印度洋声道的分布特征

钱 潮 ，吕连港 *，姜 莹，刘宗伟，杨春梅

(1.自然资源部 第一海洋研究所,山东 青岛 266061；2.青岛海洋科学与技术试点国家实验室 区域海洋动力学与数值模拟功能实验室,山东 青岛 266237；3.自然资源部 海洋环境科学与数值模拟重点实验室,山东 青岛 266061)

在海洋中声速随深度变化存在极小值时,若将声源置于极小值附近水层,声线将被约束在一定深度水层内传播,传播过程中声能损失极小,此水层称为水下声道[1]。

表面声道是实现水声远距离传播的重要声道之一,与海洋混合层有着密切的关系。在混合层中声速因受压力的影响呈正梯度结构,在这种条件下从混合层中发出的声波向海面方向偏折,经海面多次反射形成波导式的传播,这种类型的声信道被称为表面声道[2]。深海声道是存在于声速最小值附近水层中的声波波导[3]。孙琪田利用声速垂直结构模式分析了西北太平洋声道分布特征[4]。张旭分析了我国近海及西太平洋典型海区的混合层结构对表面声道中声传播特性的影响[5]。段睿和杨坤德探讨了南海混合层深度的分布特征[6]。目前,对于印度洋海区的研究较少,尤其是南印度洋。孙振宇等利用2004—2005年Argo资料讨论了热带印度洋混合层深度分布的季节性变化[7]。李佳等统计了印度洋中北部部分海区的声速极大值深度和深海声道轴的分布[8]。

本文基于2000—2018年的地转海洋学实时观测阵数据,将首先计算海区声速剖面；然后统计分析整个印度洋的表面声道和深海声道分布特征,进而分析5个典型海区(区域A:60°～70°E,15°～20°N；区域B:85°～95°E,10°～15°N；区域C:85°～95°E,2°30′S～2°30′N；区域D:55°～70°E,15°～20°S；区域E:60°～100°E,37°30′～42°30′S)的表面声道平均深度的逐月分布；最后,将利用相关温度、盐度以及声速断面,结合季风、洋流、水团探讨声道分布特征的成因,以期对该海区的水下通信和水下声传播研究提供参考。

1 数据与方法

1.1 数据

采用中国Argo资料中心[9]2000—2018年的地转海洋学实时观测阵(Argo)数据,包含0～2 000 m 水深处的温度(℃)、盐度、压力(10 k Pa)数据,研究区域为30°～120°E,60°S～25°N。研究区域内共268 188条剖面,其中1月22 781条,2月22 387条,3月22 702条,4月21 871条,5月22 566条,6月21 835条,7月24 440条,8月20 349条,9月21 383条,10月22 348条,11月21 673条,12月23 853条,各月份的数据量相当,且温度、盐度和压力数据由中国Argo资料中心进行了质量控制,为各月份声道分布的对比分析提供支撑。

1.2 方法

在海水中,声速主要受温度、盐度和压力的影响,声速可以表示为温度、盐度和压力(或深度)的函数,并随温度、盐度、压力的增大而增大[10]。

采用联合国科教文组织推荐的Chen&Millero公式[11]来计算声速c(单位为m/s),公式为

式中:S为实用盐度；θ为水温(单位为℃)；p为海水压强(单位为bar,1 bar＝0.1 MPa)；Cw(θ,p),A(θ,p),B(θ,p),D(θ,p)均为关于θ和p的参数。原始数据为非等深间隔数据,计算得到的声速数据也为非等深间隔数据,故为了便于以下计算研究,采用Akima插值法[12]对声速数据进行垂向插值,得到间隔为5 m的声速序列。

在真实的海洋中,表层海水受降温的影响或风浪的搅拌作用而形成一层有一定厚度的温度、盐度均匀层,也称混合层。在该混合层中,声速随着水深增加而增大,在混合层底部附近出现声速极大值,形成表面声道。本文从水声学角度出发,将近表层声速剖面中声速极大值所在深度作为表面声道的深度(图1a),将声速最小值所在的位置作为深海声道的深度(图1b),通常深海声道位置较深。

