基于Argo數據的呂宋海峽東部海域的會聚區特征分析

阮海林，楊燕明*，牛富強，文洪濤

(1.國家海洋局 第三海洋研究所，福建 廈門 361005)

基于Argo數據的呂宋海峽東部海域的會聚區特征分析

阮海林1，楊燕明1*，牛富強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浮標觀測資料，對呂宋海峽東部海域(19°～23°N，123～127°E)的會聚區特征進行綜合分析。研究結果如下：(1)呂宋海峽東部海域4個季節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氣候態數據對聲速剖面進行深海延拓，獲得全海深的聲速剖面，分析4個季節的聲道特征。聲道軸深度和聲速較為穩定，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個季節的平均聲道厚度都超過4 500 m，利于會聚區形成;(3)研究區較易發生會聚現象，發生會聚現象概率高于50%的占70.6%；會聚現象的發生概率季節變化明顯，春季、冬季極易發生聲場的會聚現象，夏季最小;(4)運用RAMGeo聲場模型對研究區4個季節的聲傳播損失進行仿真，分析會聚區的季節變化特征。當聲源深度100 m，接收深度10 m時，第一會聚區，離聲源的距離在61～64 km左右，夏季離聲源最近，春、冬季較遠；會聚區寬度上，夏季最寬為10 km，春季最窄為4.6 km；會聚區增益分布特點與會聚區寬度剛好相反，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；聲速剖面；季節變化

1　引言

會聚現象是深海中特有的聲傳播特征，當聲源和接收器位于聲道內，向外發出的聲波會多次折回海面，形成高強度低失真度的環帶狀區域，稱為會聚區[1]。利用會聚區現象可實現水下目標遠程探測和定位、水下通訊、導航等，開展會聚區特征研究，對海洋學研究、水聲設備研制和軍事等方面都有重大的意義[2]。

傳統上采用單點船測的聲速剖面，開展深海會聚區研究，數據獲取不僅耗時費力，而且數據的實時性、同步性和時空連續性差。利用Argo計劃(全球海洋實時觀測網)提供的浮標溫度、鹽度、壓力等資料[3]，獲得全時空的海洋聲速場，可對會聚區進行全面研究。

本文選取呂宋海峽東部海域作為研究區，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，是一個經濟、軍事和政治價值極高的海區；該海域屬副熱帶海洋性氣候，冬季盛行東北季風，夏季盛行西南季風；黑潮常年影響該海區，夏季臺風頻發，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，利于產生聲場會聚現象，所以選擇該海域進行會聚區特征研究有重要的意義。

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

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2010年1月至2013年12月的數據產品。期間有42個Argo浮標在研究區進行溫鹽剖面觀測，共獲取825條剖面數據，如圖1所示，藍線框中一個黑點代表一條溫、鹽剖面數據。Argo的剖面浮標觀測精度：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浮標最多觀測到2 000 m深度，難以全面描述研究區聲道特征及滿足會聚區聲場預報需要的聲速剖面。據此，我們采用美國國家海洋資料中心(NODC)提供最新的WOA13氣候態數據[17]對Argo獲得的聲速剖面進行深海方向上的延拓。WOA13是根據1955—2012年的歷史觀測數據經Levitus客觀分析方法得到的數據集，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。

研究區的地形數據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Argo資料獲得的經質控后的溫、鹽剖面數據集，采用聯合國教科文組織(UNESCO)推薦的Chen&Millero聲速經驗算法[18]提取聲速剖面，通過Akima插值法[19]對聲速剖面進行垂向插值，獲得間隔為2 m的標準層化的聲速剖面，分析4個季節的聲速剖面特征。

其次，對研究區的聲速剖面采用WOA13氣候態數據進行深海方向上的延拓。當Argo浮標所在的水深超過5 500 m時，5 500 m以深部分，假設溫度、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。統計分析4個季節的聲道特征，分析研究區會聚現象出現的概率。

最后，采用基于拋物方程的RAMGeo聲場預報模型[20]對研究區進行聲傳播損失仿真，提取研究區4個季節的會聚區距離、寬度和增益等特征量，分析季節變化。RAMGeo模型對環境適應能力強，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勢[21]，適合分析研究區聲場特征，特別是會聚區的特征。

3　聲速剖面季節變化特征

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，對研究區經過Akima插值的聲速剖面進行季節內平均，獲得4個季節的平均聲速剖面(圖2)。從圖中可見，研究區的聲速剖面為典型的深海聲速垂直結構[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浪的攪拌作用，水溫在海表面以下一定深度內保持穩定，層中聲速因深度增大呈現弱的正梯度結構，該層受季節變化最顯著。在混合層以下，隨著深度增加，海水溫度急劇降低，對應的聲速剖面上，出現一個負梯度的聲速層，該層為躍變層。隨著水深繼續增大，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，聲速表現為正梯度，深海等溫層受季節影響最小。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，冬季達到50 m，夏季為4 m；躍變層，4個季節變化趨勢一致，在1 000 m深度附近4個季節的聲速均達到最小，說明聲道軸位置隨季節變化較小，4個季節的聲道軸聲速約為1 482 m/s；在深海等溫層，從一定深度開始，4個季節的平均聲速基本一樣。

