菲律賓海中部海域聲速剖面結(jié)構(gòu)及季節(jié)性變化

李攀峰，顏中輝，杜潤林，孫波，劉李偉，楊源，于得水

1. 中國地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所，青島 266071

2. 海洋國家實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評價(jià)與探測技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室，青島 266071

聲波在海水中的傳播速度主要由海水水溫、鹽度、壓強(qiáng)等要素所決定，海水聲速剖面則反映了局部海區(qū)垂直方向上的結(jié)構(gòu)特征[1]。海洋聲速對海水深度精確測量、海洋災(zāi)害預(yù)警等方面起著十分重要的作用，同時也是海上軍事活動最重要的參數(shù)，很大程度上影響著軍事活動的策劃和行動等[2]。不同海域，由于受海流和大氣環(huán)流等因素的影響，聲速的垂直結(jié)構(gòu)各不相同，水平方向的分布也不均勻，并隨季節(jié)更替發(fā)生改變。

菲律賓海是毗鄰中國大陸的一個獨(dú)特海域，位于西太平洋邊緣，四周被島弧和海溝包圍，也是西太平洋最大的邊緣海盆[3]。菲律賓海不僅是太平洋與印度洋之間的交通要道,也是亞洲國家水路通往美洲和大洋洲的主要海上通道，其經(jīng)濟(jì)、軍事地位十分重要[4]。國內(nèi)外已有多個學(xué)者對菲律賓海的海水聲速結(jié)構(gòu)和特征進(jìn)行了分析，比如張旭在菲律賓海分別選取了3個海域進(jìn)行了聲速剖面結(jié)構(gòu)特征及季節(jié)性變化討論[4]；曹震卿選擇西太平洋第一、第二島鏈間海區(qū)6個位置點(diǎn)，分析聲速剖面數(shù)據(jù)并在設(shè)定條件下利用模型仿真分析了聲傳播情況[5]；程琛分析了 18°～23°N、130°～135°E 范圍內(nèi)夏季匯聚區(qū)聲場特征，探討了能量傳播損失情況[6]；王彥磊利用2006年Argo資料計(jì)算了西北太平洋海域0～1 500 m聲速剖面，并模擬了典型聲速結(jié)構(gòu)的聲傳播損失場[7]；Bingham F M，Munk W H對西太平洋的混合層、溫躍層、深海聲道等參數(shù)進(jìn)行了初步分析[8-9]。

以往學(xué)者利用Argo浮標(biāo)構(gòu)建了西太平洋三維聲速場，并分析了聲速時空分布及季節(jié)性變化，也在聲傳播損失場等方面取得了較為完善的認(rèn)識，但因研究年代較早尚存在如下不足：一是菲律賓海Argo浮標(biāo)數(shù)量較少，對菲律賓海中部海域聲速結(jié)構(gòu)的認(rèn)識不夠充分；二是菲律賓海地形地貌復(fù)雜多變，但以往文章均未分析地形對海域聲速的影響情況。本文選取該海域2019年全年的Argo浮標(biāo)試圖對上述問題進(jìn)行分析探討。

圖1 研究區(qū)范圍及水深地形圖Fig.1 Bathymetric map showing the survey area

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于菲律賓海中部，坐標(biāo)范圍為12°～30°N、126°～144°E，面積達(dá)397.4 萬km2，占整個菲律賓海的65%以上。采用GEBCO（The General Bathymetric Chart of the Oceans）精度為15 s的DEM數(shù)據(jù)繪制了研究區(qū)的水深地形圖（圖1）。

