基于Argo数据的吕宋海峡东部海域的会聚区特征分析

阮海林，杨燕明*，牛富强，文洪涛

(1.国家海洋局 第三海洋研究所，福建 厦门 361005)

基于Argo数据的吕宋海峡东部海域的会聚区特征分析

阮海林1，杨燕明1*，牛富强1，文洪涛1

(1.国家海洋局 第三海洋研究所，福建 厦门 361005)

利用2010-2013年的Argo浮标观测资料，对吕宋海峡东部海域(19°～23°N，123～127°E)的会聚区特征进行综合分析。研究结果如下：(1)吕宋海峡东部海域4个季节表面的声速从大至小依次为夏季、秋季、春季和冬季，夏季最大为1 543.5 m/s，冬季最小为1 533.4 m/s；混合层深度从大到小依次为冬季、秋季、春季和夏季;(2)采用WOA13气候态数据对声速剖面进行深海延拓，获得全海深的声速剖面，分析4个季节的声道特征。声道轴深度和声速较为稳定，声道轴深度在1 000～1 040 m之间，声道轴处的声速为1 482 m/s，4个季节的平均声道厚度都超过4 500 m，利于会聚区形成;(3)研究区较易发生会聚现象，发生会聚现象概率高于50%的占70.6%；会聚现象的发生概率季节变化明显，春季、冬季极易发生声场的会聚现象，夏季最小;(4)运用RAMGeo声场模型对研究区4个季节的声传播损失进行仿真，分析会聚区的季节变化特征。当声源深度100 m，接收深度10 m时，第一会聚区，离声源的距离在61～64 km左右，夏季离声源最近，春、冬季较远；会聚区宽度上，夏季最宽为10 km，春季最窄为4.6 km；会聚区增益分布特点与会聚区宽度刚好相反，春季最大为14.6 dB，夏季最小为8.5 dB。

吕宋海峡；东部海域；会聚区；声速剖面；季节变化

1　引言

会聚现象是深海中特有的声传播特征，当声源和接收器位于声道内，向外发出的声波会多次折回海面，形成高强度低失真度的环带状区域，称为会聚区[1]。利用会聚区现象可实现水下目标远程探测和定位、水下通讯、导航等，开展会聚区特征研究，对海洋学研究、水声设备研制和军事等方面都有重大的意义[2]。

传统上采用单点船测的声速剖面，开展深海会聚区研究，数据获取不仅耗时费力，而且数据的实时性、同步性和时空连续性差。利用Argo计划(全球海洋实时观测网)提供的浮标温度、盐度、压力等资料[3]，获得全时空的海洋声速场，可对会聚区进行全面研究。

本文选取吕宋海峡东部海域作为研究区，范围为19°～23°N，123°～127°E，如图1所示。该海域位于菲律宾海盆西部，西临台湾岛、吕宋海峡和菲律宾群岛，是一个经济、军事和政治价值极高的海区；该海域属副热带海洋性气候，冬季盛行东北季风，夏季盛行西南季风；黑潮常年影响该海区，夏季台风频发，造成该海域具有特殊的海洋水文气象特征；该海域水深大都在5 000 m以上，利于产生声场会聚现象，所以选择该海域进行会聚区特征研究有重要的意义。

会聚区作为深海远程声道中的一个特殊现象，诸多学者对其进行了广泛的研究。Hale较早在海上实验中观察到深海会聚现象[1]，其他研究学者也通过实验观测和理论分析验证了深海会聚区的存在，并分析了会聚区的特征[4—9]。会聚区的形成及特性与海洋环境密切相关，有学者分析了不同声速垂直结构类型、海洋锋、海洋中尺度涡等环境影响下的会聚区特征的变化[10—12]，也有学者利用会聚区特征确定声源的位置等参数[13—14]。综上，对会聚区的研究较多，但对一个海域的会聚区的发生概率、季节变化等综合研究还较少，本文利用Argo数据对吕宋海峡东部海域开展会聚区的综合研究，包括声道特征、会聚区出现概率、会聚区特征的季节变化等。

