论文专区▏海底地形测量成果的质量检核评估(二)：深远海海域声速剖面的获取
一、引言
目前海底地形探测仍主要通过单波束及多波束测深手段实施[1]。由于海水声速剖面在深度、时间及空间上具有复杂的四维变化特性，因此尽量获取实地精确的声速剖面并进行合理的声速改正是开展海底地形探测资料处理的关键技术环节之一[2-4]。单波束测深的声速改正可事后进行，多波束测深的声速改正依据不同设备的特点应实时或事后进行。由于多波束的测深信号呈扇面状发射和接收，需进行有别于单波束测深的声线弯曲追踪归算，声速改正不完善可能导致海底地形呈“凹凸状”[5]，因此多波束测深较单波束测深而言对声速改正的要求更高[4-6]。海底地形探测中声速改正精度的高低与三个方面密切相关，一是声速剖面自身的测量精度，二是声速剖面在深度及时空间控制范围的合理性，三是声速剖面是选择依距离最近还是依时间最近等何种原则改正更恰当。Caris&Hips等商用软件从数据后处理方面提供了对多波束测深逐条带多ping数据通过手工调整某水层声速值进行声线折射改正的功能，该方法主要依据作业者的经验，缺乏严密的理论依据，而且会降低多波束这种海量数据处理的工作效率。孙文川等[7]提出了基于海底地形畸变量值来进行声速剖面反演并重作声线追踪归算的新方法，从实例结果看这种方法对较平坦的海底有应用价值，但对较复杂的海底仍需作大量的试验验证和改进。
由于部分多波束测深设备如EM、SeaBem等型号仪器，要求在海上测深作业时必须作实时的声速改正，通过内业后处理的手段重作声线追踪归算是不可逆的或是极其繁琐的。因此声速改正不管是实时进行的还是事后处理的，都应设法在海上作业期间就尽可能获取实地较精确的声速剖面，这样才能从源头上对声速改正精度起到质量控制的作用。
在深远海海域开展海底地形探测时，获取全深度的声速剖面并非易事。尽管XBT、XCTD、UCTD等仪器可在连续走航条件下以抛弃的方式投放，但探测的深度往往是有限的，在船速控制不当时可能探测不到声速剖面的跃层。SVP-plus、CTD等仪器一般通过定点的方式投放，尽管获取的声速剖面探测深度比较大，但工作效率较低，如获取3000m水深的全深度声速剖面，从投放仪器再到回收，保守估计也需耗时4.5h[8]。
研究在深远海海域何时、何地布放何种声速仪器获取声速剖面的性价比更高，显然是作业单位面临的一个有价值的技术难题。
二、提高声速剖面获取性价比的几个问题
声速剖面测量分为直接法和间接法两种。根据作业海域的水深范围，直接法一般使用HY1200A/B、SVP-plus、AQSV-1500等声速剖面仪；间接法一般使用XBT、CTD、XCTD、UCTD、MVP300等温盐深仪器。两种方法各有优缺点，可交叉配合使用[9-10]。为削弱不同设备获取的声速剖面间存在的系统差，在正式声速测量作业前应作仪器自检校和互检校。
在深远海海域开展海底地形探测时，通过布设声剖站来获取声速剖面是一项最基本的工作，对于何时何地应布设何种声速仪器来获取声速剖面，要针对不同的测深设备、不同的声速仪器特点，综合考虑以下问题。
⑴要考虑到作业海域声速剖面的时空变化，这需要初步了解作业海域不同时刻的温度、盐度及深度的四维变化规律，否则布设声剖站易造成声剖在时间和空间控制超限的问题。
⑵要考虑到需作实时声速改正的测深设备，当前声剖站位声速有效值的深度有可能比之后测量船航经海域的水深要浅，否则易造成该声剖在深度方向控制超限的问题。
⑶要考虑到若联合使用了单波束测深，尽管其声剖站位在时空间布设要求较低，但应充分利用为多波束测深准备的较密集声速剖面，否则易造成单波束/多波束测深资料在重叠区域因声速改正不对等而造成的拼接超限。
⑷要考虑到使用温盐深仪器以间接方式获取声速剖面时，应根据不同作业海域的温、盐度的变化范围，来选择恰当的声速经验模型计算声速剖面，否则易造成因公式应用不当带来的系统差[11-12]。
⑸要考虑到走航式投放和定点式投放相结合的原则，在顾及设备价格承受力和作业效率前提下，若作业海域水深在声速设备有效探测范围内，应尽量采用走航式声速设备，反之则应采用定点式声速设备或使用经考核的温盐场来推估的方法。
走航式声速设备较定点式声速设备在工作效率上具有明显的优势，以日本TSK公司生产的抛弃式温盐深系列仪器为例，其中XCTD款仪器的具体性能指标见表1。
