基于Argo數(shù)據(jù)的呂宋海峽東部海域的會聚區(qū)特征分析

阮海林，楊燕明*，牛富強(qiáng)，文洪濤

(1.國家海洋局 第三海洋研究所，福建 廈門 361005)

基于Argo數(shù)據(jù)的呂宋海峽東部海域的會聚區(qū)特征分析

阮海林1，楊燕明1*，牛富強(qiáng)1，文洪濤1

(1.國家海洋局 第三海洋研究所，福建 廈門 361005)

利用2010-2013年的Argo浮標(biāo)觀測資料，對呂宋海峽東部海域(19°～23°N，123～127°E)的會聚區(qū)特征進(jìn)行綜合分析。研究結(jié)果如下：(1)呂宋海峽東部海域4個季節(jié)表面的聲速從大至小依次為夏季、秋季、春季和冬季，夏季最大為1 543.5 m/s，冬季最小為1 533.4 m/s；混合層深度從大到小依次為冬季、秋季、春季和夏季;(2)采用WOA13氣候態(tài)數(shù)據(jù)對聲速剖面進(jìn)行深海延拓，獲得全海深的聲速剖面，分析4個季節(jié)的聲道特征。聲道軸深度和聲速較為穩(wěn)定，聲道軸深度在1 000～1 040 m之間，聲道軸處的聲速為1 482 m/s，4個季節(jié)的平均聲道厚度都超過4 500 m，利于會聚區(qū)形成;(3)研究區(qū)較易發(fā)生會聚現(xiàn)象，發(fā)生會聚現(xiàn)象概率高于50%的占70.6%；會聚現(xiàn)象的發(fā)生概率季節(jié)變化明顯，春季、冬季極易發(fā)生聲場的會聚現(xiàn)象，夏季最小;(4)運用RAMGeo聲場模型對研究區(qū)4個季節(jié)的聲傳播損失進(jìn)行仿真，分析會聚區(qū)的季節(jié)變化特征。當(dāng)聲源深度100 m，接收深度10 m時，第一會聚區(qū)，離聲源的距離在61～64 km左右，夏季離聲源最近，春、冬季較遠(yuǎn)；會聚區(qū)寬度上，夏季最寬為10 km，春季最窄為4.6 km；會聚區(qū)增益分布特點與會聚區(qū)寬度剛好相反，春季最大為14.6 dB，夏季最小為8.5 dB。

呂宋海峽；東部海域；會聚區(qū)；聲速剖面；季節(jié)變化

1　引言

會聚現(xiàn)象是深海中特有的聲傳播特征，當(dāng)聲源和接收器位于聲道內(nèi)，向外發(fā)出的聲波會多次折回海面，形成高強(qiáng)度低失真度的環(huán)帶狀區(qū)域，稱為會聚區(qū)[1]。利用會聚區(qū)現(xiàn)象可實現(xiàn)水下目標(biāo)遠(yuǎn)程探測和定位、水下通訊、導(dǎo)航等，開展會聚區(qū)特征研究，對海洋學(xué)研究、水聲設(shè)備研制和軍事等方面都有重大的意義[2]。

傳統(tǒng)上采用單點船測的聲速剖面，開展深海會聚區(qū)研究，數(shù)據(jù)獲取不僅耗時費力，而且數(shù)據(jù)的實時性、同步性和時空連續(xù)性差。利用Argo計劃(全球海洋實時觀測網(wǎng))提供的浮標(biāo)溫度、鹽度、壓力等資料[3]，獲得全時空的海洋聲速場，可對會聚區(qū)進(jìn)行全面研究。

本文選取呂宋海峽東部海域作為研究區(qū)，范圍為19°～23°N，123°～127°E，如圖1所示。該海域位于菲律賓海盆西部，西臨臺灣島、呂宋海峽和菲律賓群島，是一個經(jīng)濟(jì)、軍事和政治價值極高的海區(qū)；該海域?qū)俑睙釒ШＱ笮詺夂?，冬季盛行東北季風(fēng)，夏季盛行西南季風(fēng)；黑潮常年影響該海區(qū)，夏季臺風(fēng)頻發(fā)，造成該海域具有特殊的海洋水文氣象特征；該海域水深大都在5 000 m以上，利于產(chǎn)生聲場會聚現(xiàn)象，所以選擇該海域進(jìn)行會聚區(qū)特征研究有重要的意義。

