基于圖表法的南海北部表面聲道分布與成因分析

占鑫偉，屈 科*，劉宏偉，謝金懷

（1．廣東海洋大學 電子與信息工程學院，廣東 湛江 524088；2. 中國船舶重工集團公司第七一六研究所，江蘇 連云港 222136）

表面聲道的主要特征是聲速從海面開始隨著深度的增加而單調增加，可以使聲能量不與海底作用，減少損耗，形成聲波導，使聲能量遠距離傳播。表面聲道對于聲吶使用、近海潛艇作戰保障有著重大的研究意義。

對于表面聲道的聲傳播特性，國內外學者已經開展了相關研究。例如，Schulkin M[1]提出海面聲道傳播中聲速損失的經驗關系式；Pedersen M A[2]對射線理論和模態理論計算的傳播損耗進行了詳細的數值比較，張旭等[3]研究了我國近海的混合層結構變化對表面聲道中聲傳播特性的影響。但是，現有工作主要集中在理論模型、經驗模型和聲場特征量計算等方面[4-11]，缺少對我國南海北部表面聲道分布與成因的分析研究等實際性應用。此外，我國南海北部存在黑潮、上升流、洋流、渦旋、季風、臺風、地勢等多種因素作用的復雜海洋環境，聲道分布及成因較復雜，亟待研究。為填補這一方面的空白，本文結合南海北部遙感數據，通過應用一種圖表法[12]對南海北部聲道的季節分布進行分析，并結合分布規律對成因進行了分析，給出了關于聲道分布與成因的初步結論。

1 方法與示例

1. 1 圖表法

表面聲道（Surface Sound Duct，SSD）主要受溫度梯度、鹽度梯度、靜水壓力梯度變化影響，通過比較分析各因素對聲速剖面影響，可以對聲道的成因建立定量的分析。由Medwin H[13]聲速經驗公式，聲速可以表示為溫度、鹽度、深度的函數：

式中：T 為溫度，℃；S 為鹽度，psu；z 為深度，m。SSD 中聲速梯度為正，即，聲能量向海表面折射。慮聲道形成的各因素，式子可寫成：

將式（1）代入式（2）得出SSD 的表達式：

其中，

在式（3）中的溫度梯度Tz、鹽度梯度和壓力梯度Sz(常量)導致了聲速隨深度的變化。式（4）中鹽度項的影響遠小于其他項，可以忽略不計。β 和γ 可以作為鹽度梯度和和溫度梯度的權系數，取決于溫度。從溫度梯度和鹽度梯度的角度來看，SSD 的形成條件可表示為：

在以溫度梯度和鹽度梯度為橫縱坐標的二維平面中，式（6）可以表示成一條閾值線，如圖1中的斜線所示。平面被閾值線劃分為兩個區域：彩色區域和無色區域，分別位于閾值線上方和下方。當溫鹽梯度測量值位于彩色區域時，滿足式（6），既表示相應的深度中存在SSD。相反，若一個梯度測量值位于下方無色區域，則此深度就不存在SSD。通過對應深度點的梯度數值點在平面上所處區間就可以對SSD 是否存在進行判斷。

1. 2 數據示例

本 文 使 用2004 年10 月3 日 于22°41′ N，113°8′ E 獲得的溫鹽深儀數據示范圖表方法的應用。在測量期間，位于南海的冷涌迅速向南傳播。由于強烈的東北季風，海水垂直方向混合增強，混合層深度達到了43 m。冷空氣帶走了上層海水的熱量，導致混合層存在輕微的正溫度梯度。珠江的沖淡水位于14 m 以上的深度，平均鹽度梯度約為0.2 psu/m。海洋上層形成了43 m 的聲速正梯度層，溫度、鹽度、聲速剖面如圖1 所示。

