基于圖表法的南海北部表面聲道分布與成因分析

占鑫偉，屈 科*，劉宏偉，謝金懷

（1．廣東海洋大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，廣東 湛江 524088；2. 中國船舶重工集團(tuán)公司第七一六研究所，江蘇 連云港 222136）

表面聲道的主要特征是聲速從海面開始隨著深度的增加而單調(diào)增加，可以使聲能量不與海底作用，減少損耗，形成聲波導(dǎo)，使聲能量遠(yuǎn)距離傳播。表面聲道對于聲吶使用、近海潛艇作戰(zhàn)保障有著重大的研究意義。

對于表面聲道的聲傳播特性，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展了相關(guān)研究。例如，Schulkin M[1]提出海面聲道傳播中聲速損失的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式；Pedersen M A[2]對射線理論和模態(tài)理論計(jì)算的傳播損耗進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)值比較，張旭等[3]研究了我國近海的混合層結(jié)構(gòu)變化對表面聲道中聲傳播特性的影響。但是，現(xiàn)有工作主要集中在理論模型、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃吐晥鎏卣髁坑?jì)算等方面[4-11]，缺少對我國南海北部表面聲道分布與成因的分析研究等實(shí)際性應(yīng)用。此外，我國南海北部存在黑潮、上升流、洋流、渦旋、季風(fēng)、臺(tái)風(fēng)、地勢等多種因素作用的復(fù)雜海洋環(huán)境，聲道分布及成因較復(fù)雜，亟待研究。為填補(bǔ)這一方面的空白，本文結(jié)合南海北部遙感數(shù)據(jù)，通過應(yīng)用一種圖表法[12]對南海北部聲道的季節(jié)分布進(jìn)行分析，并結(jié)合分布規(guī)律對成因進(jìn)行了分析，給出了關(guān)于聲道分布與成因的初步結(jié)論。

1 方法與示例

1. 1 圖表法

表面聲道（Surface Sound Duct，SSD）主要受溫度梯度、鹽度梯度、靜水壓力梯度變化影響，通過比較分析各因素對聲速剖面影響，可以對聲道的成因建立定量的分析。由Medwin H[13]聲速經(jīng)驗(yàn)公式，聲速可以表示為溫度、鹽度、深度的函數(shù)：

式中：T 為溫度，℃；S 為鹽度，psu；z 為深度，m。SSD 中聲速梯度為正，即，聲能量向海表面折射。慮聲道形成的各因素，式子可寫成：

將式（1）代入式（2）得出SSD 的表達(dá)式：

其中，

在式（3）中的溫度梯度Tz、鹽度梯度和壓力梯度Sz(常量)導(dǎo)致了聲速隨深度的變化。式（4）中鹽度項(xiàng)的影響遠(yuǎn)小于其他項(xiàng)，可以忽略不計(jì)。β 和γ 可以作為鹽度梯度和和溫度梯度的權(quán)系數(shù)，取決于溫度。從溫度梯度和鹽度梯度的角度來看，SSD 的形成條件可表示為：

在以溫度梯度和鹽度梯度為橫縱坐標(biāo)的二維平面中，式（6）可以表示成一條閾值線，如圖1中的斜線所示。平面被閾值線劃分為兩個(gè)區(qū)域：彩色區(qū)域和無色區(qū)域，分別位于閾值線上方和下方。當(dāng)溫鹽梯度測量值位于彩色區(qū)域時(shí)，滿足式（6），既表示相應(yīng)的深度中存在SSD。相反，若一個(gè)梯度測量值位于下方無色區(qū)域，則此深度就不存在SSD。通過對應(yīng)深度點(diǎn)的梯度數(shù)值點(diǎn)在平面上所處區(qū)間就可以對SSD 是否存在進(jìn)行判斷。

1. 2 數(shù)據(jù)示例

本 文 使 用2004 年10 月3 日 于22°41′ N，113°8′ E 獲得的溫鹽深儀數(shù)據(jù)示范圖表方法的應(yīng)用。在測量期間，位于南海的冷涌迅速向南傳播。由于強(qiáng)烈的東北季風(fēng)，海水垂直方向混合增強(qiáng)，混合層深度達(dá)到了43 m。冷空氣帶走了上層海水的熱量，導(dǎo)致混合層存在輕微的正溫度梯度。珠江的沖淡水位于14 m 以上的深度，平均鹽度梯度約為0.2 psu/m。海洋上層形成了43 m 的聲速正梯度層，溫度、鹽度、聲速剖面如圖1 所示。

為了解海洋控制SSD 形成的物理機(jī)制，可以利用式（6）對聲道進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化為如下4個(gè)類別：

靜水壓力聲道（藍(lán)色區(qū)域）：靜水壓力是該區(qū)域聲道形成的主要因素。區(qū)域由閾值線Sz=-0.016/γ 及Tz=0.016/β 包圍。