研究區(qū)主要發(fā)育西菲律賓海盆、九州-帕勞海脊、帕里西維拉海盆、四國海盆、伊豆-博寧-西馬里亞納島弧等[3,8-12]。西菲律賓海盆位于菲律賓海西部，水深為5 000～6 000 m。海盆中央被NW-SE向延伸的中央海盆擴(kuò)張中心所分割，該擴(kuò)張中心水深最深處超過7 700 m；東北部發(fā)育與中央裂谷走向近乎平行的沖大東海嶺、大東海脊、奄美海臺等。帕里西維拉海盆、四國海盆位于菲律賓海東部，二者以索夫干斷裂為分界，水深為4 000～5 500 m，最深處位于已停止活動的中央裂谷處，局部水深超過7 100 m[13]。帕里西維拉海盆在中央裂谷以西水深較深，盆底為丘狀起伏，地形大致呈NNE向弧形的雁形排列；中央裂谷以東水深一般較西部淺300～500 m，地形相對較為平坦，應(yīng)與西馬里亞納島弧火山碎屑物質(zhì)覆蓋海底有關(guān)。四國海盆水深為4 000～5 000 m，且表現(xiàn)為南深北淺，從地化參數(shù)分析其為典型的陸源沉積，物源主要來自日本島[14]。九州-帕勞海脊目前學(xué)術(shù)界多認(rèn)為其為殘留島弧，測年數(shù)據(jù)顯示23 Ma左右已經(jīng)停止了活動[12]。海脊總長約2 900 km，兩側(cè)有明顯的不對稱性，西坡平緩而東坡較為陡峭；從展布方向上可明顯劃分為4 段，26°44′N 以北為一段，走向約為 146°；23°23′～26°44′N 為一段，走向約為 156°；14°36′～23°23′N為一段，走向約為 198°；14°36′N 以南為一段，走向約為 176°。

2 資料和方法

2.1 資料獲取

Argo觀測系統(tǒng)由大量布放在全球海洋中自由漂移的Argo剖面浮標(biāo)組成，大部分浮標(biāo)的停留深度為1 000 m，定期下潛到2 000 m深度然后上浮至海面，在下潛上浮的過程中會采集海水溫度、鹽度等核心數(shù)據(jù)[15]。中國Argo實(shí)時資料中心2020年1月更新發(fā)布了經(jīng)過質(zhì)量控制后的全球海洋Argo散點(diǎn)資料集（V3.0）（網(wǎng)址為ftp://ftp.argo.org.cn/pub/ARGO/global/），該數(shù)據(jù)集包含1997—2019年全球的Argo浮標(biāo)數(shù)據(jù)。首先利用計(jì)算機(jī)自動檢驗(yàn)完成MEDD尖峰檢測、Racape毛刺檢測和氣候態(tài)檢測等16個步驟，然后通過專業(yè)人員逐一審核溫度鹽度瀑布、T-S曲線和浮標(biāo)漂移軌跡等圖件進(jìn)行質(zhì)量控制，從而確保數(shù)據(jù)的可靠性[16]。

本文選取研究區(qū)2019年全年的Argo剖面，提取水溫、鹽度、壓力值進(jìn)行海水聲速的分析和研究。觀察發(fā)現(xiàn)編號以290開頭的浮標(biāo)采集時間間隔一般為5 d，某些站位會縮短為1～4 d；編號以590開頭的浮標(biāo)采集時間間隔一般為10 d。

2.2 資料整理

利用Python編程對獲取的2019年全球數(shù)據(jù)按研究區(qū)范圍進(jìn)行了裁剪，并按照春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）、冬季（12月，1—2月）對站位進(jìn)行了整理，具體站位見圖2。

2.3 聲速計(jì)算

聲速計(jì)算采用Wilson第二方程式[17]，該方程式在適用范圍內(nèi)測量精度可達(dá)0.3 m/s[18-19]；Argo浮標(biāo)中壓強(qiáng)與水深的換算采用Saunders推導(dǎo)的經(jīng)驗(yàn)公式[20]。

2.4 聲速插值

研究區(qū)Argo浮標(biāo)采集深度大多為10～2000 m，100 m以淺提取20、50、100 m作為標(biāo)準(zhǔn)層；100 m以深提取 200、300、400、…、1 800、1900 m作為標(biāo)準(zhǔn)層。采用線性函數(shù)對標(biāo)準(zhǔn)層的聲速值插值后進(jìn)行聲速場的分析研究。

3 結(jié)果

3.1 聲速剖面的結(jié)構(gòu)及季節(jié)性變化

選擇研究區(qū)不同區(qū)域的浮標(biāo)站位（圖3），每個站位分別提取1月、4月、7月和10月的聲速剖面分析垂向結(jié)構(gòu)特征。圖中a為2903326號浮標(biāo)，b為2903332號浮標(biāo)，c為5903808號浮標(biāo)，d為2902703號浮標(biāo)；d區(qū)域由于該浮標(biāo)8月份以后無數(shù)據(jù)，缺失10月份的聲速剖面。

