中国近海声速剖面的模态特征

张旭，张永刚，黄飞灵，李坚

（1. 海军大连舰艇学院军事海洋系，辽宁 大连 116018；2. 91991部队司令部航保科，浙江 舟山 316041；3. 91257部队司令部航保科，浙江 舟山 316000）

中国近海声速剖面的模态特征

张旭1，张永刚1，黄飞灵2，李坚3

（1. 海军大连舰艇学院军事海洋系，辽宁 大连 116018；2. 91991部队司令部航保科，浙江 舟山 316041；3. 91257部队司令部航保科，浙江 舟山 316000）

利用WOA05数据集提供的气候态声速场数据，通过模糊C-均值聚类分析，得到了中国近海声速剖面模态特征的区域性分布和季节性变化。结果表明，中国近海的声速剖面结构可分为深海型（D型）、浅海型（S型）和过渡型（T型）三个基本类型。深海型剖面为“季节性跃层/正梯度+主跃层+深海声道+深海正梯度”结构，南海和菲律宾海因所属水系不同呈现出明显差异；浅海型剖面季节性变化强烈，冬季为正梯度或均匀型结构，其它季节为“混合层+季节性跃层+下均匀层”结构，负梯度强度与季节性跃层的变化有关，在夏季达到最强；过渡型剖面形态与邻近的深海型上层结构类似，但因受地形制约产生与深海型不同的声传播特征。海面太阳辐射、海洋环流、混合层以及水团配置的季节性变化导致的温盐场空间分布差异是造成不同海区、不同季节声场速剖面结构差异的根本原因。

声速剖面；中国近海；模糊C-均值聚类；WOA05

引 言

声速剖面 (SSP) 反映了局地声速场的垂直结构，对水下声传播特征具有重要影响。20世纪90年代以来，各国非常重视海洋声场环境数据库建设以及海洋环境保障辅助决策研究[1-4]。然而，受海洋调查资料的限制，早期对海洋声场结构模态特征的研究很少。近年来，随着海洋水文资料的积累，对海洋声场结构的区域性分布和季节性变化的认识不断加深，对声速剖面的模态特征的研究也有了新的进展[5-8]。

中国近海幅员辽阔，海洋水文特征复杂，区域性、季节性特征差异显著。国内许多学者曾针对中国近海气候和水文结构的区域划分和特征提取问题开展了大量的研究工作，主要包括两个方面：一是从海-气相互作用的角度对海洋进行区划，陈上及等[9,10]用主因子分析和模糊聚类软划分等方法将中国近海划分为 3个海洋水文气候带，9个气候区，较好地给出了中国近海的区域性气候特征；二是依据海水的温-盐特征进行水团分析，此类研究文献甚多，李凤岐和苏育嵩[11]、孙湘平[12]等对中国近海的水团分布特征进行了系统性的总结。然而，无论是气候区划还是水团分析都没有将局地的水文垂直结构作为一个整体来考虑，因此不能满足海上活动对环境保障的需求。《渤海、黄海、东海海洋图集》[13]虽给出了渤、黄、东海的声速剖面类型分布，但只给出了经验性的结果，且仅限于东海以北的浅海陆架海区。

本文的目的是利用WOA05数据集，应用模糊C-均值聚类法将中国近海（含菲律宾海）声速垂直结构划分出合理的区域类型，给出各个季节、各个类型主要的声速剖面模态特征。

1 资料和方法

1.1 资料

选取美国国家海洋学数据中心 (NODC) 发布的WOA05数据集[14,15]。原始数据来源于1900－2005年全球范围内的历史观测站、MBT、CTD、DBT及XBT的水温和盐度观测剖面。数据通过范围检测、梯度检测、统计学检测以及静力稳定度检测等多种方法进行质量控制，经 Levitus法进行客观分析得到水平网格为1° × 1°的格点数据集，包括年平均气候态（垂直标准层为33层，0 ～ 5 500 m）、季平均气候态（垂直标准层为33层，0 ～ 5 500 m）以及月平均气候态（垂直标准层为24层，0 ～ 1 500 m）三维场数据。本文选用中国近海范围内的季平均气候态温、盐场数据，每个季节包含温、盐剖面各 816组。采用 UNESCO推荐的Chen和Millero (1977) 提出的经验公式[16]，根据水温、盐度和深度参数计算声速。

1.2 声速剖面分类方法

在海洋声学意义上，浅海与深海中的声传播特征截然不同。在浅海中，声波在传播过程中与海面和海底发生多次接触，声能因界面的反射和散射作用迅速衰减；而在深水中，声波则会因汇聚效应反转折回海面而避免了与海底发生接触，使能量损失较小，能够实现远程传播。因此，水深是导致声传播特征差异的重要因素。

