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(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 區(qū)域海洋動(dòng)力學(xué)與數(shù)值模擬功能實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266237；3.自然資源部 海洋環(huán)境科學(xué)與數(shù)值模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266061)

在海洋中聲速隨深度變化存在極小值時(shí),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(nèi)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(shí)現(xiàn)水聲遠(yuǎn)距離傳播的重要聲道之一,與海洋混合層有著密切的關(guān)系。在混合層中聲速因受壓力的影響呈正梯度結(jié)構(gòu),在這種條件下從混合層中發(fā)出的聲波向海面方向偏折,經(jīng)海面多次反射形成波導(dǎo)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(dǎo)[3]。孫琪田利用聲速垂直結(jié)構(gòu)模式分析了西北太平洋聲道分布特征[4]。張旭分析了我國(guó)近海及西太平洋典型海區(qū)的混合層結(jié)構(gòu)對(duì)表面聲道中聲傳播特性的影響[5]。段睿和楊坤德探討了南?；旌蠈由疃鹊姆植继卣鱗6]。目前,對(duì)于印度洋海區(qū)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(jié)性變化[7]。李佳等統(tǒng)計(jì)了印度洋中北部部分海區(qū)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(zhuǎn)海洋學(xué)實(shí)時(shí)觀測(cè)陣數(shù)據(jù),將首先計(jì)算海區(qū)聲速剖面；然后統(tǒng)計(jì)分析整個(gè)印度洋的表面聲道和深海聲道分布特征,進(jìn)而分析5個(gè)典型海區(qū)(區(qū)域A:60°～70°E,15°～20°N；區(qū)域B:85°～95°E,10°～15°N；區(qū)域C:85°～95°E,2°30′S～2°30′N；區(qū)域D:55°～70°E,15°～20°S；區(qū)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(guān)溫度、鹽度以及聲速斷面,結(jié)合季風(fēng)、洋流、水團(tuán)探討聲道分布特征的成因,以期對(duì)該海區(qū)的水下通信和水下聲傳播研究提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)

采用中國(guó)Argo資料中心[9]2000—2018年的地轉(zhuǎn)海洋學(xué)實(shí)時(shí)觀測(cè)陣(Argo)數(shù)據(jù),包含0～2 000 m 水深處的溫度(℃)、鹽度、壓力(10 k Pa)數(shù)據(jù),研究區(qū)域?yàn)?0°～120°E,60°S～25°N。研究區(qū)域內(nèi)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(shù)據(jù)量相當(dāng),且溫度、鹽度和壓力數(shù)據(jù)由中國(guó)Argo資料中心進(jìn)行了質(zhì)量控制,為各月份聲道分布的對(duì)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(shù),并隨溫度、鹽度、壓力的增大而增大[10]。

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

式中:S為實(shí)用鹽度；θ為水溫(單位為℃)；p為海水壓強(qiáng)(單位為bar,1 bar＝0.1 MPa)；Cw(θ,p),A(θ,p),B(θ,p),D(θ,p)均為關(guān)于θ和p的參數(shù)。原始數(shù)據(jù)為非等深間隔數(shù)據(jù),計(jì)算得到的聲速數(shù)據(jù)也為非等深間隔數(shù)據(jù),故為了便于以下計(jì)算研究,采用Akima插值法[12]對(duì)聲速數(shù)據(jù)進(jìn)行垂向插值,得到間隔為5 m的聲速序列。

在真實(shí)的海洋中,表層海水受降溫的影響或風(fēng)浪的攪拌作用而形成一層有一定厚度的溫度、鹽度均勻?qū)?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(xiàn)聲速極大值,形成表面聲道。本文從水聲學(xué)角度出發(fā),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(jié)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(qū)域性和季節(jié)性變化明顯(圖2)。赤道以北海區(qū)(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(qū)(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(qū)(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(qū),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(qū)域甚至達(dá)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(jìn)一步分析表面聲道的時(shí)空分布,本文選擇5個(gè)典型海區(qū)表面聲道的平均深度進(jìn)行分析。選擇的典型海區(qū)為區(qū)域A:60°～70°E,15°～20°N；區(qū)域B:85°～95°E,10°～15°N；區(qū)域C:85°～95°E,2°30′S～2°30′N；區(qū)域D:55°～70°E,15°～20°S；區(qū)域E:60°～100°E,37°30′～42°30′S,如圖3所示。

