IntroductionToPhysicalOceanography部分翻譯

1、3.4海洋深度的測(cè)量海洋深度通常用兩個(gè)方法測(cè)量：1）利用船載聲學(xué)回聲測(cè)深儀  2）利用衛(wèi)星測(cè)高資料。回聲測(cè)深儀 大多數(shù)海洋地圖是基于回聲測(cè)深儀所進(jìn)行的測(cè)量制得的。該儀器發(fā)射10-30千赫的聲波并且接收海底回聲。傳輸脈沖和接收回聲之間的時(shí)間間隔與聲速相乘約等于海洋深度的兩倍（圖3.10）. 圖3.10左：回聲探測(cè)器通過發(fā)送聲脈和觀測(cè)接收海底回聲所需的時(shí)間來測(cè)量深度的海洋沖。右：時(shí)間通過緩慢移動(dòng)的紙卷上的火花燃燒標(biāo)記被記錄。Dietrich等（1980：124）. 1922年第一個(gè)跨大西洋的回聲探測(cè)由美國海軍驅(qū)逐艦斯圖爾特制造。緊接著就是由德國研究和調(diào)查船流星在1925-1927年遠(yuǎn)征南

2、大西洋期間發(fā)起的第一次關(guān)于海洋盆地的系統(tǒng)調(diào)查。從那時(shí)起，有關(guān)海洋學(xué)研究的和海軍艦艇編隊(duì)在海上作業(yè)時(shí)就已經(jīng)使用回聲探測(cè)儀了。記錄在冊(cè)的船舶跟蹤數(shù)百萬英里的數(shù)據(jù)已經(jīng)被數(shù)字化用以生成制作地圖的數(shù)據(jù)庫。軌跡分布不是很好。在南半球的軌跡往往相距甚遠(yuǎn)，甚至接近澳大利亞（圖3.11）并在良好的影射區(qū)域（例如北大西洋）緊密結(jié)合起來。 圖3.11用于映射澳大利亞附近海底的回聲測(cè)深儀數(shù)據(jù)的位置。注意大面積地方的深度沒有被船舶測(cè)量。來自大衛(wèi)桑德韋爾，斯克里普斯海洋研究所。 回聲測(cè)深儀進(jìn)行的是最精確的海洋深度測(cè)量。其精確度為±1。衛(wèi)星測(cè)高計(jì) 我們對(duì)海洋深度認(rèn)知和船舶軌跡之間的差距現(xiàn)在已經(jīng)被衛(wèi)星高度資料填補(bǔ)了

3、。測(cè)高計(jì)描繪的海表面形狀與它的海底形狀是非常相似的(Tapley and Kim, 2001; Cazenave and Royer, 2001; Sandwell and Smith,2001).看到這一點(diǎn)，我們必須首先考慮重力是如何影響海平面的。海平面和海洋深度的關(guān)系 質(zhì)量超額的海底，例如一個(gè)海丘的質(zhì)量，由于海丘的質(zhì)量大于它的排水量的質(zhì)量而增加了局部重力。巖石比水稠密三倍以上。這些多余的質(zhì)量增加了局部萬有引力，吸引水往海丘方向流去。從而改變了海表面的形狀（圖3.11）.讓我們將這個(gè)概念更精確一些。非常近似的說，海表面是一個(gè)叫做大地水準(zhǔn)面（見專欄）的特定水平面。通過定義它是一個(gè)處處垂直于重力

4、的恒引力勢(shì)水平面。尤其是，它必須垂直于當(dāng)?shù)赝ㄟ^鉛垂線測(cè)量的垂線，“用于測(cè)量垂線的一端具有金屬重物的線或繩索”（牛津英語詞典）.質(zhì)量超額的海丘吸引鉛垂線的重量，造成鉛垂線一點(diǎn)點(diǎn)傾向海丘而不是地球重心。由于海平面一定垂直于萬有引力，它一定有一個(gè)高于海丘如圖3.12所示的輕微凸起。如果沒有這個(gè)凸起，海平面就不垂直于萬有引力。典型海丘造成的凸起在超過100-200公里的距離約有1-20米高。這些程度小范圍大的凸起并不能從船舶觀測(cè)到，但它很容易通過衛(wèi)星高度計(jì)測(cè)得。海溝會(huì)有質(zhì)量上的虧空，會(huì)造成海表面的凹陷。海表面形狀和水深之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系并不精確。這些由海底濃度、海底地貌的年代、沉積物密度等因素決定。如果一

