夏季白令海声速剖面分布特征

高飞，潘长明，冯盼盼，王璐华，王本洪，李璨

（1.解放军理工大学 气象海洋学院，江苏 南京 211101；2.海军海洋测绘研究所，天津 300061；3.中国人民解放军61828部队，新疆 喀什 844200）

白令海位于太平洋最北部，亚洲与美洲大陆之间，西接俄国西伯利亚，东临美国阿拉斯加，南濒阿留申群岛，北部是连接太平洋与北冰洋的唯一水道—白令海峡（图1）。本文研究区域集中于52°-66°N、169°E-165°W，该区域海底地形主要为海底盆地和大陆架，各占一半，海底盆地为深水区，最大深度超过5 000m，陆架海区为浅水区，一般不超过200m。以圣劳伦斯岛为中心（Aagaard K et al，1985），东部为斯潘伯格海峡（190 km），西部为阿纳德尔海峡（75 km），北部较远处为白令海峡（85 km），这3个水道水文、声学性质各异，有很高的研究价值。

声速剖面是物理海洋环境的综合体现，是影响海洋声场结构重要因素之一（Michael etal，2005；张旭等，2010）。影响浅海最主要的因素是温度，深海浅层声速主要由温度控制，深层是温度和深度共同作用的结果。白令海是连接太平洋和北冰洋的唯一要道，地理位置极为重要，研究声速剖面分布特征具有较高的经济、军事价值（Kathleen etal，2009； Barbeux et al， 2009； Joseph et al， 2009）。自20世纪80年代以来，极地水声学的研究越来越成为全球热点，中国北极科学考察团队陆续进行了5次科学考察。同时随着海洋资料的不断积累，全球范围内的气候态声场分布特征和混合层、深海主要声速剖面类型逐步建立起来（Levitus，1982；Mandelberg，2000；王彦磊等，2013）。

然而，目前对白令海声速剖面研究较少，本文利用中国第5次北极科考数据对白令海声速剖面结构分区域进行分析，得到声跃层三特征参量（跃层强度、跃层厚度、跃层深度）分布特征，并结合温、盐、流等海洋要素分析其形成机理。对声学设备的海洋探测和水下航行器的隐蔽航行具有一定的参考价值。

1 数据来源和处理方法

2012年中国进行第5次北极科学考察。本文选取CTD数据进行分析，此数据主要分布于白令海内，根据水深和经、纬度差异，将之分为5个断面（图1）。其中断面1、4、5数据调查时间是7月中旬；断面2、3数据是9月上旬。本文从CTD调查原始资料出发，选取调查过程中CTD下放阶段的数据，并利用上升过程中的数据对近海表数据进行补充。利用akima插值将数据处理成垂向间隔1m的距离。

图1 白令海海底地形及调查数据点分布

2 声速计算方法比较

温度、盐度、密度每变化一个单位对应的声速变化量分别约为5m/s、1.14m/s和0.017 5m/s，综合温度、盐度的变化量可知浅海声速大小变化主要受温度影响；而深海表层、次表层声速主要受温度影响，中下层水温变化较小，声速主要受深度影响。

常见的利用CTD数据中的温、盐、深数据计算声速的方法有 Chen-Millero、Delgrosso和Wilson。其中Chen-Millero声速方程为：

上式中T（℃）：0℃

上式中C′，CP分别与温度、盐度，压力相关的声速部分。Wilson声速公式（B式）：

3种声速计算方法得到的结果差异在白令海可概括为3个类型（如图2A、2B、2C）。其中深水区，声速差异随深度的增大而增大（图2A，“-”为减号）Wison计算声速值最大，Chen-Millero居中，Delgrosso最 小 （如图 2A），Wilson和Chen-Millero计算差别随水深增大较为稳定，但两者相对Delgrosso差别随深度增大而增大。浅水区Delgrosso计算结果仍最小，Chen-Millero和Delgross计算差异随深度差别较为稳定；在20m以浅水层，两者相对于Wilson计算波动较大（如图 2B、2C）。