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

各典型海區(qū)表面聲道平均深度的逐月變化結(jié)果(圖4)顯示,區(qū)域A、B 和C 表面聲道平均深度在夏(7 月)、冬(1月)兩季出現(xiàn)深度的極大值。7月,區(qū)域A、B和C 表面聲道平均深度分別為64、57和81 m；1月,區(qū)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(xiàn)深度的極小值。4月,區(qū)域A、B和C 表面聲道平均深度分別為24、22 和46 m；10月,區(qū)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(qū)域A、B和C表面聲道平均深度呈半年周期性變化。區(qū)域A、B和C的半年周期性變化與印度洋的季風(fēng)性氣候密切相關(guān)。夏、冬兩季印度洋季風(fēng)達(dá)到最強(qiáng),海水垂直混合最強(qiáng),混合層深度最深,進(jìn)而導(dǎo)致表面聲道達(dá)到最深。同理,春、秋兩季為季風(fēng)轉(zhuǎn)換季節(jié),季風(fēng)最弱,表面聲道最淺。區(qū)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(xiàn)深度的極大值(區(qū)域D 為105 m,區(qū)域E為340 m),在夏季(1月)出現(xiàn)深度的極小值(區(qū)域D 為37 m,區(qū)域E為36 m),這主要是因?yàn)閰^(qū)域D 處在東南信風(fēng)帶,區(qū)域E處在西風(fēng)帶,以上海區(qū)風(fēng)場(chǎng)季節(jié)性變化較小,表面聲道受風(fēng)的強(qiáng)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(jié)變化,也呈現(xiàn)一定的區(qū)域變化。區(qū)域C表面聲道深度大于附近海區(qū),是由向東傳播的下翻Kelvin波引起溫躍層的加深所致[13]。區(qū)域D 表面聲道深度大于附近海區(qū),該特征的形成與風(fēng)應(yīng)力旋度的空間分布相關(guān)[14],該海區(qū)受風(fēng)應(yīng)力及其旋度的強(qiáng)迫作用較強(qiáng),導(dǎo)致上層水體垂直混合加強(qiáng),混合層加深,進(jìn)而導(dǎo)致表面聲道加深。區(qū)域E 表面聲道深度在深冬(9月)達(dá)到印度洋海區(qū)的最大深度,該特征與亞南極模態(tài)水[15-16]的影響密切相關(guān)。亞南極模態(tài)水形成于冬季的深混合層,由于海氣通量和Ekman輸運(yùn)的綜合效應(yīng),混合層深度在深冬(9月)達(dá)到最大[16],所以表面聲道深度也在深冬(9月)達(dá)到最大。由該月橫跨區(qū)域E的溫度、鹽度、聲速斷面(40°S)分布(圖5)可見,區(qū)域E范圍內(nèi)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(qū)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(nèi),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(jié)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(qū),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(xiàn)為由西向東呈遞減之勢(shì),這是由于南極中層水在向北輸運(yùn)過程中東西不對(duì)稱,導(dǎo)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(dá)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(jié)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(gè)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(rèn)為,北印度洋中層水團(tuán)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(tuán)之下的深度才會(huì)逐漸反轉(zhuǎn),深海聲道較深；而南印度洋中層水團(tuán)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(xiàn)反轉(zhuǎn),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(qū),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(qū)為南極中層水[10]的源區(qū),在溫躍層內(nèi),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(shí)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(qū)溫躍層薄而淺,形成較淺的聲道,又因?yàn)樵摵^(qū)深海聲道深度較淺,且又不像表面聲道受風(fēng)浪影響那么大,所以該聲道對(duì)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(jié)論

基于2000—2018年的印度洋地轉(zhuǎn)海洋學(xué)實(shí)時(shí)觀測(cè)陣數(shù)據(jù),計(jì)算得到該海區(qū)的聲速剖面,并進(jìn)一步分析了該海區(qū)的表面聲道和深海聲道分布,得到結(jié)果:

①印度洋的表面聲道有著明顯的區(qū)域性分布和季節(jié)性變化。印度洋10°S以北表面聲道深度主要表現(xiàn)為半年周期變化,該變化與印度洋的季風(fēng)性氣候密切相關(guān)。印度洋10°S以南主要表現(xiàn)為年周期變化,與該區(qū)域所處的信風(fēng)帶有關(guān)。赤道以北海區(qū),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(qū),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(qū),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(qū)表面聲道深度在9月達(dá)到印度洋海區(qū)的最大深度。40°S以南海區(qū),春季和冬季表面聲道深度明顯大于夏季和秋季,部分區(qū)域甚至達(dá)到300 m,主要受冬季形成的亞南極模態(tài)水的影響。

③在0～2 000 m 水深范圍內(nèi),深海聲道普遍存在于10°N 以南海區(qū),東部可延伸至孟加拉灣,其季節(jié)變化性較小。印度洋45°S以北海區(qū):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(shì),這是由于南極中層水在向北輸運(yùn)過程中東西兩側(cè)不對(duì)稱。45°S以南海區(qū)為南極中層水源區(qū),深海聲道最淺,夏、秋季節(jié)聲道深度略大于冬、春季節(jié)。