張旭，張永剛，黃飛靈，李堅

（1. 海軍大連艦艇學(xué)院軍事海洋系，遼寧 大連 116018；2. 91991部隊司令部航?？?，浙江 舟山 316041；3. 91257部隊司令部航?？?，浙江 舟山 316000）

中國近海聲速剖面的模態(tài)特征

張旭1，張永剛1，黃飛靈2，李堅3

（1. 海軍大連艦艇學(xué)院軍事海洋系，遼寧 大連 116018；2. 91991部隊司令部航?？疲憬?舟山 316041；3. 91257部隊司令部航?？?，浙江 舟山 316000）

利用WOA05數(shù)據(jù)集提供的氣候態(tài)聲速場數(shù)據(jù)，通過模糊C-均值聚類分析，得到了中國近海聲速剖面模態(tài)特征的區(qū)域性分布和季節(jié)性變化。結(jié)果表明，中國近海的聲速剖面結(jié)構(gòu)可分為深海型（D型）、淺海型（S型）和過渡型（T型）三個基本類型。深海型剖面為“季節(jié)性躍層/正梯度+主躍層+深海聲道+深海正梯度”結(jié)構(gòu)，南海和菲律賓海因所屬水系不同呈現(xiàn)出明顯差異；淺海型剖面季節(jié)性變化強烈，冬季為正梯度或均勻型結(jié)構(gòu)，其它季節(jié)為“混合層+季節(jié)性躍層+下均勻?qū)印苯Y(jié)構(gòu)，負梯度強度與季節(jié)性躍層的變化有關(guān)，在夏季達到最強；過渡型剖面形態(tài)與鄰近的深海型上層結(jié)構(gòu)類似，但因受地形制約產(chǎn)生與深海型不同的聲傳播特征。海面太陽輻射、海洋環(huán)流、混合層以及水團配置的季節(jié)性變化導(dǎo)致的溫鹽場空間分布差異是造成不同海區(qū)、不同季節(jié)聲場速剖面結(jié)構(gòu)差異的根本原因。

聲速剖面；中國近海；模糊C-均值聚類；WOA05

引 言

聲速剖面 (SSP) 反映了局地聲速場的垂直結(jié)構(gòu)，對水下聲傳播特征具有重要影響。20世紀(jì)90年代以來，各國非常重視海洋聲場環(huán)境數(shù)據(jù)庫建設(shè)以及海洋環(huán)境保障輔助決策研究[1-4]。然而，受海洋調(diào)查資料的限制，早期對海洋聲場結(jié)構(gòu)模態(tài)特征的研究很少。近年來，隨著海洋水文資料的積累，對海洋聲場結(jié)構(gòu)的區(qū)域性分布和季節(jié)性變化的認識不斷加深，對聲速剖面的模態(tài)特征的研究也有了新的進展[5-8]。

中國近海幅員遼闊，海洋水文特征復(fù)雜，區(qū)域性、季節(jié)性特征差異顯著。國內(nèi)許多學(xué)者曾針對中國近海氣候和水文結(jié)構(gòu)的區(qū)域劃分和特征提取問題開展了大量的研究工作，主要包括兩個方面：一是從海-氣相互作用的角度對海洋進行區(qū)劃，陳上及等[9,10]用主因子分析和模糊聚類軟劃分等方法將中國近海劃分為 3個海洋水文氣候帶，9個氣候區(qū)，較好地給出了中國近海的區(qū)域性氣候特征；二是依據(jù)海水的溫-鹽特征進行水團分析，此類研究文獻甚多，李鳳岐和蘇育嵩[11]、孫湘平[12]等對中國近海的水團分布特征進行了系統(tǒng)性的總結(jié)。然而，無論是氣候區(qū)劃還是水團分析都沒有將局地的水文垂直結(jié)構(gòu)作為一個整體來考慮，因此不能滿足海上活動對環(huán)境保障的需求?！恫澈?、黃海、東海海洋圖集》[13]雖給出了渤、黃、東海的聲速剖面類型分布，但只給出了經(jīng)驗性的結(jié)果，且僅限于東海以北的淺海陸架海區(qū)。

本文的目的是利用WOA05數(shù)據(jù)集，應(yīng)用模糊C-均值聚類法將中國近海（含菲律賓海）聲速垂直結(jié)構(gòu)劃分出合理的區(qū)域類型，給出各個季節(jié)、各個類型主要的聲速剖面模態(tài)特征。

