沿海流场声层析研究

Compared with traditional ocean observation methods, the coastal acoustic tomography (CAT) method, proposed for coastal seas, aims to continuously monitor current fields in a large-scale coastal region without disturbing shipping traffic and fisheries using a small number of instruments. As an innovative oceanographic technique, CAT has shown potential advantages, a good prospect of application and possible extension. On the basis of the research interests of our project team, the main research contents of this project are the following: to develop an inverse theory and inverse model for the reconstruction of current fields from the travel time data obtained by CAT observations; to examine the character of pseudorandom signals and apply code division multiple access technology to the CAT system; to research high-speed signal processing and the transmitting, receiving and separation of signals from multiple stations; and to develop the CAT software used in the CAT data processes. We will perform a series of field experiments in a typical coastal region in our country, analyze the errors of current velocity obtained by the CAT, improve the inversion model and establish the creditability of the CAT results by comparing them with the results obtained from traditional instruments. The goal of this project is to further develop the CAT technology and theory and enable CAT to be fully utilized in our country. The smooth implementation of this project may fill a gap in this research field, provide technical support for coastal marine environment monitoring and oceanography research, and narrow the advanced technology gap between the world and our country.

与传统的海洋观测手段相比较，沿海声层析观测能够用较少的仪器进行海域内部大范围的长期同步观测，不受渔业活动和船舶航行的限制，具有潜在的优势和应用前景。在项目组前期工作的基础上，本项目的具体研究内容为：重点发展沿海声层析观测信号提取流场信息的反演理论和反演模式，研究沿海高环境噪声下的伪随机信号特性及码分多址技术在沿海声层析系统中的应用；研究沿海多站点间多重声信号的发送、接收、辨别技术的应用及信号高速处理；初步开发沿海声层析数据处理系统软件；在我国沿海的典型海区进行海上验证实验，通过与常规观测仪器观测结果的比较，分析误差，改进反演模式，确立其可信性。本项目的目标是进一步完善沿海声层析技术与理论，使其能真正地运用于我国沿海的海洋观测。本项目的顺利实施可填补我国在这一领域的空白，为我国沿海海洋环境监测和海洋科学研究提供技术支持，缩小与世界先进水平的差距。

沿海声层析相较于传统的海洋观测手段的优势在于观测能够用较少的仪器进行海域内部大范围的长期同步观测，不受渔业活动和船舶航行的限制，具有潜在的优势和应用前景。本项目的目标是进一步完善沿海声层析技术与理论，使其能真正地运用于我国沿海的海洋观测。.本项目选取了近岸典型的海峡、河口和海湾等海域，成功通过声层析观测得到了实验区域的流场结构、流量时间序列和温度水平分布等重要水文资料，并利用潮位计、CTD、走航ADCP和定点ADCP等观测资料验证了声层析观测结果具有较高的观测精度。我们在舟山成功完成了国内第一次沿海声层析实验，不仅观测到了小尺度潮流涡发生、发展、消亡的全过程，还得到了非线性潮的空间分布，并解释了该区域非线性潮的生成机制；我们用琼州海峡实验的同步观测数据，实现了对该海区主要全日潮的分离，同时得到了通过琼州海峡流量的时间序列，并解释了西向余流得以维持的动力机制；我们使用调和分析方法对三门湾实验中缺失的声线数据进行预报，保证逆方法反演时的声线数为21条，从而提高了流速反演精度；在钱塘江实验中，我们不仅利用声层析对涌潮的流速、波速和波高等动力特性进行观测，还根据由悬浮泥沙引起的声信号的衰减程度，得到了高精度的断面平均悬浮泥沙浓度的数据；我们用正则化方法反演得到了日本广岛湾的温度水平分布，进而实现对沿岸上升流以及内潮的观测。项目组已成功实施了11个声层析节点（有效声线51条）的世界最大规模的沿海声层析测流实验。项目实施期间共发表发表19篇沿海声层析相关的学术论文，其中在IEEE-JOE、JGR、ECSS、CSR、JASA等海洋科学技术主流杂志上发表SCI/EI论文13篇。另外，项目组在国际科技会议上组织沿海声层析专题4次，3人次应邀做特约报告。这些表明我们的沿海声层析观测技术及研究水平已经进入世界领先水平。.通过本项目的实施，我们成功地把沿海声层析技术移植到了国内，并通过一系列的沿海声层析实验，实现了沿海声层析在国内的初步应用。这标志着我国对沿海声层析的研究已从初期的试验阶段进入了实用阶段。预计沿海声层析将在不远的将来为我国近海海洋动力环境的预测预报、防灾减灾和海洋经济活动发挥重要作用。