全球海洋全面深度剖析
用于降低ADCP的三十年高压
介绍
自从第一次深漂浮道的出乎意料的运动以来，海洋学家们就一直致力于在深水流中揭开面纱。直流测量有多种形式。中性漂浮的漂浮物和它们的剖面后代显露出深深的通路。系泊设备上的当前仪表显示时间变化。自由落体探针允许剖面视图 - 紧密间隔的测量结果显示水流速度与深度的关系。自20世纪90年代初以来，降低的ADCP（LADCP）提供了良好分辨的全深度电流曲线。
深水流存储，携带和重新分配生活在海内外的重要特性。例如，在深水供应海洋食物链的地方，氧气和养分水平至关重要。然而直到20世纪70年代中期，深邃的海流才能与月亮的黑暗面相媲美。受到改进观测结果的刺激，人们现在对深水流如何参与全球气候系统产生了浓厚的兴趣。特别重要的是深海的热量和二氧化碳含量的变化。
建立了观察上季节层以下深海的方法。为了测量深层电流，全世界的科学家都将紧凑型ADCP连接到水文包装上。这些包装通常降低到海床以捕获水样并测量水的性质。
在本报告中，我们将研究LADCP围绕全球海洋工作的各种发现。 LADCP测量最初是针对赤道地区以及热带和亚热带海洋的深层电流。特征包括深流，暗流和漩涡。最近，LADCPs支持高纬度地区的科学研究，例如探索亚极大西洋的翻转环流，并计算南大洋广泛的强烈混合。
水文
基于船舶的水文测量可测量从地表到海床的水的特性。结果来自降低连续剖析CTD和收集离散水样。这些“水力”铸件无法观察深海 - 特别是在2000米以下。同时，这种方法也揭示了与海洋进行大气交换的热点。
水文数据有广泛的用途。它们的范围包括海洋属性，过程和途径。碳成分，营养素，淡水，热量等的长期记录。这些记录揭示了归因于大气趋势的海洋变化 - 全球变暖和二氧化碳浓度增加。
图2：向上和向下看的Teledyne RDI ADCP（高压等级为黄色）附在水文包装上。图片来源：T。Wasilewski（IFM汉堡）。 https://goo.gl/q7XGKK
速度分析
水流速度和剪切的垂直剖面显示了水的移动和混合方式。它们有助于描述水的性质如何变化和分散。这些属性包括热量和能量以及生物，营养物质，化学物质，碎片和污染物。
为了研究深水流，科学家们希望速度剖面具有长距离，同时保持电流随深度变化的精细尺度。这种数据类型揭示了从内部波浪到喷流，漩涡和暗流的海洋面。这些信息被广泛使用，从科学发现到海上钻井平台的操作。
在ADCP之前，速度分析需要专门的团队和工具。他们使用发货时间和不可恢复的设备使测量成本高昂。科学家们寻求一种更经济，更易于使用且可供更广泛受众使用的方法。
几年来，少数专家采用ADCP来满足这一需求。他们设计了LADCP方法和处理（https://goo.gl/1TGXBn）。主要投入来自夏威夷大学和美国Lamont Doherty地质观测台以及德国IFM基尔的工作人员。
降低ADCP方法
深度电流分析测量低于船载剖面仪的声学范围。附着在降低的水文包装上，紧凑的独立式ADCP通过水柱。在下降和上升过程中，ADCP继续测量范围为100 m的电流曲线。后来这些短段 - 具有精细的垂直分辨率 - 被拼接在一起以产生全深度轮廓。
仔细处理LADCP数据包含各种输入。船载ADCP的当前配置文件用于验证重叠的LADCP配置文件。对船舶的漂移以及降低的包装的不同姿态和运动进行了修正。在演员的底部附近，海床散落的声学回声揭示了ADCP的运动。通常，使用双重ADCP - 向上和向下查看。
LADCP方法的一个关键优势是它不会增加运输时间和运行成本;在预定的水力铸造期间完成速度剖面。虽然成功运行LADCP需要培训和勤奋，但不需要专业技术人员。应仔细校准ADCP的指南针。
图3：缝合ADCP轮廓以形成全深度轮廓。速度（cm / s）。图片来源：M。Visbeck（GEOMAR，2002年）。 https://goo.gl/kftcJ3
变革之风
将ADCP添加到水电铸造中导致了大海变化。深度分析可用于更大的社区。数据收集是经常和广泛的。关于深层电流的补充信息为其他研究提供了信息，例如示踪剂测量。
