1. 引言
海岸海洋学是一个多学科领域，研究海岸带内复杂的相互作用，涵盖物理、化学和生物过程。理解这些过程对于资源管理、环境保护和海岸工程等多个方面至关重要。声学多普勒流速剖面仪（ADCP）凭借能够准确且持续地测量水流速度及其他相关参数的能力，已成为海岸海洋学研究中的有力工具。
2. ADCP的原理
ADCP基于多普勒效应原理工作。它向水中发射声脉冲，然后测量水中悬浮颗粒或小型生物反向散射回波的频率偏移。通过对这种多普勒频移的分析，可得出水体相对于ADCP的实际流速。标准的ADCP能够测量多个深度区间或层面的流速，即获得流速的垂直剖面，有时还能测量诸如后向散射强度等其他参数，该参数可提供有关悬浮颗粒浓度和粒径分布的信息。
3. 在物理过程研究中的应用
潮流
潮流是海岸带的主导物理过程。ADCP可用于河口、海湾及近岸区域，测量潮流的速度和方向。例如，可在像切萨皮克湾这样的大型河口周围策略性地布置ADCP系泊设备，以持续观测潮流模式。获取的数据可用于研究潮流量，即一个潮汐周期内进出河口的水量。这些信息对于了解河口的水体交换率至关重要，因为它会影响营养物质和污染物的分布，以及河口生物的生存。ADCP提供的详细流速剖面有助于描述潮流的垂直结构，比如剪切层的存在。在某些情况下，ADCP测量揭示了内潮的存在，内潮是一种次表层潮汐振荡，会对近岸海洋水体的混合和输运产生重大影响。
波浪诱导流
波浪在产生近岸流方面起着重要作用。ADCP还能够测量与波浪相关的轨道速度。在浅水区，当波浪靠近岸边并破碎时，会产生沿岸流和离岸流。部署在碎波带的ADCP可捕捉到这些复杂的波浪诱导流的流动模式。例如，在海滩环境中，ADCP数据能够展示对游泳者构成危险的离岸流的时空变化。对波浪诱导流特征的了解有助于海岸工程师设计更有效的海滩保护结构或预警系统。其次，ADCP测量有助于理解波浪与水流之间的相互作用，以及这种相互作用对泥沙输运和海滩形态可能产生的影响。将ADCP测量得到的流速与同时分析的波浪参数（波高和周期）相结合，可提供近岸水动力过程的综合视图。
海岸环流
海岸沿线的环流是一个相当复杂的系统，主要涉及风、潮汐和密度梯度之间的相互作用。ADCP用于绘制近岸海洋的大规模环流模式。它们可安装在船舶或浮标上，用于大面积的调查。例如，对缅因湾的一些区域研究采用船载ADCP调查，以阐明总体环流模式，包括水体流动、锋面位置以及近岸与外海区域之间的水体交换。ADCP数据还有助于确定水体的源和汇，这对于理解热量、盐分和营养物质的输运十分重要。ADCP测量的垂直流速剖面对于量化影响近岸海洋生产力的上升流和下降流过程至关重要，这取决于深层水体的营养物质是否被输送到表层，反之亦然。
4. 在化学和生物过程研究中的作用
化学过程
ADCP对流速的测量与近岸海洋的化学过程间接相关。营养物质（如氮、磷）、溶解氧和污染物等化学物质的输运和混合，受到水流模式的强烈影响。例如，在有潮流的河口区域，河口与外海之间的营养物质分布存在差异。ADCP数据可与化学采样同时使用，以了解化学物质的平流和扩散情况。在富营养化的河口，通过ADCP测量水体环流，可通过确定水流运动路径来预测藻华的扩散。ADCP测量的后向散射强度也能提供一些关于悬浮沉积物存在的信息，这些沉积物可以吸附和释放各种化学物质，从而影响水柱中的化学平衡。
生物过程
ADCP可为研究近岸海洋的生物过程提供有用信息。流速测量与浮游生物、鱼卵和幼鱼及其他生物的扩散相关。例如，水流对鱼卵和幼鱼的平流作用可能决定它们的生存和补充模式。ADCP数据可用于模拟近岸海洋中生物颗粒的输运。在珊瑚礁生态系统中，ADCP测量的水体环流决定了营养物质的供应和废物的排出，这两者对珊瑚及相关生物的健康和生长都至关重要。后向散射强度有时可作为浮游动物群或鱼群的指示，尽管这种指示更多是定性的。了解ADCP所测量的物理过程与生物过程之间的耦合关系，将有助于我们更好地管理和保护海岸生态系统。
5. 与其他测量技术的结合
在海岸海洋学中，ADCP通常与其他测量技术结合使用。它可与CTD传感器（测量电导率、温度和深度）并置，不仅能提供水流速度，还能给出水体的温度、盐度和密度。这种综合数据集能使海洋学条件的研究维度更丰富。在特定的近岸上升流区域，ADCP和CTD测量可通过确定上升流的速度、温度和盐度，帮助描述上升流羽流的垂直结构。ADCP还可与沉积物捕获器配合使用，研究泥沙输运过程。ADCP对流速的测量有助于理解驱动泥沙运动的作用力，而沉积物捕获器则收集实际的泥沙颗粒，以便进一步分析其成分和来源。此外，还可给ADCP配备光学传感器，用于测量与浮游植物存在相关的参数，如叶绿素荧光。这种结合能更详细地研究近岸海洋中物理过程与生物生产力之间的联系。
6. 在数值模拟和海岸工程中的意义
数值模拟
ADCP数据对海岸海洋学的数值模拟具有重要价值。对流速等参数的精确测量，为水动力模型提供了必要的输入和验证数据。例如，在海岸海湾模型中，ADCP测量的流速剖面可用于初始化模型并调整模型参数。此后，该模型就能考虑潮汐力变化、风况或海岸结构建设等各种情景，预测水流模式的未来演变。将模型结果与ADCP数据进行比较，有助于提高数值模型的准确性和可靠性。此外，ADCP数据可用于验证近岸海洋中化学物质和生物颗粒输运模拟的模型性能。
海岸工程
在海岸工程中，ADCP在海岸结构的设计和性能评估方面处于前沿地位。ADCP对港口和海港的设计至关重要，因为其对流速和环流模式的测量，可为港口内码头、航道和防波堤的最佳布局提供依据，以确保船舶的安全航行和结构稳定性。在海滩养护项目评估中，ADCP对近岸水流和泥沙输运的测量，可预测添加泥沙的去向以及对海滩形态的长期影响。例如，如果ADCP数据表明沿岸流很强，那么可能需要采取其他措施来避免养护泥沙的快速流失。ADCP还应用于海岸防御设施（如海堤和丁坝）的性能评估。通过对流速和水位的持续测量，可早期发现此类结构因波浪和水流作用而可能出现的损坏或不稳定情况。
7. 结论
声学多普勒流速剖面仪已成为学术海岸海洋学中不可或缺的工具。其应用范围涵盖物理、化学和生物过程。在物理过程研究方面，它提供了关于潮流、波浪诱导流和海岸环流的详细信息。通过测量相关参数，它甚至对化学和生物过程的研究也有贡献。ADCP与其他测量技术的结合，使海洋学研究更加全面。此外，ADCP数据在数值模拟和海岸工程中非常有用，有助于对近岸海洋系统进行预测和管理。随着该技术的不断进步，ADCP对于扩展我们对近岸海洋环境的认识以及可持续利用将变得更加关键。