。為了進一步減少反演參數(shù)個數(shù)， 可采用EOFs函數(shù)構建拷貝場u1（ z）。對某定點實測流速剖面數(shù)據矩陣T， 去均值后得到一個新的矩陣T， 求其協(xié)方差矩陣：

存在正交矩陣E， 使矩陣R對角化：

則E矩陣正是我們需要的特征向量矩陣， 第n列反映了流速場第n階特征模態(tài)在深度上的變化， 可用于構建流速拷貝場，n是對應特征值， 其值的大小反映了對應第n階模態(tài)在構建原流速場中的方差貢獻大小。

通過對一段時間內某垂直剖面上測量的流速數(shù)據進行EOF分解， 獲得構建流速拷貝場的向量矩陣E， 拷貝場建立如下

改變各階EOF模態(tài)的系數(shù)n能夠得到不同垂直結構的流速拷貝場u1（ z）， 從而將反演各深度上的流速參數(shù)轉變?yōu)榉囱莞麟AEOF 模態(tài)對應的系數(shù)n， 極大地減少了待反演參數(shù)個數(shù)。

為尋求最匹配系數(shù)n， 通過比較由式（2）求得的拷貝場下各聲線互易傳播時間差與實驗測量的互易時間差間差值， 最小差值對應的流速拷貝場即為最匹配的流速場， 因此建立描述匹配度的評價函數(shù)：

某條聲線對應的互易傳播時間差反應了該聲線經過路徑上海水流速的距離積分效果， 當反演斷面流速水平分布的不均勻性較強時， 通過經典聲線走時匹配反演方法難以準確獲取流速分布。根據流速本身特點和反演斷面流速的不均勻性， 可作如下改進：

（1） 由于其矢量性特點， 流速不同于溫度和鹽度等其他標量型海洋環(huán)境參數(shù)， 在忽略上升流和下降流的情況下， 水平方向上的總流速可以分為兩個相互垂直的流速分量。反演得到這兩個流速分量， 就得到聲傳播斷面上總流速的大小及方向。將總的互易傳播時間差d進行等效分段處理， 即第一方向流速分量uEW（ z）引起的時間差dEW和第二方向流速分量uSN（ z）引起的時間差dSN， 設兩站點間的連線與第一方向的夾角為， 則得到，

（2） 由于流速在聲傳播斷面上的水平分布不均勻特點， 同一斷面上的不同水平距離處的流場結構不同。將一個斷面分成多個子斷面， 每個子斷面的流速對于總互易傳播時間差都有貢獻， 每個子斷面流速引起的互易傳播時間差也增加到反演參數(shù)中： 假設總互易傳播時間差包含L個子斷面上的互易傳播時間差， 每個子斷面的互易傳播時間差中又包含兩個方向流速分量引起的互易傳播時間差dEW和dSN， 則式（7）改進為：

將dEW l、dSN l和sl（ z）增設為反演參數(shù)， 則評價函數(shù)改進為：

當評價函數(shù)值最大時， 得到最優(yōu)的距離分段點和最優(yōu)的時間差分段點， 進而反演得到各個子斷面的第一方向和第二方向的垂直剖面流速。

2 實驗及觀測數(shù)據介紹

2010年7月25～26日， 國家海洋局第二海洋研究所與中國海洋大學在青島膠州灣聯(lián)合進行了淺海聲層析實驗， 測量站點見圖1， 布設了C1～C7七個聲層析站位， 為便于反演和比測， 另外布設了M0～M3四個船載錨定式ADCP測流儀， 進行定點流速測量，并沿C2C7、C5C3和M0C2斷面采用船載ADCP進行流速測量。在C1～C7站點水下3 m處安裝有收發(fā)合置水聲換能器， 每隔3 min發(fā)射載波頻率為5 000 Hz的偽隨機序列聲信號。

