印度洋聲道的分布特征

錢 潮 ，呂連港 *，姜 瑩，劉宗偉，楊春梅

(1.自然資源部 第一海洋研究所,山東 青島 266061；2.青島海洋科學與技術試點國家實驗室 區域海洋動力學與數值模擬功能實驗室,山東 青島 266237；3.自然資源部 海洋環境科學與數值模擬重點實驗室,山東 青島 266061)

在海洋中聲速隨深度變化存在極小值時,若將聲源置于極小值附近水層,聲線將被約束在一定深度水層內傳播,傳播過程中聲能損失極小,此水層稱為水下聲道[1]。

表面聲道是實現水聲遠距離傳播的重要聲道之一,與海洋混合層有著密切的關系。在混合層中聲速因受壓力的影響呈正梯度結構,在這種條件下從混合層中發出的聲波向海面方向偏折,經海面多次反射形成波導式的傳播,這種類型的聲信道被稱為表面聲道[2]。深海聲道是存在于聲速最小值附近水層中的聲波波導[3]。孫琪田利用聲速垂直結構模式分析了西北太平洋聲道分布特征[4]。張旭分析了我國近海及西太平洋典型海區的混合層結構對表面聲道中聲傳播特性的影響[5]。段睿和楊坤德探討了南海混合層深度的分布特征[6]。目前,對于印度洋海區的研究較少,尤其是南印度洋。孫振宇等利用2004—2005年Argo資料討論了熱帶印度洋混合層深度分布的季節性變化[7]。李佳等統計了印度洋中北部部分海區的聲速極大值深度和深海聲道軸的分布[8]。

本文基于2000—2018年的地轉海洋學實時觀測陣數據,將首先計算海區聲速剖面；然后統計分析整個印度洋的表面聲道和深海聲道分布特征,進而分析5個典型海區(區域A:60°～70°E,15°～20°N；區域B:85°～95°E,10°～15°N；區域C:85°～95°E,2°30′S～2°30′N；區域D:55°～70°E,15°～20°S；區域E:60°～100°E,37°30′～42°30′S)的表面聲道平均深度的逐月分布；最后,將利用相關溫度、鹽度以及聲速斷面,結合季風、洋流、水團探討聲道分布特征的成因,以期對該海區的水下通信和水下聲傳播研究提供參考。

1 數據與方法

1.1 數據

采用中國Argo資料中心[9]2000—2018年的地轉海洋學實時觀測陣(Argo)數據,包含0～2 000 m 水深處的溫度(℃)、鹽度、壓力(10 k Pa)數據,研究區域為30°～120°E,60°S～25°N。研究區域內共268 188條剖面,其中1月22 781條,2月22 387條,3月22 702條,4月21 871條,5月22 566條,6月21 835條,7月24 440條,8月20 349條,9月21 383條,10月22 348條,11月21 673條,12月23 853條,各月份的數據量相當,且溫度、鹽度和壓力數據由中國Argo資料中心進行了質量控制,為各月份聲道分布的對比分析提供支撐。

1.2 方法

在海水中,聲速主要受溫度、鹽度和壓力的影響,聲速可以表示為溫度、鹽度和壓力(或深度)的函數,并隨溫度、鹽度、壓力的增大而增大[10]。

采用聯合國科教文組織推薦的Chen&Millero公式[11]來計算聲速c(單位為m/s),公式為

式中:S為實用鹽度；θ為水溫(單位為℃)；p為海水壓強(單位為bar,1 bar＝0.1 MPa)；Cw(θ,p),A(θ,p),B(θ,p),D(θ,p)均為關于θ和p的參數。原始數據為非等深間隔數據,計算得到的聲速數據也為非等深間隔數據,故為了便于以下計算研究,采用Akima插值法[12]對聲速數據進行垂向插值,得到間隔為5 m的聲速序列。

在真實的海洋中,表層海水受降溫的影響或風浪的攪拌作用而形成一層有一定厚度的溫度、鹽度均勻層,也稱混合層。在該混合層中,聲速隨著水深增加而增大,在混合層底部附近出現聲速極大值,形成表面聲道。本文從水聲學角度出發,將近表層聲速剖面中聲速極大值所在深度作為表面聲道的深度(圖1a),將聲速最小值所在的位置作為深海聲道的深度(圖1b),通常深海聲道位置較深。