1 資料和方法

1.1 資料

選取美國國家海洋學(xué)數(shù)據(jù)中心 (NODC) 發(fā)布的WOA05數(shù)據(jù)集[14,15]。原始數(shù)據(jù)來源于1900－2005年全球范圍內(nèi)的歷史觀測站、MBT、CTD、DBT及XBT的水溫和鹽度觀測剖面。數(shù)據(jù)通過范圍檢測、梯度檢測、統(tǒng)計學(xué)檢測以及靜力穩(wěn)定度檢測等多種方法進行質(zhì)量控制，經(jīng) Levitus法進行客觀分析得到水平網(wǎng)格為1° × 1°的格點數(shù)據(jù)集，包括年平均氣候態(tài)（垂直標(biāo)準(zhǔn)層為33層，0 ～ 5 500 m）、季平均氣候態(tài)（垂直標(biāo)準(zhǔn)層為33層，0 ～ 5 500 m）以及月平均氣候態(tài)（垂直標(biāo)準(zhǔn)層為24層，0 ～ 1 500 m）三維場數(shù)據(jù)。本文選用中國近海范圍內(nèi)的季平均氣候態(tài)溫、鹽場數(shù)據(jù)，每個季節(jié)包含溫、鹽剖面各 816組。采用 UNESCO推薦的Chen和Millero (1977) 提出的經(jīng)驗公式[16]，根據(jù)水溫、鹽度和深度參數(shù)計算聲速。

1.2 聲速剖面分類方法

在海洋聲學(xué)意義上，淺海與深海中的聲傳播特征截然不同。在淺海中，聲波在傳播過程中與海面和海底發(fā)生多次接觸，聲能因界面的反射和散射作用迅速衰減；而在深水中，聲波則會因匯聚效應(yīng)反轉(zhuǎn)折回海面而避免了與海底發(fā)生接觸，使能量損失較小，能夠?qū)崿F(xiàn)遠程傳播。因此，水深是導(dǎo)致聲傳播特征差異的重要因素。

中國近海的地形特征極其復(fù)雜（如圖 1），可依據(jù)水深分布將中國近海分為深海型海區(qū)、淺海型海區(qū)和過渡型海區(qū)三個基本類型。深海型海區(qū)定義為水深超過2 000 m的區(qū)域，主要包括南海中部和菲律賓海深海海盆區(qū)域。淺海型海區(qū)采用與Reise和Etter[5]相同的標(biāo)準(zhǔn)，即水深小于200 m的海區(qū)，主要包括渤海、黃海、東海、南海北部和北部灣的淺海陸架區(qū)域。過渡型海區(qū)定義為水深介于200 ～ 2 000 m之間的區(qū)域，主要包括南海北部、南海南部和硫球群島附近的大陸坡區(qū)域，其水深從大陸架到深海海盆迅速增大。

Mandelberg和Makowski[6]曾采用等級聚類分析法提取出太平洋和大西洋深海剖面的主要模態(tài)。本文討論的海區(qū)與之相比區(qū)域更小，且地形復(fù)雜，因此宜采用更細致的模糊C-均值聚類法（FCM）[17]。

圖 1 中國近海海底地形（數(shù)據(jù)來自 ETOPO5，分辨率為 5′×5′）Fig. 1 Topography of Sea Areas of China（Based on ETOPO5 database, 5′×5′ grids）

式中：C表示聲速；Z表示水深；A、B為擬合參數(shù)。依據(jù)擬合表達式和參數(shù)將剖面擴展到200 m的深度，即將剖面中不足200 m深的剖面數(shù)據(jù)空缺補足。對于過渡型剖面，應(yīng)用7次正交多項式將剖面擬合至1 000 m。對于深海型剖面，直接插值到0 ～ 2 000 m相應(yīng)層次。這樣，就得到了淺海型、深海型和過渡型聲速剖面集合。

以歐氏距離為標(biāo)準(zhǔn)建立準(zhǔn)則函數(shù)：

2 聲速剖面的模態(tài)特征

通過聚類分析，將中國近海四季的聲速剖面結(jié)構(gòu)劃分為不同的類型，各類區(qū)域分布見圖 2。深海型海區(qū)可分為5個子區(qū)域：南海中部海區(qū)（D1）、菲律賓海熱帶海區(qū)（D2）、菲律賓海亞熱帶北部海區(qū)（D3）、菲律賓海亞熱帶南部海區(qū)（D4）和菲律賓海溫帶海區(qū)（D5）。淺海型海區(qū)主要包括渤海、黃海、東海、北部灣以及南海北部，春季、夏季和秋季可分為3個子區(qū)域（S1-S3），冬季可分為4個子區(qū)域（S1-S4）。過渡型海區(qū)可分為2個子區(qū)域：東海過渡海區(qū)（T1）和南海過渡海區(qū)（T2）。

