一、引言
深水系泊和中层水深系泊是海洋学研究中不可或缺的工具，因为它们为长期持续监测海洋环境提供了一个平台。这些系泊设备上安装了不同类型的仪器组件，用于收集有关洋流、温度、盐度以及海洋其他参数的数据。在安装在这些系泊上的所有仪器中，鉴于 ADCP 独特的水流速度测量能力，它可能是最有价值的仪器之一。
二、ADCP 在系泊中的工作方式
- 基于多普勒效应的速度测量原理
声学多普勒流速剖面仪（ADCP）的工作原理基于多普勒效应。在深水系泊和中层水深系泊中，它向水柱发射声学信号。这是因为，当这些信号遇到水中移动的颗粒或物质（通常是浮游生物、沉积物或小型生物）时，到达 ADCP 的反射信号频率会发生变化。频率偏移与沿声束视线方向的速度成正比。例如，通过使用几个（通常为三个或四个）朝向不同方向的声束，ADCP 能够计算水流的三维速度矢量。从这个角度来看，对于位于开阔海洋的深水系泊，有可能获得水流速度水平和垂直分量的精确测量值，同时获取有关洋流环流模式的重要信息。 - 剖面测量能力与数据采集
ADCP 强大的剖面测量能力之一是能够测量系泊范围内不同深度的水流速度。ADCP 的垂直分辨率由声学信号频率、仪器配置等因素决定。这使得在深水系泊和中层水深系泊中能够对洋流的垂直结构进行详细研究。从而可以获得从海面到系泊深度的流速变化的宝贵数据。此类信息在理解上升流、下降流以及不同性质水体的分布等过程中起着重要作用。此外，ADCP 可以随时间连续收集数据，从而生成一系列流速数据，这对于分析洋流的时间变化非常有用。
三、在洋流监测中的应用
- 长期连续的洋流监测
ADCP 在深水系泊和中层水深系泊中的主要应用之一是对洋流进行长期连续监测。系泊上搭载 ADCP 后，可以运行数月至数年甚至数十年。凭借其源源不断的数据，ADCP 为科学家提供了实时观测和分析洋流模式的季节性、年度及长期趋势的机会。例如，北大西洋中层水深系泊上的 ADCP 多年来收集了有关该深度处墨西哥湾流分支的稳定性和正在发生的缓慢变化的数据。这些长期数据在气候研究中具有很高的价值，因为可以更好地理解洋流对热量传输、气候调节和全球气候系统的贡献。 - 中尺度和次中尺度洋流探测
部署在系泊上的 ADCP 剖面仪非常擅长探测中尺度和次中尺度洋流。这些较小尺度的洋流系统通常与更复杂的海洋学事件相关，如涡旋、细丝和锋面。在深水区，此类特征可能会强烈影响热量、营养物质和海洋生物的传输。例如，系泊中的 ADCP 可以在某一地点测量涡旋的旋转速度，以及该地点水体性质的相应变化。这些数据还有助于理解涡旋内部的混合和交换过程，以及与周围海洋环境的相互作用。探测次中尺度洋流可以进一步揭示控制海洋中动量、热量和质量转移的精细尺度过程。 - 洋流 - 地形相互作用研究
配备 ADCP 的深水系泊和中层水深系泊能够深入研究洋流与水下地形之间的相互作用。海山、海脊或峡谷等地形特征会导致洋流流型发生重大变化。这些速度和方向的变化可以通过 ADCP 测量记录下来。通过分析这些数据，科学家能够确定地形如何影响洋流结构，反之亦然。这对于理解与特定地形特征相关的局部洋流系统的形成、沉积物分布以及深海生物栖息地非常有价值。例如，ADCP 数据可能显示，在靠近海山的深水系泊中，洋流如何在海山周围发生偏转和加速，从而影响该区域的营养物质分布和海洋生物的存在。
四、对理解水体性质的贡献
- 水体边界的识别
在深水系泊和中层水深系泊中，ADCP 流速仪对于确定不同水体之间的边界非常重要。ADCP 测量的速度梯度可以显示水体边界。当两个温度、盐度和密度不同的水体相遇时，流速通常会发生显著变化。例如，在北大西洋深层水和南极底层水相互作用的区域，系泊中的 ADCP 能够检测到边界层和耦合混合过程。所有这些信息对于理解全球热盐环流和海洋中水体的分布非常重要。正确识别水体边界有助于我们正确理解海洋环流的大规模模式以及驱动这些过程的因素。 - 水体输送量的估算
除了识别边界外，ADCP 还可用于估算水体输送量。简单来说，将流速与水柱横截面积的测量值相结合，科学家可以确定水体的体积输送量。这对于理解海洋中的大规模环流以及总体上热量、盐分和其他性质的重新分布非常重要。例如，在经向翻转环流的框架内，基于深水系泊中 ADCP 估算的水体输送量为理解全球气候系统提供了实际数据。精确估算水体输送量将有助于预测气候变化及其对海洋以及地球气候系统的影响。
五、在内部波研究中的应用
- 内部波的探测与特征描述
内部波在深水和中层水域广泛存在，对塑造海洋环境起着重要作用。系泊中的 ADCP 流速剖面仪是探测内部波的有效工具。ADCP 测量的流速将显示内部波的振幅、周期及其传播方向。例如，南海某深水系泊的一些 ADCP 数据记录显示了内部波以特定的运动方式传播。从这些数据中，可以研究内部波的产生机制，如潮汐强迫关系、水下地形和密度分层。理解内部波的产生和特征对于预测它们对海洋环境的影响至关重要，这些影响涉及水体混合、营养物质输送以及深海结构的稳定性。 - 内部波对海洋混合的影响