鹽度聲道（綠色區(qū)域）：正鹽度梯度是該區(qū)域聲道聲道形成的主要因素。區(qū)域由閾值線Sz=-0.016/γ 及Tz=0 包圍。

溫度聲道（橙色區(qū)域）：正溫度梯度是該區(qū)域聲道聲道形成的主要因素。區(qū)域由閾值線Tz=0,Sz=0 包圍。

混合聲道（黃色區(qū)域）：所有因素都有助于形成聲道，而溫度和鹽度的影響大于靜壓。該區(qū)域位于靜水壓力區(qū)域上方并被閾值線Sz=-0.016/β和Tz=0 包圍。

圖1 溫鹽剖面、聲速剖面和圖表法圖

對示例數(shù)據(jù)的聲道判斷如圖1 所示?？梢钥吹?3 m 以后的點(diǎn)就在閾值線下，所以聲道深度為43 m。聲道內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)分為兩個(gè)類型：混合聲道位于上層，由溫度梯度、鹽度梯度、靜水壓力的共同作用形成；靜水壓力聲道位于下層海水，靜水壓力是聲道形成的主要因素。

2 南海北部聲道分布及成因分析

2. 1 遙感數(shù)據(jù)

本文遙感數(shù)據(jù)來源為歐洲航天局（ESA）下屬的哥白尼海洋環(huán)境監(jiān)測中心提供的衛(wèi)星遙感再分析數(shù)據(jù)（Global Ocean 1/12°Physics Analysis And Forecast Updated Daily），其海面分辨率為0.083°×0.083°，日更新，包括溫度、鹽度和深度。本文選取了2018 年4 月27 日，8 月4 日，9 月20日，1 月4 日的剖面數(shù)據(jù)對南海北部春夏秋冬季分布特性進(jìn)行分析。

2.2 四季聲道分布圖

2.2.1 春季聲道分布圖 春季典例南海北部聲道分布如圖2 所示。鹽度聲道與少量混合聲道出現(xiàn)于珠江口附近和臺(tái)灣南部沿岸，靜壓聲道出現(xiàn)于臺(tái)灣西部、南海東部。

珠江口周圍有鹽度聲道和少量混合聲道產(chǎn)生，珠江河口為河流與海洋的結(jié)合區(qū)域，河流受淡水徑流控制，近岸海域多為鹽度較高的內(nèi)陸架水體所控制，而河口周圍為低鹽度水與較高鹽度海水相互混合、稀釋的過渡區(qū)域，若徑流足夠強(qiáng)大，密度大的海水與上游來的淡水在河口地區(qū)逐漸混合，并形成向外海排泄的沖淡水，該過程導(dǎo)致海水鹽度下降產(chǎn)生鹽度聲道，并且是珠江口鹽度聲道成因重要因素。春季珠江口就有沖淡水現(xiàn)象，珠江口外沖淡水體明顯具有低鹽的特征[14]，導(dǎo)致鹽度下降，聲速隨深度的變化，與上升流相互作用，產(chǎn)生鹽度聲道、混合聲道，受季風(fēng)影響向東西兩岸擴(kuò)散。春季為南海從東北季風(fēng)向西南季風(fēng)轉(zhuǎn)換的過渡時(shí)期，但是殘留的東北季風(fēng)仍然具有一定的強(qiáng)度，臺(tái)灣西部、南海東部受到海面風(fēng)的影響，導(dǎo)致上層海水產(chǎn)生較強(qiáng)的混合，形成一定深度的混合層，產(chǎn)生靜水壓力聲道。

圖2 春季典例表面聲道分布圖

2.2.2 夏季聲道分布圖 夏季典例南海北部聲道分布如圖3 所示。珠江口周圍以及向東方向拓展有鹽度聲道呈“舌狀”分布，臺(tái)灣西南沿岸有鹽度聲道、混合聲道出現(xiàn)。臺(tái)灣淺灘有少量靜壓聲道出現(xiàn)。

珠江流域的徑流量隨季節(jié)變化而變化，有明顯的雨季與旱季，因沖淡水而產(chǎn)生的聲道范圍也主要受其影響。相較于春季，夏季降水量增加，珠江口即周圍河流徑流量明顯增大，沿岸河口向南海沖淡水，導(dǎo)致珠江口沖淡范圍劇增，鹽度下降，生成鹽度聲道。龐海龍[14]通過分析斷面調(diào)查的鹽度數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)夏季，粵東沿岸流流向東北，流量幅度寬，甚至達(dá)到臺(tái)灣海峽。夏季是南海西南季風(fēng)最為強(qiáng)盛的時(shí)期，珠江口沖淡方向?yàn)闁|北，主要受到西南季風(fēng)的影響。上升流是整個(gè)南海北部陸架區(qū)夏季的普遍現(xiàn)象[15]，臺(tái)灣南部沿岸與珠江沿岸受西南風(fēng)驅(qū)動(dòng)上層水產(chǎn)生離岸運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生上升流，區(qū)域次表層高鹽度水體被帶至表層，導(dǎo)致鹽度上升，產(chǎn)生鹽度聲道。夏季風(fēng)力相較于春季明顯減弱，只有小范圍臺(tái)灣淺灘受風(fēng)影響產(chǎn)生了靜壓聲道，整體靜壓聲道相較于春季削弱明顯。