图1 两种声道的声速剖面Fig.1 Sound speed profiles of two types of sound channels

2 结果与讨论

2.1 表面声道

印度洋表面声道深度逐月分布显示其区域性和季节性变化明显(图2)。赤道以北海区(0°～25°N),夏季(7月)表面声道深度大于冬季(1月),冬季表面声道深度大于春季(4月)和秋季(10月)。赤道以南低纬度海区(0～20°S),夏(1月)、秋(4月)两季表面声道深度小于春(10月)、冬(7月)两季。赤道以南中纬度海区(20°～40°S),春(10月)、夏(1月)两季表面声道深度小于秋(4月)、冬(7月)两季,其中夏季表面声道深度最浅。印度洋40°S以南海区,春季(10月)和冬季(7月)表面声道深度明显大于夏季(1月)和秋季(4月),部分区域甚至达到300 m,而夏季表面声道深度最浅。

图2 印度洋表面声道深度逐月分布Fig.2 Monthly distributions of surface channel depth in the Indian Ocean

为进一步分析表面声道的时空分布,本文选择5个典型海区表面声道的平均深度进行分析。选择的典型海区为区域A:60°～70°E,15°～20°N；区域B:85°～95°E,10°～15°N；区域C:85°～95°E,2°30′S～2°30′N；区域D:55°～70°E,15°～20°S；区域E:60°～100°E,37°30′～42°30′S,如图3所示。

图3 印度洋典型海区Fig.3 Typical sea areas in the Indian Ocean

各典型海区表面声道平均深度的逐月变化结果(图4)显示,区域A、B 和C 表面声道平均深度在夏(7 月)、冬(1月)两季出现深度的极大值。7月,区域A、B和C 表面声道平均深度分别为64、57和81 m；1月,区域A、B和C表面声道平均深度分别为67、64和83 m。但是,在春(4月)、秋(10月)两季出现深度的极小值。4月,区域A、B和C 表面声道平均深度分别为24、22 和46 m；10月,区域A、B和C 表面声道平均深度分别为31、36和69 m。这表明区域A、B和C表面声道平均深度呈半年周期性变化。区域A、B和C的半年周期性变化与印度洋的季风性气候密切相关。夏、冬两季印度洋季风达到最强,海水垂直混合最强,混合层深度最深,进而导致表面声道达到最深。同理,春、秋两季为季风转换季节,季风最弱,表面声道最浅。区域D 和E表面声道平均深度呈年周期性变化,在冬季(8月和9月)出现深度的极大值(区域D 为105 m,区域E为340 m),在夏季(1月)出现深度的极小值(区域D 为37 m,区域E为36 m),这主要是因为区域D 处在东南信风带,区域E处在西风带,以上海区风场季节性变化较小,表面声道受风的强迫作用的变化不大,受降温增密的影响,混合层深度加深,表面声道变深。表面声道不仅存在季节变化,也呈现一定的区域变化。区域C表面声道深度大于附近海区,是由向东传播的下翻Kelvin波引起温跃层的加深所致[13]。区域D 表面声道深度大于附近海区,该特征的形成与风应力旋度的空间分布相关[14],该海区受风应力及其旋度的强迫作用较强,导致上层水体垂直混合加强,混合层加深,进而导致表面声道加深。区域E 表面声道深度在深冬(9月)达到印度洋海区的最大深度,该特征与亚南极模态水[15-16]的影响密切相关。亚南极模态水形成于冬季的深混合层,由于海气通量和Ekman输运的综合效应,混合层深度在深冬(9月)达到最大[16],所以表面声道深度也在深冬(9月)达到最大。由该月横跨区域E的温度、盐度、声速断面(40°S)分布(图5)可见,区域E范围内的上层水体(虚线框)温盐垂向变化小,垂向混合充分,表面声道深度较深。

图4 印度洋典型海区月平均表面声道深度Fig.4 Monthly mean of the surface channel depth in the typical areas of the Indian Ocean