表1 日本TSK公司XCTD款仪器的具体性能指标
型号 | 最大航速 | 工作深度 | 深度测量精度 | 温度测量范围与精度 | 电导率测量范围与精度 |
XCTD-1 | 12.0节 | 1000m | 2% | -2～35℃；±0.02℃ | 0～60mS/cm；0.03mS/cm |
XCTD-2 | 3.5节 | 1850m | |||
XCTD-2F | 8.0节 | 1850m | |||
XCTD-3 | 20.0节 | 1000m |
由表1知，在控制船速时XCTD-2、XCTD-2F工作深度可达1800m，基本上可探测到声速剖面跃层。
与以往抛弃式走航声速设备如XBT、XCTD以及价格昂贵、体型较大的非抛弃式MVP300等相比，美国Teledyne OceanScience公司新近推出RapidCAST和UnderwayCTD两款走航声速设备，具有体积小、精度高、探测深度随船速可变特别是可重复使用的优点，在提高声剖获取性价比上有潜在价值。
三、提高声速剖面获取性价比的几个措施
⒈ 基于海底地形及温盐场作声速剖面布设
在深远海海域布放声速剖面前，了解待测海域海底地形大致趋势是最基本要求，以解决在何地布设问题。文献[13]就规定，在每次进入测区开始多波束水深测量时，应至少进行1次声速剖面测量，且声剖站位应尽量选在测区最深处，这样更易掌握测区的声速跃层。
关于全球海底地形模型的研究进展，目前有ETOPO1、GEBCO、DTU10以及V15.1等。GEBCO由IHO组织发布[14]，DTU10由Technical University of Denmark发布，V15.1由Scripps Institution of Oceanography发布，基于船测水深、历史海底地形和V20.1重力异常构建，是当前公认精度最高的全球海底地形模型[15]。根据本部门测量单位执行深远海海域作业的技术需求，顾及到声剖在深度方向布设时对海底地形精度的要求并不是特别高的特点，目前将DTU10模型作为声剖在深度方向布放时的参考场进行了解析。
以《海洋测量信息处理工程》水深数据处理与成图软件为平台，设计了基于DTU10模型开展声剖站布设选点的功能，即根据海底地形走向及水深值来选择是以定点式还是走航式以及何种仪器来采集声速剖面的性价比更高。DTU10模型的覆盖范围在纬度方向为-90°～90°，在经度方向为0°～360°，分辨率为1′×1′，DTU10海底地形的二维晕渲效果见图1，单位为m。
图1 DTU10模型的海底地形二维晕渲图
了解待测海域声速剖面或温盐场的大致变化趋势是另一个基本要求，以解决在何时布设的问题。世界海洋图集World Ocean Atlas（WOA）由美国国家海洋数据中心发布,该数据集通过对历时数十年在全球海域范围内布设的Argo浮标以及通过投放XBT、CTD、XCTD等多种声学仪器采集的温盐深实测数据综合加工分析而得，成果集包括经标准化处理后的一系列海洋水文要素，其中温度、盐度剖面根据时间尺度分为年、季节、月份等3种类型，空间分辨率为0.25°×0.25°。该数据集的研制目的主要是提供给海洋科学工作者进行温盐场大尺度空间规律分析应用[8]，WOA13是其较新的版本。对于海洋测绘而言，考核WOA13模型能否在深远海海域水深测量中使用且其效果如何，从减少声剖站位的布设、提高测量工作效率方面是一项有应用价值的探索。通过对WOA13模型解析，得到12个月份温度、盐度剖面数据集，有效站点位置见图2。
图2 1～12月份WOA13温盐场模型有效站点图示
由图2可知，从年时间尺度来看，全球WOA13温盐场模型的有效站位分布基本均匀，但在日本海、澳大利亚以及美国海域分布较密集，同时还能看到多条类似航渡式测线的温、盐网格点位位置。
以《海洋测量信息处理工程》水深数据处理与成图软件为平台，在对WOA13模型解析基础上，设计了基于WOA13模型的以月为时间尺度来计算全球深远海海域任意位置声速剖面的功能，在作声剖站位选点设计时可对声速在时间和空间的变化预先有基本了解，同时可与同地点获取的实测声速剖面作分析比较。
随机选取某航次远海综合调查测量中获取的实测声速剖面（蓝色线）与同位置处推算值（黑色线）作对比，其中推算值采用C.C.Leroy2008[16]模型计算，结果见图3。对水层加密内插后计算二者的互差值，结果见图4。
