西沙海槽海域声速特点分析

刘方兰，罗伟东，于宗泽，曾瑞坚

（广州海洋地质调查局 广东 广州 510760）

西沙海槽海域声速特点分析

刘方兰，罗伟东，于宗泽，曾瑞坚

（广州海洋地质调查局 广东 广州 510760）

通过对西沙海槽海域实测的58个声速剖面进行分析研究，认为区内声速剖面具有典型的三层结构特征－表面层、中间跃变层以及深海恒温层。表面层普遍有声速稳定次层，平均厚度约18.6 m，表层声速最大值一般出现在下午3点至4点之间，最小值则出现在早上6点至7点之间。声速极小值出现在跃变层与深海恒温层间的过渡水层，其深度最浅为830.7 m，平均深度为1 220 m，但当水深大于1 300 m以后，声速与水深成线性相关，声速梯度稳定，平均为每百米1.34 m/s。

声速；声速剖面；梯度；西沙海槽海域

声速是声波在海水中的传播速度，声速剖面则是反映声速随深度变化的垂直分布序列。声速是水声学研究中的一个重要参数，随着声学技术在海洋中的广泛应用，声速参数已成为高精度海洋测量必不可少的参数之一，诸如在水下声学通讯、水下定位、鱼群探测、声纳等等的应用[1]，特别是在精确的水深测量中，已越来越依赖于声速的准确性。海洋水深测量是通过发射特定频率的声波后，接收海底回波信号，计算传播时间，然后通过给定的声速获取回波的传播距离，最后换算成水深。在多波束水深测量中，声速剖面是进行声线追踪的基本参数，表层声速则在波束形成、波束角计算中起着决定性作用。因此，必须提供准确的表层声速以及声速剖面信息，才能发挥多波束高精度测量的优势。

多波束测量规范中要求每1°×1° 范围内进行3次声速剖面测量[2]，也有要求白天和晚上使用不同的声速剖面，但是，这些规定都不能完全适应声速剖面的变化规律，甚至在某些海域，按照这些规定无法实施多波束测量。那么，海洋中声速到底是如何变化的？声速剖面的特点是什么？本文根据2004年以来在南海西沙海槽海域收集的五十多个声速剖面，并在这些声速剖面的基础上，研究分析该海域声速剖面变化规律，以便继续探讨整个南海海洋声速变化特征，更好地实现多波束水深测量中的声速校正。

1 声速剖面的采集与测点分布

广州海洋地质调查局在开展多波束水深测量以及海洋综合调查的过程中，采集了大量的声速剖面，其中位于西沙海槽海域内的声速剖面共58个。

1.1 声速计与声速测量精度

本文使用的声速剖面除个别剖面是使用MarkIII温盐深测量系统外，大部分剖面是使用AML系列声速计采集的。AML系列声速计是加拿大Applied Microsystems公司生产，分别有SVP-16型，sv plus，sv plus v2等，它们都属于“环鸣法”声速剖面仪。“环鸣法”声速测量仪设计有固定距离的声反射板，连续不断地测量声波在该距离内往返的时间，从而获得该距离内水介质的声波传播速度。该系列的声速计除能够测量声速外，还能准确测量水温和压力。声速、温度、压力的测量误差分别优于 ±0.1m/s、±0.05 ℃和 ±0.05%，最新的 sv plusv2声速计声速测量精度达±0.05 m/s。通过对以上不同型号声速计进行相同深度定点声速测量对比，统计误差小于0.2 m/s。因此，本文采用的声速值准确度应为0.2 m/s。

使用声速计进行声速剖面测量时，需要在水中先停留3 ～ 5分钟，以使声速计适应水的温度，一般停留在水深约1 m处，因此，本文实测的声速剖面中一般缺少1 m以浅的声速数据，或者水深小于1 m的浅表层声速测量值误差超过了正常范围。

1.2 声速剖面采集时间

58个声速剖面是自 2004年以来采集获得的，采集时间（北京）信息见表1。表1显示，大部分声速剖面采集时间集中在每年的 4—8月，即气温相对高的季节，没有冬天或者气温较低的 10月—次年2月间采集的声速剖面。

表 1 西沙海槽海域声速剖面采集时间分布Tab. 1 Collection month and time of the sound velocity profiles

1.3 声速剖面的平面分布

58个声速采集点遍及整个西沙海槽海域，在这些声速剖面中，11个剖面所在位置水深小于1 000 m，27个剖面采集深度大于1 500 m，大部分声速剖面采集于西沙海槽内。

2 声速剖面特点分析

声速与海水温度、盐度、压力三因素关系最为密切。在全海洋深度范围内，目前最具有代表性[3]的是Mackenzie于1981提出的声速（C）与温度（T）、盐度（S）、深度（D）的关系式[4]：