經過20 h的測量和數(shù)據采集， 在C1、C2和C3站點獲得了較好的互易傳輸聲信號， 可用于反演C1C2， C1C3和C2C3斷面的流速。但受膠州灣復雜的海底地形和夏季灣內存在鋒面影響， 其余四個聲層析站位未接收到聲信號。因C1C2， C1C3和C2C3三個斷面位于膠州灣內灣口， 可通過聲學數(shù)據反演獲得灣口位置的流速結構變化。

實驗期間在C7站位同步布設了一個海底錨定溫深儀， 圖2為測量時段內的水位變化情況， 可見聲層析實驗經歷了一個完整的半日潮。灣口位置的漲潮時長短于落潮時長， 測點處水位落差為3 m左右。

圖1 膠州灣實驗站點和走航路線圖Fig. 1 Site location of the Jiaozhou Bay experiment

圖2 實驗期間膠州灣水位圖Fig. 2 Time series showing changes in sea level during the experiment

圖3為實驗期間在灣口位置采用CTD測的溫度和鹽度的垂直剖面變化圖（該測點位于聲層析站位C1、C3連線中間位置附近， 具體位置見圖1， 測量時間為7月26日13：35左右）， 可見在15 m以下水層溫度和鹽度幾乎不隨深度增加而改變， 15 m以上水層溫度隨深度增大而減小， 這主要是受夏季晝間日照影響， 而鹽度隨深度增加而增大， 則是受膠州灣北部各河流流入淡水影響。在灣口附近， 因潮流流速較大， 且存在多個渦漩， 海水混合強烈， 溫鹽水平分布差異不大， 因此本文聲傳播數(shù)值模擬及反演中采用上述測點得到的溫鹽數(shù)據。且15 m以下水層溫鹽幾乎不變， 水深大于25 m時對應溫鹽值采用25 m水層處數(shù)據。通過射線聲傳播模型進行數(shù)值模擬， 可得到本征聲線路徑（如圖4所示）， C1、C2間存在三條本征射線， 其到達時間可用于辨別實測聲信號中的多途峰值及其對應到達時間范圍。

圖3 實驗期間膠州灣口溫度和鹽度垂直剖面圖Fig. 3 Temperature and salinity vertical profile throughout experiment period

圖4 C1C2斷面本征聲線Fig. 4 Eigenrays along the C1C2 section

圖5為7月26日1：00到2：00間C1站點和C2站點相互發(fā)射和接收到的到達聲信號相關波形瀑布圖。在信號到達時， 大部分時間點均存在明顯的三個較大峰值， 每個峰值對應一條本征聲線信號到達，而峰值在到達時間上的擾動， 則主要是受水體溫鹽、流速變化以及船舶位置漂移影響。

圖5 C2站點接收的C1站點（a）和C1站點接收的C2站點（b）聲信號瀑布圖Fig. 5 Stack diagram of received signal at （a） St.C2 transmitted from St.C1 and （b） at St.C1 transmitted from St.C2

圖6 M2站點ADCP（a）和C2C7斷面走航ADCP（b）測量的南北流速圖Fig. 6 North–south component of current measured by （a）mooring ADCP at St.M2 and （b） shipboard ADCP along the C2C7 section

圖6a為M2站點定點ADCP測流儀獲取的垂直剖面南北流速數(shù)據（向北為正， 向南為負）， 測量的流速有效深度會因水位的變化而變化， 其變化趨勢與圖2的水位變化幾乎一致； 且可見流速變化與漲落潮時間有關， 在漲潮時流速向北， 落潮時流速向南，漲落潮的平潮時間流速大小到達最大值， 漲潮時流速最大值大于落潮時的流速最大值。

圖6b為C2至C7間船載走航ADCP測流儀獲取的流速垂直剖面南北分量結果， 測量時間為7月26日7：50～9：50， 流速變化與水平位置有關， 在灣口附近流速存在較大的垂直梯度， 而在灣內流速垂直梯度幾乎為零。