图3 实测声速剖面与基于WOA13模型
推算的声速剖面对比示意图
图4 实测声速剖面与基于WOA13模型推算
的声速剖面间互差示意图
由图4知，图3中推算的声速剖面与实测声速剖面间互差值在-8.2～3.0m/s间，中误差为3.58m/s。由于WOA13模型最小时间尺度为月，即网格点反映的是每个水层月平均意义下的温度、盐度值，而实测声速剖面则受每个水层瞬时时刻意义下的温度、盐度影响，因此基于WOA13模型推算声速剖面与实测声速剖面间存在偏差是正常的，但WOA13模型可反映出声速剖面在时、空间的基本规律。由于声速剖面受温度的影响较大而受盐度的影响较小，另外顾及到盐度的稳定性较强。下 42 35874 42 15289 0 0 1787 0 0:00:20 0:00:08 0:00:12 3064 42 35874 42 15289 0 0 1539 0 0:00:23 0:00:09 0:00:14 2849将讨论能否充分利用盐度较稳定这一特点，发挥WOA13模型在海底地形探测声速剖面布设中的实用价值，以进一步提高声速剖面布设的性价比。
⒉ 基于WOA13温盐场提高XBT计算声速剖面精度
尽管XBT作业深度约800m，探测的数据仅包括深度剖面、温度剖面而无盐度剖面，但其可在走航式条件下投放，且XBT价格（约900元/枚）较XCTD（约6000元/枚）、RapidCAST（约150万/套）、UnderwayCTD（约150万/套）、MVP300（约500万/套）等有极大优势，在海洋温度剖面调查中得到了大范围应用。下文将讨论能否使用XBT在深远海海底地形探测中获取声速剖面及其精度如何。分为两方面，一是研究XBT在无实测盐度剖面支持时对声速剖面影响的量值及解决方法；二是对于XBT有效探测深度范围外的声速剖面，采用WOA13模型的推算值作为弥补是否可行。
为方便分析计，将XCTD设备采集的温盐深数据通过声速模型计算的声速剖面记为标准值Svp1；将实测盐度替换为WOA13盐度剖面后计算的声速剖面记为Svp2；假定盐度剖面为常数值35.0计算的声速剖面记为Svp3；采用WOA13模型计算的声速剖面记为Svp4，比较Svp1与Svp2、Svp3、Svp4三者间互差值，水层各计970组，间隔为1m，结果见图5～7。
图5 Svp1与Svp2声速剖面间互差示意图
图6 Svp1与Svp3声速剖面间互差示意图
图7 Svp1与Svp4声速剖面间互差示意图
从图5～7知，Svp1与Svp2二者间互差范围在-0.2～0.35 m/s；而Svp1与Svp3二者间互差范围在-1.15～0.18m/s，Svp2较Svp3高一个量级，至于Svp1与Svp4二者间互差范围在-12.5～0.5m/s，Svp4精度最低。进一步对Svp1与Svp2、Svp3、Svp4间互差作统计，结果如表2所示。
表2 Svp1与Svp2、Svp3、Svp4间互差统计 m/s
指标 | Svp1与Svp2 | Svp1与Svp3 | Svp1与Svp4 |
最大值 | 0.35 | 0.14 | 0.53 |
最小值 | -0.19 | -1.14 | -12.21 |
平均值 | -0.02 | -0.67 | 3.49 |
标准差 | 0.11 | 0.77 | 4.69 |
由表2知，Svp2仅存在随机误差，而Svp3、Svp4还存在系统性偏差，特别是Svp4更显著。由此知Svp2的精度明显优于Svp3、Svp4，而更接近于Svp1。原因在于声速剖面受温度剖面的影响较盐度剖面更显著，在无实测盐度支持时从WOA13模型提取盐度剖面并结合XBT设备的实测温度剖面来推算声速剖面是可行的。
XBT设备的探测深度有限，下面进一步探讨XBT探测范围以外水层的声速剖面，采用WOA13模型推算值代替是否可行。这里以CTD设备采集数据为例，其中水层深度间隔为1m，共1500组。将CTD设备采集的温盐深数据通过声速模型计算的声速剖面记为标准值Svp5；将实测盐度替换为WOA13盐度剖面后计算的声速剖面记为Svp6；假定盐度剖面为常数值35.0计算的声速剖面记为Svp7；采用WOA13模型计算的声速剖面记为Svp8。分别计算Svp5与Svp6、Svp7、Svp8三者间的互差，如图8所示。