圖1 兩種聲道的聲速剖面Fig.1 Sound speed profiles of two types of sound channels

2 結果與討論

2.1 表面聲道

印度洋表面聲道深度逐月分布顯示其區域性和季節性變化明顯(圖2)。赤道以北海區(0°～25°N),夏季(7月)表面聲道深度大于冬季(1月),冬季表面聲道深度大于春季(4月)和秋季(10月)。赤道以南低緯度海區(0～20°S),夏(1月)、秋(4月)兩季表面聲道深度小于春(10月)、冬(7月)兩季。赤道以南中緯度海區(20°～40°S),春(10月)、夏(1月)兩季表面聲道深度小于秋(4月)、冬(7月)兩季,其中夏季表面聲道深度最淺。印度洋40°S以南海區,春季(10月)和冬季(7月)表面聲道深度明顯大于夏季(1月)和秋季(4月),部分區域甚至達到300 m,而夏季表面聲道深度最淺。

圖2 印度洋表面聲道深度逐月分布Fig.2 Monthly distributions of surface channel depth in the Indian Ocean

為進一步分析表面聲道的時空分布,本文選擇5個典型海區表面聲道的平均深度進行分析。選擇的典型海區為區域A:60°～70°E,15°～20°N；區域B:85°～95°E,10°～15°N；區域C:85°～95°E,2°30′S～2°30′N；區域D:55°～70°E,15°～20°S；區域E:60°～100°E,37°30′～42°30′S,如圖3所示。

圖3 印度洋典型海區Fig.3 Typical sea areas in the Indian Ocean

各典型海區表面聲道平均深度的逐月變化結果(圖4)顯示,區域A、B 和C 表面聲道平均深度在夏(7 月)、冬(1月)兩季出現深度的極大值。7月,區域A、B和C 表面聲道平均深度分別為64、57和81 m；1月,區域A、B和C表面聲道平均深度分別為67、64和83 m。但是,在春(4月)、秋(10月)兩季出現深度的極小值。4月,區域A、B和C 表面聲道平均深度分別為24、22 和46 m；10月,區域A、B和C 表面聲道平均深度分別為31、36和69 m。這表明區域A、B和C表面聲道平均深度呈半年周期性變化。區域A、B和C的半年周期性變化與印度洋的季風性氣候密切相關。夏、冬兩季印度洋季風達到最強,海水垂直混合最強,混合層深度最深,進而導致表面聲道達到最深。同理,春、秋兩季為季風轉換季節,季風最弱,表面聲道最淺。區域D 和E表面聲道平均深度呈年周期性變化,在冬季(8月和9月)出現深度的極大值(區域D 為105 m,區域E為340 m),在夏季(1月)出現深度的極小值(區域D 為37 m,區域E為36 m),這主要是因為區域D 處在東南信風帶,區域E處在西風帶,以上海區風場季節性變化較小,表面聲道受風的強迫作用的變化不大,受降溫增密的影響,混合層深度加深,表面聲道變深。表面聲道不僅存在季節變化,也呈現一定的區域變化。區域C表面聲道深度大于附近海區,是由向東傳播的下翻Kelvin波引起溫躍層的加深所致[13]。區域D 表面聲道深度大于附近海區,該特征的形成與風應力旋度的空間分布相關[14],該海區受風應力及其旋度的強迫作用較強,導致上層水體垂直混合加強,混合層加深,進而導致表面聲道加深。區域E 表面聲道深度在深冬(9月)達到印度洋海區的最大深度,該特征與亞南極模態水[15-16]的影響密切相關。亞南極模態水形成于冬季的深混合層,由于海氣通量和Ekman輸運的綜合效應,混合層深度在深冬(9月)達到最大[16],所以表面聲道深度也在深冬(9月)達到最大。由該月橫跨區域E的溫度、鹽度、聲速斷面(40°S)分布(圖5)可見,區域E范圍內的上層水體(虛線框)溫鹽垂向變化小,垂向混合充分,表面聲道深度較深。

圖4 印度洋典型海區月平均表面聲道深度Fig.4 Monthly mean of the surface channel depth in the typical areas of the Indian Ocean

圖5 9月印度洋40°S溫度、鹽度和聲速斷面分布Fig.5 Distributions of temperature,salinity and sound speed at 40°S section in the Indian Ocean in September