图1　吕宋海峡东部海域及Argo剖面资料分布Fig.1　The east of Luzon strait and the distribution of argo profiles

2　资料来源与方法

2.1资料

本研究所用的Argo资料是由中国Argo实时资料中心提供的研究区2010年1月至2013年12月的数据产品。期间有42个Argo浮标在研究区进行温盐剖面观测，共获取825条剖面数据，如图1所示，蓝线框中一个黑点代表一条温、盐剖面数据。Argo的剖面浮标观测精度：压力(深度)±5×104Pa，温度±0.005℃和盐度±0.01[15]。在海洋中，温度每增高1℃，声速增加5 m/s；盐度每增加1，声速增加1.14 m/s；深度每增加100 m，声速增加1.75 m/s[16]。因此，Argo的温度、盐度、深度观测误差对声速值的影响分别为：0.025 m/s、0.011 4 m/s、0.087 5 m/s，综合这3项的声速转换误差为0.09 m/s，满足声场分析需要的声速精度。

由于Argo浮标最多观测到2 000 m深度，难以全面描述研究区声道特征及满足会聚区声场预报需要的声速剖面。据此，我们采用美国国家海洋资料中心(NODC)提供最新的WOA13气候态数据[17]对Argo获得的声速剖面进行深海方向上的延拓。WOA13是根据1955—2012年的历史观测数据经Levitus客观分析方法得到的数据集，其中季平均和年平均的温、盐剖面资料空间分辨率为1°×1°，观测深度为0～5 500 m，分为102层。

研究区的地形数据采用美国国家大气海洋局(NOAA)提供的ETOPO-1高分辨率海深资料，分辨率为1′。

2.2方法

首先，对研究区Argo资料获得的经质控后的温、盐剖面数据集，采用联合国教科文组织(UNESCO)推荐的Chen&Millero声速经验算法[18]提取声速剖面，通过Akima插值法[19]对声速剖面进行垂向插值，获得间隔为2 m的标准层化的声速剖面，分析4个季节的声速剖面特征。

其次，对研究区的声速剖面采用WOA13气候态数据进行深海方向上的延拓。当Argo浮标所在的水深超过5 500 m时，5 500 m以深部分，假设温度、盐度不变，只是压力增加，通过海水声速公式获得全海深的声速剖面。统计分析4个季节的声道特征，分析研究区会聚现象出现的概率。

最后，采用基于抛物方程的RAMGeo声场预报模型[20]对研究区进行声传播损失仿真，提取研究区4个季节的会聚区距离、宽度和增益等特征量，分析季节变化。RAMGeo模型对环境适应能力强，计算精度比射线模型高，与耦合简正波相比又有计算速度快等优势[21]，适合分析研究区声场特征，特别是会聚区的特征。

3　声速剖面季节变化特征

本文将一年划分成春(3-5月)、夏(6-8月)、秋(9-11月)、冬(12-2月)四季，对研究区经过Akima插值的声速剖面进行季节内平均，获得4个季节的平均声速剖面(图2)。从图中可见，研究区的声速剖面为典型的深海声速垂直结构[22]，可分为3层：混合层、跃变层和深海等温层。混合层，主要受海面的冷热交换和风浪的搅拌作用，水温在海表面以下一定深度内保持稳定，层中声速因深度增大呈现弱的正梯度结构，该层受季节变化最显著。在混合层以下，随着深度增加，海水温度急剧降低，对应的声速剖面上，出现一个负梯度的声速层，该层为跃变层。随着水深继续增大，到一定深度上温盐基本不变，形成深海等温层，该层由于深度增加，声速表现为正梯度，深海等温层受季节影响最小。跃变层和深海等温层中间的声速最小值处为声道轴。