图8 Svp5与Svp6、Svp7、Svp8三者间互差对比
从图8知，Svp5与Svp6二者间互差（蓝色线）范围在-0.18～0.34m/s；而Svp5与Svp7（红色线）二者间互差范围在1.41～2.29m/s，Svp6较Svp7高一个量级，至于Svp5与Svp8二者间互差（绿色线）范围在-12.1～0.6m/s，Svp8精度最低。随着探测深度的增加，Svp5与Svp8间互差稳定于2m/s。进一步对Svp5与Svp6、Svp7、Svp8间互差作统计，结果见表3。
表3 Svp5与Svp6、Svp7、Svp8间互差统计 m/s
指标 | Svp5与Svp6 | Svp5与Svp7 | Svp5与Svp8 |
最大值 | 0.34 | 2.29 | 0.6 |
最小值 | -0.18 | 1.41 | -12.1 |
平均值 | 0.02 | 1.84 | 2.15 |
标准差 | 0.10 | 1.85 | 3.98 |
由表3知，Svp6仅存在随机误差，而Svp7、Svp8还存在系统性偏差，特别是Svp8更显著。由此知在Svp5的精度明显优于Svp6、Svp7，而更接近于Svp4。
综合表2、3知，尽管XBT设备仅采集水层的深度和温度，但其温度剖面的质量是可用的，利用WOA13模型可有效弥补XBT探测深度范围内无实测盐度支持的缺陷，结果表明推算声速剖面与实测值间互差在-0.2～0.35m/s；XBT探测深度范围外使用WOA13模型计算相应水层声速剖面也是可行的，推算声速剖面与实测值间互差稳定在2.0m/s左右。
⒊ 同步提高单波束测深的声速改正精度
GB12327-1998《海道测量规范》[17]规定，当深度大于200m时声速改正数可采用特定查表法或马休斯表近似得到，就目前测深设备和声速仪器的发展来看，上述技术要求需作出相应改进[12]。
在深远海海底地形探测作业时，若联合使用了单波束和多波束测深，尽管二者对声速剖面的精度要求和改正原则不同，但为了尽可能降低二者在重叠区域由于声速改正不对等而造成的拼接互差，单波束测深理应充分利用为多波束测深而准备的较密集声速剖面，同时根据单波束测深的平面位置和测量时间选择最佳的声速改正原则，如类似多波束测深的包括距离最近、时间最近、时间靠前以及一定时间内距离最近等，其中时间最近的声速改正原则设计见图9。
图9 单波束测深采用的时间最近声速改正
原则示意图
在联合单波束、多波束测深作业中，实地声速剖面可采用直接法或间接法得到。若采用间接法，应根据海域温盐特点选择合适的声速经验模型，得到实地声速剖面后，单波束测深的声速改正数采用下式得到。
△Zv＝Z(v/v0－1） ⑴
其中△Zv表示深度为Z水层处声速改正数，v表示声速剖面中Z水层处的实际声速，v0表示测深设备的设计声速。由此深度为Z水层的总声速改正数可通过对△Zv累计。
四、结束语
在外业测量期间尽可能获取实地海域较精确的声速剖面，可从源头上对海底地形测量成果质量起到控制，但在深远海海域获取全深度声速剖面并非易事，作业单位普遍面临着何时、何地布放何种声速仪器获取声速剖面性价比更高的技术难题。为此本文提出了将海底地形和海洋温盐场作为在深度方向和时空间布放声剖站的设计依据，进而开展了基于WOA13温盐场提高XBT计算声速剖面精度的试验。结果表明，本文方法可提高深远海海域声速剖面站布设的性价比。
若采用精度更高的全球海底地形模型如V15.1等及时间尺度更小的海洋温盐场模型，可进一步提高声速剖面站布设的性价比，这也是作者下一步的研究重点。
参考文献
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【作者简介】第一作者黄辰虎，1979出生，男，山西新绛人，高级工程师，主要从事海底地形测量数据处理以及海洋潮汐、海水声速的分析及预报研究；本文为基金项目，包括国家自然科学基金（41474012、41174062、41374018）和国家重大科学仪器设备开发专项（2011YQ12004503）；本文来自《海洋测绘》（2017年第3期），若其他公众平台转载，请备注论文作者，并说明文章来源，版权归《海洋测绘》所有。
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