通過對定點ADCP流速數(shù)據進行EOF分解（如圖7所示）， 可獲取聲層析反演中構建流速拷貝場的各階垂直向量。第一階EOF是主成分， 代表正壓流分量， 描述流速深度平均值的大小， 第二階和第三階EOF代表斜壓流分量， 描述流速隨深度的變化。流速東西和南北分量的EOF分析結果十分相似， 前三階EOF占總方差比重達到95%以上， 因此反演中使用前三階EOF描述流速深度變化。根據文獻［1-3］等的膠州灣潮流場結構分布研究成果及所獲取的流速觀測數(shù)據， 各聲層析斷面流速反演時所采用的EOF模態(tài)來自于其鄰近定點ADCP數(shù)據分析結果， 其中C1C3、C2C3斷面采用M2、M3站位數(shù)據分析結果，C1C2斷面則采用2010年11月在C1站位附近獲取的定點ADCP觀測數(shù)據分析結果。

圖7 M2站位流速東西分量（a）和南北分量（b）的前三階EOF 向量Fig. 7 First three EOFs of （a） eastward component and （b）northward component of current at St.M2

3 流速反演結果和誤差分析

采用前面介紹的反演算法， 對C1C2斷面， C1C3斷面和C2C3斷面水平流速進行聲學反演計算， 將海水流速方向分為東西和南北方向分量（本文中東西流速分量反演結果以向東為正， 南北流速分量反演結果以向北為正）。

3.1 距離未等效分段反演

C1C2斷面位于團島至黃島一線的灣口位置， 反演結果反映灣口流速結構變化特點， 并便于計算灣口流量。

圖8是C1C2斷面未考慮距離等效分段的流速垂直分布反演結果， 由結果可見東西分量幅值要遠小于南北分量幅值， 在漲潮期間， 南北流速朝向北， 流速方向在漲潮和落潮期間相反。C2C7段船載ADCP走航路徑經過C1C2斷面， 通過GPS數(shù)據， 將走航路徑與斷面交叉處時段的走航ADCP實測流速與反演流速對比， 結果如圖9所示。

圖8 C1C2斷面反演流速東西分量（a）和南北分量（b）時間變化圖Fig. 8 Variation in （a） eastward component and （b） northward component of inversion current along the C1C2 section

反演流速尤其是東西分量在深度上的變化趨勢與實測流速基本相同， 但是有一定的偏差值， 東西分量偏差小于南北分量偏差。C1C2斷面反演流速東西分量垂直分布與ADCP實測流速間的平均誤差為0.022 m/s， 相關系數(shù)為0.825； 而對南北分量而言，對應平均誤差為0.050 m/s， 相關系數(shù)為0.247， 這主要是因為斷面上流速水平分布不均勻的結果， 在以下反演中將考慮其影響。

圖9 C1C2斷面反演流速與實測流速東西分量（a， b）和南北分量比較（c， d）Fig. 9 Comparison between the inversion results and the measurements along the C1C2 section for （a， b）eastward component of current and （c， d） northward component of current

3.2 距離等效分段反演

將C1C2斷面分為兩個等效子斷面， 將最優(yōu)距離分段點位置參數(shù)加入到反演參數(shù)中， 采用遍歷法尋找最優(yōu)解， C1C2斷面中鄰近C1站位子斷面的東西和南北分量垂直剖面反演結果見圖10， 鄰近C2站位子斷面的反演結果見圖11。

圖10 鄰近C1站位的子斷面反演流速東西分量（a）和南北分量（b）垂直分布時間變化圖Fig. 10 Variation of （a） eastward component and （b） northward component in the vertical profile of inversion current for the subsection near St.C1 along the C1C2 section

圖11 鄰近C2站位的子斷面反演流速東西分量（a）和南北分量（b）垂直分布時間變化圖Fig. 11 Variation of （a） eastward component and （b） northward component in the vertical profile of inversion current for the subsection near St.C2 along the C1C2 section