圖2　呂宋海峽東部海域4個季節的平均聲速剖面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　聲道特征及會聚區出現概率

4.1聲道特征

采用WOA13氣候態數據對研究區Argo資料獲得的所有溫鹽剖面進行深海方向的延拓。延拓方法是采用WOA13季節平均的溫鹽網格數據，根據季節劃分和空間最近原則，對所有的溫鹽剖面數據進行深海方向上的延拓，當Argo浮標所在的水深超過5 500 m時，5 500 m以深部分假設溫度、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，把所有經延拓后的溫鹽剖面數據轉為聲速剖面。

計算所有經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。

按季節進行統計分析，獲得各季節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??；4個季節的聲道軸處的聲速基本相同，約為1 482 m/s；4個季節的平均聲道厚度都超過4 500 m，利于深海會聚區形成。

表1　各季節聲道特征量的平均值

4.2會聚區出現概率

形成會聚區的條件是聲源和接收器兩者必須都置于聲道內，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)，以便聲線在水下發生折射、反轉而返回海表形成會聚區；當深度較小時，聲線會被海底吸收和反射，抑制了會聚區的發生。深度余量可通過聲速剖面結構計算獲得，會聚區能否發生主要看海區的深度余量是否大于或等于最小深度余量，會聚區的發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發生概率的關系[23]，繪出關系曲線圖(圖4)。

圖4　會聚區發生概率與深度余量的關系曲線Fig.4　The relation between probability of occurrence convergence zone and depth-excess

本文計算了研究區經深海延拓后每條聲速剖面的深度余量，根據圖4深度余量與會聚區發生概率的關系曲線，獲得研究區發生聲場會聚現象的概率分布，并按季節分別統計，結果如表2所示，從表可知，研究區發生會聚現象的概率高于50%的占70.6%，會聚現象的發生概率分布季節變化較為明顯，四季發生聲場會聚現象高于50%的概率占比分別為90.5%、47.7%、65.0%、85.7%，說明春季、冬季極易發生聲場的會聚現象，秋季次之，夏季概率最小。

表2　研究區會聚區發生概率分布Tab.2　The distribution of convergence zone occurrence probability

5　會聚區特征季節變化

采用WOA13氣候態數據集對研究區春、夏、秋、冬4個季節的平均聲速剖面進行深海方向上的聲速延拓，延拓到研究區的平均深度5 500 m，把4個季節的聲速剖面分別輸入RAMGeo模型中進行聲場傳播損失仿真試驗，獲取會聚區特征量。模式采用的參數如下：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模型預報的聲傳播損失圖，從圖中可見在200 km傳播范圍內，有3個明顯的聲場會聚區。根據仿真結果，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，提取會聚區的距離、寬度和增益3個特征量。獲得4個季節當接收深度為10 m時的前3個會聚區的特征量，如表3所示。從表3可知，第一會聚區，離聲源的距離在61～64 km左右，秋季離聲源最近，春、冬季較遠；會聚區寬度上夏季最寬為10 km，春季最窄為4.6 km；會聚區增益分布特點與會聚區寬度剛好相反，春季最大為14.6 dB，夏季最小為8.5 dB，季節變化較為明顯。第二、第三會聚區的距離4個季節較為接近，寬度和增益的季節變化與第一會聚區一致，春季和冬季的會聚區增益明顯比夏季和秋季強。

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

季節第一會聚區第二會聚區第三會聚區距離/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　結論

本文利用2010—2013年的Argo浮標觀測資料對呂宋海峽東部海域的會聚區特征進行綜合研究，得到如下結論：

(1)呂宋海峽東部海域4個季節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氣候態數據對Argo溫鹽剖面進行深海延拓，獲得全海深的聲速剖面，分析4個季節的聲道特征。研究區聲道軸深度和聲速較為穩定，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個季節的平均聲道厚度都超過4 500 m，利于會聚區形成。

(3)呂宋海峽東部海域易發生會聚區現象，發生深海會聚現象概率的季節變化很明顯，春季、冬季發生會聚現象概率高于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，離聲源的距離，秋季離聲源最近，春季、冬季較遠；會聚區寬度，夏季最寬，春季最窄；會聚區增益分布特點與會聚區寬度剛好相反，春季最大，夏季最小，故進行目標探測定位時可利用的會聚區探測區域夏季最大，春季最小，探測強度則剛好相反。第二、第三會聚區的距離4個季節較為接近，寬度和增益的季節變化特征與第一會聚區一致，春季和冬季的增益明顯強于夏季和秋季。

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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務費專項資助項目(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，等. 基于Argo數據的呂宋海峽東部海域的會聚區特征分析[J]. 海洋學報，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