IntroductionToPhysicalOceanography部分翻譯

1、3.4海洋深度的測量海洋深度通常用兩個方法測量：1）利用船載聲學(xué)回聲測深儀  2）利用衛(wèi)星測高資料?；芈暅y深儀 大多數(shù)海洋地圖是基于回聲測深儀所進行的測量制得的。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：回聲探測器通過發(fā)送聲脈和觀測接收海底回聲所需的時間來測量深度的海洋沖。右：時間通過緩慢移動的紙卷上的火花燃燒標(biāo)記被記錄。Dietrich等（1980：124）. 1922年第一個跨大西洋的回聲探測由美國海軍驅(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。從那時起，有關(guān)海洋學(xué)研究的和海軍艦艇編隊在海上作業(yè)時就已經(jīng)使用回聲探測儀了。記錄在冊的船舶跟蹤數(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，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量。來自大衛(wèi)桑德韋爾，斯克里普斯海洋研究所。 回聲測深儀進行的是最精確的海洋深度測量。其精確度為±1。衛(wèi)星測高計 我們對海洋深度認知和船舶軌跡之間的差距現(xiàn)在已經(jīng)被衛(wèi)星高度資料填補了

3、。測高計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，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）.讓我們將這個概念更精確一些。非常近似的說，海表面是一個叫做大地水準(zhǔn)面（見專欄）的特定水平面。通過定義它是一個處處垂直于重力

4、的恒引力勢水平面。尤其是，它必須垂直于當(dāng)?shù)赝ㄟ^鉛垂線測量的垂線，“用于測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，造成鉛垂線一點點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，它一定有一個高于海丘如圖3.12所示的輕微凸起。如果沒有這個凸起，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到，但它很容易通過衛(wèi)星高度計測得。海溝會有質(zhì)量上的虧空，會造成海表面的凹陷。海表面形狀和水深之間的對應(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、個海丘像冰川那樣漂浮于海底，那么它的引力勢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)回聲探測儀測量的深度被用來確定區(qū)域關(guān)系。于是，測高計用來與聲學(xué)回聲探測儀測得的數(shù)據(jù)進行插值互補(Smith and Sandwell, 1994).大地水準(zhǔn)面對應(yīng)海面的水平面是一個特殊表面，大地水準(zhǔn)面。對于第一近似，大地水準(zhǔn)面是一個對應(yīng)均質(zhì)流體在固體旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動表面的橢球體，這意味著該流體不具有內(nèi)部流動。對于第二近似，由于局部引力變化大地水準(zhǔn)面不同于這個橢球體。這些偏差被稱為大地水準(zhǔn)面波動。關(guān)于這個波動的最大波動幅度大致是±60米。對于第三近似，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。地形的最大波動幅度約是±1米，相比大地水準(zhǔn)面波動是小的。大地水準(zhǔn)面的波動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)量是因為它比水稠密。這在大地水準(zhǔn)面產(chǎn)生一個向上的凸起（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)面必須有一個微微凸起，如圖所示。這樣的凸起很容易被衛(wèi)星高度計測量。其結(jié)果是，衛(wèi)星高度計數(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2千米高的海丘會產(chǎn)生大約10米的隆起。衛(wèi)星測高計系統(tǒng) 現(xiàn)在讓我們看看高度級如何測量海面的形狀。衛(wèi)星高度計系統(tǒng)包括一個用來測量衛(wèi)星與海面距離的雷達和一個用來確定衛(wèi)星在地心坐標(biāo)系高度的追蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)測量海面相對地球重心的高度（圖3.13）.這樣給出了海面的形狀。 圖3.13衛(wèi)星高度計測量海面上方的衛(wèi)星的高度。當(dāng)它從衛(wèi)星軌道高度被減去，這個差值就是海平面相對與地球中心的距離。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，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，以及地形被極大地放大了。斯圖爾特（1985）.許多測高衛(wèi)星已在空間運行。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)的測高計包括海洋衛(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進行了專門設(shè)計，使海面高度測量極精確。精度為±0.05米。海底地貌的衛(wèi)星測高儀地圖 海洋衛(wèi)星，GEOSAT，ERS-1和ERS-2與地面軌跡間隔3-10公里之余的軌道運行，這足以映射大地水準(zhǔn)面。結(jié)合回聲測深儀的數(shù)據(jù)與來自GEOSAT和ERS-1測高計系統(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)被進一步處理和編輯，成為能大量存儲在光盤格式中的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)被來自衛(wèi)星測高的數(shù)據(jù)所補充生成具有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)委員會和國際海道測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圖。最原始的輪廓都是基于數(shù)字化測深儀數(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深儀中的海洋深處的數(shù)字價值和測高學(xué)并且還有測量中的高地。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，他們將回聲測深儀數(shù)據(jù)與GEOSAT和ERS1中的衛(wèi)星測高數(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)字測深數(shù)據(jù)基可變分辨率。土地數(shù)據(jù)來自于全球項目，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距離傳輸信息的方便手段。聲被用來探測海底屬性、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），可以精確計算出這個典型海洋環(huán)境下的速度隨溫度、深度、鹽度的變化。這個近似值為：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時的溫度T和鹽度S隨測量深度的函數(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米時具有最小值（圖3.16）.出現(xiàn)最小速度時的深度稱為聲道。這個現(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_表面。聲道很重要因為聲在聲道可傳播的很遠，甚至有時繞地球半周。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度I：I0：吸收之前的強度，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,0.08 dB/km;10萬HZ時，50 dB/km.分貝的計算：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1000HZ信號被吸收了僅1.8：I =0.982I0.在1公里范圍一個10萬HZ信號被降低到I=10-5I0.采用典型的回聲測深儀用一個30,000 Hz的信號從海面倒海底再回來用來測繪海洋深度發(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。之后實驗表明。在赫德島（75°E，53°S）附近聲道傳送57 Hz信號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，在海洋中的速度場幾乎是2維。垂直速度比水平速度小得多。 2.只有三個官方的海洋。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.海洋深處被回聲測深儀測量映射，并且它測量的時間需要一個聲音脈沖從表面到底部和背面。船用回聲測深儀測量深度的基礎(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，因為在這些地區(qū)幾乎看不見