中國近海聲速剖面的模態特征

張旭，張永剛，黃飛靈，李堅

（1. 海軍大連艦艇學院軍事海洋系，遼寧 大連 116018；2. 91991部隊司令部航保科，浙江 舟山 316041；3. 91257部隊司令部航保科，浙江 舟山 316000）

中國近海聲速剖面的模態特征

張旭1，張永剛1，黃飛靈2，李堅3

（1. 海軍大連艦艇學院軍事海洋系，遼寧 大連 116018；2. 91991部隊司令部航保科，浙江 舟山 316041；3. 91257部隊司令部航?？?，浙江 舟山 316000）

利用WOA05數據集提供的氣候態聲速場數據，通過模糊C-均值聚類分析，得到了中國近海聲速剖面模態特征的區域性分布和季節性變化。結果表明，中國近海的聲速剖面結構可分為深海型（D型）、淺海型（S型）和過渡型（T型）三個基本類型。深海型剖面為“季節性躍層/正梯度+主躍層+深海聲道+深海正梯度”結構，南海和菲律賓海因所屬水系不同呈現出明顯差異；淺海型剖面季節性變化強烈，冬季為正梯度或均勻型結構，其它季節為“混合層+季節性躍層+下均勻層”結構，負梯度強度與季節性躍層的變化有關，在夏季達到最強；過渡型剖面形態與鄰近的深海型上層結構類似，但因受地形制約產生與深海型不同的聲傳播特征。海面太陽輻射、海洋環流、混合層以及水團配置的季節性變化導致的溫鹽場空間分布差異是造成不同海區、不同季節聲場速剖面結構差異的根本原因。

聲速剖面；中國近海；模糊C-均值聚類；WOA05

引 言

聲速剖面 (SSP) 反映了局地聲速場的垂直結構，對水下聲傳播特征具有重要影響。20世紀90年代以來，各國非常重視海洋聲場環境數據庫建設以及海洋環境保障輔助決策研究[1-4]。然而，受海洋調查資料的限制，早期對海洋聲場結構模態特征的研究很少。近年來，隨著海洋水文資料的積累，對海洋聲場結構的區域性分布和季節性變化的認識不斷加深，對聲速剖面的模態特征的研究也有了新的進展[5-8]。

中國近海幅員遼闊，海洋水文特征復雜，區域性、季節性特征差異顯著。國內許多學者曾針對中國近海氣候和水文結構的區域劃分和特征提取問題開展了大量的研究工作，主要包括兩個方面：一是從海-氣相互作用的角度對海洋進行區劃，陳上及等[9,10]用主因子分析和模糊聚類軟劃分等方法將中國近海劃分為 3個海洋水文氣候帶，9個氣候區，較好地給出了中國近海的區域性氣候特征；二是依據海水的溫-鹽特征進行水團分析，此類研究文獻甚多，李鳳岐和蘇育嵩[11]、孫湘平[12]等對中國近海的水團分布特征進行了系統性的總結。然而，無論是氣候區劃還是水團分析都沒有將局地的水文垂直結構作為一個整體來考慮，因此不能滿足海上活動對環境保障的需求。《渤海、黃海、東海海洋圖集》[13]雖給出了渤、黃、東海的聲速剖面類型分布，但只給出了經驗性的結果，且僅限于東海以北的淺海陸架海區。

本文的目的是利用WOA05數據集，應用模糊C-均值聚類法將中國近海（含菲律賓海）聲速垂直結構劃分出合理的區域類型，給出各個季節、各個類型主要的聲速剖面模態特征。

1 資料和方法

1.1 資料

選取美國國家海洋學數據中心 (NODC) 發布的WOA05數據集[14,15]。原始數據來源于1900－2005年全球范圍內的歷史觀測站、MBT、CTD、DBT及XBT的水溫和鹽度觀測剖面。數據通過范圍檢測、梯度檢測、統計學檢測以及靜力穩定度檢測等多種方法進行質量控制，經 Levitus法進行客觀分析得到水平網格為1° × 1°的格點數據集，包括年平均氣候態（垂直標準層為33層，0 ～ 5 500 m）、季平均氣候態（垂直標準層為33層，0 ～ 5 500 m）以及月平均氣候態（垂直標準層為24層，0 ～ 1 500 m）三維場數據。本文選用中國近海范圍內的季平均氣候態溫、鹽場數據，每個季節包含溫、鹽剖面各 816組。采用 UNESCO推薦的Chen和Millero (1977) 提出的經驗公式[16]，根據水溫、鹽度和深度參數計算聲速。