图2 声速计算方法对比

图3A为图2A温度变化曲线，图3B实线对应图2B中温度，虚线对应图2C温度。进一步分析发现，深海海区3种声速计算方法之间的差异主要受深度影响 （图 3A），相对 Chen-Millero和Wilson，Delgrosso方法计算的声速随深度增加而增大的率较慢。浅海海区3种声速计算方法的差异主要受温度变化影响 （图 3B），Chen-Millero和Delgrosso计算差异相对于温度减小变化较小。海表温度较低时，Wilson计算结果相对于Chen-Millero较小，反之亦然。这说明Wilson和Chen-Millero随深度变化存在一致性，而Chen-millro和Delgrosso随温度变化存在一致性。

图3 温度剖面

受实测声速数据限制，本文重点分析不同因素对白令海区3种声速计算方法得到的声速大小差异进行比较。事实上陈红霞（2005）利用实测数据验证了Wilson计算方法更适合深度小于200m或大于800m的区域，因此下文分析中主要以该方法计算声速。

3 声速剖面类型划分

白令海夏季声速剖面大致可分为5种类型（图4）。白令海海盆水深较大，表层为相对较薄的混合均匀水层，7月次表层向下声速迅速减小，为明显的负声速跃层（声速向下迅速减小），接着为正声速跃层（声速向下迅速增加），从中层向下受深度影响，声速缓慢增加（图4A）。白令海陆架海域水深较浅，一般为50m左右，其中西部陆架声速7月份从表层向下5-7m深度为明显的负声跃层，往下声速变化较小（图4B）。7月阿纳德尔海峡及西伯利亚东部近岸表层出现明显正声跃层，往下声速变化较小（图4C）。7月圣劳伦斯岛正北部及阿拉斯加西部沿岸从表层向下约11-13m厚水层为均匀层，中层声速向下迅速减小，深层声速变化较小（图4D）。9月白令海陆架中东部及斯潘伯格海峡地区声速剖面可分为4段结构，从表层向下为正声速层，向下为较薄的声速均匀层，中层和深层为负声速层，底层为微弱的均匀层（图4E）。

图4 声速剖面类型划分

4 声速断面空间变化特征

4.1 声速断面分布特征

本次科学考察CTD分成5个断面分别进行分析，数据点位置在图1中已标记。其中图5A、5B、5C为7月份数据，图5D、5E为9月份数据。断面1（图5A）为白令海盆深水区，声速剖面如图4A所示，存在正负声速跃层。受高纬度影响，深水区声速主要受水深影响，最大声速出现在海底。350m以上声速变化较大，向下变化较为平缓。同时，随纬度增加，次表层低温低声速水层厚度逐渐加大，从断面最南端（阿留申群岛附近）向断面最北端（白令海大陆坡），厚度由不足80m增加至200m以上，且声速更低。由于深度较大，表层和次表层声速变化趋势难以发现，故提取断面1表层250m绘制图6A。结合图5A和图6A易发现海盆区域次表层存在明显的低声速水团。

图5 声速断面分布

结合断面1的温、盐分布（图6B、6C）不难发现，冬季海表温度较低，风浪较大，海表上下对流可达200-300m。到了夏季，受太阳辐射增温仅限于表层15-50m，而次表层仍然保存着冬季低温水团（图6B）。夏季表层受降水和融冰影响，盐度从表层向下逐渐增加。这就导致了次表层低声速水团的产生。这与陈聚法（2000）研究的白令海海盆深水区次表层冷水团对应较好。