2.1 深海型海區(qū)

深海型海區(qū)的表層和次表層有著明顯的季節(jié)性變化，次表層以下結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，呈現(xiàn)出“主躍層+深海聲道+深海正梯度”的結(jié)構(gòu)（如圖3所示）。深海聲道軸對應(yīng)主躍層以下聲速最小值所在深度，一般在800～ 1 200 m的范圍，其下的正梯度結(jié)構(gòu)一直延伸到深海海盆。

圖4顯示了深海型各子區(qū)域的T-S特征，與圖3比較可以看出區(qū)域間的聲速結(jié)構(gòu)差異是不同類型水團配置的結(jié)果。南海 (D1) 和菲律賓海 (D2-D5) 屬于兩種截然不同的水系，圖4中顯示出的兩水系溫鹽特征的差異與許建平等[19]的分析較為一致：南海表層水、次表層水和中層水水溫與菲律賓海亞熱帶海區(qū)海水相當(dāng)，深層水比菲律賓海高出0.5 ℃以上；南海表層水和次表層水鹽度比菲律賓海低0.3 ～ 1.0，但中層水卻比菲律賓海高約 0.2，深層水與菲律賓海相差不大。在深海正梯度層的深度范圍內(nèi)，南海的聲速值明顯高于菲律賓海（見圖3），這正是由南海深層水和菲律賓海深層水溫、鹽特征的差異造成的（見表1）。

圖 2 中國近海不同季節(jié)剖面結(jié)構(gòu)類型的區(qū)域劃分Fig. 2 Distribution of SSPs modes in different seasons

圖 3 深海海區(qū)典型聲速剖面Fig. 3 SSPs modes of deep sea type

圖 4 深海型區(qū)域的T-S特征比較Fig. 4 T-S diagrams of deep sea type

表 1 南海和菲律賓海深層水的溫、鹽特征值Tab. 1 The eigenvalues of deep sea temperature and salinity in the South China Sea and the Philippine Sea

菲律賓海內(nèi)部也呈現(xiàn)出明顯的緯向帶狀差異，可分為四個子區(qū)域（D2-D5）。D2位于熱帶海域，聲速結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，季節(jié)性變化小。它與其它幾種剖面類型最大的差別就是次表層由赤道水所占據(jù)，因此主躍層淺而薄，深度范圍在500 m以淺，厚度約為200 ～ 300 m[20]。D3和D4具有亞熱帶水的特征，次表層由廣闊的中央水所占據(jù)，因此主躍層比D1厚得多，厚度可達400 ～ 600 m。冬季混合層加深，上層水溫達到全年最低，因此在表層100 ～ 200 m的范圍內(nèi)形成較弱的正梯度；而夏季由于季節(jié)性溫躍層的形成，使上層海洋層化更加強烈，形成較強的負梯度。D3受北赤道流的影響，表層和次表層溫、鹽特征偏向于熱帶水，而D4處于亞熱帶輻聚區(qū)，具有北部海區(qū)的部分特征，因此兩者在主躍層范圍內(nèi)表現(xiàn)出明顯的差異。D5位于菲律賓海最北部，表層和次表層的季節(jié)性變化最強，這與冬季的溫躍層通風(fēng)和模態(tài)水的形成有關(guān)：冬季，隨著混合層的加深和等密線的抬頭，溫躍層通風(fēng)開始[21,22]，形成了厚度超過300 m的表面正梯度層；從春季到夏季，混合層逐漸變淺，季節(jié)性躍層生成并不斷加強，冬季溫躍層通風(fēng)形成的模態(tài)水潛沉至次表層，將季節(jié)性躍層與主躍層相分隔[23]，在兩躍層之間形成一個厚度為100 ～ 200 m的極弱的負梯度層。秋季，季節(jié)性躍層開始變?nèi)?，同時近表層混合層開始加深，新的通風(fēng)過程又將開始。此外，D5區(qū)域次表層以下由亞北極中層水控制，水溫和鹽度都小于同深度其他區(qū)域，因此在主躍層深度范圍內(nèi)聲速值最小。在1 500 m以深，D2-D5都由北太平洋深層水所占據(jù)，溫、鹽性質(zhì)差異較小，因此聲速結(jié)構(gòu)趨于一致（見圖3和表1）。