2.2 深海聲道

在0～2 000 m 水深范圍內,深海聲道普遍存在于印度洋10°N 以南(圖6),東部可延伸至孟加拉灣,其季節性變化較小。阿拉伯海附近不存在深海聲道,原因是這里有紅海和波斯灣高鹽水的注入。由于高溫高鹽中層水的影響,主躍層之下聲速受溫鹽的影響仍然較大,其隨溫鹽的降低而減小,隨壓力的增大而增大,溫度、鹽度和壓力的共同作用使聲速不變甚至有略微減小,所以無明顯深海聲道。印度洋45°S以北海區,東部深海聲道較西部淺。東部深海聲道深度大都集中于800～1 200 m,西部深海聲道深度大都集中于1 300～1 400 m,整體表現為由西向東呈遞減之勢,這是由于南極中層水在向北輸運過程中東西不對稱,導致在表層以下同一緯度、同一深度,印度洋東部溫鹽小于西部,故東部聲速達到最小值的深度淺于西部,即東部深海聲道較西部淺。

圖6 印度洋深海聲道深度季節分布Fig.6 Seasonal distributions of the deep channel depth in the Indian Ocean

總體來看,深海聲道分布還具有2個特征:①北印度洋深海聲道深度大于南印度洋。分析該特征的形成原因認為,北印度洋中層水團位于主溫躍層到1 000 m 左右的水層,其主要源地為紅海和波斯灣的高溫高鹽中層水,聲速在中層水團之下的深度才會逐漸反轉,深海聲道較深；而南印度洋中層水團則主要是低溫低鹽南極中層水,聲速在南極中層水之間出現反轉,深海聲道較淺。②在45°S以南深海聲道最淺,且在45°S以南海區,春(10月)、冬(7月)兩季深度略小于夏(1月)、秋(4月)兩季。這一特征形成的原因是:45°S以南海區為南極中層水[10]的源區,在溫躍層內,隨著深度加深,聲速隨海水溫度降低而減小(圖7),在溫躍層以下的深度,海水溫鹽變化較小,這時聲速主要受壓力影響,且隨深度(壓力)的增加開始增大,所以在溫躍層下界附近聲速最小,該海區溫躍層薄而淺,形成較淺的聲道,又因為該海區深海聲道深度較淺,且又不像表面聲道受風浪影響那么大,所以該聲道對于水下通信更加有利。

圖7 印度洋90°E年平均溫度、鹽度和聲速斷面分布Fig.7 Annual-mean distributions of temperature,salinity and sound speed at 90°E section in the Indian Ocean

3 結論

基于2000—2018年的印度洋地轉海洋學實時觀測陣數據,計算得到該海區的聲速剖面,并進一步分析了該海區的表面聲道和深海聲道分布,得到結果:

①印度洋的表面聲道有著明顯的區域性分布和季節性變化。印度洋10°S以北表面聲道深度主要表現為半年周期變化,該變化與印度洋的季風性氣候密切相關。印度洋10°S以南主要表現為年周期變化,與該區域所處的信風帶有關。赤道以北海區,夏季表面聲道深度大于冬季,冬季表面聲道深度大于春、秋兩季。赤道以南低緯度海區,夏、秋兩季表面聲道深度小于春、冬兩季。赤道以南中緯度海區,春、夏兩季表面聲道深度小于秋、冬兩季,其中夏季表面聲道深度最淺。

②40°S附近海區表面聲道深度在9月達到印度洋海區的最大深度。40°S以南海區,春季和冬季表面聲道深度明顯大于夏季和秋季,部分區域甚至達到300 m,主要受冬季形成的亞南極模態水的影響。

③在0～2 000 m 水深范圍內,深海聲道普遍存在于10°N 以南海區,東部可延伸至孟加拉灣,其季節變化性較小。印度洋45°S以北海區:東部深海聲道較西部淺,東部深海聲道深度大都集中于800～1 200 m,西部深海聲道深度主要集中于1 300～1 400 m,由西向東呈遞減之勢,這是由于南極中層水在向北輸運過程中東西兩側不對稱。45°S以南海區為南極中層水源區,深海聲道最淺,夏、秋季節聲道深度略大于冬、春季節。