站位具體的聲速剖面結(jié)構(gòu)見圖4，從圖中可知研究區(qū)的聲速結(jié)構(gòu)為典型的三層結(jié)構(gòu)，上層為混合層，聲速一般為正梯度變化，在某個深度范圍內(nèi)出現(xiàn)表層聲速極大值；接著隨深度增加聲速值逐漸變小，到1 000 m左右時出現(xiàn)聲速極小值，此極小值也被定義為聲道軸。在聲速極大值與聲道軸之間聲速為負(fù)梯度變化，為主躍變層。主躍變層根據(jù)梯度大小一般可劃分為兩層結(jié)構(gòu)，上層聲速變化較慢，梯度小，該躍變層的底界深度隨著季節(jié)變化而變化，一般春、夏季節(jié)深，而秋、冬季節(jié)淺；下層上部水深聲速梯度較大，下部隨著接近聲道軸位置聲速梯度急劇變小，聲速曲線趨于收斂。聲道軸以下為深海等溫層，水溫為2～4 ℃，聲速值主要受壓力影響，聲速梯度為正值，且梯度值較小，聲速緩慢增大。值得注意的是，混合層聲速為正梯度變化，主躍變層聲速為負(fù)梯度變化，當(dāng)正負(fù)梯度共同作用且正梯度在上層時會產(chǎn)生一種特殊的傳播模式，聲線會在該分層界面處分開，混合層內(nèi)會向上偏轉(zhuǎn)，當(dāng)進(jìn)入下層海水時會向下偏轉(zhuǎn)，這個邊界稱為“聲層”，最大聲速對應(yīng)的深度為層深。在超過某個極小的范圍以外時，從聲源發(fā)出的聲線將永遠(yuǎn)無法觸及恰好在層下方的區(qū)域，該區(qū)域稱為“聲影區(qū)”，適合于潛艇的隱蔽行為。

圖2 研究區(qū)2019年Argo浮標(biāo)站位圖a. 春季，b. 夏季，c. 秋季，d. 冬季。Fig.2 Location map of Argo buoys in 2019a. Spring, b. Summer, c. Autumn, d. Winter.

圖3 浮標(biāo)站位位置圖Fig.3 Location map of Argo buoys

從位置分析，區(qū)域a、b、c浮標(biāo)位于20°N以北，聲速結(jié)構(gòu)相似，混合層厚度一般為100 m以內(nèi)；聲道軸深度約為1 000 m，主躍變層厚度約為400～500 m。區(qū)域d浮標(biāo)聲速結(jié)構(gòu)與前3個區(qū)域明顯不同，混合層以下季節(jié)性躍變層較薄，一般為100 m左右；聲道軸深度約為800 m，主躍變層較厚，厚度約600 m。該區(qū)域聲道軸的深度較小可能與自東向西的北赤道暖流到達(dá)菲律賓沿岸分叉向南偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生的棉蘭老渦旋以及棉蘭老島離岸東南方向反氣旋渦旋產(chǎn)生的棉蘭老潛流[21-22]有關(guān)。

圖4 典型聲速結(jié)構(gòu)圖a、b、c、d為圖3浮標(biāo)站位區(qū)域。Fig.4 Structure maps of sea water sound velocitya, b, c and d represent the respective buoys.

3.2 聲層水平分布及季節(jié)性變化

海洋表面由于熱量、淡水交換（強(qiáng)迫場）等作用會形成混合層，而聲層深度反映了混合層的厚度，隨區(qū)域和季節(jié)變化明顯，其厚度是決定聲傳播性能的最重要指標(biāo)[15]。研究區(qū)聲層的深度隨季節(jié)變化明顯，冬季最深，一般為50～120 m；春季較深，一般為20～100 m；秋季較淺，一般為30～70 m；夏季最淺，一般都小于50 m（圖5）。