由图2可知，吕宋海峡东部海域4个季节表面的平均声速大小依次为夏季、秋季、春季和冬季，夏季最大为1 543.5 m/s，冬季最小为1 533.4 m/s，两者相差10 m/s。从4个季节平均声速剖面获得的混合层深度从大至小依次为冬季、秋季、春季和夏季，冬季达到50 m，夏季为4 m；跃变层，4个季节变化趋势一致，在1 000 m深度附近4个季节的声速均达到最小，说明声道轴位置随季节变化较小，4个季节的声道轴声速约为1 482 m/s；在深海等温层，从一定深度开始，4个季节的平均声速基本一样。

图2　吕宋海峡东部海域4个季节的平均声速剖面Fig.2　The mean sound-speed profile of the four seasons in the east of Luzon Strait

图3　声道特征量示意图Fig.3　The instruction chart of the features in sound channel

4　声道特征及会聚区出现概率

4.1声道特征

采用WOA13气候态数据对研究区Argo资料获得的所有温盐剖面进行深海方向的延拓。延拓方法是采用WOA13季节平均的温盐网格数据，根据季节划分和空间最近原则，对所有的温盐剖面数据进行深海方向上的延拓，当Argo浮标所在的水深超过5 500 m时，5 500 m以深部分假设温度、盐度不变，只是压力增加，获得全海深的温盐剖面。最后采用Chen&Millero算法，把所有经延拓后的温盐剖面数据转为声速剖面。

计算所有经延拓后的声速剖面的声道特征量，包括声道轴深度、声道轴的声速、声道厚度、深度余量。声道轴的声速是整条声速剖面中声速的最小值；声道轴声速对应的深度位置就是声道轴；声道厚度是表面声速最大值处和深海中与表面声速最大值相等的声速所在的位置之间的水层深度；深度余量是声道厚度层以下到海底之间的水层厚度，声道特征量示意图如图3所示。

按季节进行统计分析，获得各季节的声道特征量的平均值，如表1所示。由表1可见，声道轴深度变化不大，约在1 000～1 040 m之间，夏季最大，春季、冬季最小；4个季节的声道轴处的声速基本相同，约为1 482 m/s；4个季节的平均声道厚度都超过4 500 m，利于深海会聚区形成。

表1　各季节声道特征量的平均值

4.2会聚区出现概率

形成会聚区的条件是声源和接收器两者必须都置于声道内，并且海水的深度必须足够大，即满足一定的深度余量(海底深度与折回声线最小深度之差)，以便声线在水下发生折射、反转而返回海表形成会聚区；当深度较小时，声线会被海底吸收和反射，抑制了会聚区的发生。深度余量可通过声速剖面结构计算获得，会聚区能否发生主要看海区的深度余量是否大于或等于最小深度余量，会聚区的发生情况随深度余量的变化而变化。Hanrahan给出了平均深度余量与会聚区发生概率的关系[23]，绘出关系曲线图(图4)。

图4　会聚区发生概率与深度余量的关系曲线Fig.4　The relation between probability of occurrence convergence zone and depth-excess

本文计算了研究区经深海延拓后每条声速剖面的深度余量，根据图4深度余量与会聚区发生概率的关系曲线，获得研究区发生声场会聚现象的概率分布，并按季节分别统计，结果如表2所示，从表可知，研究区发生会聚现象的概率高于50%的占70.6%，会聚现象的发生概率分布季节变化较为明显，四季发生声场会聚现象高于50%的概率占比分别为90.5%、47.7%、65.0%、85.7%，说明春季、冬季极易发生声场的会聚现象，秋季次之，夏季概率最小。