會聚區(qū)作為深海遠(yuǎn)程聲道中的一個特殊現(xiàn)象，諸多學(xué)者對其進(jìn)行了廣泛的研究。Hale較早在海上實驗中觀察到深海會聚現(xiàn)象[1]，其他研究學(xué)者也通過實驗觀測和理論分析驗證了深海會聚區(qū)的存在，并分析了會聚區(qū)的特征[4—9]。會聚區(qū)的形成及特性與海洋環(huán)境密切相關(guān)，有學(xué)者分析了不同聲速垂直結(jié)構(gòu)類型、海洋鋒、海洋中尺度渦等環(huán)境影響下的會聚區(qū)特征的變化[10—12]，也有學(xué)者利用會聚區(qū)特征確定聲源的位置等參數(shù)[13—14]。綜上，對會聚區(qū)的研究較多，但對一個海域的會聚區(qū)的發(fā)生概率、季節(jié)變化等綜合研究還較少，本文利用Argo數(shù)據(jù)對呂宋海峽東部海域開展會聚區(qū)的綜合研究，包括聲道特征、會聚區(qū)出現(xiàn)概率、會聚區(qū)特征的季節(jié)變化等。

圖1　呂宋海峽東部海域及Argo剖面資料分布Fig.1　The east of Luzon strait and the distribution of argo profiles

2　資料來源與方法

2.1資料

本研究所用的Argo資料是由中國Argo實時資料中心提供的研究區(qū)2010年1月至2013年12月的數(shù)據(jù)產(chǎn)品。期間有42個Argo浮標(biāo)在研究區(qū)進(jìn)行溫鹽剖面觀測，共獲取825條剖面數(shù)據(jù)，如圖1所示，藍(lán)線框中一個黑點代表一條溫、鹽剖面數(shù)據(jù)。Argo的剖面浮標(biāo)觀測精度：壓力(深度)±5×104Pa，溫度±0.005℃和鹽度±0.01[15]。在海洋中，溫度每增高1℃，聲速增加5 m/s；鹽度每增加1，聲速增加1.14 m/s；深度每增加100 m，聲速增加1.75 m/s[16]。因此，Argo的溫度、鹽度、深度觀測誤差對聲速值的影響分別為：0.025 m/s、0.011 4 m/s、0.087 5 m/s，綜合這3項的聲速轉(zhuǎn)換誤差為0.09 m/s，滿足聲場分析需要的聲速精度。

由于Argo浮標(biāo)最多觀測到2 000 m深度，難以全面描述研究區(qū)聲道特征及滿足會聚區(qū)聲場預(yù)報需要的聲速剖面。據(jù)此，我們采用美國國家海洋資料中心(NODC)提供最新的WOA13氣候態(tài)數(shù)據(jù)[17]對Argo獲得的聲速剖面進(jìn)行深海方向上的延拓。WOA13是根據(jù)1955—2012年的歷史觀測數(shù)據(jù)經(jīng)Levitus客觀分析方法得到的數(shù)據(jù)集，其中季平均和年平均的溫、鹽剖面資料空間分辨率為1°×1°，觀測深度為0～5 500 m，分為102層。

研究區(qū)的地形數(shù)據(jù)采用美國國家大氣海洋局(NOAA)提供的ETOPO-1高分辨率海深資料，分辨率為1′。

2.2方法

首先，對研究區(qū)Argo資料獲得的經(jīng)質(zhì)控后的溫、鹽剖面數(shù)據(jù)集，采用聯(lián)合國教科文組織(UNESCO)推薦的Chen&Millero聲速經(jīng)驗算法[18]提取聲速剖面，通過Akima插值法[19]對聲速剖面進(jìn)行垂向插值，獲得間隔為2 m的標(biāo)準(zhǔn)層化的聲速剖面，分析4個季節(jié)的聲速剖面特征。

其次，對研究區(qū)的聲速剖面采用WOA13氣候態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行深海方向上的延拓。當(dāng)Argo浮標(biāo)所在的水深超過5 500 m時，5 500 m以深部分，假設(shè)溫度、鹽度不變，只是壓力增加，通過海水聲速公式獲得全海深的聲速剖面。統(tǒng)計分析4個季節(jié)的聲道特征，分析研究區(qū)會聚現(xiàn)象出現(xiàn)的概率。

最后，采用基于拋物方程的RAMGeo聲場預(yù)報模型[20]對研究區(qū)進(jìn)行聲傳播損失仿真，提取研究區(qū)4個季節(jié)的會聚區(qū)距離、寬度和增益等特征量，分析季節(jié)變化。RAMGeo模型對環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，計算精度比射線模型高，與耦合簡正波相比又有計算速度快等優(yōu)勢[21]，適合分析研究區(qū)聲場特征，特別是會聚區(qū)的特征。

