西北太平洋副热带模态水形成区声传播特性分析

张旭，程琛，刘艳

（1.中国人民解放军91550部队，辽宁大连 116023；2.92493部队博士后科研工作站，辽宁大连 116023）

西北太平洋副热带模态水形成区声传播特性分析

张旭1，2，程琛1，刘艳1

（1.中国人民解放军91550部队，辽宁大连 116023；2.92493部队博士后科研工作站，辽宁大连 116023）

利用Argo剖面数据和水声学数值模型，分析了西北太平洋副热带模态水（STMW）形成区因季节性环境差异所引起的水声传播变化特征。声场计算结果表明，STMW形成区域的声传播为近表层波导与会聚区的复合形式，其中会聚区终年存在，表面波导在秋、冬两季混合层加深的环境条件下出现，次表层波导在夏季STMW潜沉的环境条件下出现。上层海洋中两类不同形式的波导使表层和次表层的声能分布呈反相变化，波导内与波导外的声能差异可达10～15 dB（声波频率为1 000 Hz）。STMW的季节性变化还会引起会聚区的位置差异，具体情况与声源深度有关。声源在20 m时，夏季会聚区距离最远，秋季、春季次之，冬季最近，夏季和冬季相差6.6 km；声源在150 m时，夏季会聚区距离缩短了3.1 km，其他季节变化不大。

模态水；西北太平洋；次表层波导；Argo；BELLHOP模型

1 引言

声波在海洋中的传播特性与所经历的海洋环境条件密切相关，海洋中的各种现象引起的水文环境分布变化往往使不同海区、不同季节的声传播方式出现显著差异。关于西北太平洋声传播规律的研究已有大量报道，对于混合层［1－3］、温跃层［4］和深海声道［5－6］等参数的分布特征已有较为清晰的描述，关于声速剖面的结构特点也有了初步的认识［7］。西北太平洋主要为深海环境，存在深海声道、会聚区、表面声道、海面－海底反射声道等声传播样式，但一些较复杂的海洋现象往往使局部海区呈现出非均匀声速水平分布，使声传播样式出现异常，例如海洋锋、中尺度涡、内波等现象能够使声传播产生会聚区偏移、多路径传播和水平折射等效应［8－11］。尽管对于西北太平洋声传播规律的研究持续开展，但仍有很多特殊海洋现象对声传播影响的规律尚未被认识，西北太平洋副热带模态水的存在和变化就是其中之一。

西北太平洋副热带模态水（STMW）最早由Masuzawa提出，是指副热带环流西北部永久性跃层之上的16～18℃水层，其主要特点是在一定厚度的次表层水层中海水密度呈现出较为均匀的分布［12］。STMW大体形成于黑潮和黑潮延伸体以南，区域范围约为30°～34°N，140°～170°E［13－14］。由于STMW携带着大气信号与海洋内部桥接的关键示踪信息［15］，其形成及演化机制受到国内外学者的密切关注［16－18］。Hanawa和Talley总结了2000年以前相关的研究成果［19］，之后由于卫星遥感和Argo浮标带来的技术革命，迅速积累的海洋观测数据已能够覆盖到STMW形成、扩展、消散全过程的区域，使得近十年来关于STMW物理机制的研究取得了较大的进展，Oka和Qiu对这些成果进行了全面的总结［20］。

尽管STMW作为一种海洋物理现象倍受关注，但它所引起的水声环境变化和对声传播影响的研究尚未开展。本文尝试对STMW环境下可能出现的声传播现象进行初步分析，这对于进一步认识西北太平洋的水声环境有一定意义。

2 资料与方法

2.1 数据来源

海区的声速剖面结构取决于水文环境，本文中采用美国国家海洋学数据中心（NODC）发布的Argo剖面数据［21］，剖面测量范围一般为0～2 000 m之间，采样数据主要包括水温、盐度和压力，典型空间分辨率约为3°×3°，时间分辨率约为10 d［22］。为了反映STMW形成区的环境特性，本文选取STMW形成区（参见文献［20］）的一个5°×10°矩形区域的Argo数据，区域范围为29°～34°N、150°～160°E，时间范围为2006－2012年，水温、盐度剖面数据共计2 322组（图1）。

图1 区域选取及数据分布Fig.1 The selected region in this paper and the distribution of the profilers'position

2.2 声速剖面扩充方法

Argo剖面数据的最大取样深度通常为2 000 m左右，因此无法提供声速剖面的深海部分，不能直接用于深海声传播的计算。针对这个问题，采用WOA09数据集对Argo剖面最大采样深度以下的温度、盐度参数进行补充。WOA09数据集由美国国家海洋学数据中心（NODC）发布，是根据1900－2009年全球范围的历史观测数据经Levitus客观分析方法得到的格点数据集，水平网格为1°×1°，深度范围为0～5 500 m，垂直标准层为33层［23－24］。