5、個(gè)海丘像冰川那樣漂浮于海底，那么它的引力勢(shì)將要比像冰川置于頂部那樣弱得多。因此，引力與海底地形之間的關(guān)系因地而異。聲學(xué)回聲探測(cè)儀測(cè)量的深度被用來確定區(qū)域關(guān)系。于是，測(cè)高計(jì)用來與聲學(xué)回聲探測(cè)儀測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值互補(bǔ)(Smith and Sandwell, 1994).大地水準(zhǔn)面對(duì)應(yīng)海面的水平面是一個(gè)特殊表面，大地水準(zhǔn)面。對(duì)于第一近似，大地水準(zhǔn)面是一個(gè)對(duì)應(yīng)均質(zhì)流體在固體旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)表面的橢球體，這意味著該流體不具有內(nèi)部流動(dòng)。對(duì)于第二近似，由于局部引力變化大地水準(zhǔn)面不同于這個(gè)橢球體。這些偏差被稱為大地水準(zhǔn)面波動(dòng)。關(guān)于這個(gè)波動(dòng)的最大波動(dòng)幅度大致是±60米。對(duì)于第三近似，由于海洋不是在休眠期大地水

6、準(zhǔn)面偏離海表面。海平面與大地水準(zhǔn)面的偏差被定義為地貌。這個(gè)定義類似于大地地形的定義，例如在地形圖中給出的高度。海洋地貌是由潮汐、海水的比熱容以及洋流導(dǎo)致的。將在第十和十七章體現(xiàn)它們的影響。地形的最大波動(dòng)幅度約是±1米，相比大地水準(zhǔn)面波動(dòng)是小的。大地水準(zhǔn)面的波動(dòng)是由局部引力變化引起的海底質(zhì)量分布不均所導(dǎo)致的。海丘有著超額的質(zhì)量是因?yàn)樗人砻堋＿@在大地水準(zhǔn)面產(chǎn)生一個(gè)向上的凸起（見下文）。海溝具有質(zhì)量上的虧空。這造成大地水準(zhǔn)面的一個(gè)向下凹陷。因此，大地水準(zhǔn)面與海底地貌密切相關(guān)。海洋大地水準(zhǔn)面圖形與海底地貌有著顯著的相似處。 圖3.12海丘比海水更稠密。增加了局部重力，引起海面上鉛垂線（箭

7、頭）向著海丘偏轉(zhuǎn)。由于休眠期的海洋表面一定與萬有引力方向垂直，海面和局部大地水準(zhǔn)面必須有一個(gè)微微凸起，如圖所示。這樣的凸起很容易被衛(wèi)星高度計(jì)測(cè)量。其結(jié)果是，衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)可用于映射海底。注意，海表面的凸起被大幅度夸張了，一個(gè)2千米高的海丘會(huì)產(chǎn)生大約10米的隆起。衛(wèi)星測(cè)高計(jì)系統(tǒng) 現(xiàn)在讓我們看看高度級(jí)如何測(cè)量海面的形狀。衛(wèi)星高度計(jì)系統(tǒng)包括一個(gè)用來測(cè)量衛(wèi)星與海面距離的雷達(dá)和一個(gè)用來確定衛(wèi)星在地心坐標(biāo)系高度的追蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)測(cè)量海面相對(duì)地球重心的高度（圖3.13）.這樣給出了海面的形狀。 圖3.13衛(wèi)星高度計(jì)測(cè)量海面上方的衛(wèi)星的高度。當(dāng)它從衛(wèi)星軌道高度被減去，這個(gè)差值就是海平面相對(duì)與地球中心的距離。表

8、面的形狀是由于萬有引力變化，產(chǎn)生大地水準(zhǔn)面波動(dòng)，產(chǎn)生了決定海洋地貌的洋流，以及海面與大地水準(zhǔn)面的偏離。這個(gè)橢球參考系最好的穩(wěn)定逼近大地水準(zhǔn)面。在圖中大地水準(zhǔn)面的變化，大地水準(zhǔn)面的波動(dòng)，以及地形被極大地放大了。斯圖爾特（1985）.許多測(cè)高衛(wèi)星已在空間運(yùn)行。所有的海洋大地水準(zhǔn)面和在大地水準(zhǔn)面的海底地貌的影響都可以被觀察到。獲得最有用數(shù)據(jù)的測(cè)高計(jì)包括海洋衛(wèi)星（1978），GEOSAT（1985- 1988年），ERS-1（1991-1996），ERS-2（1995-），Topex/Poseidon（1992-2006），Jason（2002 - ），和環(huán)境衛(wèi)星（2002）.Topex/Poseid