3　聲速剖面季節(jié)變化特征

本文將一年劃分成春(3-5月)、夏(6-8月)、秋(9-11月)、冬(12-2月)四季，對研究區(qū)經(jīng)過Akima插值的聲速剖面進(jìn)行季節(jié)內(nèi)平均，獲得4個季節(jié)的平均聲速剖面(圖2)。從圖中可見，研究區(qū)的聲速剖面為典型的深海聲速垂直結(jié)構(gòu)[22]，可分為3層：混合層、躍變層和深海等溫層?；旌蠈?，主要受海面的冷熱交換和風(fēng)浪的攪拌作用，水溫在海表面以下一定深度內(nèi)保持穩(wěn)定，層中聲速因深度增大呈現(xiàn)弱的正梯度結(jié)構(gòu)，該層受季節(jié)變化最顯著。在混合層以下，隨著深度增加，海水溫度急劇降低，對應(yīng)的聲速剖面上，出現(xiàn)一個負(fù)梯度的聲速層，該層為躍變層。隨著水深繼續(xù)增大，到一定深度上溫鹽基本不變，形成深海等溫層，該層由于深度增加，聲速表現(xiàn)為正梯度，深海等溫層受季節(jié)影響最小。躍變層和深海等溫層中間的聲速最小值處為聲道軸。

由圖2可知，呂宋海峽東部海域4個季節(jié)表面的平均聲速大小依次為夏季、秋季、春季和冬季，夏季最大為1 543.5 m/s，冬季最小為1 533.4 m/s，兩者相差10 m/s。從4個季節(jié)平均聲速剖面獲得的混合層深度從大至小依次為冬季、秋季、春季和夏季，冬季達(dá)到50 m，夏季為4 m；躍變層，4個季節(jié)變化趨勢一致，在1 000 m深度附近4個季節(jié)的聲速均達(dá)到最小，說明聲道軸位置隨季節(jié)變化較小，4個季節(jié)的聲道軸聲速約為1 482 m/s；在深海等溫層，從一定深度開始，4個季節(jié)的平均聲速基本一樣。

圖2　呂宋海峽東部海域4個季節(jié)的平均聲速剖面Fig.2　The mean sound-speed profile of the four seasons in the east of Luzon Strait

圖3　聲道特征量示意圖Fig.3　The instruction chart of the features in sound channel

4　聲道特征及會聚區(qū)出現(xiàn)概率

4.1聲道特征

采用WOA13氣候態(tài)數(shù)據(jù)對研究區(qū)Argo資料獲得的所有溫鹽剖面進(jìn)行深海方向的延拓。延拓方法是采用WOA13季節(jié)平均的溫鹽網(wǎng)格數(shù)據(jù)，根據(jù)季節(jié)劃分和空間最近原則，對所有的溫鹽剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行深海方向上的延拓，當(dāng)Argo浮標(biāo)所在的水深超過5 500 m時，5 500 m以深部分假設(shè)溫度、鹽度不變，只是壓力增加，獲得全海深的溫鹽剖面。最后采用Chen&Millero算法，把所有經(jīng)延拓后的溫鹽剖面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為聲速剖面。

計算所有經(jīng)延拓后的聲速剖面的聲道特征量，包括聲道軸深度、聲道軸的聲速、聲道厚度、深度余量。聲道軸的聲速是整條聲速剖面中聲速的最小值；聲道軸聲速對應(yīng)的深度位置就是聲道軸；聲道厚度是表面聲速最大值處和深海中與表面聲速最大值相等的聲速所在的位置之間的水層深度；深度余量是聲道厚度層以下到海底之間的水層厚度，聲道特征量示意圖如圖3所示。

按季節(jié)進(jìn)行統(tǒng)計分析，獲得各季節(jié)的聲道特征量的平均值，如表1所示。由表1可見，聲道軸深度變化不大，約在1 000～1 040 m之間，夏季最大，春季、冬季最?。?個季節(jié)的聲道軸處的聲速基本相同，約為1 482 m/s；4個季節(jié)的平均聲道厚度都超過4 500 m，利于深海會聚區(qū)形成。

表1　各季節(jié)聲道特征量的平均值

4.2會聚區(qū)出現(xiàn)概率

形成會聚區(qū)的條件是聲源和接收器兩者必須都置于聲道內(nèi)，并且海水的深度必須足夠大，即滿足一定的深度余量(海底深度與折回聲線最小深度之差)，以便聲線在水下發(fā)生折射、反轉(zhuǎn)而返回海表形成會聚區(qū)；當(dāng)深度較小時，聲線會被海底吸收和反射，抑制了會聚區(qū)的發(fā)生。深度余量可通過聲速剖面結(jié)構(gòu)計算獲得，會聚區(qū)能否發(fā)生主要看海區(qū)的深度余量是否大于或等于最小深度余量，會聚區(qū)的發(fā)生情況隨深度余量的變化而變化。Hanrahan給出了平均深度余量與會聚區(qū)發(fā)生概率的關(guān)系[23]，繪出關(guān)系曲線圖(圖4)。