1.2 聲速剖面分類方法

在海洋聲學意義上，淺海與深海中的聲傳播特征截然不同。在淺海中，聲波在傳播過程中與海面和海底發生多次接觸，聲能因界面的反射和散射作用迅速衰減；而在深水中，聲波則會因匯聚效應反轉折回海面而避免了與海底發生接觸，使能量損失較小，能夠實現遠程傳播。因此，水深是導致聲傳播特征差異的重要因素。

中國近海的地形特征極其復雜（如圖 1），可依據水深分布將中國近海分為深海型海區、淺海型海區和過渡型海區三個基本類型。深海型海區定義為水深超過2 000 m的區域，主要包括南海中部和菲律賓海深海海盆區域。淺海型海區采用與Reise和Etter[5]相同的標準，即水深小于200 m的海區，主要包括渤海、黃海、東海、南海北部和北部灣的淺海陸架區域。過渡型海區定義為水深介于200 ～ 2 000 m之間的區域，主要包括南海北部、南海南部和硫球群島附近的大陸坡區域，其水深從大陸架到深海海盆迅速增大。

Mandelberg和Makowski[6]曾采用等級聚類分析法提取出太平洋和大西洋深海剖面的主要模態。本文討論的海區與之相比區域更小，且地形復雜，因此宜采用更細致的模糊C-均值聚類法（FCM）[17]。

圖 1 中國近海海底地形（數據來自 ETOPO5，分辨率為 5′×5′）Fig. 1 Topography of Sea Areas of China（Based on ETOPO5 database, 5′×5′ grids）

式中：C表示聲速；Z表示水深；A、B為擬合參數。依據擬合表達式和參數將剖面擴展到200 m的深度，即將剖面中不足200 m深的剖面數據空缺補足。對于過渡型剖面，應用7次正交多項式將剖面擬合至1 000 m。對于深海型剖面，直接插值到0 ～ 2 000 m相應層次。這樣，就得到了淺海型、深海型和過渡型聲速剖面集合。

以歐氏距離為標準建立準則函數：

2 聲速剖面的模態特征

通過聚類分析，將中國近海四季的聲速剖面結構劃分為不同的類型，各類區域分布見圖 2。深海型海區可分為5個子區域：南海中部海區（D1）、菲律賓海熱帶海區（D2）、菲律賓海亞熱帶北部海區（D3）、菲律賓海亞熱帶南部海區（D4）和菲律賓海溫帶海區（D5）。淺海型海區主要包括渤海、黃海、東海、北部灣以及南海北部，春季、夏季和秋季可分為3個子區域（S1-S3），冬季可分為4個子區域（S1-S4）。過渡型海區可分為2個子區域：東海過渡海區（T1）和南海過渡海區（T2）。

2.1 深海型海區

深海型海區的表層和次表層有著明顯的季節性變化，次表層以下結構較為穩定，呈現出“主躍層+深海聲道+深海正梯度”的結構（如圖3所示）。深海聲道軸對應主躍層以下聲速最小值所在深度，一般在800～ 1 200 m的范圍，其下的正梯度結構一直延伸到深海海盆。

