夏季白令海聲速剖面分布特征

高飛，潘長明，馮盼盼，王璐華，王本洪，李璨

（1.解放軍理工大學 氣象海洋學院，江蘇 南京 211101；2.海軍海洋測繪研究所，天津 300061；3.中國人民解放軍61828部隊，新疆 喀什 844200）

白令海位于太平洋最北部，亞洲與美洲大陸之間，西接俄國西伯利亞，東臨美國阿拉斯加，南瀕阿留申群島，北部是連接太平洋與北冰洋的唯一水道—白令海峽（圖1）。本文研究區(qū)域集中于52°-66°N、169°E-165°W，該區(qū)域海底地形主要為海底盆地和大陸架，各占一半，海底盆地為深水區(qū)，最大深度超過5 000m，陸架海區(qū)為淺水區(qū)，一般不超過200m。以圣勞倫斯島為中心（Aagaard K et al，1985），東部為斯潘伯格海峽（190 km），西部為阿納德爾海峽（75 km），北部較遠處為白令海峽（85 km），這3個水道水文、聲學性質(zhì)各異，有很高的研究價值。

聲速剖面是物理海洋環(huán)境的綜合體現(xiàn)，是影響海洋聲場結(jié)構(gòu)重要因素之一（Michael etal，2005；張旭等，2010）。影響淺海最主要的因素是溫度，深海淺層聲速主要由溫度控制，深層是溫度和深度共同作用的結(jié)果。白令海是連接太平洋和北冰洋的唯一要道，地理位置極為重要，研究聲速剖面分布特征具有較高的經(jīng)濟、軍事價值（Kathleen etal，2009； Barbeux et al， 2009； Joseph et al， 2009）。自20世紀80年代以來，極地水聲學的研究越來越成為全球熱點，中國北極科學考察團隊陸續(xù)進行了5次科學考察。同時隨著海洋資料的不斷積累，全球范圍內(nèi)的氣候態(tài)聲場分布特征和混合層、深海主要聲速剖面類型逐步建立起來（Levitus，1982；Mandelberg，2000；王彥磊等，2013）。

然而，目前對白令海聲速剖面研究較少，本文利用中國第5次北極科考數(shù)據(jù)對白令海聲速剖面結(jié)構(gòu)分區(qū)域進行分析，得到聲躍層三特征參量（躍層強度、躍層厚度、躍層深度）分布特征，并結(jié)合溫、鹽、流等海洋要素分析其形成機理。對聲學設(shè)備的海洋探測和水下航行器的隱蔽航行具有一定的參考價值。

1 數(shù)據(jù)來源和處理方法

2012年中國進行第5次北極科學考察。本文選取CTD數(shù)據(jù)進行分析，此數(shù)據(jù)主要分布于白令海內(nèi)，根據(jù)水深和經(jīng)、緯度差異，將之分為5個斷面（圖1）。其中斷面1、4、5數(shù)據(jù)調(diào)查時間是7月中旬；斷面2、3數(shù)據(jù)是9月上旬。本文從CTD調(diào)查原始資料出發(fā)，選取調(diào)查過程中CTD下放階段的數(shù)據(jù)，并利用上升過程中的數(shù)據(jù)對近海表數(shù)據(jù)進行補充。利用akima插值將數(shù)據(jù)處理成垂向間隔1m的距離。

圖1 白令海海底地形及調(diào)查數(shù)據(jù)點分布

2 聲速計算方法比較

溫度、鹽度、密度每變化一個單位對應(yīng)的聲速變化量分別約為5m/s、1.14m/s和0.017 5m/s，綜合溫度、鹽度的變化量可知淺海聲速大小變化主要受溫度影響；而深海表層、次表層聲速主要受溫度影響，中下層水溫變化較小，聲速主要受深度影響。

常見的利用CTD數(shù)據(jù)中的溫、鹽、深數(shù)據(jù)計算聲速的方法有 Chen-Millero、Delgrosso和Wilson。其中Chen-Millero聲速方程為：