圖4　會聚區(qū)發(fā)生概率與深度余量的關(guān)系曲線Fig.4　The relation between probability of occurrence convergence zone and depth-excess

本文計算了研究區(qū)經(jīng)深海延拓后每條聲速剖面的深度余量，根據(jù)圖4深度余量與會聚區(qū)發(fā)生概率的關(guān)系曲線，獲得研究區(qū)發(fā)生聲場會聚現(xiàn)象的概率分布，并按季節(jié)分別統(tǒng)計，結(jié)果如表2所示，從表可知，研究區(qū)發(fā)生會聚現(xiàn)象的概率高于50%的占70.6%，會聚現(xiàn)象的發(fā)生概率分布季節(jié)變化較為明顯，四季發(fā)生聲場會聚現(xiàn)象高于50%的概率占比分別為90.5%、47.7%、65.0%、85.7%，說明春季、冬季極易發(fā)生聲場的會聚現(xiàn)象，秋季次之，夏季概率最小。

表2　研究區(qū)會聚區(qū)發(fā)生概率分布Tab.2　The distribution of convergence zone occurrence probability

5　會聚區(qū)特征季節(jié)變化

采用WOA13氣候態(tài)數(shù)據(jù)集對研究區(qū)春、夏、秋、冬4個季節(jié)的平均聲速剖面進(jìn)行深海方向上的聲速延拓，延拓到研究區(qū)的平均深度5 500 m，把4個季節(jié)的聲速剖面分別輸入RAMGeo模型中進(jìn)行聲場傳播損失仿真試驗，獲取會聚區(qū)特征量。模式采用的參數(shù)如下：聲源頻率100 Hz，聲源深度100 m，海水密度1 024 kg/m3，海底聲速1 520 m/s，海底吸收系數(shù)1.17 dB/λ，傳播距離200 km。

圖5給出了春季平均聲速剖面及RAMGeo模型預(yù)報的聲傳播損失圖，從圖中可見在200 km傳播范圍內(nèi)，有3個明顯的聲場會聚區(qū)。根據(jù)仿真結(jié)果，提取接收深度10 m時的傳播損失，圖6為春季10 m接收深度的聲傳播損失曲線，提取會聚區(qū)的距離、寬度和增益3個特征量。獲得4個季節(jié)當(dāng)接收深度為10 m時的前3個會聚區(qū)的特征量，如表3所示。從表3可知，第一會聚區(qū)，離聲源的距離在61～64 km左右，秋季離聲源最近，春、冬季較遠(yuǎn)；會聚區(qū)寬度上夏季最寬為10 km，春季最窄為4.6 km；會聚區(qū)增益分布特點與會聚區(qū)寬度剛好相反，春季最大為14.6 dB，夏季最小為8.5 dB，季節(jié)變化較為明顯。第二、第三會聚區(qū)的距離4個季節(jié)較為接近，寬度和增益的季節(jié)變化與第一會聚區(qū)一致，春季和冬季的會聚區(qū)增益明顯比夏季和秋季強(qiáng)。

圖5　春季聲速剖面及傳播損失圖Fig.5　The sound-speed profile and sound propagation loss in spring

圖6　春季10 m接收深度的傳播損失曲線Fig.6　The sound propagation loss in spring when the receiver depth is 10 m

季節(jié)第一會聚區(qū)第二會聚區(qū)第三會聚區(qū)距離/km寬度/km增益/dB距離/km寬度/km增益/dB距離/km寬度/km增益/dB春季63746146126664179189568198夏季624100851259921041896105110秋季6178510512481141091914135113冬季638521421269721701899100188

6　結(jié)論

本文利用2010—2013年的Argo浮標(biāo)觀測資料對呂宋海峽東部海域的會聚區(qū)特征進(jìn)行綜合研究，得到如下結(jié)論：

(1)呂宋海峽東部海域4個季節(jié)表面的聲速從大至小依次為夏季、秋季、春季和冬季；4個季節(jié)的混合層深度從大至小依次為冬季、秋季、春季和夏季。

(2)采用WOA13氣候態(tài)數(shù)據(jù)對Argo溫鹽剖面進(jìn)行深海延拓，獲得全海深的聲速剖面，分析4個季節(jié)的聲道特征。研究區(qū)聲道軸深度和聲速較為穩(wěn)定，聲道軸深度在1 000～1 040 m之間，聲道軸處的聲速為1 482 m/s，4個季節(jié)的平均聲道厚度都超過4 500 m，利于會聚區(qū)形成。