内部波会在海洋中引起强烈的混合。内部波的垂直位移会携带水体，从而使热量、营养物质和所有其他溶解成分在不同密度层之间传输。ADCP 在内部波通过时测量的流速提供了这些波的能量和混合效率的度量。这些信息有助于理解内部波如何扰乱海洋生物的分布，因为混合会改变不同水层中营养物质的可利用性。这对海洋工程也有影响，因为内部波产生的强流会影响深海结构的稳定性。例如，在设计深水中的海上石油平台时，了解内部波对洋流的影响对于平台的安全稳定至关重要。
六、对海洋生态学的意义
- 浮游生物的扩散和营养物质的输送
配备 ADCP 的深水系泊和中层水深系泊对海洋生态具有重要意义。测量到的洋流会影响浮游生物的扩散，浮游生物被视为海洋食物网的基础。了解洋流模式有助于预测浮游生物的分布和数量。此外，海洋生物的生长和生存与洋流输送的营养物质密切相关。ADCP 数据有助于研究水柱中营养物质的分布及其对不同营养级的可利用性。例如，在洋流较强的地区，可以通过 ADCP 确定这些洋流的速度和方向，以及浮游生物和营养物质大致是如何输送和分布的，从而影响海洋生态系统中更高营养级的生产力。 - 鱼类洄游和栖息地研究
对于鱼类和其他较高营养级的海洋生物，ADCP 测量的洋流有助于理解它们的洄游和栖息地。一些鱼类物种利用洋流进行长途洄游。系泊上的 ADCP 流速仪可以提供有关这些洋流的方向和速度的信息，从而有助于确定洄游路线。此外，洋流与海底地形的相互作用会形成特定的底栖生态栖息地。ADCP 数据可以指示这些生态位及其对海洋生态系统整体健康的影响。例如，ADCP 可以测量流经深水峡谷的洋流，从而确定这些洋流可能如何影响将峡谷作为栖息地或洄游路线的鱼类和其他生物的分布。
七、与其他系泊仪器的整合
- 协同数据采集
在深水系泊和中层水深系泊中，ADCP 通常与温度传感器、盐度传感器和压力传感器集成在一起。将 ADCP 数据与这些其他传感器的数据相结合，可以更全面地了解海洋环境。例如，温度和盐度数据可以帮助解释 ADCP 测量的水体性质。与 ADCP 的剖面测量能力相辅相成，压力传感器数据可以提供有关深度变化和水柱垂直结构的信息。安装在同一平台上的多个仪器的测量数据可以组合和整合，以提供海洋状况的综合视图，包括物理和化学性质以及海洋中正在进行的动态过程。 - 数据校准与验证
与其他仪器的整合可以实现数据校准和验证。科学家能够将 ADCP 测量的流速与独立测量值或模型进行对比，以确保 ADCP 数据的准确性。同样，ADCP 数据也将验证和改进其他仪器的性能。这种协作方法提高了从系泊中收集的数据的整体可靠性。例如，如果温度传感器数据显示温度突然变化，而 ADCP 数据显示流速相应变化，这有助于验证这两个测量值的准确性，并理解海洋环境中温度与流速之间的关系。
八、挑战与未来方向
- 技术挑战
然而，尽管深水和中层水深声学多普勒流速仪应用广泛，但它们面临一些重大技术挑战。首先，深海是这类敏感仪器最恶劣的环境之一，其特点是高压、低温以及可能出现生物污损，即生物的生长和附着可能影响仪器性能和准确性。此外，深海中的声学环境可能变得非常复杂，声学信号以多种不同方式反射和散射，从而无法进行清晰准确的测量。未来的研究应致力于开发更坚固耐用的 ADCP，使其能够承受这种极端条件，并改进信号处理技术以提高数据质量。还可以研究用于 ADCP 的新材料和设计，使其在高压、低温条件下更坚固；也可以开发信号处理算法，以尽量减少由于声学反射和散射造成的干扰。 - 数据管理与解读
随着系泊中声学多普勒流速仪的持续运行，会产生大量数据。还需要进行高效的数据管理，包括存储、处理和分析。ADCP 产生的数据性质复杂，需要同样复杂的模型来结合总体海洋环境进行分析。未来的方向应包括开发更好的数据管理系统和更复杂的数据解读方法，以充分发挥 ADCP 数据的潜力。这可以通过使用大数据分析和机器学习算法，从 ADCP 产生的大量数据中提取有意义的信息，并开发洋流和其他海洋学参数的预测模型来实现。 - 应用拓展
ADCP 在深水系泊和中层水深系泊中的应用也有拓展空间。例如，通过将 ADCP 与最近出现的技术，如自主水下航行器和水下滑翔机相结合，可以更全面地了解动态的海洋。同样，在相对研究较少的区域，如深海海沟和极地地区使用 ADCP，可能会揭示新的海洋学现象，从而扩展我们对全球海洋系统的认识。进一步将 ADCP 与互补的海洋观测系统，如卫星遥感相结合，应能在不同尺度上提供更全面、准确的海洋环境视图。
九、结论
声学多普勒流速剖面仪（ADCP）已成为深水系泊和中层水深系泊中不可或缺的工具。它们在洋流监测、理解水体性质、内部波研究以及海洋生态学研究中的应用，为获取有关深水和中层水海洋环境的大量信息做出了巨大贡献。尽管面临这些挑战，但随着技术和数据分析的不断改进，ADCP 的能力将继续扩展。与其他仪器的整合以及新 ADCP 应用的开发，很可能会让我们更深刻地认识到海洋复杂多变的本质，这对于气候研究、海洋资源管理以及海洋生态系统保护至关重要。持续开发和在深水系泊及中层水深系泊中使用 ADCP，对于完善我们对海洋的认识以及更好地保护和管理这一资源至关重要。