LADCPs在世界海洋环流实验（WOCE，1990-2002）期间获得了水文巡航的牵引力。到21世纪初，改进的LADCP数据质量来自改进的测量和处理方法。过去二十年来，LADCP方法在全球海洋中得到了常规使用。
可提供这些全深度测量的大量集合。从许多游轮中积累LADCP部分为统计描述打开了大门。简而言之，LADCPs为研究全球海洋提供了独特而发展的观点 - 从大规模的循环到小规模的混合。
深深的暗流
了解更多深水流的关键动机是澄清全球温盐环流。沿着所有主要海洋盆地的西部边缘，在深处观察到狭窄，迅速的暗流。它们具有不同的水性质，与强大的表面电流相反。
利用南部非洲的LADCP，英国科学家发现了一种未知的暗流。大量的Agulhas Undercurrent，在水力数据中令人惊讶地不明显，在1200米深处流动赤道。这条深水流位于大陆坡旁，其体积是世界上最大河流的十倍。后来的研究证实了暗流的发现及其意想不到的水特性。
许多这些暗流拥抱大陆坡的陡峭地形。在这些站点，全深度LADCP配置文件可能特别有价值。在陡峭的斜坡上，由密度场计算的深电流的传输估计值可能由数据中的间隙引起。 LADCP电流提供了解决方案。
此外，LADCP数据是二维速度矢量 - 而不仅仅是交叉轨道分量。当水力部分以倾斜角度切割电流场时，这种差异变得更加重要。
图4：沿着陡峭的大陆坡向深流下赤道（橙色）。单位：深度（m），距离（度）。图片来源：Hall等。 （2004）https：//goo.gl/4QB6xs
深远的电流
英国科学家还发现LADCP站对暗流有帮助。主要Agulhas Current的速度信号持续到很大的深度。从水文剖面计算的电流中没有剪切的深流量不明显。因此，传统方法可能会低估深水流输送的水量。解决这个问题是LADCP数据的早期常见用法。
在印度洋北部，随着西南季风的爆发，令人印象深刻的海洋变化。在索马里海流中出现了众所周知的强表面电流逆转。在深度处发现具有相反方向的堆叠的电流射流。此外，一个月的持续时间内，一股强烈的旋转旋转在索马里附近旋转。被称为伟大的旋风，旋转宽达500公里。它会持续三个月，然后在旋转时消失。
Great Whirl的一个令人印象深刻的特点是其深度达到3000米。在WOCE期间，美国科学家收集了两次访问的LADCP数据，相隔3个月。 Great Whirl的电流深度从200米增加到2500米。由于这些海流的深度，大旋风中的水量与哈特拉斯角附近的墨西哥湾流相匹配。 Great Whirl的深度范围是对下面深海环流逆转的一种解释。 LADCP也观察到了这些。
数据混合
海洋学家探索了将LADCP信息与水电铸造过程中观察到的水特性相结合的新方法。洋流转移水的属性。对于封闭区域，水的性质交换必须满足保护法则，如大规模保护。一种称为逆向建模的分析技术融合了受这些法则约束的不同数据类型。
远离海岸，水文数据可以在很大程度上描述缓慢变化的水流。但由于对深度运动的主观选择，解释可能是模棱两可的。当添加到逆模型时，LADCP数据约束可能的缺失深电流解。
图5：LADCP数据显示了Great Whirl的深度，这是索马里的一个巨大的强烈旋转。单位：深度（m），距离（度）。图片来源：T。Chereskin（Scripps Inst.Oceanography）https://goo.gl/WsmhuV
长期部分
二十年来，德国研究人员监测加拿大境内53°N的边界水流。在由3-5个系泊所定义的持续区域中，科学家们在13次巡航中重复了12-15个LADCP站点。因此，来自150个LADCP站的数据补充了系泊设备，以描述拉布拉多海的倾覆贡献。在各个层面都看到强电流。特别是，LADCP数据显示了深海底附近的高速核心。它的水源于北欧海域。
全深度LADCP轮廓在垂直方向上得到很好的分辨，并且可以具有比系泊阵列更精细的水平间距。 LADCP位置的灵活性允许更好地定义边界电流的内边缘和外边缘。因此，科学家们可以根据系泊数据计算更准确的运输。在53°N，边界电流宽120公里，空间结构稳定。向南输出的深水量为每秒3000万立方米 - 大约与通过佛罗里达海峡运输以供应墨西哥湾流的量相同。
