基于图表法的南海北部表面声道分布与成因分析

占鑫伟，屈 科*，刘宏伟，谢金怀

（1．广东海洋大学 电子与信息工程学院，广东 湛江 524088；2. 中国船舶重工集团公司第七一六研究所，江苏 连云港 222136）

表面声道的主要特征是声速从海面开始随着深度的增加而单调增加，可以使声能量不与海底作用，减少损耗，形成声波导，使声能量远距离传播。表面声道对于声呐使用、近海潜艇作战保障有着重大的研究意义。

对于表面声道的声传播特性，国内外学者已经开展了相关研究。例如，Schulkin M[1]提出海面声道传播中声速损失的经验关系式；Pedersen M A[2]对射线理论和模态理论计算的传播损耗进行了详细的数值比较，张旭等[3]研究了我国近海的混合层结构变化对表面声道中声传播特性的影响。但是，现有工作主要集中在理论模型、经验模型和声场特征量计算等方面[4-11]，缺少对我国南海北部表面声道分布与成因的分析研究等实际性应用。此外，我国南海北部存在黑潮、上升流、洋流、涡旋、季风、台风、地势等多种因素作用的复杂海洋环境，声道分布及成因较复杂，亟待研究。为填补这一方面的空白，本文结合南海北部遥感数据，通过应用一种图表法[12]对南海北部声道的季节分布进行分析，并结合分布规律对成因进行了分析，给出了关于声道分布与成因的初步结论。

1 方法与示例

1. 1 图表法

表面声道（Surface Sound Duct，SSD）主要受温度梯度、盐度梯度、静水压力梯度变化影响，通过比较分析各因素对声速剖面影响，可以对声道的成因建立定量的分析。由Medwin H[13]声速经验公式，声速可以表示为温度、盐度、深度的函数：

式中：T 为温度，℃；S 为盐度，psu；z 为深度，m。SSD 中声速梯度为正，即，声能量向海表面折射。虑声道形成的各因素，式子可写成：

将式（1）代入式（2）得出SSD 的表达式：

其中，

在式（3）中的温度梯度Tz、盐度梯度和压力梯度Sz(常量)导致了声速随深度的变化。式（4）中盐度项的影响远小于其他项，可以忽略不计。β 和γ 可以作为盐度梯度和和温度梯度的权系数，取决于温度。从温度梯度和盐度梯度的角度来看，SSD 的形成条件可表示为：

在以温度梯度和盐度梯度为横纵坐标的二维平面中，式（6）可以表示成一条阈值线，如图1中的斜线所示。平面被阈值线划分为两个区域：彩色区域和无色区域，分别位于阈值线上方和下方。当温盐梯度测量值位于彩色区域时，满足式（6），既表示相应的深度中存在SSD。相反，若一个梯度测量值位于下方无色区域，则此深度就不存在SSD。通过对应深度点的梯度数值点在平面上所处区间就可以对SSD 是否存在进行判断。

1. 2 数据示例

本 文 使 用2004 年10 月3 日 于22°41′ N，113°8′ E 获得的温盐深仪数据示范图表方法的应用。在测量期间，位于南海的冷涌迅速向南传播。由于强烈的东北季风，海水垂直方向混合增强，混合层深度达到了43 m。冷空气带走了上层海水的热量，导致混合层存在轻微的正温度梯度。珠江的冲淡水位于14 m 以上的深度，平均盐度梯度约为0.2 psu/m。海洋上层形成了43 m 的声速正梯度层，温度、盐度、声速剖面如图1 所示。

为了解海洋控制SSD 形成的物理机制，可以利用式（6）对声道进行进一步细化为如下4个类别：

静水压力声道（蓝色区域）：静水压力是该区域声道形成的主要因素。区域由阈值线Sz=-0.016/γ 及Tz=0.016/β 包围。

盐度声道（绿色区域）：正盐度梯度是该区域声道声道形成的主要因素。区域由阈值线Sz=-0.016/γ 及Tz=0 包围。

温度声道（橙色区域）：正温度梯度是该区域声道声道形成的主要因素。区域由阈值线Tz=0,Sz=0 包围。

混合声道（黄色区域）：所有因素都有助于形成声道，而温度和盐度的影响大于静压。该区域位于静水压力区域上方并被阈值线Sz=-0.016/β和Tz=0 包围。

图1 温盐剖面、声速剖面和图表法图

对示例数据的声道判断如图1 所示。可以看到43 m 以后的点就在阈值线下，所以声道深度为43 m。声道内的数据点分为两个类型：混合声道位于上层，由温度梯度、盐度梯度、静水压力的共同作用形成；静水压力声道位于下层海水，静水压力是声道形成的主要因素。

2 南海北部声道分布及成因分析

2. 1 遥感数据

本文遥感数据来源为欧洲航天局（ESA）下属的哥白尼海洋环境监测中心提供的卫星遥感再分析数据（Global Ocean 1/12°Physics Analysis And Forecast Updated Daily），其海面分辨率为0.083°×0.083°，日更新，包括温度、盐度和深度。本文选取了2018 年4 月27 日，8 月4 日，9 月20日，1 月4 日的剖面数据对南海北部春夏秋冬季分布特性进行分析。