3.3 聲道軸水平分布及季節(jié)性變化

聲源位于聲道軸附近時，在一定角度范圍內(nèi)射出的聲線被限制于聲道內(nèi)傳播，這部分聲線不受海面散射和海底反射，聲信號傳播很遠(yuǎn)，因此聲道軸可用于建立海上救助系統(tǒng)、海嘯預(yù)報(bào)系統(tǒng)及測定導(dǎo)彈濺落位置等。同時深海聲道的存在致使海水速度結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，聲道軸上部聲速因海水溫度的升高而變大，聲道軸下部聲速隨海水壓力增大而變大，從而會影響到地震波的振幅，在做海洋地震資料處理時，就要考慮深海聲道的影響，否則會影響偏移剖面的能量顯示[23]。

研究區(qū)為典型的深海聲道，聲道軸基本為900～1 100 m，大致呈現(xiàn)南部較淺、北部較深，并隨季節(jié)更替出現(xiàn)較小變化（圖6）。其中四國海盆及奄美海盆海域聲道軸較深，為1 100～1 200 m，而中央海盆擴(kuò)張中心以南到九州-帕勞海脊以西海域聲道軸較淺，基本都在900 m以下，特別是菲律賓海溝海域變淺到600～700 m。春季16°N以南、帕勞海脊以西海域聲道軸為800～900 m；帕里西維拉海盆18°N以南、帕勞海脊以東有一NW-SE向舌狀海域聲道軸為1 000～1 200 m，舌尖向帕勞海脊延伸；22°N以北海域聲道軸基本為1 000～1 200 m。夏季聲道軸1 000 m等深線向北延伸，最北到達(dá)25°N；中央海盆擴(kuò)張中心以南海域聲道軸為600～900 m；奄美海盆東部海域聲道軸最深達(dá)1 000～1 200 m。秋季研究區(qū)大部分海域的聲道軸為700～1 000 m，并在西馬里亞納島弧海域、帕勞海脊南部海域、西菲律賓海盆西南部海域出現(xiàn)3個聲道軸深度較淺海域，為700～900 m；四國海盆北部海域聲道軸最深，為1 140～1 200 m。冬季24°N以南海域聲道軸在1 000 m以下，其中西菲律賓海盆16°N以南海域聲道軸為600～900 m。

圖5 聲層平面分布圖a. 春季，b. 夏季，c. 秋季，d. 冬季。Fig.5 Plane distribution of sonic layera. Spring, b. Summer, c. Autumn, d. Winter.

4 討論

4.1 聲速場垂向的季節(jié)性變化

利用插值獲得的標(biāo)準(zhǔn)層聲速值，統(tǒng)計(jì)了不同季節(jié)聲速的變化范圍、平均值及標(biāo)準(zhǔn)差（表1）。通過中心化處理得到各季節(jié)標(biāo)準(zhǔn)層平均聲速值的差值，反映聲速值在垂向上的季節(jié)性變化（圖7a），標(biāo)準(zhǔn)差反映了各季節(jié)不同深度聲速變化程度（圖7b）。

圖6 聲道軸平面分布圖a. 春季，b. 夏季，c. 秋季，d. 冬季。Fig.6 Plane distribution of sound channel axisa. Spring, b. Summer, c. Autumn, d. Winter.

結(jié)合表1和圖7可以看出聲速在垂向上變化特點(diǎn)為：100 m以淺受季節(jié)變化影響較大，其中聲速值夏秋季節(jié)較大，春冬季節(jié)較小，聲速季節(jié)性變化超過6 m/s；在約100 m處聲速交匯于一點(diǎn)；100～800 m聲速變化較小，不超過2 m/s，且表現(xiàn)為春、夏季基本一致，100～300 m范圍秋冬季節(jié)基本一致，500 m以深冬季聲速最大且秋季聲速明顯變??；800 m以深聲速季節(jié)性變化逐漸減弱。200 m以深全區(qū)聲速變化逐漸增加，400～500 m最為劇烈，變化幅度為35～40 m/s；800 m以深聲速變化逐漸減小，1 200 m以深全區(qū)聲速基本一致，變化幅度為2～5 m/s。