中国近海的地形特征极其复杂（如图 1），可依据水深分布将中国近海分为深海型海区、浅海型海区和过渡型海区三个基本类型。深海型海区定义为水深超过2 000 m的区域，主要包括南海中部和菲律宾海深海海盆区域。浅海型海区采用与Reise和Etter[5]相同的标准，即水深小于200 m的海区，主要包括渤海、黄海、东海、南海北部和北部湾的浅海陆架区域。过渡型海区定义为水深介于200 ～ 2 000 m之间的区域，主要包括南海北部、南海南部和硫球群岛附近的大陆坡区域，其水深从大陆架到深海海盆迅速增大。

Mandelberg和Makowski[6]曾采用等级聚类分析法提取出太平洋和大西洋深海剖面的主要模态。本文讨论的海区与之相比区域更小，且地形复杂，因此宜采用更细致的模糊C-均值聚类法（FCM）[17]。

图 1 中国近海海底地形（数据来自 ETOPO5，分辨率为 5′×5′）Fig. 1 Topography of Sea Areas of China（Based on ETOPO5 database, 5′×5′ grids）

式中：C表示声速；Z表示水深；A、B为拟合参数。依据拟合表达式和参数将剖面扩展到200 m的深度，即将剖面中不足200 m深的剖面数据空缺补足。对于过渡型剖面，应用7次正交多项式将剖面拟合至1 000 m。对于深海型剖面，直接插值到0 ～ 2 000 m相应层次。这样，就得到了浅海型、深海型和过渡型声速剖面集合。

以欧氏距离为标准建立准则函数：

2 声速剖面的模态特征

通过聚类分析，将中国近海四季的声速剖面结构划分为不同的类型，各类区域分布见图 2。深海型海区可分为5个子区域：南海中部海区（D1）、菲律宾海热带海区（D2）、菲律宾海亚热带北部海区（D3）、菲律宾海亚热带南部海区（D4）和菲律宾海温带海区（D5）。浅海型海区主要包括渤海、黄海、东海、北部湾以及南海北部，春季、夏季和秋季可分为3个子区域（S1-S3），冬季可分为4个子区域（S1-S4）。过渡型海区可分为2个子区域：东海过渡海区（T1）和南海过渡海区（T2）。

2.1 深海型海区

深海型海区的表层和次表层有着明显的季节性变化，次表层以下结构较为稳定，呈现出“主跃层+深海声道+深海正梯度”的结构（如图3所示）。深海声道轴对应主跃层以下声速最小值所在深度，一般在800～ 1 200 m的范围，其下的正梯度结构一直延伸到深海海盆。

图4显示了深海型各子区域的T-S特征，与图3比较可以看出区域间的声速结构差异是不同类型水团配置的结果。南海 (D1) 和菲律宾海 (D2-D5) 属于两种截然不同的水系，图4中显示出的两水系温盐特征的差异与许建平等[19]的分析较为一致：南海表层水、次表层水和中层水水温与菲律宾海亚热带海区海水相当，深层水比菲律宾海高出0.5 ℃以上；南海表层水和次表层水盐度比菲律宾海低0.3 ～ 1.0，但中层水却比菲律宾海高约 0.2，深层水与菲律宾海相差不大。在深海正梯度层的深度范围内，南海的声速值明显高于菲律宾海（见图3），这正是由南海深层水和菲律宾海深层水温、盐特征的差异造成的（见表1）。

图 2 中国近海不同季节剖面结构类型的区域划分Fig. 2 Distribution of SSPs modes in different seasons

图 3 深海海区典型声速剖面Fig. 3 SSPs modes of deep sea type

图 4 深海型区域的T-S特征比较Fig. 4 T-S diagrams of deep sea type

表 1 南海和菲律宾海深层水的温、盐特征值Tab. 1 The eigenvalues of deep sea temperature and salinity in the South China Sea and the Philippine Sea