图6：在格陵兰岛附近使用双Teledyne RDI ADCP（黄色）的水文包装。图片来源：C。Nobre（WHOI）。 https://goo.gl/HJLq5m
海洋部分
正在进行的一项多年期国际研究计划的标题是在极地大西洋计划（OSNAP）中进行翻新。在北纬高纬度地区横跨大西洋的宽度，OSNAP包括许多研究人员在该地区的先前计划。他们的共同重点是作为全球气候系统一部分的海洋热量和淡水输送。
最近的一份报告描述了2014年和2016年观测到的复合海洋水文剖面的两个交叉点。这些剖面跨越了几个显示出强大边界水流的盆地。深度速度场的结果合并来自密度场的电流和来自LADCP数据的深参考速度。
研究人员指出，LADCP数据在狭窄的边界电流和暗流中特别有价值。准确测量这些特征依赖于高水平分辨率;它们往往被低估和基于卫星的选择所解决。实际上，该报告量化了这种与次极环流周围深层暗流联合运输的差异。
图7：2016年亚极北大西洋北极/南流的海洋部分。电流：北（红），南（蓝）。单位：深度（m），距离（km）。图片来源：Holliday等。 （2018）https：//goo.gl/3YAE8X
海洋混合的估计
科学家们还利用LADCP剖面观察内部波浪。更具体地说，他们想要量化内部波浪破坏的影响。
激发这一努力是希望获得更多有关海洋混合的数据。理论上混合是维持海洋热分布的重要因素。然而，关于在海洋中混合的研究仅限于少数专业团队和工具。这些结果无法推断为代表全球海洋。
在20世纪90年代后期，科学家们测试了LADCP剖面的剪切作为海洋混合统计描述的输入。该方法将速度剪切与来自并发CTD剖面的补充数据相混合。为了计算更广泛区域的混合，WOCE的LADCP概况的地理分布很有吸引力。特别是，LADCP数据可用于专家尚未测量的预期混合热点。
南大洋是主要目标。使用基于LADCP的方法，一个国际团队报告了Drake Passage附近广泛强烈混合的结果。在数千公里的粗糙地形上可以看到很高的速度。这意味着混合是南纬高纬度地区大规模倾覆环流的重要因素。
在这种混合研究中使用LADCP数据已获得牵引力 - 甚至在最近的一篇论文中“爆炸”。例如，一组科学家提出了一种量化混合的替代方法。它们包括来自五个不同动态制度的LADCP数据：赤道水域，东太平洋海底，吕宋海峡，南太平洋和德雷克海峡。
降低ADCP：承受巨大压力
速度分析提供了洋流如何随深度变化的精细视图。该方法始于专业团队和工具。后来的紧凑型ADCP被降低到海底。几年来，专家之间的合作努力设计并完善了LADCP方法和处理。
降低的ADCP已经成为海洋研究界在全球范围内使用的标准技术。他们用它来揭开从内波到喷流，漩涡和暗流的深层电流的面纱。经过三十年的采集，全深度的LADCP速度剖面遍布全球海洋。它们适用于广泛的问题：从本地到全球范围，以及持续数天到数十年。
数据信用
图3：M。Visbeck（2002）使用降低的声学多普勒电流分析仪进行深度速度分析：底部跟踪和反向解决方案。 DOI 10.1175 / 1520-0426（2002）019 <0794：DVPULA> 2.0.CO; 2
图4：MM Hall，TM Joyce，RS Pickart，WM Smethie Jr.，DJ Torres（2004），北大西洋52°W的带状环流。 https://doi.org/10.1029/2003JC002103
图5：LM Beal和KA Donohue（2013），The Great Whirl：观察其季节性发展和年际变化。 https://doi.org/10.1029/2012JC008198
图7：NP Holliday，S。Bacon，SA Cunningham，SF Gary，J。Karstensen，BA King，F。Li，EL Mcdonagh（2018），2014年和2016年夏季的极地北大西洋翻转和环流尺度环流.https：//doi.org/10.1029/2018JC013841