4.2 聲速水平分布特征

各深度聲速水平變化基本與溫度變化一致。20 m全區(qū)位于混合層內(nèi)，聲速值基本表現(xiàn)為南高北低，主要原因是海水溫度南高北低所致；以1 535 m/s等聲速線（基本為24°N）為界，南部聲速梯度小，變化緩慢，北部聲速梯度大，變化較快，如圖8a。大約從200 m開始從西南海域出現(xiàn)聲速低異常區(qū)，到300～400 m時異常區(qū)范圍擴(kuò)大，同一位置聲速下降梯度可達(dá)0.1 s-1，至500 m以深聲速梯度才基本回歸正常（圖8b、c）。由于該冷水流的存在致使200～700 m范圍內(nèi)聲速值基本表現(xiàn)為南低北高，與表層聲速變化規(guī)律相反；聲速變化與溫度相關(guān)度極高，推測原因是棉蘭老潛流[22]攜帶深層冷水流向淺層所致。800～1 100 m范圍內(nèi)聲速值表現(xiàn)為中間高四周低。1 200 m以深聲速水平方向變化減小，隨深度增加變化幅度減小，基本表現(xiàn)為南高北低的分布特征（圖8d）。大約200 m以淺伊豆-博寧海溝與四國海盆東之間出現(xiàn)一處聲速低異常區(qū)，水深越淺影響范圍越小，至20 m深度處，異常區(qū)西界已東縮至伊豆-博寧島弧，該低異常區(qū)與海水溫度有很好的對應(yīng)關(guān)系，應(yīng)為一個中小尺度范圍的冷水團(tuán)。

圖8 聲速平面分布圖a. 20 m，b. 200 m，c. 400 m，d. 1200 m。Fig.8 Plane distribution map of sound velocity

圖9 經(jīng)向聲速剖面斷面圖Fig.9 Sound velocity profile in longitude direction

4.3 海底地形與海水聲速的關(guān)系

菲律賓海廣泛存在海底斜坡、海山等復(fù)雜地形，海底地形變化與海水聲速結(jié)構(gòu)的聯(lián)合作用會對聲速傳播產(chǎn)生重要影響[24]。考慮到聲速剖面緯向變化比較快，本文選擇一條橫跨西菲律賓海盆、九州-帕勞海脊、帕里西維拉海盆的經(jīng)向斷面對海底地形與海水聲速的關(guān)系進(jìn)行初步分析。

斷面的聲速分布如圖9所示，聲速站位測量的深度為1 500～2000 m，從前述討論可知1 200 m以下深度聲速水平方向變化不大，故討論1 500 m以淺深度可以代替全水深情況。從圖中可以看出500 m以淺等聲速線基本平行，地形影響不太明顯；靠近聲道軸九州-帕勞海脊等聲速線明顯有上凸，可能反映地形比較高的海域聲道軸位置更淺一些。造成這種現(xiàn)象的原因推測為深層冷水遇到地形阻擋時會向上運(yùn)動，導(dǎo)致海脊上層海水溫度比周圍海域要低，而海水溫度與聲速呈正相關(guān)，因此，海脊附近聲速會低于周圍海域。

5 結(jié)論

（1）菲律賓海中部海域的聲速垂向上表現(xiàn)為典型的三層聲速結(jié)構(gòu)，上層混合層聲速為正梯度變化，中層主躍變層聲速為負(fù)梯度變化，下層深海等溫層聲速為正梯度變化。海水聲速在100 m以淺受季節(jié)變化影響較大；100～800 m聲速季節(jié)性變化相對較小，其中春、夏季節(jié)聲速基本一致，秋冬季節(jié)在100～300 m范圍聲速基本一致，500 m以深秋季聲速明顯變??；800 m以深聲速季節(jié)性變化逐漸減弱；1 200 m以深基本不受季節(jié)影響。

（2）菲律賓海中部海域聲層的深度隨季節(jié)變化明顯，冬季最深，春季較深，秋季較淺，夏季最淺；聲道軸基本位于900～1 100 m深度，大致呈現(xiàn)南部較淺、北部較深的變化趨勢。

（3）菲律賓中部海域聲速在同一平面的變化趨勢為：各深度聲速水平變化基本與溫度變化一致；200 m以淺基本呈現(xiàn)南高北低；200～700 m表現(xiàn)為北高南低，400 m左右聲速變化最為劇烈；800～1 100 m表現(xiàn)為中間高四周低；1 200 m以深聲速水平方向變化減小，且隨深度增加變化幅度減小，基本表現(xiàn)為南高北低的分布特征。

（4）復(fù)雜的海底地形變化一定程度上會對海水聲速結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，九州-帕勞海脊海域聲速在聲道軸附近深度明顯低于周圍海域。