上式中T（℃）：0℃

上式中C′，CP分別與溫度、鹽度，壓力相關(guān)的聲速部分。Wilson聲速公式（B式）：

3種聲速計算方法得到的結(jié)果差異在白令海可概括為3個類型（如圖2A、2B、2C）。其中深水區(qū)，聲速差異隨深度的增大而增大（圖2A，“-”為減號）Wison計算聲速值最大，Chen-Millero居中，Delgrosso最 小 （如圖 2A），Wilson和Chen-Millero計算差別隨水深增大較為穩(wěn)定，但兩者相對Delgrosso差別隨深度增大而增大。淺水區(qū)Delgrosso計算結(jié)果仍最小，Chen-Millero和Delgross計算差異隨深度差別較為穩(wěn)定；在20m以淺水層，兩者相對于Wilson計算波動較大（如圖 2B、2C）。

圖2 聲速計算方法對比

圖3A為圖2A溫度變化曲線，圖3B實線對應(yīng)圖2B中溫度，虛線對應(yīng)圖2C溫度。進一步分析發(fā)現(xiàn)，深海海區(qū)3種聲速計算方法之間的差異主要受深度影響 （圖 3A），相對 Chen-Millero和Wilson，Delgrosso方法計算的聲速隨深度增加而增大的率較慢。淺海海區(qū)3種聲速計算方法的差異主要受溫度變化影響 （圖 3B），Chen-Millero和Delgrosso計算差異相對于溫度減小變化較小。海表溫度較低時，Wilson計算結(jié)果相對于Chen-Millero較小，反之亦然。這說明Wilson和Chen-Millero隨深度變化存在一致性，而Chen-millro和Delgrosso隨溫度變化存在一致性。

圖3 溫度剖面

受實測聲速數(shù)據(jù)限制，本文重點分析不同因素對白令海區(qū)3種聲速計算方法得到的聲速大小差異進行比較。事實上陳紅霞（2005）利用實測數(shù)據(jù)驗證了Wilson計算方法更適合深度小于200m或大于800m的區(qū)域，因此下文分析中主要以該方法計算聲速。

3 聲速剖面類型劃分

白令海夏季聲速剖面大致可分為5種類型（圖4）。白令海海盆水深較大，表層為相對較薄的混合均勻水層，7月次表層向下聲速迅速減小，為明顯的負聲速躍層（聲速向下迅速減小），接著為正聲速躍層（聲速向下迅速增加），從中層向下受深度影響，聲速緩慢增加（圖4A）。白令海陸架海域水深較淺，一般為50m左右，其中西部陸架聲速7月份從表層向下5-7m深度為明顯的負聲躍層，往下聲速變化較小（圖4B）。7月阿納德爾海峽及西伯利亞東部近岸表層出現(xiàn)明顯正聲躍層，往下聲速變化較小（圖4C）。7月圣勞倫斯島正北部及阿拉斯加西部沿岸從表層向下約11-13m厚水層為均勻?qū)樱袑勇曀傧蛳卵杆贉p小，深層聲速變化較小（圖4D）。9月白令海陸架中東部及斯潘伯格海峽地區(qū)聲速剖面可分為4段結(jié)構(gòu)，從表層向下為正聲速層，向下為較薄的聲速均勻?qū)樱袑雍蜕顚訛樨撀曀賹樱讓訛槲⑷醯木鶆驅(qū)樱▓D4E）。

圖4 聲速剖面類型劃分

4 聲速斷面空間變化特征

4.1 聲速斷面分布特征

本次科學考察CTD分成5個斷面分別進行分析，數(shù)據(jù)點位置在圖1中已標記。其中圖5A、5B、5C為7月份數(shù)據(jù)，圖5D、5E為9月份數(shù)據(jù)。斷面1（圖5A）為白令海盆深水區(qū)，聲速剖面如圖4A所示，存在正負聲速躍層。受高緯度影響，深水區(qū)聲速主要受水深影響，最大聲速出現(xiàn)在海底。350m以上聲速變化較大，向下變化較為平緩。同時，隨緯度增加，次表層低溫低聲速水層厚度逐漸加大，從斷面最南端（阿留申群島附近）向斷面最北端（白令海大陸坡），厚度由不足80m增加至200m以上，且聲速更低。由于深度較大，表層和次表層聲速變化趨勢難以發(fā)現(xiàn)，故提取斷面1表層250m繪制圖6A。結(jié)合圖5A和圖6A易發(fā)現(xiàn)海盆區(qū)域次表層存在明顯的低聲速水團。