在C1C2斷面， 因為灣口朝向為南北方向， 潮流漲潮落潮時從灣口涌入或涌出， 流速東西分量的變化幅值要小于南北分量的變化幅值。兩個子斷面的流速有著明顯區(qū)別， 鄰近C1站位子斷面與鄰近C2站位子斷面的流速變化在時間上并不同步， 鄰近C2站位子斷面的流速南北分量在漲潮期間的轉向要早于鄰近C1站位子斷面， 且落潮最大流速大于漲潮最大流速， 與鄰近C1站位子斷面正好相反； 鄰近C1站位子斷面的流速東西分量在漲潮期間的轉向略早于鄰近C2站位子斷面； 漲潮期間鄰近C2站位子斷面的流速南北分量最大值出現(xiàn)時段早于東西分量。

C2C7段船載ADCP走航路徑與C1C2斷面的交叉點距離C1站位2960 m， 此時刻反演得到的最優(yōu)距離分段點距離C1點為2400 m， 交叉點位于鄰近C2站位子斷面中， 使用該子斷面的反演流速與C2C7段實測ADCP走航流速進行比較， 如圖12所示。

圖12 C1C2斷面反演流速東西分量（a， b）和南北分量（c， d）與ADCP實測結果比較Fig. 12 Comparison between the inversion results and the measurements along the C1C2 section for the （a， b）eastward component of current and （c， d） northward component of current

與圖9中未考慮距離等效分段的反演結果相比，采用等效距離分段后C1C2斷面反演的流速垂直分布尤其是南北分量更加接近于ADCP實測結果， 兩者間偏差值進一步縮小。反演東西分量與ADCP實測流速的平均偏差為0.019 m/s， 相關系數(shù)為0.852，兩者間在深度上的變化趨勢更為接近， 相關性略增強， 偏差更??； 南北分量的平均偏差為0.011 m/s， 相關系數(shù)為0.911， 兩者間垂直變化趨勢基本相同， 相關程度得到極大提高， 且偏差也大大減小， 反演結果更加準確?？梢娛褂镁嚯x等效分段后的反演結果與實測流速更為接近， 更能反映流速在水平距離上的不均勻性。

為進一步說明結合距離等效分段的反演方法的優(yōu)點， 對C1C3斷面反演進行分析。 C1點位于黃島附近的灣口位置， C3點位于灣內東岸位置， 能夠反演灣內和灣口的流速差異以及膠州灣東岸和西岸的流速差異。C1C3斷面距離未等效分段反演結果如圖13。反演結果顯示C1C3斷面流速南北分量變化幅值較東西分量大； 在漲潮時， C1C3斷面平均流速東西分量朝東， 南北分量朝北， 落潮時則相反。

圖13 C1C3斷面反演流速東西分量（a）和南北分量（b）垂直分布變化圖Fig. 13 Variation in （a） eastward component of current and （b）northward component of current along the C1C3 section

采用距離等效分段反演算法， 將C1C3分為兩個子斷面， 計算兩個子斷面的東西流速和南北流速，如圖14和圖15所示。

從分段反演結果中看出， C1C3斷面兩個子斷面的流速變化有明顯差異： 鄰近C1站位子斷面的流速東西分量在漲潮時流向西， 與鄰近C3站位子斷面相反， 因為C3和C1點分別位于膠州灣東岸和西岸， 表明潮流流入灣口后通潮通道影響， 分別向東、西向流動； 鄰近C1站位流速南北分量幅值變化大于鄰近C3站位子斷面， 這主要是由于C1站位位于灣口， 灣口窄灣內寬， 海流在灣口處流速大。距離等效分段反演的結果體現(xiàn)了C1C3斷面流速水平分布不均勻特點， 更符合膠州灣流場規(guī)律。

圖14 C1C3斷面鄰近C1站位子斷面的反演流速東西分量（a）和南北分量（b）變化圖Fig. 14 Variation of （a） eastward component and （b） northward component in the vertical profile of the subsection near St.C1 along the C1C3 section

圖15 C1C3斷面鄰近C3站位子斷面的反演流速東西分量（a）和南北分量（b）變化圖Fig. 15 Variation of （a） eastward component and （b） northward component in the vertical profile of the subsection near St.C3 along the C1C3 section