為了解海洋控制SSD 形成的物理機制，可以利用式（6）對聲道進行進一步細化為如下4個類別：

靜水壓力聲道（藍色區域）：靜水壓力是該區域聲道形成的主要因素。區域由閾值線Sz=-0.016/γ 及Tz=0.016/β 包圍。

鹽度聲道（綠色區域）：正鹽度梯度是該區域聲道聲道形成的主要因素。區域由閾值線Sz=-0.016/γ 及Tz=0 包圍。

溫度聲道（橙色區域）：正溫度梯度是該區域聲道聲道形成的主要因素。區域由閾值線Tz=0,Sz=0 包圍。

混合聲道（黃色區域）：所有因素都有助于形成聲道，而溫度和鹽度的影響大于靜壓。該區域位于靜水壓力區域上方并被閾值線Sz=-0.016/β和Tz=0 包圍。

圖1 溫鹽剖面、聲速剖面和圖表法圖

對示例數據的聲道判斷如圖1 所示。可以看到43 m 以后的點就在閾值線下，所以聲道深度為43 m。聲道內的數據點分為兩個類型：混合聲道位于上層，由溫度梯度、鹽度梯度、靜水壓力的共同作用形成；靜水壓力聲道位于下層海水，靜水壓力是聲道形成的主要因素。

2 南海北部聲道分布及成因分析

2. 1 遙感數據

本文遙感數據來源為歐洲航天局（ESA）下屬的哥白尼海洋環境監測中心提供的衛星遙感再分析數據（Global Ocean 1/12°Physics Analysis And Forecast Updated Daily），其海面分辨率為0.083°×0.083°，日更新，包括溫度、鹽度和深度。本文選取了2018 年4 月27 日，8 月4 日，9 月20日，1 月4 日的剖面數據對南海北部春夏秋冬季分布特性進行分析。

2.2 四季聲道分布圖

2.2.1 春季聲道分布圖 春季典例南海北部聲道分布如圖2 所示。鹽度聲道與少量混合聲道出現于珠江口附近和臺灣南部沿岸，靜壓聲道出現于臺灣西部、南海東部。

珠江口周圍有鹽度聲道和少量混合聲道產生，珠江河口為河流與海洋的結合區域，河流受淡水徑流控制，近岸海域多為鹽度較高的內陸架水體所控制，而河口周圍為低鹽度水與較高鹽度海水相互混合、稀釋的過渡區域，若徑流足夠強大，密度大的海水與上游來的淡水在河口地區逐漸混合，并形成向外海排泄的沖淡水，該過程導致海水鹽度下降產生鹽度聲道，并且是珠江口鹽度聲道成因重要因素。春季珠江口就有沖淡水現象，珠江口外沖淡水體明顯具有低鹽的特征[14]，導致鹽度下降，聲速隨深度的變化，與上升流相互作用，產生鹽度聲道、混合聲道，受季風影響向東西兩岸擴散。春季為南海從東北季風向西南季風轉換的過渡時期，但是殘留的東北季風仍然具有一定的強度，臺灣西部、南海東部受到海面風的影響，導致上層海水產生較強的混合，形成一定深度的混合層，產生靜水壓力聲道。

圖2 春季典例表面聲道分布圖

2.2.2 夏季聲道分布圖 夏季典例南海北部聲道分布如圖3 所示。珠江口周圍以及向東方向拓展有鹽度聲道呈“舌狀”分布，臺灣西南沿岸有鹽度聲道、混合聲道出現。臺灣淺灘有少量靜壓聲道出現。

珠江流域的徑流量隨季節變化而變化，有明顯的雨季與旱季，因沖淡水而產生的聲道范圍也主要受其影響。相較于春季，夏季降水量增加，珠江口即周圍河流徑流量明顯增大，沿岸河口向南海沖淡水，導致珠江口沖淡范圍劇增，鹽度下降，生成鹽度聲道。龐海龍[14]通過分析斷面調查的鹽度數據發現夏季，粵東沿岸流流向東北，流量幅度寬，甚至達到臺灣海峽。夏季是南海西南季風最為強盛的時期，珠江口沖淡方向為東北，主要受到西南季風的影響。上升流是整個南海北部陸架區夏季的普遍現象[15]，臺灣南部沿岸與珠江沿岸受西南風驅動上層水產生離岸運動產生上升流，區域次表層高鹽度水體被帶至表層，導致鹽度上升，產生鹽度聲道。夏季風力相較于春季明顯減弱，只有小范圍臺灣淺灘受風影響產生了靜壓聲道，整體靜壓聲道相較于春季削弱明顯。