首先，在WOA09数据集中选取与Argo剖面观测时间及经、纬度位置最为接近的气候态剖面，并根据Mackenzie声速经验公式［25］计算声速剖面。其次，采用10 m深度间隔对垂直分层进行加密，对Argo观测剖面和参考声速剖面分别进行插值处理，由Argo数据得到的声速剖面记为cA（z），由WOA09数据得到的声速剖面记为cW（z）。假设在深海声道轴深度ZU之下水文环境趋于稳定，Argo数据与WOA09数据在此深度之下交叠的部分一直接续到Argo剖面的最大采样深度ZD。通过引入两个比例系数kA（z）和kW（z）将两个剖面在深海声道轴之下的部分进行融合，合成剖面的表达式为：

式中，深海声道轴深度ZU为剖面中声速最小值对应深度，一般为900～1 100 m，而Argo剖面的最大采样深度ZD约为2 000 m。根据式（1）～（3），两剖面交叠部分之上水层由Argo数据提供，之下水层由WOA09数据提供；在交叠部分的深度范围由两类数据共同提供，其中越靠近顶部Argo数据的权重越大，越靠近底部WOA09数据的权重越大。

2.3 声场计算方法

采用BELLHOP高斯束射线模型［26］计算声场。与简正波模型（如Kraken）或抛物方程模型（如MMPE）相比，射线模型的主要优势是能够清晰、准确地描述声能在水平非均匀环境传播过程中的变化方式，因此更适用于本文所选取的西北太平洋深海海区。传统射线模型通常受到高频近似的限制，不能有效计算焦散线附近的传播损失。Porter等通过引入地声学中的高斯近似方法提出了BELLHOP模型，较好地解决了焦散线对声场计算的影响，在处理声能焦散和完全影区等问题方面相对于传统模型有明显地改进，并且能够适用于复杂三维环境下的声场计算［26－28］。声场计算过程中的参数设置如下：垂直方向和水平方向的分辨率分别取5 m和0.2km，声波频率取1 k Hz；掠射角范围取－90°～90°，掠射角间隔设为0.5°。

3 声速剖面结构特征

图2给出了根据2006－2012年的Argo数据得到的声速垂直分布时间序列，图中的点线表示在跃层深度范围内出现的弱梯度夹层的上、下边界（以声速负梯度绝对值小于0.05 s－1的深度范围计算）。图3给出了各月份平均声速剖面的垂直结构（由所选海区在不同年份、相同月份的剖面进行平均得到）。

根据图2和图3可以看出，冬季末期是模态水形成的季节，混合层达到全年的最大深度（通常可达200 m左右），冷的表层水通过混合对流作用与次表层的主跃层水相接触，发生“温跃层通风”现象［15］，此时的声速剖面满足由混合层、主温跃层和深海等温层构成的“三层结构”。春季之后，太阳辐射的增强使混合层快速消退，近表层开始出现负梯度的季节性温跃层，此时在冬末“温跃层通风”过程中形成的模态水仍滞留在次表层，形成了图2中点线之间所标示的较厚的弱梯度夹层。进入夏季，近表层的季节性跃层达到最强，同时滞留在次表层的模态水逐渐潜沉进入到主跃层内部，厚度较春季有所减小，但整个水层的物理性质更加均一，以致于声速剖面开始出现正梯度分布。秋季，近表层混合对流作用的加强使混合层不断加深，季节性跃层随之消退，模态水在混合层的卷入过程中逐渐消蚀［15］，声速剖面中弱梯度夹层在混合层的加深过程中逐渐瓦解，直到冬季末期混合层再次加深到主跃层的上部，新的“温跃层通风”现象又将开始。由以上分析可以看出，模态水的形成、扩散及消亡过程对上层海洋声速剖面结构的影响非常明显，全年中有超过半年的时间季节性跃层与主跃层都处于被弱声速梯度夹层隔断的状态；相比之下，主跃层以下的深层水环境较为稳定，月变化很小。

图2 北太平洋西部副热带模态水形成区域声速垂直分布时间序列Fig.2 Time series of vertical distribution of sound speed of STMW source area

4 声场计算结果分析

图4～7给出了STMW形成区域各季节典型声场的比较，选取2月、5月、8月、11月作为冬季、春季、夏季、秋季的代表月份，声场由BELLHOP模型计算，声源深度设为20 m和150 m，深海部分的声速剖面根据WOA09数据按式（1）～（3）计算得到。图8给出了各季节的声场在典型接收深度上的传播损失曲线比较。由图可见，模态水的季节转换使声场能量分布发生了显著的变化，不同季节声场的差异性与声速剖面结构和声源深度变化有很大的关联性。