C2C7段船載ADCP走航路徑與C1C3斷面的交叉點的位置距離C1站位1707 m， 反演的最優(yōu)距離分段點為距離C1站位3900 m， 所以將鄰近C1站位子斷面的距離等效分段和C1C3斷面距離未等效分段反演結果與實測流速進行比較， 如圖16所示。

圖16 C1C3斷面反演流速東西分量（a， b）和南北分量（c， d）與ADCP實測結果比較Fig. 16 （a， b） Eastward component， and （c， d） northward component of inversion current compared with ADCP observations

等效分段反演流速東西分量與實測流速的平均偏差為0.010 m/s， 相關系數(shù)為0.969， 南北分量的平均偏值為0.010 m/s， 相關系數(shù)為0.992， 未等效分段反演流速東西結果與實測流速的均方誤差為0.025 m/s，相關系數(shù)為0.882， 南北分量的均方誤差為0.034 m/s，相關系數(shù)為0.657?？梢姷刃Х侄畏囱莺蟮慕Y果與實測流速更為接近， 精確度提高， 很好的體現(xiàn)流速水平不均勻特點。

4 水平流場和流量變化分析

有前述流速垂直分布反演結果可見， 除了在漲潮和落潮流速最大值出現(xiàn)時段附近流速東西和南北分量存在略大的垂直梯度， 在其余時段垂直深度上變化不大。為更直觀的觀察膠州灣口的流場變化， 取流速在深度上的平均值， 將C1C2斷面， C1C3斷面和C2C3斷面流速反演結果畫成流速水平矢量圖。7月 26日3：00～8：00間漲潮期、平潮期、落潮期膠州灣口水平流速矢量圖如圖17所示。

圖17 膠州灣口漲潮、平潮和落潮時反演流速矢量圖Fig. 17 Vector plot of inversion current during flood tidal， slack tidal， and ebb tidal stages at the mouth of Jiaozhou Bay

在漲潮中間時刻往后， 膠州灣口形成一順時針渦漩［2-3］， 在黃島附近， 海水流入膠州灣， 在團島附近，海水流出膠州灣， 在文獻［2］中的大潮期間的數(shù)值模擬和實際ADCP測量結果中， 團島至黃島灣口位置處穩(wěn)定的渦漩現(xiàn)象持續(xù)近2 h， 與本文中反演結果相同。

進入漲潮后的平潮階段即轉流階段， 灣口西岸海域的流速流向灣內并基本接近零， 團島附近的流速流出灣外并且也適量減小。實驗結果與文獻［2］中的數(shù)值模擬和實測結果相同。

進入落潮， 3個斷面的流速都流向灣外， 沒有明顯的部分海域流速提前逆轉的現(xiàn)象， 也沒有渦漩出現(xiàn)。與文獻［7］中大潮落潮時段內數(shù)值模擬和實測結果相似。

通過C1C2斷面距離等效分段流速反演結果求出實驗階段流過C1C2斷面的流量變化（圖18）， 規(guī)定海水流入時流量為正， 流出為負。由反演結果可見，大潮期間通過膠州灣口最大漲潮流量11×104m3/s，最大落潮流量為8×104m3/s， 與文獻［2］中實測的大潮期間流量范圍（–8×104至10×104m3/s）大致相同。落潮期間流量有明顯的抖動， 即在落潮中間時刻， 流量減小， 之后又增大的現(xiàn)象， 與文獻［2］中的模擬和實測結果相同。對比C1C2斷面流速反演結果， 在落潮時間內， 南北流速和東西流速存在流速值減小的現(xiàn)象， 造成落潮流量的抖動現(xiàn)象。