图5 9月印度洋40°S温度、盐度和声速断面分布Fig.5 Distributions of temperature,salinity and sound speed at 40°S section in the Indian Ocean in September

2.2 深海声道

在0～2 000 m 水深范围内,深海声道普遍存在于印度洋10°N 以南(图6),东部可延伸至孟加拉湾,其季节性变化较小。阿拉伯海附近不存在深海声道,原因是这里有红海和波斯湾高盐水的注入。由于高温高盐中层水的影响,主跃层之下声速受温盐的影响仍然较大,其随温盐的降低而减小,随压力的增大而增大,温度、盐度和压力的共同作用使声速不变甚至有略微减小,所以无明显深海声道。印度洋45°S以北海区,东部深海声道较西部浅。东部深海声道深度大都集中于800～1 200 m,西部深海声道深度大都集中于1 300～1 400 m,整体表现为由西向东呈递减之势,这是由于南极中层水在向北输运过程中东西不对称,导致在表层以下同一纬度、同一深度,印度洋东部温盐小于西部,故东部声速达到最小值的深度浅于西部,即东部深海声道较西部浅。

图6 印度洋深海声道深度季节分布Fig.6 Seasonal distributions of the deep channel depth in the Indian Ocean

总体来看,深海声道分布还具有2个特征:①北印度洋深海声道深度大于南印度洋。分析该特征的形成原因认为,北印度洋中层水团位于主温跃层到1 000 m 左右的水层,其主要源地为红海和波斯湾的高温高盐中层水,声速在中层水团之下的深度才会逐渐反转,深海声道较深；而南印度洋中层水团则主要是低温低盐南极中层水,声速在南极中层水之间出现反转,深海声道较浅。②在45°S以南深海声道最浅,且在45°S以南海区,春(10月)、冬(7月)两季深度略小于夏(1月)、秋(4月)两季。这一特征形成的原因是:45°S以南海区为南极中层水[10]的源区,在温跃层内,随着深度加深,声速随海水温度降低而减小(图7),在温跃层以下的深度,海水温盐变化较小,这时声速主要受压力影响,且随深度(压力)的增加开始增大,所以在温跃层下界附近声速最小,该海区温跃层薄而浅,形成较浅的声道,又因为该海区深海声道深度较浅,且又不像表面声道受风浪影响那么大,所以该声道对于水下通信更加有利。

图7 印度洋90°E年平均温度、盐度和声速断面分布Fig.7 Annual-mean distributions of temperature,salinity and sound speed at 90°E section in the Indian Ocean

3 结论

基于2000—2018年的印度洋地转海洋学实时观测阵数据,计算得到该海区的声速剖面,并进一步分析了该海区的表面声道和深海声道分布,得到结果:

①印度洋的表面声道有着明显的区域性分布和季节性变化。印度洋10°S以北表面声道深度主要表现为半年周期变化,该变化与印度洋的季风性气候密切相关。印度洋10°S以南主要表现为年周期变化,与该区域所处的信风带有关。赤道以北海区,夏季表面声道深度大于冬季,冬季表面声道深度大于春、秋两季。赤道以南低纬度海区,夏、秋两季表面声道深度小于春、冬两季。赤道以南中纬度海区,春、夏两季表面声道深度小于秋、冬两季,其中夏季表面声道深度最浅。

②40°S附近海区表面声道深度在9月达到印度洋海区的最大深度。40°S以南海区,春季和冬季表面声道深度明显大于夏季和秋季,部分区域甚至达到300 m,主要受冬季形成的亚南极模态水的影响。

③在0～2 000 m 水深范围内,深海声道普遍存在于10°N 以南海区,东部可延伸至孟加拉湾,其季节变化性较小。印度洋45°S以北海区:东部深海声道较西部浅,东部深海声道深度大都集中于800～1 200 m,西部深海声道深度主要集中于1 300～1 400 m,由西向东呈递减之势,这是由于南极中层水在向北输运过程中东西两侧不对称。45°S以南海区为南极中层水源区,深海声道最浅,夏、秋季节声道深度略大于冬、春季节。