2.2 四季声道分布图

2.2.1 春季声道分布图 春季典例南海北部声道分布如图2 所示。盐度声道与少量混合声道出现于珠江口附近和台湾南部沿岸，静压声道出现于台湾西部、南海东部。

珠江口周围有盐度声道和少量混合声道产生，珠江河口为河流与海洋的结合区域，河流受淡水径流控制，近岸海域多为盐度较高的内陆架水体所控制，而河口周围为低盐度水与较高盐度海水相互混合、稀释的过渡区域，若径流足够强大，密度大的海水与上游来的淡水在河口地区逐渐混合，并形成向外海排泄的冲淡水，该过程导致海水盐度下降产生盐度声道，并且是珠江口盐度声道成因重要因素。春季珠江口就有冲淡水现象，珠江口外冲淡水体明显具有低盐的特征[14]，导致盐度下降，声速随深度的变化，与上升流相互作用，产生盐度声道、混合声道，受季风影响向东西两岸扩散。春季为南海从东北季风向西南季风转换的过渡时期，但是残留的东北季风仍然具有一定的强度，台湾西部、南海东部受到海面风的影响，导致上层海水产生较强的混合，形成一定深度的混合层，产生静水压力声道。

图2 春季典例表面声道分布图

2.2.2 夏季声道分布图 夏季典例南海北部声道分布如图3 所示。珠江口周围以及向东方向拓展有盐度声道呈“舌状”分布，台湾西南沿岸有盐度声道、混合声道出现。台湾浅滩有少量静压声道出现。

珠江流域的径流量随季节变化而变化，有明显的雨季与旱季，因冲淡水而产生的声道范围也主要受其影响。相较于春季，夏季降水量增加，珠江口即周围河流径流量明显增大，沿岸河口向南海冲淡水，导致珠江口冲淡范围剧增，盐度下降，生成盐度声道。庞海龙[14]通过分析断面调查的盐度数据发现夏季，粤东沿岸流流向东北，流量幅度宽，甚至达到台湾海峡。夏季是南海西南季风最为强盛的时期，珠江口冲淡方向为东北，主要受到西南季风的影响。上升流是整个南海北部陆架区夏季的普遍现象[15]，台湾南部沿岸与珠江沿岸受西南风驱动上层水产生离岸运动产生上升流，区域次表层高盐度水体被带至表层，导致盐度上升，产生盐度声道。夏季风力相较于春季明显减弱，只有小范围台湾浅滩受风影响产生了静压声道，整体静压声道相较于春季削弱明显。

图3 夏季典例表面声道分布图

2.2.3 秋季声道分布图 秋季典例南海北部声道分布如图4 所示。珠江口以东方向与西方向有盐度声道分布。台湾海峡南部有盐度声道分布。远深海地区有静压声道分布。

秋季为南海从西南季风向东北季风转换的过度时期，从9 月开始东北季风逐月加强，导致南海中东部有较大范围海域上层海水混合，产生静压声道，相较于春季范围增加明显。在东北季风逐渐加强的同时珠江径流逐月减少，珠江冲淡水逐渐向岸边退缩，并且在东北季风的驱动下主要向粤西扩散，导致沿岸盐度下降，产生盐度声道，主要分布在珠江口以西沿岸，少量分布珠江口以东[15]。

图4 秋季典例表面声道分布图

2.2.4 冬季声道分布图 冬季典例南海北部的声道分布如图5 所示。珠江口有少量盐度声道分布，粤东沿岸、台湾东南部有混合声道出现。南海北部有大范围的静压声道出现。

珠江口仍有冲淡水现象，由于珠江仍处在枯水期，径流量小，相较于其它季节只有小范围海域盐度下降，产生了盐度声道，四季中冲淡水产生的盐度声道范围最小。粤东沿岸有上升流现象，导致温度下降、盐度上升，产生了混合声道。冬季是南海东北季风最为强盛时期，南海北部受东北季风影响，上层海水产生混合，产生了大范围的静压声道，几乎覆盖了南海北部。

图5 冬季典例表面声道分布图

3 结 论

南海北部声道静压声道冬季分布最广，春秋季相较于冬季有所缩减，夏季分布最少。夏季由于上升流产生的盐度声道、混合声道分布较广，春秋冬季较少。珠江冲淡水的产生的盐度声道也有较大分布范围，夏季分布范围最广，秋、春、冬季依次减少。

中部深海区主要为静压声道，冬季最为明显，秋夏季其次，夏季最弱，主要成因为季风现象导致上层海水混合，产生静压声道，具有明显的季节性规律。珠江口周围主要为盐度声道，冲淡水导致海水盐度下降产生盐度声道，是珠江口周围形成盐度声道的重要因素。珠江径流量受季节变化影响，有明显的雨季与枯季，冲淡水而产生的声道范围也主要受其影响。春秋东季为枯水季，珠江口附近的盐度声道范围小，夏季珠江口附近的盐度声道范围最最大，由于雨季降水量增大导致珠江巨量径流入海对附近海域的冲淡作用极为明显，产生大范围盐度声道呈现“水舌”状。珠江冲淡水所产生的表面声道扩散路径主要受季风所主导，夏季受西南季风主导，扩散方向为东北方向，春秋季为季风过渡时期，向两岸扩散受，以西为主。广东省东部沿岸、台湾南部沿岸主要为盐度声道、混合声道，主要成因为上升流。南海北部上升流是一种季节性上升流，该上升流的形成与消亡主要取决于南海北部的风场变化。

SSD 是一种可用于远程传播的声道，在南海的冲淡水区域中，例如珠江口，它是唯一有效的声道。了解SSD 形成的时间特性和分布特性有利于对海表面布放的发射与接收声呐设备性能进行估计。根据区域表面声道的分布特性进行声呐系统布放，可以有效提升设备工作距离，提供性能增益。