(3)呂宋海峽東部海域易發(fā)生會聚區(qū)現(xiàn)象，發(fā)生深海會聚現(xiàn)象概率的季節(jié)變化很明顯，春季、冬季發(fā)生會聚現(xiàn)象概率高于50%的占比分別為90.5%、85.7%，秋季、夏季的占比分別為65.0%、47.7%。

(4)當(dāng)聲源深度100 m，接收深度10 m時，呂宋海峽東部海域第一會聚區(qū)，離聲源的距離，秋季離聲源最近，春季、冬季較遠(yuǎn)；會聚區(qū)寬度，夏季最寬，春季最窄；會聚區(qū)增益分布特點與會聚區(qū)寬度剛好相反，春季最大，夏季最小，故進(jìn)行目標(biāo)探測定位時可利用的會聚區(qū)探測區(qū)域夏季最大，春季最小，探測強(qiáng)度則剛好相反。第二、第三會聚區(qū)的距離4個季節(jié)較為接近，寬度和增益的季節(jié)變化特征與第一會聚區(qū)一致，春季和冬季的增益明顯強(qiáng)于夏季和秋季。

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Analysis the characteristics of convergence zone in the east of Luzon Strait based on Argo data

Ruan Hailin1，Yang Yanming1，Niu Fuqiang1，Wen Hongtao1

(1.ThirdInstituteofOceanography，StateOceanicAdministration，Xiamen361005，China)

Argo data from 2010 to 2013 was used to analyze the convergence zone’s features in the east of Luzon strait(19°～23°N，123°～127°E). The results as shows: (1)The acoustic velocity near ocean surface in seasons were ranked from large to small: summer，autumn，spring and winter. The maximum acoustic velocity is 1 543.5 m/s in summer while the minimum is 1 533.4 m/s in winter. The mixed layer depth in seasons were ordered from large to small as followed: winter，autumn，spring and summer. (2)The WOA13 climatological data was used to prolong the sound velocity profiles to seafloor. Analysis the features of sound channel in seasons.The depth and sound velocity of sound channel axis were stabilized. The depth was in 1 000 to 1 040 m，the sound velocity of sound channel axis is 1 482 m/s. The length of sound channel more than 4 500 m in all four seasons，it was beneficial to formed convergence zone. (3)The study area formed convergence zone surely，the probability which is more than 50% accounted for 70.6%. The occurrence probability of convergence zone was seasonal variation significantly，spring and winter is more likely to formed，summer is least. (4)The RAMGeo acoustic forecast model was used to simulate the four seasons’ acoustic transmission loss in the east of Luzon strait，obtained the seasonal variation of the convergence zone in the study area. While the source depth is 100 m，the receiver depth is 10 m: the first convergence zone，the distance from sound source is 61 to 64 km，the nearest distance is in summer，while the farther is in spring and winter. The convergence-wide，the maximum is 10 km in summer，while the minimum is 4.6 km in spring. The distribution of convergence-gains is opposite with convergence-wide in seasons，the strongest is 14.6 dB in spring，while the least is 8.5 dB in summer．

east of Luzon Strait;convergence zone; sound speed profile; seasonal variation

10.3969/j.issn.0253-4193.2015.07.008

2014-10-08；

2015-03-15。

國家海洋局第三海洋研究所基本科研業(yè)務(wù)費專項資助項目(海三科2011008，海三科2014018)。

阮海林(1985—)，男，福建省仙游縣人，助理研究員，從事海洋遙感研究。E-mail:ruanhailin@tio.org.cn

*通信作者：楊燕明(1966—)，研究員，從事海洋聲學(xué)研究。E-mail:yangyanming@tio.org.cn

P733.2

A

0253-4193(2015)07-0078-07

阮海林，楊燕明，牛富強(qiáng)，等. 基于Argo數(shù)據(jù)的呂宋海峽東部海域的會聚區(qū)特征分析[J]. 海洋學(xué)報，2015，37(7): 78-84，

Ruan Hailin，Yang Yanming，Niu Fuqiang，et al. Analysis the characteristics of convergence zone in the east of Luzon Strait based on Argo data[J]. Haiyang Xuebao，2015，37(7): 78-84，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2015.07.008