圖3 夏季典例表面聲道分布圖

2.2.3 秋季聲道分布圖 秋季典例南海北部聲道分布如圖4 所示。珠江口以東方向與西方向有鹽度聲道分布。臺灣海峽南部有鹽度聲道分布。遠深海地區有靜壓聲道分布。

秋季為南海從西南季風向東北季風轉換的過度時期，從9 月開始東北季風逐月加強，導致南海中東部有較大范圍海域上層海水混合，產生靜壓聲道，相較于春季范圍增加明顯。在東北季風逐漸加強的同時珠江徑流逐月減少，珠江沖淡水逐漸向岸邊退縮，并且在東北季風的驅動下主要向粵西擴散，導致沿岸鹽度下降，產生鹽度聲道，主要分布在珠江口以西沿岸，少量分布珠江口以東[15]。

圖4 秋季典例表面聲道分布圖

2.2.4 冬季聲道分布圖 冬季典例南海北部的聲道分布如圖5 所示。珠江口有少量鹽度聲道分布，粵東沿岸、臺灣東南部有混合聲道出現。南海北部有大范圍的靜壓聲道出現。

珠江口仍有沖淡水現象，由于珠江仍處在枯水期，徑流量小，相較于其它季節只有小范圍海域鹽度下降，產生了鹽度聲道，四季中沖淡水產生的鹽度聲道范圍最小。粵東沿岸有上升流現象，導致溫度下降、鹽度上升，產生了混合聲道。冬季是南海東北季風最為強盛時期，南海北部受東北季風影響，上層海水產生混合，產生了大范圍的靜壓聲道，幾乎覆蓋了南海北部。

圖5 冬季典例表面聲道分布圖

3 結 論

南海北部聲道靜壓聲道冬季分布最廣，春秋季相較于冬季有所縮減，夏季分布最少。夏季由于上升流產生的鹽度聲道、混合聲道分布較廣，春秋冬季較少。珠江沖淡水的產生的鹽度聲道也有較大分布范圍，夏季分布范圍最廣，秋、春、冬季依次減少。

中部深海區主要為靜壓聲道，冬季最為明顯，秋夏季其次，夏季最弱，主要成因為季風現象導致上層海水混合，產生靜壓聲道，具有明顯的季節性規律。珠江口周圍主要為鹽度聲道，沖淡水導致海水鹽度下降產生鹽度聲道，是珠江口周圍形成鹽度聲道的重要因素。珠江徑流量受季節變化影響，有明顯的雨季與枯季，沖淡水而產生的聲道范圍也主要受其影響。春秋東季為枯水季，珠江口附近的鹽度聲道范圍小，夏季珠江口附近的鹽度聲道范圍最最大，由于雨季降水量增大導致珠江巨量徑流入海對附近海域的沖淡作用極為明顯，產生大范圍鹽度聲道呈現“水舌”狀。珠江沖淡水所產生的表面聲道擴散路徑主要受季風所主導，夏季受西南季風主導，擴散方向為東北方向，春秋季為季風過渡時期，向兩岸擴散受，以西為主。廣東省東部沿岸、臺灣南部沿岸主要為鹽度聲道、混合聲道，主要成因為上升流。南海北部上升流是一種季節性上升流，該上升流的形成與消亡主要取決于南海北部的風場變化。

SSD 是一種可用于遠程傳播的聲道，在南海的沖淡水區域中，例如珠江口，它是唯一有效的聲道。了解SSD 形成的時間特性和分布特性有利于對海表面布放的發射與接收聲吶設備性能進行估計。根據區域表面聲道的分布特性進行聲吶系統布放，可以有效提升設備工作距離，提供性能增益。