一、引言
海洋研究船是人类不断增进对海洋认知的宝贵资产。这些船只配备了一系列广泛的仪器，用于记录众多不同的海洋学变量数据。在这些仪器中，ADCP 是测量水流的最重要仪器之一。它彻底改变了海洋洋流的研究，因为它为多个海洋学研究项目提供了极有价值且高度准确的信息。本文将从 ADCP 的工作原理、现代海洋研究船的类型以及它与船上其他仪器的整合等方面，阐述 ADCP 在海洋研究船上的应用。
二、声学多普勒流速剖面仪（ADCP）的工作原理
- 多普勒效应的应用
声学多普勒流速剖面仪基于多普勒效应原理工作。它向水体发射声学信号。如果这些信号遇到水中的移动颗粒，例如浮游生物、沉积物或其他悬浮物质，那么从 ADCP 接收到的反射信号频率就会发生变化。这种变化与声束视线方向上的速度成正比。通过使用多个声束（通常为三个，最多可达四个，朝向不同方向），ADCP 能够计算出水流的三维速度矢量。例如，在一次典型的海洋学测量中，ADCP 可以精确提供水平和垂直方向的速度分量，使相关科学家能够了解海洋环流的复杂模式。 - 剖面测量能力与数据采集
ADCP 具有出色的剖面测量能力，能够测量其量程内不同深度的水流速度。ADCP 的垂直分辨率取决于诸如声学信号频率和仪器配置等因素。所获取的数据有助于对海洋洋流的垂直结构进行详细研究。据此，科学家能够得出关于水流速度从海面到特定深度变化方式的有意义数据。此外，ADCP 技术可以随时间连续收集此类数据，从而生成水流速度的时间序列，这有助于分析海洋洋流的时间变化。
三、现代海洋研究船的类型
- 通用型研究船
这些船旨在开展广泛的海洋学研究。它们通常配备不同类型的实验室，服务于各种科学学科，包括海洋学、海洋生物学和地质学。通用型研究船通常拥有较大的甲板区域，用于放置不同类型的仪器和采样设备。它们可以进行长途航行，能够在不同的海洋区域作业。例如，其中一些船配备了更完善的导航机制和动态定位系统，以便在使用 ADCP 进行测量时实现精确定位。它们还能支持大量船员和科学家，为长期研究工作提供便利。 - 专用研究船
- 水文测量船：这类船只专门配备用于水文测量的设备，致力于测量水深、水流、温度和盐度。除了 ADCP，它们还安装了极其灵敏的测深设备和其他特殊的水流测量仪器。水文测量船的船体设计通常为流线型，以在作业时减少水阻力，从而获得更稳定、准确的测量结果。它们的 ADCP 系统通常与其他水文传感器集成，以便全面了解给定区域的海洋学条件。
- 远洋渔业研究船：这些船只专注于渔业研究。它们研究鱼类种群、洄游模式以及鱼类与海洋环境之间的关系。部署在这些船上的 ADCP 用于了解影响鱼类分布和洄游的洋流。这些船只还可能配备渔具监测系统和水下摄像头，与 ADCP 数据相互补充。它们通常具备储存和分析在研究过程中收集的鱼类及其他海洋生物样本的设施。
- 海洋地球物理研究船：这类船只致力于研究洋底以下地球的物理特性。虽然它们最重要的工作是地球物理调查，包括地震勘探和磁场测量，但 ADCP 也是船上的重要仪器。这有助于解读可能影响地球物理设备部署和操作的洋流。例如，强流会影响地震拖缆的定位，而 ADCP 数据可用于校正此类影响。此类船只通常配备重型绞车和其他设备，用于投放和回收地球物理仪器。
四、ADCP 在海洋研究船中的应用
- 海洋洋流监测
- 大规模环流研究：海洋研究船上的 ADCP 是大规模海洋环流研究中不可或缺的一部分。在跨不同大洋盆地的航行过程中，像墨西哥湾流和黑潮等主要海洋洋流的路径和速度会被持续测量。这些信息对于理解全球气候系统至关重要，因为此类大规模洋流对于全球热量传递起着重要作用。例如，来自研究船的长期 ADCP 数据有助于确定这些洋流的稳定性和变化性，最终实现对气候变化的更好理解。
- 中尺度和亚中尺度洋流研究：ADCP 在检测中尺度和亚中尺度洋流方面也很有效。这些较小尺度的洋流系统与诸如涡旋、细丝和锋面等复杂海洋学现象相关。在沿海和开阔海洋区域，这些特征可能对热量、营养物质和海洋生物的输送产生重大影响。研究船上的 ADCP 可以识别和研究这些中尺度和亚中尺度洋流，提供有关海洋中混合和交换变化类型的信息。