根据公式，温度、盐度和深度对声速产生的变化率分别为：4.6/温度单位（℃）、1.34/盐度单位（‰）以及0.016/深度单位（m）。因此，声速在垂直方向上会表现出一定的变化规律。一般地，深海声速剖面可分为三层[5-7]：表面层、跃变层以及深海等温层。表面层从海面起算，向下延伸几米至数十米，该层内声速对热、冷和风的作用的日变化和局部变化非常敏感，由于风浪的作用，在该层内形成了一次层等水温的混合层。表面层之下的跃变层，是温度、声速随温度变化较大的水层，该层上部为季节跃变层，声速随深度的变化特征呈负的温度梯度和声速梯度，梯度大小随季节而变。季节跃变层下的主跃变层则比较稳定，季节改变对它的影响微弱。主跃变层之下一直延伸到海底是深海恒温层，该层温度变化不大，声速随深度增加而增加。

西沙海槽海域声速剖面具有深海声速剖面典型三层的基本形态特征（图1），但由于其海底地形特殊，地理纬度比较低，年平均气温较高，降雨量大，其声速剖面有其自身的特点。

2.1 表面层内的声速变化

由于表面层受气候、风、流以及海浪的影响较大，层内的声速既具有易变性同时又有明显的特征，声速稳定就是其特征之一。根据声速测量的准确度，本文把声速剖面中相邻测点声速差小于0.2 m/s或连续10 m厚度水层中变化梯度小于每米0.02 m/s时，称该水层为声速稳定层。基于这个标准，西沙海槽海域内表面层中普遍都存在一个声速稳定次层，在全部58个声速剖面中54有一个声速稳定次层（见表2）。根据声速稳定次层的位置，可分两大类（图2）：第一类是在表面层内，自表层最上部往下，声速就比较稳定，变化很小，称为表层声速Ⅰ型；第二类是在表面层上部，声速随深度变化较大，到一定深度后才呈现相对稳定或变化很小，形成一个声速稳定次层，称为表层声速Ⅱ型。在本文研究的全部声速剖面中，35个声速剖面属于表层声速Ⅰ型，从最表层开始即呈现声速稳定或较小的正梯度变化特征，只有每米0.01 m/s左右的变化，极个别呈现微小的负梯度。该稳定层一般从几米延伸至几十米，最深达58.3 m（9号声速），表层声速Ⅰ型的声速稳定次层平均厚度为19.6 m，它向下逐渐过渡至跃变层。17个声速剖面属于表层声速Ⅱ型，一般地，水深零至十多米的水层内声速呈负梯度变化，梯度值在每米-0.1 m/s～-0.3 m/s之间，大约在10 m左右附近声速趋于稳定，该稳定层的下界多在 20多米水深处，表层声速Ⅱ型的声速稳定次层平均厚度为15.9 m。不论Ⅰ型还是Ⅱ型，声速稳定次层的厚度均不大，平均只有18.6 m左右，明显小于高纬度地区的海域[6]。在这些声速剖面中，9号声速剖面的声速稳定次层厚度最大（58.3 m），它是2008年3月22日10点左右采集的，说明本区域内，3月份仍处于冷热交替的季节，气温较为稳定，表面层内具有较大的声速稳定层；142号声速的声速稳定次层厚度最小，只有 4.2 m，它的采集时间是2009年4月25日凌晨3点，表明到了4月底，气温开始升高，声速稳定次层厚度变小。

表 2 西沙海槽海域部分声速剖面特征值统计表Tab. 2 Character of the sound velocity profiles in Xisha Zone

图 1 西沙海槽典型声速剖面（84号剖面）Fig. 1 Representative profile （No.84）

图 2 典型表层声速剖面Fig. 2 Representative surface sound profile

在 58个声速剖面中，最表层的声速变化范围为1 536.3 m/s ～ 1 547.8 m/s。最低声速是3月22日早上10点采集的（9号），最大声速是7月15日14点采集，这与表层声速受季节和时间的变化关系密切，夏季正中午表层海水因日照温度升高，所以表层声速较大。由于本次研究的声速剖面没有全年温度最低的1月、2月采集的，所以，表层最低声速应该比1 536.3 m/s更小，但表面最大声速基本能够代表本区夏季表层声速的最大值。

另外，在研究区内两次定点观察了表层声速随时间的变化特征，把表层声速计固定在水深3 m左右的位置，进行24小时观察。图3是2009年4月23日早上7:35开始至24日早上06:31的表层声速变化曲线图。该点表层声速变化从1 541.6 m/s至1 542.9 m/s，一天内变化幅度为1.3 m/s。声速最高值出现在下午 15:30左右，声速最低值出现在早上6:30—7:30之间。另外，在这个声速剖面中，出现了一个异常变化，即在晚上22:35，声速在12分钟内从1 541.8 m/s增加到1 542.2 m/s，幅度为0.4 m/s，说明表面水层容易受到周围环境影响（如温度、盐度）产生局部的变化。

图 3 表层水声速定点观察值的变化Fig. 3 Changes of the surface sound veolicity to the measure time