圖4顯示了深海型各子區域的T-S特征，與圖3比較可以看出區域間的聲速結構差異是不同類型水團配置的結果。南海 (D1) 和菲律賓海 (D2-D5) 屬于兩種截然不同的水系，圖4中顯示出的兩水系溫鹽特征的差異與許建平等[19]的分析較為一致：南海表層水、次表層水和中層水水溫與菲律賓海亞熱帶海區海水相當，深層水比菲律賓海高出0.5 ℃以上；南海表層水和次表層水鹽度比菲律賓海低0.3 ～ 1.0，但中層水卻比菲律賓海高約 0.2，深層水與菲律賓海相差不大。在深海正梯度層的深度范圍內，南海的聲速值明顯高于菲律賓海（見圖3），這正是由南海深層水和菲律賓海深層水溫、鹽特征的差異造成的（見表1）。

圖 2 中國近海不同季節剖面結構類型的區域劃分Fig. 2 Distribution of SSPs modes in different seasons

圖 3 深海海區典型聲速剖面Fig. 3 SSPs modes of deep sea type

圖 4 深海型區域的T-S特征比較Fig. 4 T-S diagrams of deep sea type

表 1 南海和菲律賓海深層水的溫、鹽特征值Tab. 1 The eigenvalues of deep sea temperature and salinity in the South China Sea and the Philippine Sea

菲律賓海內部也呈現出明顯的緯向帶狀差異，可分為四個子區域（D2-D5）。D2位于熱帶海域，聲速結構較為穩定，季節性變化小。它與其它幾種剖面類型最大的差別就是次表層由赤道水所占據，因此主躍層淺而薄，深度范圍在500 m以淺，厚度約為200 ～ 300 m[20]。D3和D4具有亞熱帶水的特征，次表層由廣闊的中央水所占據，因此主躍層比D1厚得多，厚度可達400 ～ 600 m。冬季混合層加深，上層水溫達到全年最低，因此在表層100 ～ 200 m的范圍內形成較弱的正梯度；而夏季由于季節性溫躍層的形成，使上層海洋層化更加強烈，形成較強的負梯度。D3受北赤道流的影響，表層和次表層溫、鹽特征偏向于熱帶水，而D4處于亞熱帶輻聚區，具有北部海區的部分特征，因此兩者在主躍層范圍內表現出明顯的差異。D5位于菲律賓海最北部，表層和次表層的季節性變化最強，這與冬季的溫躍層通風和模態水的形成有關：冬季，隨著混合層的加深和等密線的抬頭，溫躍層通風開始[21,22]，形成了厚度超過300 m的表面正梯度層；從春季到夏季，混合層逐漸變淺，季節性躍層生成并不斷加強，冬季溫躍層通風形成的模態水潛沉至次表層，將季節性躍層與主躍層相分隔[23]，在兩躍層之間形成一個厚度為100 ～ 200 m的極弱的負梯度層。秋季，季節性躍層開始變弱，同時近表層混合層開始加深，新的通風過程又將開始。此外，D5區域次表層以下由亞北極中層水控制，水溫和鹽度都小于同深度其他區域，因此在主躍層深度范圍內聲速值最小。在1 500 m以深，D2-D5都由北太平洋深層水所占據，溫、鹽性質差異較小，因此聲速結構趨于一致（見圖3和表1）。

2.2 淺海型海區

淺海型海區具有明顯的季節性變化特征。春、夏、秋三季，海區呈現出“混合層+季節性躍層+下均勻層”的結構，季節性躍層的生消決定了上、下均勻層之間聲速負梯度的強度（見圖5）。冬季，渤、黃海區域呈現出較弱的正梯度結構，東海及東海以南海區呈現出均勻型結構。