当声源位于20 m时，对于秋、冬季声场，近表层在有较深的混合层条件下形成表面声道，进入深海的声波则形成会聚区声道，两类声道同时存在；对于春、夏季声场，近表层在季节性跃层环境下为负梯度声速结构，不能形成表面声道，声波直接进入深海形成会聚区声道。根据传播损失曲线（见图8），秋、冬两季近表层声能水平明显高于春、夏两季声场，传播损失相差10～15 dB（不包含会聚区附近区域）。

图3 北太平洋西部模态水形成区域各月份的平均声速结构Fig.3 Profiles of monthly mean of sound speed of STMW source area

当声源位于150 m时，秋、冬和春季声场都表现为会聚区传播的样式，相比之下夏季声场的样式较为特殊。对于冬季声场，声源深度在混合层底附近，只有少部分声线对近表层声能有所贡献，但整体上表现为会聚区的样式。对于夏季声场，声源位于声速极小值附近，在其上的负梯度温跃层和其下的正梯度模态水层的约束下，形成了明显的水下波导式传播，样式与深海SOFAR声道类似（由于波导层出现在次表层，本文将其称为次表层波导，相应的声道为次表层声道）。根据传播损失曲线（见图8），夏季声场比冬季声能高出约10 dB（不包含会聚区附近区域）。这种情况刚好与接收深度为20 m的情况形成鲜明的反差，这是因为夏季声场中近表层已在波导区域之外，因此到达的声能明显小于次表层。

表1给出了声源－接收深度分别为20 m和150 m时的会聚区位置比较，会聚区位置以传播损失曲线中声能增益极大值所在位置计算。由表可见，当声源深度和接收深度在近表层（见图8a）时，由于夏季声场在近表层形成较强的季节性温跃层，因此在从表层到深层的水柱中声速整体跃变更强，对声线偏折的影响更大，使得夏季会聚区距离最远。而冬季声场有较厚的混合层，水柱中的声速垂向跃变程度最弱，因此会聚区距离最近，第一会聚区的位置与夏季相差约6.6 km。春、秋两季声场的会聚区位置介于冬、夏两季之间，其中秋季跃层更强一些，因此会聚区距离更远。会聚区位置的这些变化特征与文献［29－30］报道的结果相一致。当声源深度和接收深度在次表层（见图8b）时，对于春、秋、冬三季会聚区位置受环境变化的影响较小，第一会聚区的变化量值小于1.0 km，而对于夏季环境因素影响较大，会聚区距离减小了3.1 km。这是因为，在春季和秋季的次表层都为较弱的负梯度结构，不能对声能形成陷获作用，对会聚区起主要作用的小角度声线进入深海传播，而夏季小角度声线大部分限制在次表层波导之中，会聚区由掠射角更大的声线提供，次表层的弱正梯度抑制了这些声线向更深的水层偏折，因此到达的距离变近。

图4 北太平洋西部模态水形成海区2月典型声场Fig 4 Typical sound field of STMW source area in February

图5 北太平洋西部模态水形成海区5月典型声场Fig 5 Typical sound field of STMW source area in May

图6 北太平洋西部模态水形成海区8月典型声场Fig 6 Typical sound field of STMW source area in August

图7 北太平洋西部模态水形成海区11月典型声场Fig 7 Typical sound field of STMW source area in November

图8 不同月份声场传播损失曲线比较Fig.8 Comparison of sound transmission loss curve among different months

表1 两种声源－接收深度条件下的会聚区位置比较Tab.1 Comparison of CZ position with two different source-receiver conditions

图9 冬季表面波导与夏季次表层波导的声线传播比较Fig.9 Comparison of ray tracing pattern between the surface duct in the winter and that in the summer

5 讨论

在同一海区的夏季和冬季，近表层与次表层交替出现声波导传播现象，这是STMW在生消变化过程中所引起的特殊声传播现象。然而，需要注意的是这两类波导的形成机制并不相同。对于冬季的表面声道声场，声波在正梯度声速结构的影响下，以海面反射的形式传播；而对于夏季的次表层声道声场，声波在负梯度与正梯度层的共同约束下以完整的水下波导形式传播。图9给出了这两类声道的声线传播图比较，可以看出次表层声道中的主要声能几乎不受海面状况的影响，因此夏季次表层声道的声信号传输性能比冬季的表面声道更可靠。