2.2 淺海型海區(qū)

淺海型海區(qū)具有明顯的季節(jié)性變化特征。春、夏、秋三季，海區(qū)呈現(xiàn)出“混合層+季節(jié)性躍層+下均勻?qū)印钡慕Y(jié)構(gòu)，季節(jié)性躍層的生消決定了上、下均勻?qū)又g聲速負梯度的強度（見圖5）。冬季，渤、黃海區(qū)域呈現(xiàn)出較弱的正梯度結(jié)構(gòu)，東海及東海以南海區(qū)呈現(xiàn)出均勻型結(jié)構(gòu)。

冬季，水溫的緯向差異最為強烈（見圖6），從北到南水溫逐漸增高，聲速也隨之增大，可分為4個子區(qū)域 (S1-S4)。S1和S2是渤、黃海所在區(qū)域，受強對流混合作用的影響，從海面到海底水溫趨于均勻，聲速因隨壓力增大而增大呈現(xiàn)出正梯度結(jié)構(gòu)；而S3和S4對流作用弱于渤、黃海，水溫隨深度緩慢減小，因此剖面總體呈現(xiàn)出均勻型聲速結(jié)構(gòu)。春季，受太陽輻射季節(jié)性變化的影響，28oN以北區(qū)域表層升溫，混合層變淺，季節(jié)性躍層開始形成，但深度較淺，黃、渤海區(qū)域 (S1) 負梯度相對較強，東海北部海區(qū) (S2)相對較弱。28 oN以南區(qū)域 (S3) 表層水溫相對較高，因此表層與次表層差異比北部海區(qū)小，躍層尚未形成，呈現(xiàn)出較弱的負梯度結(jié)構(gòu)。夏季，到達各區(qū)域的太陽輻射最強，因此各區(qū)域季節(jié)性躍層都達到最強。根據(jù)圖6，S1區(qū)域近表層水溫為20℃ ～ 25℃，而底層因黃海冷水團的存在，水溫為5℃ ～ 10℃，表層與底層水溫的強烈反差形成了中國近海最強的聲速負梯度結(jié)構(gòu)。S2區(qū)域受長江沖淡水的影響，近表層鹽度急劇降低（見圖6），使得S2表層聲速減小，在0 ～ 20 m的范圍內(nèi)抵消了部分水溫差異導(dǎo)致的聲速躍變，使得躍層上界比S1略深，負梯度強度更弱。S3區(qū)域因表層水與次表層水的水溫差異更小，因此躍層變?nèi)酢Ｇ锛?，混合層開始加深，S2和S3區(qū)域的躍層均已消失，呈現(xiàn)出較弱的負梯度，而S1區(qū)域仍保持著明顯的躍變特征，但其位置已被加深的混合層壓至30 m以下。

圖 5 淺海海區(qū)典型聲速剖面Fig. 5 SSPs modes of shallow sea type

2.3 過渡型海區(qū)

過渡型海區(qū)具有與深海型類似的上層結(jié)構(gòu)，表層和次表層有明顯的季節(jié)性變化，次表層以下為“主躍層+深海聲道”結(jié)構(gòu)（見圖7）。受水深的影響，過渡型海區(qū)深海聲道以下不能形成足夠深的正梯度層，因此聲線在反轉(zhuǎn)之前與底邊界發(fā)生交互作用，不能形成匯聚區(qū)傳播。圖8顯示了夏季東海過渡型海區(qū)和鄰近的菲律賓海亞熱帶深海海區(qū)聲速剖面及聲傳播特征的比較（聲傳播計算采用 BELLHOP聲線模式[24]）。由圖8可見，深海型剖面（圖8a）可形成匯聚區(qū)傳播，而過渡型剖面（圖8b）則因水深相對較淺使得聲線與海面和海底發(fā)生多次反射，能量迅速耗散。