5 結論

與傳統(tǒng)的錨定或船載測流方式相比， 聲層析方法僅需布設較少數(shù)量的聲學站位， 即可獲得大范圍的復雜流場垂直和水平分布， 適合于港灣、航道等淺海海洋環(huán)境監(jiān)測。本文在傳統(tǒng)的射線走時聲層析反演方法中引入經驗正交函數(shù)， 使用匹配方法， 針對流場水平不均勻特性， 結合距離等效分段方法， 反演膠州灣流場的垂直和水平變化， 得到以下結論： （1）對斷面距離等效分段， 并考慮流速兩個垂直分量的等效影響， 可獲得子斷面流速變化。與距離不等效分段反演流速比較， 等效分段反演結果更接近實測流速，適合于處理流場水平分布不均勻的場合。（2）利用膠州灣口3個斷面聲層析數(shù)據獲得流速場的垂直和水平分布， 可見漲潮期間灣口位置團島邊渦流的出現(xiàn)；得到大潮期間灣口的流量在8×104～11×104m3/s， 漲潮流量大于落潮流量。與文獻中觀測數(shù)據吻合。

圖18 C1C2斷面流量變化圖Fig. 18 Time series of inversion current transport at the C1C2 section

致謝： 感謝國家海洋局第二海洋研究所吳清松、廖光洪、樊孝鵬、張傳正、李博、駱鵬參加了海上實驗工作。感謝兩位評審專家專業(yè)性的評審意見。

［1］ 國家海洋局第一海洋研究所. 膠州灣自然環(huán)境［M］.北京： 海洋出版社， 1984. First Institute of Oceanography， State Oceanic Administration. Natural Environment of the Jiaozhou Bay［M］. Beijing： China Ocean Press， 1984.

［2］ 喬貫宇. 通過POM模式對膠州灣納潮量的數(shù)值模擬研究［D］. 青島： 國家海洋局第一海洋研究所， 2008. Qiao Guanyu. Numerical modal research of storage capacity for tidal water of the Jiaozhou Bay by POM［D］. Qingdao： First Institute of Oceanography，State Oceanic Administration， 2008.

［3］ 呂新剛， 趙昌， 夏長水 .等. 膠州灣水交換及灣口潮余流特征的數(shù)值研究［J］. 海洋學報， 2010， 32（2）：21-29. Lü Xingang， Zhao Chang， Xia Changshui， et al. Numerical study of water exchange in the Jiaozhou Bay and the tidal residual currents near the bay mouth［J］. Acta Oceanologica Sinica， 2010， 32（2）： 21-29.

［4］ 邊淑華， 夏東興， 李朝新. 膠州灣潮汐通道地貌體系［J］. 海洋科學進展， 2005， 23（2）： 144-151. Bian Shuhua， Xia Dongxing， Li Chaoxin. Geomorphologic system in the Jiaozhou Bay tidal inlet［J］. Advances in Marine Science， 2005， 23（2）： 144-151.

［5］ 楊世倫， 孟翊， 張經， 等.膠州灣懸浮體特性及其對水動力和排污的響應［J］.科學通報， 2003， 48（23）：2493-2498. Yang Shilun， Meng Yi， Zhang Jing， et al. Characteristics of suspended particles and its response to hydrodynamics and pollution discharge in the Jiaozhou Bay［J］. Chinese Science Bulletin， 2003， 48（23）：2493-2498.

［6］ 吳玉霖， 孫松， 張永山. 環(huán)境長期變化對膠州灣浮游植物群落結構的影響［J］. 海洋與湖沼， 2005， 36（6）：487-498. Wu Yulin， Sun song， Zhang Yongshan. Long-term change of environment and it’s influence on phytoplankton community structure in Jiaozhou Bay［J］. Oceanologia Etlimnologia Sinica， 2005， 36（6）： 487-498.

［7］ 劉哲. 膠州灣水體交換與營養(yǎng)鹽收支過程數(shù)值模型研究［D］. 青島： 中國海洋大學， 2004. Liu Ze. Research on modelling water exchange and nutrient budget in Jiaozhou Bay［D］. Qingdao： Ocean University of China， 2004.