次表层波导形式的声传播现象并不仅限于西北太平洋，在大西洋的湾流区域也曾报道过类似的水声学现象［31－32］，但以往的研究中并未出现过模态水环境对水声传播影响的报道。模态水作为大洋中的一种特殊的海洋物理现象，有着鲜明的区域性环境分布特征。在北太平洋，还有另外两类副热带模态水（中部副热带模态水、东部副热带模态水）［33］，在北大西洋副热带海区也有类似水体的存在［34－35］。这些水体所引起的声速环境分布变化各异，有待进一步开展研究。

6 结论

在西北太平洋副热带模态水（STMW）的形成、运动、消蚀过程中，上层海洋的声速环境有着鲜明的季节性变化，进而对水声传播方式产生了重要影响。这种影响主要体现在两个方面：

（1）对传播方式和能量分布的改变。从秋季到冬季混合层的不断加深为STMW形成创造了条件，使近表层声场呈现表面波导的声传播方式；春季近表层的季节性跃层代替了混合层，使声能只能以会聚区的形式传播；夏季STMW潜沉进入主跃层，次表层形成物理性质极为均匀的水层，使声场呈现次表层波导的传播方式。声场计算结果表明，秋、冬两季的表面波导与夏季的次表层波导引起了近表层和次表层声场中声能分布的季节性反相变化，表面波导或次表层波导所在水层比波导层之外区域声能高出10～15 dB（声波频率为1 k Hz）。

（2）对会聚区位置的改变。STMW的季节性变化过程中声速结构有明显差异，使声能的折射、反转、会聚等过程发生了变化，其变化程度还与声源深度有关。当声源位于近表层20 m时，夏季会聚区距离最远，冬季会聚区距离最近，两者相差可达6.6 km，春、秋两季介于冬、夏两季之间；当声源位于次表层150 m时，STMW的潜沉削弱了主跃层对声线折射的贡献，夏季会聚区距离缩短了3.1 km，而春、秋、冬三季会聚区变化不大。

近年来，随着海洋学数据的不断积累（特别是Argo数据），对于全球海洋现象区域性、季节性变化规律的认识越来越细致。在此过程中，逐渐发现很多海区的声速剖面结构并不是传统意义上的“三层结构”类型，使声传播呈现出不同形式的变异特征。特别是海洋锋、中尺度涡、内波等中尺度海洋现象的生消变化，造成了海洋水文环境在时间－空间上的显著非均匀分布，使声场特性复杂多变，难以预测。本文是应用Argo数据对特殊海洋环境声传播效应研究的一次尝试，更多的认识有待于海洋学方法与水声学方法的交叉融合，这些研究有助于不断积累的海洋学数据在水声应用领域发挥更大的作用。

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Acoustic propagation effect caused by subtropical mode water of northwestern Pacific

Zhang Xu1，2，Cheng Chen1，Liu Yan1

（1.Unit 91550 of People's Liberation Army of China，Dalian 116023，China；2.Post-doctoral Scientific Research Work Station in 92493 Unit of People’e Liberation Army，Dalian 116023，China）

Acoustical propagation features caused by subtropical mode water（STMW）of Northwestern Pacific during seasonal transition are analyzed by Argo profile data and acoustic numerical model.The results of sound filed show that the main propagating pattern of STMW formed region is a combination of surface or subsurface duct and convergence zone（CZ）.The CZ exists all the year round，but the surface duct appears in a growing mixed-layer environment in autumn and winter，and the subsurface duct appears only in a STMW subduction environment insummer.Two types of duct propagation show an inverse pattern of sound energy distribution，and the difference can be around 10 to 15 dB between the internal and the external of the duct（sound frequency is 1 k Hz）.Seasonal transition of STMW can also lead to the change of CZ positions.The changes are influenced by the source depth.When the source locates at 20 m，the CZ position reaches its furthest in the summer，remains medium in the spring，and arrives its nearest in the winter，where the maximum difference can be 6.6 km.When the source locates at 150 m，the CZ reduces 3.1 km in summer and shows no distinct changes in other seasons.

mode water；northwestern Pacific；subsurface duct；Argo；BELLHOP model

P733.2

A

0253-4193（2014）09-0094-09

张旭，程琛，刘艳.西北太平洋副热带模态水形成区声传播特性分析［J］.海洋学报，2014，36（9）：94—102，

10.3969／j.issn.0253-4193.2014.09.011

Zhang Xu，Cheng Chen，Liu Yan.Acoustic propagation effect caused by subtropical mode water of northwestern Pacific［J］.Acta Oceanologica Sinica（in Chinese），2014，36（9）：94—102，doi：10.3969／j.issn.0253-4193.2014.09.011

2013-06-15；

2013-12-14。

张旭（1982—），男，黑龙江省萝北县人，博士，工程师，主要从事军事海洋学、水下测量技术研究。