2.2 声速剖面中声速极小值的深度

自表层开始，声速随着温度的迅速减小而呈负梯度变化，但当水深增加到一定深度，温度减小的速度变慢，压力对声速的影响增大，随着压力的增大，声速呈正梯度增长。在正、负梯度变化之间，声速表现为极小值。

在实测的 58个声速剖面中，45个剖面出现了声速极小值（其他剖面因水深原因或采集深度不够，未得到声速极小值）。这些极小值出现的最大深度为1 223.0 m（73号），最浅深度为830.7 m（36号），出现极小值的平均深度为1 064.9 m。声速极小值的平均值为1 485.4 m/s。

2.3 深海恒温层声速梯度

在跃变层下的深海恒温层中，当水深达到一定深度后，声速剖面中的声速从极小值开始，随深度的增大而增加，即呈现正梯度增长的趋势，而且到了一定深度后，梯度值较为稳定。在西沙海槽海域，共有 24个剖面能清楚地显示声速随深度的这种正梯度变化特征，它们分别在不同水深开始，声速梯度值趋于稳定，最浅从1 150 m开始（130号），最深从1 450 m开始（137号），大多数剖面呈现稳定的声速变化梯度的水深大约是1 300 m。根据统计，1 300 m以深的声速剖面平均梯度为每百米1.34 m/s，其中最大的为每百米1.93 m/s（84号），最小的为每百米 0.88 m/s（12号）。由此可见，在深海恒温层中，声速变化梯度为正，在水深1 300 m以深，声速与水深呈线性相关，梯度几乎不变。因此，在研究区内，实测至水深1 300 m的声速剖面数据即可近似获得全深度的声速剖面。

3 结 语

通过对西沙海槽海域3—8月期间共58个声速剖面资料进行分析研究，西沙海槽海域声速剖面具有以下特征：

（1）声速剖面存在典型的三层结构：表面层、跃变层以及深海恒温层。表面层内有声速稳定次层，但该次层在部分声速剖面中从表层开始呈现，另一部分剖面则是在经过最表层一定深度的梯度变化后才出现声速稳定次层。声速稳定次层的平均厚度为 18.6 m，但最小的只有 4.2 m，最大的达58.3 m。

（2）在一天中，表层声速最大和最小值分别出现在下午3点～4点以及早上的6点至7点。

（3）在跃变层与深海恒温层之间存在声速极小值，极小值平均值为1 484.1 m/s，极小值出现的深度最浅为830.7 m，最深为1 223.3 m。

（4）在深海恒温层内，大多数声速剖面自水深1 300 m开始，声速随深度的变化呈稳定的线性关系，平均梯度为每百米1.34 m/s。

[1] 乌立克R J著. 洪申 译. 工程水声原理 [M]. 北京: 国防工业出版社, 1972, 12: 14-19.

[2] 李家标. 海洋调查规范 第 10部分: 海底地形地貌调查 [S]. 中华人民共和国国家标准. GB/T 12763.10-2007.

[3] 周丰年 多波束测深系统最优声速公式的确定 [J]. 台湾海峡,2001, 20(4): 411-419.

[4] 布列霍夫斯基赫，雷桑珞夫 著. 海洋声学基础 [M]. 北京: 海洋出版社, 1985, 1-10.

[5] 何高文. 多波束测深系统声速校正 [J]. 海洋地质与第四纪地质,2000, 20(4): 109-114.

[6] 邱章, 朱良生, 许建林, 等. 南海北部海区上层水体平均声速场的变化 [J]. 海洋学报, 2001, 23(5): 42-48.

[7] 黄建冲，黄企洲. 南海东北部海区声速分布特征 [J]. 热带海洋,1986, 5(2): 67-72.

Analysis on the character of sound velocity in the Xisha Zone

LIU Fang-lan, LUO Wei-dong, YU Zong-ze, ZENG Rui-jian

(Guangzhou Marine Geological Survey, Guangzhou 510760, China)

Based on the study of the fifty eight sound velocity profiles，the character of sound velocity in the Xisha Zone is the representative structure of 3-layers, which are the sound stable surface,springing layer in the middle and deep sea temperature invariable layer. There is one sub-layer , where the sound velocity has no change or only litte change in the sound stable surface, the average thickness is 18.6 m. The maximum and the minimum velocity in this layer may be occurred during the 15:00 to 16:00 in th afternoon and 06:00 to 07:00 in the morning respectively. The infinitesimal velocity occurred between the the springing layer and the deep sea temperature invariable layer, the minimum depth is 830.7 m, and the average depth is 1 220 m. The velocity and the depth are linear correlation, the sound velocity increased with the depth, and the average grad is 1.34 m/s evey hundred.

sound velocity; profile; gradient; Xisha Zone

P733.21+1

A

1001-6932(2010)06-0608-05

2009-07-01；收修改稿日期：2010-03-10

刘方兰（1967—），男，高级工程师，主要从事海洋地质调查及技术方法研究，电子邮箱：lflhome@21cn.com。