圖3 夏季典例表面聲道分布圖

2.2.3 秋季聲道分布圖 秋季典例南海北部聲道分布如圖4 所示。珠江口以東方向與西方向有鹽度聲道分布。臺(tái)灣海峽南部有鹽度聲道分布。遠(yuǎn)深海地區(qū)有靜壓聲道分布。

秋季為南海從西南季風(fēng)向東北季風(fēng)轉(zhuǎn)換的過度時(shí)期，從9 月開始東北季風(fēng)逐月加強(qiáng)，導(dǎo)致南海中東部有較大范圍海域上層海水混合，產(chǎn)生靜壓聲道，相較于春季范圍增加明顯。在東北季風(fēng)逐漸加強(qiáng)的同時(shí)珠江徑流逐月減少，珠江沖淡水逐漸向岸邊退縮，并且在東北季風(fēng)的驅(qū)動(dòng)下主要向粵西擴(kuò)散，導(dǎo)致沿岸鹽度下降，產(chǎn)生鹽度聲道，主要分布在珠江口以西沿岸，少量分布珠江口以東[15]。

圖4 秋季典例表面聲道分布圖

2.2.4 冬季聲道分布圖 冬季典例南海北部的聲道分布如圖5 所示。珠江口有少量鹽度聲道分布，粵東沿岸、臺(tái)灣東南部有混合聲道出現(xiàn)。南海北部有大范圍的靜壓聲道出現(xiàn)。

珠江口仍有沖淡水現(xiàn)象，由于珠江仍處在枯水期，徑流量小，相較于其它季節(jié)只有小范圍海域鹽度下降，產(chǎn)生了鹽度聲道，四季中沖淡水產(chǎn)生的鹽度聲道范圍最小?；洊|沿岸有上升流現(xiàn)象，導(dǎo)致溫度下降、鹽度上升，產(chǎn)生了混合聲道。冬季是南海東北季風(fēng)最為強(qiáng)盛時(shí)期，南海北部受東北季風(fēng)影響，上層海水產(chǎn)生混合，產(chǎn)生了大范圍的靜壓聲道，幾乎覆蓋了南海北部。

圖5 冬季典例表面聲道分布圖

3 結(jié) 論

南海北部聲道靜壓聲道冬季分布最廣，春秋季相較于冬季有所縮減，夏季分布最少。夏季由于上升流產(chǎn)生的鹽度聲道、混合聲道分布較廣，春秋冬季較少。珠江沖淡水的產(chǎn)生的鹽度聲道也有較大分布范圍，夏季分布范圍最廣，秋、春、冬季依次減少。

中部深海區(qū)主要為靜壓聲道，冬季最為明顯，秋夏季其次，夏季最弱，主要成因?yàn)榧撅L(fēng)現(xiàn)象導(dǎo)致上層海水混合，產(chǎn)生靜壓聲道，具有明顯的季節(jié)性規(guī)律。珠江口周圍主要為鹽度聲道，沖淡水導(dǎo)致海水鹽度下降產(chǎn)生鹽度聲道，是珠江口周圍形成鹽度聲道的重要因素。珠江徑流量受季節(jié)變化影響，有明顯的雨季與枯季，沖淡水而產(chǎn)生的聲道范圍也主要受其影響。春秋東季為枯水季，珠江口附近的鹽度聲道范圍小，夏季珠江口附近的鹽度聲道范圍最最大，由于雨季降水量增大導(dǎo)致珠江巨量徑流入海對附近海域的沖淡作用極為明顯，產(chǎn)生大范圍鹽度聲道呈現(xiàn)“水舌”狀。珠江沖淡水所產(chǎn)生的表面聲道擴(kuò)散路徑主要受季風(fēng)所主導(dǎo)，夏季受西南季風(fēng)主導(dǎo)，擴(kuò)散方向?yàn)闁|北方向，春秋季為季風(fēng)過渡時(shí)期，向兩岸擴(kuò)散受，以西為主。廣東省東部沿岸、臺(tái)灣南部沿岸主要為鹽度聲道、混合聲道，主要成因?yàn)樯仙?。南海北部上升流是一種季節(jié)性上升流，該上升流的形成與消亡主要取決于南海北部的風(fēng)場變化。

SSD 是一種可用于遠(yuǎn)程傳播的聲道，在南海的沖淡水區(qū)域中，例如珠江口，它是唯一有效的聲道。了解SSD 形成的時(shí)間特性和分布特性有利于對海表面布放的發(fā)射與接收聲吶設(shè)備性能進(jìn)行估計(jì)。根據(jù)區(qū)域表面聲道的分布特性進(jìn)行聲吶系統(tǒng)布放，可以有效提升設(shè)備工作距離，提供性能增益。