- 水团研究
- 水团边界识别：ADCP 能够识别各种水团的边界。ADCP 测得的速度梯度可以指示水团边界的存在。当两个温度、盐度和密度不同的水团相遇时，水流速度通常会发生明显变化。因此，科学家可以利用 ADCP 数据来确定这些边界的位置和特征，这在理解全球热盐环流以及整个海洋中水团的分布时至关重要。
- 水团输送量估算：除了边界检测，ADCP 还可用于估算水团的输送量。通过同时测量水流速度，科学家可以利用水柱的横截面积来确定水团的体积输送量。这些信息对于理解大规模海洋环流以及热量、盐和其他属性的重新分配至关重要。它还有助于预测气候变化及其对海洋环境的影响。
- 内波研究
- 内波的检测与特征描述：内波在海洋中无处不在，起着非常重要的作用。研究船上的 ADCP 是检测内波的良好工具。ADCP 测得的水流速度波动可以指示内波的存在、振幅、周期和传播方向。分析这些数据使科学家能够研究内波的生成机制，例如与潮汐力、水下地形和密度分层的关系。
- 内波在海洋混合中的作用：内波会在海洋中引起强烈的混合。内波使水体垂直位移，并能在不同密度层之间传输热量、营养物质和其他溶解物质。ADCP 在检测到内波经过时所测得的水流速度，可提供有关能量和混合效率的信息。所有这些信息将有助于解释内波在海洋生物分布中的作用，因为混合可能会增强或降低不同水层中营养物质的可利用性。这在海洋工程中也有应用，因为内波可能产生的强流会影响海上结构的稳定性。
- 海洋生态研究
- 浮游生物和营养物质的输送：海洋研究船上的 ADCP 数据对于理解浮游生物和营养物质的输送非常有用。在这方面，浮游生物的扩散可被视为与测得的洋流有关，因为浮游生物是海洋食物链的基础。科学家可以通过了解环流模式来预测浮游生物的分布和丰度。此外，营养物质的水流输送与海洋生物的生长和生存直接相关。ADCP 数据有助于研究水柱内营养物质的分布及其对不同营养级的可利用性。
- 鱼类洄游和栖息地研究：ADCP 测量的洋流对于了解鱼类和其他较高营养级海洋生物的洄游模式和栖息地很有用。许多鱼类物种利用一般海洋洋流进行长途洄游。确定这些洋流的方向和速度对于识别它们的洄游通道非常有帮助。此外，洋流与海底的相互作用能够为底栖生物创造独特的栖息地。ADCP 数据有助于理解这些生态位及其对海洋生态系统整体健康的价值。
五、与研究船上其他仪器的整合
- 协同数据采集
ADCP 在海洋研究船上运行时，通常会与其他仪器结合使用，包括温度传感器、盐度传感器和压力传感器。将 ADCP 数据与其他传感器数据相结合，有助于更好地理解海洋环境。例如，温度和盐度数据有助于解读 ADCP 测量的水团属性。压力传感器数据可以提供有关水柱深度变化和垂直结构的信息，这与 ADCP 的剖面测量相辅相成。多种仪器数据的结合，使科学家能够更全面地了解海洋状况，从物理和化学性质到海洋内部发生的动态过程。 - 数据校准与验证
通过与其他仪器整合，还可以进行数据校准和验证。将 ADCP 测量的水流速度与独立测量值或模型进行比较，以对 ADCP 数据进行适当校准。另一方面，ADCP 数据可用于验证和进一步改进其他仪器的性能。这种协作对于提高从研究船收集的数据的可靠性大有帮助。实际上，如果温度传感器数据显示温度突然变化，而 ADCP 数据证明水流速度也有相关变化，那么这也证实了这两个测量值在海洋环境中温度与水流速度关系方面的准确性。
六、结论
在这方面，ADCP 是海洋学研究船中的重要工具。其应用范围从监测海洋洋流到水团和内波研究，再到海洋生态研究。每一项应用都极大地增进了我们对海洋环境的了解。各种类型的现代海洋研究船为 ADCP 以不同方式的有效使用提供了平台。与船上其他仪器的整合提高了 ADCP 数据的价值，使海洋学研究更加全面和准确。这意味着，尽管海洋环境复杂，处理数据需要大量计算，但 ADCP 的持续发展和改进将进一步拓展其能力，加深我们对海洋的理解，这对于气候研究、海洋资源管理和海洋生态系统保护至关重要。