［8］ Munk W H， Wunsch C. Ocean acoustic tomography， A scheme for large scale Monitoring ［J］. Deep Sea Research Part A： Oceanographic Research Papers， 1979，26（2）： 123-161.

［9］ Shang E C. Ocean acoustic tomography based on adiabatic mode theory［J］．Journal of the Acoustical Society of America， 1989， 85： 1531-1537.

［10］ 廖光洪， 朱小華， 林巨， 等.海洋聲層析觀測技術和方法［J］. 海洋學報， 2010， 32（3）： 14-22. Liao Guanghong， Zhu Xiaohua， Lin Ju， et al. Observation technology and methods of ocean acoustic tomography［J］. Acta Oceanologica Sinica， 2010， 32（3）：14-22.

［11］ 朱蕓， 呂連港. 海洋聲層析的基本原理和應用［J］. 海洋科學進展， 2002， 20（4）： 70-75. Zhu Yun， Lü Liangang. Basic principle and application of ocean acoustic tomography［J］. Advances in Marine Science， 2002， 20（4）： 70-75.

［12］ Janice D B， Eileen P K， Pavel P. Estimation of EOF expansion coefficients for incomplete data［J］. Deep Sea Research Part I： Oceanographic Research Papers， 1994，41： 1479-1488.

［13］ 張立峰， 許建平， 何金海. 熱帶太平洋次表層三維海溫距平場的EOF分析［J］. 海洋學研究， 2008， 26（3）：36-42. Zhang Lifeng， Xu Jianping， He Jinhai. EOF analysis of three-dimensional subsurface temperature anomaly field of the tropical Pacific Ocean［J］. Journal of Marine Sciences， 2008， 26（3）： 36-42.

［14］ 孫軍平. 等效聲速剖面的反演研究［D］. 青島： 中國海洋大學， 2010. Sun Junping. The inversion of equivalent sound speed profiles［D］. Qingdao： Ocean University of China， 2010.

（本文編輯： 劉珊珊）

Determination of inversion current field in the Jiaozhou Bay based on coastal acoustic tomography data

LIU Xu-dong1， LIN Ju1， WANG Huan1， ZHU Xiao-hua2
（1. College of Information Science and Engineering， Ocean University of China， Qingdao 266100， China； 2. Second Institute of Oceanography， State Oceanic Administration， Hangzhou 310012， China）

May， 10， 2013

ray time-of-flight acoustic tomography； empirical orthogonal function； matching field method； subsection-equivalent method； the Jiaozhou Bay

Based on coastal acoustic tomography data， the ray time-of-flight acoustic tomography method is combined with the matching field method and empirical orthogonal function analysis to invert the current field along three sections. The inversion method is improved using the subsection equivalent method to invert the vertical and horizontal distributions of the current in a current-range-dependent case. The deviation between the inversion results and the current measurements are considerably reduced compared with the use of the traditional inversion method； the average deviation is below 0.02 m/s， and the correlation coefficient of current vertical profile is increased to over 0.85. According to the inversion results， the current field in the acoustic experiment domain near the mouth of the Jiaozhou Bay is analyzed， and the transport volume is calculated. The results show that the modified ray time-flight acoustic tomography method can be applied to monitor current fields that have a range-dependent horizontal distribution， and the large-scale three dimensional information of the complicated current field can be obtained by deploying a small number of acoustic stations， which are useful in the studies of coastal marine resource exploitation， marine environment conservation， and shipping traffic safety.

P733.23

A

1000-3096（2016）01-0101-11

10.11759/hykx20130510003

2013-05-10；

2014-01-03

國家海洋局第二海洋研究所衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學國家重點實驗室開放基金項目（SOED1001）； 國家自然科學基金項目（41176033）；國家重點基礎研究發(fā)展計劃項目（2007CB411803）； 國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）（2006AA09Z114）

劉旭東（1987-）， 男， 山東日照人， 碩士， 研究方向為海洋聲學， E-mail： liuxudong02013@126.com； 林巨， 通信作者， E-mail：julin97@gmail.com