9、on和Jason進(jìn)行了專門設(shè)計(jì)，使海面高度測(cè)量極精確。精度為±0.05米。海底地貌的衛(wèi)星測(cè)高儀地圖 海洋衛(wèi)星，GEOSAT，ERS-1和ERS-2與地面軌跡間隔3-10公里之余的軌道運(yùn)行，這足以映射大地水準(zhǔn)面。結(jié)合回聲測(cè)深儀的數(shù)據(jù)與來自GEOSAT和ERS-1測(cè)高計(jì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，史密斯和桑德韋爾（1997年）制出了5-10千米水平分辨率和全球平均深度精度為±100米的海底地形圖。3.5海底圖表和數(shù)據(jù)集 幾乎所有的回聲測(cè)深儀數(shù)據(jù)被數(shù)字化然后組合起來制成了海底圖表。數(shù)據(jù)被進(jìn)一步處理和編輯，成為能大量存儲(chǔ)在光盤格式中的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)被來自衛(wèi)星測(cè)高的數(shù)據(jù)所補(bǔ)充生成具有3公里左右水平

10、分辨率的海底地圖。英國海洋數(shù)據(jù)中心以聯(lián)合國教科文組織政府間海洋學(xué)委員會(huì)和國際海道測(cè)量組織的名義公布了海洋(GEBCO)數(shù)字地圖集的大體上的等深線圖。該圖冊(cè)集主要由深度輪廓的位置，海岸線，與軌道線所組成，都來源于比例尺為1:10百萬出版的第五版大洋地勢(shì)圖。最原始的輪廓都是基于數(shù)字化測(cè)深儀數(shù)據(jù)繪制底圖手繪的。圖3.14海洋海底地形與3公里分辨率的衛(wèi)星高度表觀測(cè)海面形狀。來源：史密斯和桑德韋爾美國國家地球物理數(shù)據(jù)中心出版etopo-2的光盤含來自于回聲測(cè)深儀中的海洋深處的數(shù)字價(jià)值和測(cè)高學(xué)并且還有測(cè)量中的高地。數(shù)據(jù)將被內(nèi)插到兩分鐘(2海里)網(wǎng)格。64°N和72°S之間的海洋數(shù)據(jù)都是

11、來源于史密斯和桑德韋爾（1997）的工作結(jié)果，他們將回聲測(cè)深儀數(shù)據(jù)與GEOSAT和ERS1中的衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)相結(jié)合。海底數(shù)據(jù)64°N向北的是來源于北冰洋國際海底地形圖。海底數(shù)據(jù)向南72°S的是來自美國海軍海洋辦事處的數(shù)字測(cè)深數(shù)據(jù)基可變分辨率。土地?cái)?shù)據(jù)來自于全球項(xiàng)目，并且從很多國家制作了0.5-minute（0.5海里）的網(wǎng)格間距使用數(shù)據(jù)的數(shù)字高程模型。各國政府發(fā)布沿海和港口地圖。在美國，NOAA國家海洋局出版的航海圖用于在港口和近海水域船舶航行。3.6海洋里的聲在海洋中聲是唯一遠(yuǎn)距離傳輸信息的方便手段。聲被用來探測(cè)海底屬性、海洋深度、溫度和潮汐。鯨魚以及其他海洋生物利用聲來導(dǎo)

12、航、遠(yuǎn)距離通訊，和尋找食物。 聲速 海洋聲速隨著溫度，鹽度，和壓力而變化 (MacKenzie, 1981; Munk et al. 1995: 33):C：速度（m/s），t：溫度（攝氏度），S：鹽度（見第6章鹽度的定義），Z：深度（m）.該方程的精度約為0.1 m/s (Dushaw et al. 1993). 其他聲音速方程已被廣泛使用，特別是威爾遜（1960）提出的公式已被美國海軍廣泛使。在典型的海洋環(huán)境下，速度通常是14501550 m/s（圖3.15）.利用（3.1），可以精確計(jì)算出這個(gè)典型海洋環(huán)境下的速度隨溫度、深度、鹽度的變化。這個(gè)近似值為：溫度每升高10速度變化40 m/s,