菲律宾海内部也呈现出明显的纬向带状差异，可分为四个子区域（D2-D5）。D2位于热带海域，声速结构较为稳定，季节性变化小。它与其它几种剖面类型最大的差别就是次表层由赤道水所占据，因此主跃层浅而薄，深度范围在500 m以浅，厚度约为200 ～ 300 m[20]。D3和D4具有亚热带水的特征，次表层由广阔的中央水所占据，因此主跃层比D1厚得多，厚度可达400 ～ 600 m。冬季混合层加深，上层水温达到全年最低，因此在表层100 ～ 200 m的范围内形成较弱的正梯度；而夏季由于季节性温跃层的形成，使上层海洋层化更加强烈，形成较强的负梯度。D3受北赤道流的影响，表层和次表层温、盐特征偏向于热带水，而D4处于亚热带辐聚区，具有北部海区的部分特征，因此两者在主跃层范围内表现出明显的差异。D5位于菲律宾海最北部，表层和次表层的季节性变化最强，这与冬季的温跃层通风和模态水的形成有关：冬季，随着混合层的加深和等密线的抬头，温跃层通风开始[21,22]，形成了厚度超过300 m的表面正梯度层；从春季到夏季，混合层逐渐变浅，季节性跃层生成并不断加强，冬季温跃层通风形成的模态水潜沉至次表层，将季节性跃层与主跃层相分隔[23]，在两跃层之间形成一个厚度为100 ～ 200 m的极弱的负梯度层。秋季，季节性跃层开始变弱，同时近表层混合层开始加深，新的通风过程又将开始。此外，D5区域次表层以下由亚北极中层水控制，水温和盐度都小于同深度其他区域，因此在主跃层深度范围内声速值最小。在1 500 m以深，D2-D5都由北太平洋深层水所占据，温、盐性质差异较小，因此声速结构趋于一致（见图3和表1）。

2.2 浅海型海区

浅海型海区具有明显的季节性变化特征。春、夏、秋三季，海区呈现出“混合层+季节性跃层+下均匀层”的结构，季节性跃层的生消决定了上、下均匀层之间声速负梯度的强度（见图5）。冬季，渤、黄海区域呈现出较弱的正梯度结构，东海及东海以南海区呈现出均匀型结构。

冬季，水温的纬向差异最为强烈（见图6），从北到南水温逐渐增高，声速也随之增大，可分为4个子区域 (S1-S4)。S1和S2是渤、黄海所在区域，受强对流混合作用的影响，从海面到海底水温趋于均匀，声速因随压力增大而增大呈现出正梯度结构；而S3和S4对流作用弱于渤、黄海，水温随深度缓慢减小，因此剖面总体呈现出均匀型声速结构。春季，受太阳辐射季节性变化的影响，28ºN以北区域表层升温，混合层变浅，季节性跃层开始形成，但深度较浅，黄、渤海区域 (S1) 负梯度相对较强，东海北部海区 (S2)相对较弱。28 ºN以南区域 (S3) 表层水温相对较高，因此表层与次表层差异比北部海区小，跃层尚未形成，呈现出较弱的负梯度结构。夏季，到达各区域的太阳辐射最强，因此各区域季节性跃层都达到最强。根据图6，S1区域近表层水温为20℃ ～ 25℃，而底层因黄海冷水团的存在，水温为5℃ ～ 10℃，表层与底层水温的强烈反差形成了中国近海最强的声速负梯度结构。S2区域受长江冲淡水的影响，近表层盐度急剧降低（见图6），使得S2表层声速减小，在0 ～ 20 m的范围内抵消了部分水温差异导致的声速跃变，使得跃层上界比S1略深，负梯度强度更弱。S3区域因表层水与次表层水的水温差异更小，因此跃层变弱。秋季，混合层开始加深，S2和S3区域的跃层均已消失，呈现出较弱的负梯度，而S1区域仍保持着明显的跃变特征，但其位置已被加深的混合层压至30 m以下。

图 5 浅海海区典型声速剖面Fig. 5 SSPs modes of shallow sea type

2.3 过渡型海区

过渡型海区具有与深海型类似的上层结构，表层和次表层有明显的季节性变化，次表层以下为“主跃层+深海声道”结构（见图7）。受水深的影响，过渡型海区深海声道以下不能形成足够深的正梯度层，因此声线在反转之前与底边界发生交互作用，不能形成汇聚区传播。图8显示了夏季东海过渡型海区和邻近的菲律宾海亚热带深海海区声速剖面及声传播特征的比较（声传播计算采用 BELLHOP声线模式[24]）。由图8可见，深海型剖面（图8a）可形成汇聚区传播，而过渡型剖面（图8b）则因水深相对较浅使得声线与海面和海底发生多次反射，能量迅速耗散。

图 6 浅海型区域的T-S特征比较Fig. 6 T-S diagrams of shallow sea type

东海过渡海区（T1）是黑潮流经海域，具有大洋水团的特征和垂直分层的结构特点[25]，其表层水与次表层水与大陆架区域的黄、东海混合水系相混合，而中层水和深层水因大陆坡限制一般不会侵入陆架。冬季混合层加深超过200 m，形成较厚的正梯度层，而夏季近表层生成较强的季节性跃层，呈现负梯度结构。南海过渡海区（T2）分布在南海深海区域的南北两侧，处于近岸与南海中部深海之间的区域。主跃层结构特征与D1类似；冬季垂直混合弱于T1，形成约100 m厚的正梯度层；夏季出现季节性跃层，但负梯度强度小于T1。T1和T2的主跃层深度范围内的声速结构有着明显的差异（见图7），T1负梯度变化率小，呈直线型模态；而T2负梯度随深度逐渐减小，呈弧型模态。