冬季，水溫的緯向差異最為強烈（見圖6），從北到南水溫逐漸增高，聲速也隨之增大，可分為4個子區域 (S1-S4)。S1和S2是渤、黃海所在區域，受強對流混合作用的影響，從海面到海底水溫趨于均勻，聲速因隨壓力增大而增大呈現出正梯度結構；而S3和S4對流作用弱于渤、黃海，水溫隨深度緩慢減小，因此剖面總體呈現出均勻型聲速結構。春季，受太陽輻射季節性變化的影響，28oN以北區域表層升溫，混合層變淺，季節性躍層開始形成，但深度較淺，黃、渤海區域 (S1) 負梯度相對較強，東海北部海區 (S2)相對較弱。28 oN以南區域 (S3) 表層水溫相對較高，因此表層與次表層差異比北部海區小，躍層尚未形成，呈現出較弱的負梯度結構。夏季，到達各區域的太陽輻射最強，因此各區域季節性躍層都達到最強。根據圖6，S1區域近表層水溫為20℃ ～ 25℃，而底層因黃海冷水團的存在，水溫為5℃ ～ 10℃，表層與底層水溫的強烈反差形成了中國近海最強的聲速負梯度結構。S2區域受長江沖淡水的影響，近表層鹽度急劇降低（見圖6），使得S2表層聲速減小，在0 ～ 20 m的范圍內抵消了部分水溫差異導致的聲速躍變，使得躍層上界比S1略深，負梯度強度更弱。S3區域因表層水與次表層水的水溫差異更小，因此躍層變弱。秋季，混合層開始加深，S2和S3區域的躍層均已消失，呈現出較弱的負梯度，而S1區域仍保持著明顯的躍變特征，但其位置已被加深的混合層壓至30 m以下。

圖 5 淺海海區典型聲速剖面Fig. 5 SSPs modes of shallow sea type

2.3 過渡型海區

過渡型海區具有與深海型類似的上層結構，表層和次表層有明顯的季節性變化，次表層以下為“主躍層+深海聲道”結構（見圖7）。受水深的影響，過渡型海區深海聲道以下不能形成足夠深的正梯度層，因此聲線在反轉之前與底邊界發生交互作用，不能形成匯聚區傳播。圖8顯示了夏季東海過渡型海區和鄰近的菲律賓海亞熱帶深海海區聲速剖面及聲傳播特征的比較（聲傳播計算采用 BELLHOP聲線模式[24]）。由圖8可見，深海型剖面（圖8a）可形成匯聚區傳播，而過渡型剖面（圖8b）則因水深相對較淺使得聲線與海面和海底發生多次反射，能量迅速耗散。

圖 6 淺海型區域的T-S特征比較Fig. 6 T-S diagrams of shallow sea type

東海過渡海區（T1）是黑潮流經海域，具有大洋水團的特征和垂直分層的結構特點[25]，其表層水與次表層水與大陸架區域的黃、東?；旌纤迪嗷旌希袑铀蜕顚铀虼箨懫孪拗埔话悴粫秩腙懠堋６净旌蠈蛹由畛^200 m，形成較厚的正梯度層，而夏季近表層生成較強的季節性躍層，呈現負梯度結構。南海過渡海區（T2）分布在南海深海區域的南北兩側，處于近岸與南海中部深海之間的區域。主躍層結構特征與D1類似；冬季垂直混合弱于T1，形成約100 m厚的正梯度層；夏季出現季節性躍層，但負梯度強度小于T1。T1和T2的主躍層深度范圍內的聲速結構有著明顯的差異（見圖7），T1負梯度變化率小，呈直線型模態；而T2負梯度隨深度逐漸減小，呈弧型模態。

3 結論與討論

利用WOA05氣候態數據對中國近海各個季節的聲速垂直結構進行了分析與比較，通過模糊C-均值聚類，得出了聲速剖面模態特征的區域性分布及季節性變化。分析表明，中國近海的聲速剖面結構可分為深海型、過渡型和淺海型三個基本類型，各類聲速剖面結構模態差異是由海面太陽輻射、海洋環流、混合層以及水團配置的季節性變化導致的溫、鹽場空間分布差異造成的。