圖5 聲速斷面分布

結(jié)合斷面1的溫、鹽分布（圖6B、6C）不難發(fā)現(xiàn)，冬季海表溫度較低，風浪較大，海表上下對流可達200-300m。到了夏季，受太陽輻射增溫僅限于表層15-50m，而次表層仍然保存著冬季低溫水團（圖6B）。夏季表層受降水和融冰影響，鹽度從表層向下逐漸增加。這就導(dǎo)致了次表層低聲速水團的產(chǎn)生。這與陳聚法（2000）研究的白令海海盆深水區(qū)次表層冷水團對應(yīng)較好。

圖6 斷面1表層至250m聲速（A）、溫度（B）、鹽度（C）分布

夏季白令海陸架西南部海區(qū)聲速剖面如圖2所示。高聲速層分布于表層5-7m水層，往下聲速較小，且變化較小，為典型的淺海聲速分布特征（圖5B）。同時，斷面2聲速呈現(xiàn)南、北兩端高，中部小的特點。首先分析斷面南端，該處位于白領(lǐng)海盆和陸架過渡地帶，海底地形變化劇烈。沿陸坡向陸架方向，聲速迅速減小，其中站點（60.31°N、179.52°W）20m深聲速值為 1 467.0 m/s，站點 （61.29°N、177.46°W）20米深聲速值為1 442.5 m/s，在相差不到200 km，聲速值相差達到25.5m/s，在斷面2陸架區(qū)，高聲速分布區(qū)域僅限于表層約為5m的水層。斷面2北端位于阿德納爾海峽區(qū)域，夏季在偏南風的影響下，沿著西伯利亞西岸向北的較高溫度海流，海流使得阿納德爾海峽水溫相對于斷面2中部較高（Weingartner et al，1999；王曉宇等，2011）。

斷面3西部聲速剖面（圖5C）類型如圖4C，東部聲速剖面類型如圖4D。聲速在靠近阿拉斯加沿岸明顯要大于西伯利亞沿岸，在168.6°W以西海表聲速一般約為1 461.5m/s，且高聲速局限于海表厚度約為5m的水層，而東部則高達1 483m/s，深達20 m，兩者相差約22 m/s，厚度差別大于15 m。反應(yīng)出白令海峽以南東西部水團分布巨大的溫、鹽差異，高郭平等（2004）利用中國第二次北極科考資料，結(jié)合歷史觀測數(shù)據(jù)對該海域夏季溫、鹽分布和變化進行了分析，得出白領(lǐng)海峽臨近海域東部高溫低鹽，西部低溫高鹽的特征，這能很好的解釋該海域聲速斷面東部強于西部的現(xiàn)象。

斷面4（圖5D）和斷面5（圖5E）聲速剖面如圖4E，呈4段結(jié)構(gòu)，即從表層向下減小深層向下增加，中、底層聲速相對均勻。斷面4表層聲速比斷面5大。兩者最大聲速約為1 484m/s，分布于10m上下厚度約為8m的水層。由于這兩個斷面為9月份數(shù)據(jù)，高緯度地區(qū)，9月太陽輻射已經(jīng)開始減少，表層開始降溫，斷面5較斷面4緯度更高，表層降溫更加劇烈，因此表層會出現(xiàn)正聲躍層。其中，斯潘伯格海峽與圣勞倫斯島南部近海在表層以下的聲速分布近似相同，這也從側(cè)面反映出分布于斯潘伯格海峽與圣勞倫斯島南部海域的下層水團性質(zhì)相近，而與阿納德爾海峽的水團分布差異較大。