表2　研究区会聚区发生概率分布Tab.2　The distribution of convergence zone occurrence probability

5　会聚区特征季节变化

采用WOA13气候态数据集对研究区春、夏、秋、冬4个季节的平均声速剖面进行深海方向上的声速延拓，延拓到研究区的平均深度5 500 m，把4个季节的声速剖面分别输入RAMGeo模型中进行声场传播损失仿真试验，获取会聚区特征量。模式采用的参数如下：声源频率100 Hz，声源深度100 m，海水密度1 024 kg/m3，海底声速1 520 m/s，海底吸收系数1.17 dB/λ，传播距离200 km。

图5给出了春季平均声速剖面及RAMGeo模型预报的声传播损失图，从图中可见在200 km传播范围内，有3个明显的声场会聚区。根据仿真结果，提取接收深度10 m时的传播损失，图6为春季10 m接收深度的声传播损失曲线，提取会聚区的距离、宽度和增益3个特征量。获得4个季节当接收深度为10 m时的前3个会聚区的特征量，如表3所示。从表3可知，第一会聚区，离声源的距离在61～64 km左右，秋季离声源最近，春、冬季较远；会聚区宽度上夏季最宽为10 km，春季最窄为4.6 km；会聚区增益分布特点与会聚区宽度刚好相反，春季最大为14.6 dB，夏季最小为8.5 dB，季节变化较为明显。第二、第三会聚区的距离4个季节较为接近，宽度和增益的季节变化与第一会聚区一致，春季和冬季的会聚区增益明显比夏季和秋季强。

图5　春季声速剖面及传播损失图Fig.5　The sound-speed profile and sound propagation loss in spring

图6　春季10 m接收深度的传播损失曲线Fig.6　The sound propagation loss in spring when the receiver depth is 10 m

季节第一会聚区第二会聚区第三会聚区距离/km宽度/km增益/dB距离/km宽度/km增益/dB距离/km宽度/km增益/dB春季63746146126664179189568198夏季624100851259921041896105110秋季6178510512481141091914135113冬季638521421269721701899100188

6　结论

本文利用2010—2013年的Argo浮标观测资料对吕宋海峡东部海域的会聚区特征进行综合研究，得到如下结论：

(1)吕宋海峡东部海域4个季节表面的声速从大至小依次为夏季、秋季、春季和冬季；4个季节的混合层深度从大至小依次为冬季、秋季、春季和夏季。

(2)采用WOA13气候态数据对Argo温盐剖面进行深海延拓，获得全海深的声速剖面，分析4个季节的声道特征。研究区声道轴深度和声速较为稳定，声道轴深度在1 000～1 040 m之间，声道轴处的声速为1 482 m/s，4个季节的平均声道厚度都超过4 500 m，利于会聚区形成。

(3)吕宋海峡东部海域易发生会聚区现象，发生深海会聚现象概率的季节变化很明显，春季、冬季发生会聚现象概率高于50%的占比分别为90.5%、85.7%，秋季、夏季的占比分别为65.0%、47.7%。

(4)当声源深度100 m，接收深度10 m时，吕宋海峡东部海域第一会聚区，离声源的距离，秋季离声源最近，春季、冬季较远；会聚区宽度，夏季最宽，春季最窄；会聚区增益分布特点与会聚区宽度刚好相反，春季最大，夏季最小，故进行目标探测定位时可利用的会聚区探测区域夏季最大，春季最小，探测强度则刚好相反。第二、第三会聚区的距离4个季节较为接近，宽度和增益的季节变化特征与第一会聚区一致，春季和冬季的增益明显强于夏季和秋季。

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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。

国家海洋局第三海洋研究所基本科研业务费专项资助项目(海三科2011008，海三科2014018)。

阮海林(1985—)，男，福建省仙游县人，助理研究员，从事海洋遥感研究。E-mail:ruanhailin@tio.org.cn

*通信作者：杨燕明(1966—)，研究员，从事海洋声学研究。E-mail:yangyanming@tio.org.cn

P733.2

A

0253-4193(2015)07-0078-07

阮海林，杨燕明，牛富强，等. 基于Argo数据的吕宋海峡东部海域的会聚区特征分析[J]. 海洋学报，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