a）深海型（D型）可分為 5個子類型。深海型剖面表層和次表層有著復雜的區域性和季節性變化，而次表層以下則呈現出較為穩定的“主躍層+深海聲道+深海正梯度”結構。南海深海區域（D1）和菲律賓海深海區域（D2-D5）的差異是由兩個水系的水團配置不同造成的，而菲律賓海內部D2-D5的差異則主要是由海區環流結構、太陽輻射及混合層的季節性變化導致的。b）淺海型（S型）可分為3-4個子類型。春、夏、秋三季，海區呈現出“混合層+季節性躍層+下均勻層”的結構，負梯度強度取決于季節性躍層的變化。夏季，各海區季節性躍層達到最強，黃海海區因黃海冷水團的存在形成中國近海最強的負梯度。冬季，渤、黃海區域因強烈的混合形成正梯度結構，東海及東海以南海區呈現出均勻型結構。

c）過渡型（T型）可分為2個子類型。過渡型剖面與鄰近的深海型剖面有著相似上層結構，但受水深的限制，不能形成完整的深海正梯度層。東海過渡海區 (T1) 受東海黑潮的影響，具有菲律賓海亞熱帶海水的典型特征，而南海過渡海區 (T2) 具有南海深海海水的特征，兩者在主躍層的模態有明顯的差異。

圖 7 過渡型海區典型聲速剖面Fig. 7 SSPs modes of transitional areas type.

圖 8 過渡型海區和深海海區的典型聲速剖面及聲傳播模式（a位于 130.5oE, 27.5oN; b 位于 128.5oE, 27.5oN; 聲源深度取 10 m）Fig. 8 Acoustic propagating modes of T-type and D-type areas(profile in Fig. a lies in 130.5oE, 27.5oN, and profile in Fig. b 128.5oE, 27.5oN; the source depth is 10 m)

受資料的限制，渤海、北部灣以及黃、東、南海的近岸區域沒有得到充分的描述，這些海區易受近岸水文氣象條件和徑流的影響，具有更復雜更劇烈的變化。此外，文中也沒有討論海洋中、小尺度海洋現象引起的局地聲速垂直結構的變化，這需要基于結合高分辨率的衛星高度計資料與海洋現場觀測作更細致的分析。局地聲速剖面結構是聲傳播計算的基礎，在氣候態特征的基礎上，分析海洋中尺度現象引起的聲速結構波動以及復雜水文氣象條件下近岸小范圍海區的聲速結構變化仍是需要進一步研究的重要問題。

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Mode characteristics of sound speed profile in sea areas of China

ZHANG Xu1, ZHANG Yong-gang1, HUANG Fei-ling2, LI Jian3

(1. Department of Military Oceanography, Dalian Naval Academy, Dalian 116018, China; 2. Headquarters of Unit 91991, Zhoushan 316041, China;3. Headquarters of Unit 91257, Zhoushan 316000, China)

Based on WOA05 database, sound speed profiles (SSPs) have been analyzed by cluster fuzzy c-means algorithms, and their typical regional mode characteristics and seasonal variations were obtained. The result shows that there are three basic types of sound speed profile structure in sea areas of China: D-type (deep sea), S-type (shallow sea)and T-type (transitional areas). SSPs of D-type have a structure of ‘seasonal spring layer/ positive grads layer + main spring layer + deep channel + deep positive grads layer’, water masses differences account for the distinct structure between the South China Sea and the Philippine Sea; SSPs of S-type have intense seasonal variations, positive grads layer or uniform layer appearing in winter and a structure of ‘mixed layer + seasonal spring layer + uniform layer’ in spring, summer and autumn, and the intensity of negative grads achieves maximum in summer; SSPs of T-type is similar to D-type, but owing to the topographic effect, there are obvious differences between these two types in propagating mode. In conclusion, the dominating factors accounting for the SSPs differences are temperature and salinity distribution induced by the variations of solar radiation, current circulation, mixed layer and water masses distribution.

sound speed profile (SSP); sea areas of China; cluster fuzzy c-means; WOA05

P733.2

A

1001-6932(2010)01-0029-09

2009-02-22；

2009-07-13

張旭(1982－)，男，黑龍江蘿北人，博士研究生，主要研究軍事海洋學。電子郵箱：x_zhang04@yahoo.com.cn