圖 6 淺海型區(qū)域的T-S特征比較Fig. 6 T-S diagrams of shallow sea type

東海過渡海區(qū)（T1）是黑潮流經(jīng)海域，具有大洋水團的特征和垂直分層的結(jié)構(gòu)特點[25]，其表層水與次表層水與大陸架區(qū)域的黃、東?；旌纤迪嗷旌希袑铀蜕顚铀虼箨懫孪拗埔话悴粫秩腙懠?。冬季混合層加深超過200 m，形成較厚的正梯度層，而夏季近表層生成較強的季節(jié)性躍層，呈現(xiàn)負梯度結(jié)構(gòu)。南海過渡海區(qū)（T2）分布在南海深海區(qū)域的南北兩側(cè)，處于近岸與南海中部深海之間的區(qū)域。主躍層結(jié)構(gòu)特征與D1類似；冬季垂直混合弱于T1，形成約100 m厚的正梯度層；夏季出現(xiàn)季節(jié)性躍層，但負梯度強度小于T1。T1和T2的主躍層深度范圍內(nèi)的聲速結(jié)構(gòu)有著明顯的差異（見圖7），T1負梯度變化率小，呈直線型模態(tài)；而T2負梯度隨深度逐漸減小，呈弧型模態(tài)。

3 結(jié)論與討論

利用WOA05氣候態(tài)數(shù)據(jù)對中國近海各個季節(jié)的聲速垂直結(jié)構(gòu)進行了分析與比較，通過模糊C-均值聚類，得出了聲速剖面模態(tài)特征的區(qū)域性分布及季節(jié)性變化。分析表明，中國近海的聲速剖面結(jié)構(gòu)可分為深海型、過渡型和淺海型三個基本類型，各類聲速剖面結(jié)構(gòu)模態(tài)差異是由海面太陽輻射、海洋環(huán)流、混合層以及水團配置的季節(jié)性變化導(dǎo)致的溫、鹽場空間分布差異造成的。

a）深海型（D型）可分為 5個子類型。深海型剖面表層和次表層有著復(fù)雜的區(qū)域性和季節(jié)性變化，而次表層以下則呈現(xiàn)出較為穩(wěn)定的“主躍層+深海聲道+深海正梯度”結(jié)構(gòu)。南海深海區(qū)域（D1）和菲律賓海深海區(qū)域（D2-D5）的差異是由兩個水系的水團配置不同造成的，而菲律賓海內(nèi)部D2-D5的差異則主要是由海區(qū)環(huán)流結(jié)構(gòu)、太陽輻射及混合層的季節(jié)性變化導(dǎo)致的。b）淺海型（S型）可分為3-4個子類型。春、夏、秋三季，海區(qū)呈現(xiàn)出“混合層+季節(jié)性躍層+下均勻?qū)印钡慕Y(jié)構(gòu)，負梯度強度取決于季節(jié)性躍層的變化。夏季，各海區(qū)季節(jié)性躍層達到最強，黃海海區(qū)因黃海冷水團的存在形成中國近海最強的負梯度。冬季，渤、黃海區(qū)域因強烈的混合形成正梯度結(jié)構(gòu)，東海及東海以南海區(qū)呈現(xiàn)出均勻型結(jié)構(gòu)。

c）過渡型（T型）可分為2個子類型。過渡型剖面與鄰近的深海型剖面有著相似上層結(jié)構(gòu)，但受水深的限制，不能形成完整的深海正梯度層。東海過渡海區(qū) (T1) 受東海黑潮的影響，具有菲律賓海亞熱帶海水的典型特征，而南海過渡海區(qū) (T2) 具有南海深海海水的特征，兩者在主躍層的模態(tài)有明顯的差異。

圖 7 過渡型海區(qū)典型聲速剖面Fig. 7 SSPs modes of transitional areas type.

圖 8 過渡型海區(qū)和深海海區(qū)的典型聲速剖面及聲傳播模式（a位于 130.5oE, 27.5oN; b 位于 128.5oE, 27.5oN; 聲源深度取 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)

受資料的限制，渤海、北部灣以及黃、東、南海的近岸區(qū)域沒有得到充分的描述，這些海區(qū)易受近岸水文氣象條件和徑流的影響，具有更復(fù)雜更劇烈的變化。此外，文中也沒有討論海洋中、小尺度海洋現(xiàn)象引起的局地聲速垂直結(jié)構(gòu)的變化，這需要基于結(jié)合高分辨率的衛(wèi)星高度計資料與海洋現(xiàn)場觀測作更細致的分析。局地聲速剖面結(jié)構(gòu)是聲傳播計算的基礎(chǔ)，在氣候態(tài)特征的基礎(chǔ)上，分析海洋中尺度現(xiàn)象引起的聲速結(jié)構(gòu)波動以及復(fù)雜水文氣象條件下近岸小范圍海區(qū)的聲速結(jié)構(gòu)變化仍是需要進一步研究的重要問題。

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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

張旭(1982－)，男，黑龍江蘿北人，博士研究生，主要研究軍事海洋學(xué)。電子郵箱：x_zhang04@yahoo.com.cn