3 结论与讨论

利用WOA05气候态数据对中国近海各个季节的声速垂直结构进行了分析与比较，通过模糊C-均值聚类，得出了声速剖面模态特征的区域性分布及季节性变化。分析表明，中国近海的声速剖面结构可分为深海型、过渡型和浅海型三个基本类型，各类声速剖面结构模态差异是由海面太阳辐射、海洋环流、混合层以及水团配置的季节性变化导致的温、盐场空间分布差异造成的。

a）深海型（D型）可分为 5个子类型。深海型剖面表层和次表层有着复杂的区域性和季节性变化，而次表层以下则呈现出较为稳定的“主跃层+深海声道+深海正梯度”结构。南海深海区域（D1）和菲律宾海深海区域（D2-D5）的差异是由两个水系的水团配置不同造成的，而菲律宾海内部D2-D5的差异则主要是由海区环流结构、太阳辐射及混合层的季节性变化导致的。b）浅海型（S型）可分为3-4个子类型。春、夏、秋三季，海区呈现出“混合层+季节性跃层+下均匀层”的结构，负梯度强度取决于季节性跃层的变化。夏季，各海区季节性跃层达到最强，黄海海区因黄海冷水团的存在形成中国近海最强的负梯度。冬季，渤、黄海区域因强烈的混合形成正梯度结构，东海及东海以南海区呈现出均匀型结构。

c）过渡型（T型）可分为2个子类型。过渡型剖面与邻近的深海型剖面有着相似上层结构，但受水深的限制，不能形成完整的深海正梯度层。东海过渡海区 (T1) 受东海黑潮的影响，具有菲律宾海亚热带海水的典型特征，而南海过渡海区 (T2) 具有南海深海海水的特征，两者在主跃层的模态有明显的差异。

图 7 过渡型海区典型声速剖面Fig. 7 SSPs modes of transitional areas type.

图 8 过渡型海区和深海海区的典型声速剖面及声传播模式（a位于 130.5ºE, 27.5ºN; b 位于 128.5ºE, 27.5ºN; 声源深度取 10 m）Fig. 8 Acoustic propagating modes of T-type and D-type areas(profile in Fig. a lies in 130.5ºE, 27.5ºN, and profile in Fig. b 128.5ºE, 27.5ºN; the source depth is 10 m)

受资料的限制，渤海、北部湾以及黄、东、南海的近岸区域没有得到充分的描述，这些海区易受近岸水文气象条件和径流的影响，具有更复杂更剧烈的变化。此外，文中也没有讨论海洋中、小尺度海洋现象引起的局地声速垂直结构的变化，这需要基于结合高分辨率的卫星高度计资料与海洋现场观测作更细致的分析。局地声速剖面结构是声传播计算的基础，在气候态特征的基础上，分析海洋中尺度现象引起的声速结构波动以及复杂水文气象条件下近岸小范围海区的声速结构变化仍是需要进一步研究的重要问题。

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Mode characteristics of sound speed profile in sea areas of China

ZHANG Xu1, ZHANG Yong-gang1, HUANG Fei-ling2, LI Jian3

(1. Department of Military Oceanography, Dalian Naval Academy, Dalian 116018, China; 2. Headquarters of Unit 91991, Zhoushan 316041, China;3. Headquarters of Unit 91257, Zhoushan 316000, China)

Based on WOA05 database, sound speed profiles (SSPs) have been analyzed by cluster fuzzy c-means algorithms, and their typical regional mode characteristics and seasonal variations were obtained. The result shows that there are three basic types of sound speed profile structure in sea areas of China: D-type (deep sea), S-type (shallow sea)and T-type (transitional areas). SSPs of D-type have a structure of ‘seasonal spring layer/ positive grads layer + main spring layer + deep channel + deep positive grads layer’, water masses differences account for the distinct structure between the South China Sea and the Philippine Sea; SSPs of S-type have intense seasonal variations, positive grads layer or uniform layer appearing in winter and a structure of ‘mixed layer + seasonal spring layer + uniform layer’ in spring, summer and autumn, and the intensity of negative grads achieves maximum in summer; SSPs of T-type is similar to D-type, but owing to the topographic effect, there are obvious differences between these two types in propagating mode. In conclusion, the dominating factors accounting for the SSPs differences are temperature and salinity distribution induced by the variations of solar radiation, current circulation, mixed layer and water masses distribution.

sound speed profile (SSP); sea areas of China; cluster fuzzy c-means; WOA05

P733.2

A

1001-6932(2010)01-0029-09

2009-02-22；

2009-07-13

张旭(1982－)，男，黑龙江萝北人，博士研究生，主要研究军事海洋学。电子邮箱：x_zhang04@yahoo.com.cn