13、深度每增加1000速度變化16 m/s，鹽度每增加1速度變化1.5 m/s.因此聲速變化的主要原因是溫度和深度（壓力）。鹽度的變化有很小的影響。 圖3.15大洋聲道的產(chǎn)生過程。左：RV時(shí)的溫度T和鹽度S隨測(cè)量深度的函數(shù)。Hakuho Maru cruise KH-87-1,station JT，1987年1月28日，北緯33°5290，Long北太平洋東經(jīng)141°5580.中：聲速隨溫度、鹽度、深度變化。右：聲速在接近1km深度時(shí)出現(xiàn)最小值，定義為大洋聲道。 (數(shù)據(jù)來自jpots Editorial Panel,1991).如果畫出聲速隨深度變化的函數(shù)圖像，我們可以發(fā)現(xiàn)該速

14、度通常在深度約為1000米時(shí)具有最小值（圖3.16）.出現(xiàn)最小速度時(shí)的深度稱為聲道。這個(gè)現(xiàn)象在所有海洋幾乎都有出現(xiàn)，在緯度非常高的地區(qū)通?？梢缘竭_(dá)表面。聲道很重要因?yàn)槁曉诼暤揽蓚鞑サ暮苓h(yuǎn)，甚至有時(shí)繞地球半周。聲道的原理：最初要從聲道傳播出去的聲音射線被折射返回到聲道中心。以一個(gè)小角度向上傳播至水平的射線向下彎曲，以小角度向下傳播至水平的射線向上彎曲（圖3.16）.根據(jù)地理區(qū)域的不同，典型的聲道的深度變化為101200m.圖3.16 海洋聲音射線的路徑與臨近聲道軸線的關(guān)系圖After Munk et al. (1995). 聲的吸收 單位距離的聲的吸收取決于聲音的強(qiáng)度I：I0：吸收之前的強(qiáng)度，K

15、：吸收系數(shù)，取決于聲的頻率。解方程：K的典型值（dB/km）：1000HZ時(shí),0.08 dB/km;10萬HZ時(shí)，50 dB/km.分貝的計(jì)算：dB=10log(I/I0)，I0：原聲功率，I：吸收后聲功率。例如，在1公里范圍內(nèi)的一個(gè)1000HZ信號(hào)被吸收了僅1.8：I =0.982I0.在1公里范圍一個(gè)10萬HZ信號(hào)被降低到I=10-5I0.采用典型的回聲測(cè)深儀用一個(gè)30,000 Hz的信號(hào)從海面倒海底再回來用來測(cè)繪海洋深度發(fā)生的衰減很少。大洋聲道中，低于500HZ的極小頻率的聲波都可在大范圍距離被檢測(cè)到。1960年由澳大利亞珀斯爆炸發(fā)出的15H聲波被將近一半的世界各地在百慕大附近的聲道接收

16、到。之后實(shí)驗(yàn)表明。在赫德島（75°E，53°S）附近聲道傳送57 Hz信號(hào)可以在大西洋百慕大和太平洋加利福尼亞州蒙特雷接收到。(Munk et al. 1994).聲的利用 由于低頻聲波可以被遠(yuǎn)距離接受，20世紀(jì)50年代美國海軍在海底深水區(qū)和淺水區(qū)放置麥克風(fēng)陣列連接他們的駐地。聲監(jiān)視系統(tǒng)SOSUS，雖然旨在跟蹤潛艇，但已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多其他用途。它已被用于聽取和追蹤鯨魚多達(dá)1700公里的路程，并發(fā)現(xiàn)海底火山爆發(fā)的位置。3.7重點(diǎn)概念1.如果海洋被縮小到8英寸的寬度，它的深度將與一張紙的厚度相同。其結(jié)果是，在海洋中的速度場(chǎng)幾乎是2維。垂直速度比水平速度小得多。 2.只有三個(gè)官方的海洋。3.海水的體積超過了海洋盆地的能力，海洋溢于大陸架上。4.海洋深處被回聲測(cè)深儀測(cè)量映射，并且它測(cè)量的時(shí)間需要一個(gè)聲音脈沖從表面到底部和背面。船用回聲測(cè)深儀測(cè)量深度的基礎(chǔ)已被用于生產(chǎn)海底地圖。這幅地圖一些地區(qū)的水平分辨率很差，因?yàn)樵谶@些地區(qū)幾乎看不見