4.2 聲躍層分布特征

聲躍層為聲速垂向變化較快的水層國家海洋調(diào)查規(guī)范規(guī)定淺海（水深≤200m）聲速垂直梯度超過0.5 S-1為躍層，深海 （水深＞200 m）超過0.2 S-1為躍層。采用垂直梯度法計算垂直聲速梯度，并分別對淺海、深海聲速斷面中聲速梯度小于0.5 S-1、0.2 S-1的數(shù)據(jù)點進行剔除，繪制聲躍層圖（圖7），下面重點對能夠反映出聲速垂直結(jié)構(gòu)的三特征參數(shù)—聲躍層邊界深度、厚度和強度進行討論。

總的來說，夏季白令海斷面1、3、4、5都不同程度的出現(xiàn)了正、負聲躍層并存的現(xiàn)象。斷面1位于白令海盆深水區(qū)，季節(jié)性躍層為負躍層，上界通常位于10-40m水層，南部淺，北部深；厚度南部較小，約為15-20 m，北部較大，約為25-40m；躍層強度南部平均約為-0.7 S-1，北部為-0.8 S-1。受低聲速水團影響，主躍層為正聲速躍層，且南部淺，約為133m；北部深，約200m。一般強度為0.33S-1。

斷面2以正聲躍層為主，躍層上升至海表，厚度約為15-16m，梯度最大值出現(xiàn)在海表，約為-8--10 S-1，平均強度約為-1.5 S-1。斷面3（白令海峽南部海域）聲躍層東西部差異較大，東部躍層較深，西部淺；東部躍層梯度較小，西部較深；但躍層厚度相當。

圖7 聲速梯度斷面圖

斷面4和斷面5聲躍層分布情況相似，值得注意的是這兩斷面數(shù)據(jù)為九月中旬，處于高緯地帶時，表層溫度開始下降，由于混合較弱，中下層仍為高溫水體。因此，陸架淺海區(qū)域同時出現(xiàn)負躍層（中下層）、正躍層（表層）。同時緯度相對較高的斷面5表層降溫更加明顯，負躍層強度更大，最大可達-10 S-1。兩者躍層上下界深度相當，上界靠近海表，下界約24-27m深度。表1列出了各區(qū)域聲躍層參量統(tǒng)計值。

表1 白令海各區(qū)域聲躍層特征參量統(tǒng)計

5 結(jié)論

利用5個斷面的CTD調(diào)查資料分區(qū)域分析白令海夏季聲速剖面結(jié)構(gòu)特征并統(tǒng)計了相關(guān)聲躍層參量，得出以下結(jié)論：

（1）Chen-millero、Delgrosso、Wilson 3種聲速計算方法在白令海域出現(xiàn)穩(wěn)定的差別，其中Chen-millero方法計算聲速值大小位于三者之間。

（2）根據(jù)已有數(shù)據(jù)可將夏季白令海聲速剖面結(jié)構(gòu)分為5類，其中海盆區(qū)域受太陽輻射低聲速水團影響，在負聲躍層下為正聲躍層，中層水以下聲速主要受深度影響；白令海峽南部海域東西聲速差異較大；9月份，高緯地區(qū)受太陽輻射減少等因素的影響，陸架中東部淺水區(qū)出現(xiàn)正負躍層并存現(xiàn)象。

（3）白令海海盆區(qū)域聲速從表層向下先減小后增加，季節(jié)性躍層（負躍層）和主躍層（正躍層）結(jié)構(gòu)明顯，季節(jié)性躍層深度相對較大，中南部可達40m，垂直梯度較小。其中海盆北部較南部躍層厚度增加，深度變淺。海盆向大陸架方向聲速大小變化劇烈，表層大聲速水層厚度迅速較小。同時聲躍層增強較快。

（4）白令海峽南部海域，東側(cè)躍層深度大，強度小；西側(cè)躍層深度小，強度大。

受到資料的限制，本文難以全面考慮白令海各區(qū)域聲速分布特征，以及季節(jié)變化特征。同時無實測聲速數(shù)據(jù)驗證，無法判別那種聲速計算方法更為合理，只是得出他們之間相對差異。

致謝：感謝中國第五次北極科考專家研究隊伍給予的CTD數(shù)據(jù)支持！

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