图6 断面1表层至250m声速（A）、温度（B）、盐度（C）分布

夏季白令海陆架西南部海区声速剖面如图2所示。高声速层分布于表层5-7m水层，往下声速较小，且变化较小，为典型的浅海声速分布特征（图5B）。同时，断面2声速呈现南、北两端高，中部小的特点。首先分析断面南端，该处位于白领海盆和陆架过渡地带，海底地形变化剧烈。沿陆坡向陆架方向，声速迅速减小，其中站点（60.31°N、179.52°W）20m深声速值为 1 467.0 m/s，站点 （61.29°N、177.46°W）20米深声速值为1 442.5 m/s，在相差不到200 km，声速值相差达到25.5m/s，在断面2陆架区，高声速分布区域仅限于表层约为5m的水层。断面2北端位于阿德纳尔海峡区域，夏季在偏南风的影响下，沿着西伯利亚西岸向北的较高温度海流，海流使得阿纳德尔海峡水温相对于断面2中部较高（Weingartner et al，1999；王晓宇等，2011）。

断面3西部声速剖面（图5C）类型如图4C，东部声速剖面类型如图4D。声速在靠近阿拉斯加沿岸明显要大于西伯利亚沿岸，在168.6°W以西海表声速一般约为1 461.5m/s，且高声速局限于海表厚度约为5m的水层，而东部则高达1 483m/s，深达20 m，两者相差约22 m/s，厚度差别大于15 m。反应出白令海峡以南东西部水团分布巨大的温、盐差异，高郭平等（2004）利用中国第二次北极科考资料，结合历史观测数据对该海域夏季温、盐分布和变化进行了分析，得出白领海峡临近海域东部高温低盐，西部低温高盐的特征，这能很好的解释该海域声速断面东部强于西部的现象。

断面4（图5D）和断面5（图5E）声速剖面如图4E，呈4段结构，即从表层向下减小深层向下增加，中、底层声速相对均匀。断面4表层声速比断面5大。两者最大声速约为1 484m/s，分布于10m上下厚度约为8m的水层。由于这两个断面为9月份数据，高纬度地区，9月太阳辐射已经开始减少，表层开始降温，断面5较断面4纬度更高，表层降温更加剧烈，因此表层会出现正声跃层。其中，斯潘伯格海峡与圣劳伦斯岛南部近海在表层以下的声速分布近似相同，这也从侧面反映出分布于斯潘伯格海峡与圣劳伦斯岛南部海域的下层水团性质相近，而与阿纳德尔海峡的水团分布差异较大。

4.2 声跃层分布特征

声跃层为声速垂向变化较快的水层国家海洋调查规范规定浅海（水深≤200m）声速垂直梯度超过0.5 S-1为跃层，深海 （水深＞200 m）超过0.2 S-1为跃层。采用垂直梯度法计算垂直声速梯度，并分别对浅海、深海声速断面中声速梯度小于0.5 S-1、0.2 S-1的数据点进行剔除，绘制声跃层图（图7），下面重点对能够反映出声速垂直结构的三特征参数—声跃层边界深度、厚度和强度进行讨论。

总的来说，夏季白令海断面1、3、4、5都不同程度的出现了正、负声跃层并存的现象。断面1位于白令海盆深水区，季节性跃层为负跃层，上界通常位于10-40m水层，南部浅，北部深；厚度南部较小，约为15-20 m，北部较大，约为25-40m；跃层强度南部平均约为-0.7 S-1，北部为-0.8 S-1。受低声速水团影响，主跃层为正声速跃层，且南部浅，约为133m；北部深，约200m。一般强度为0.33S-1。

断面2以正声跃层为主，跃层上升至海表，厚度约为15-16m，梯度最大值出现在海表，约为-8--10 S-1，平均强度约为-1.5 S-1。断面3（白令海峡南部海域）声跃层东西部差异较大，东部跃层较深，西部浅；东部跃层梯度较小，西部较深；但跃层厚度相当。

图7 声速梯度断面图

断面4和断面5声跃层分布情况相似，值得注意的是这两断面数据为九月中旬，处于高纬地带时，表层温度开始下降，由于混合较弱，中下层仍为高温水体。因此，陆架浅海区域同时出现负跃层（中下层）、正跃层（表层）。同时纬度相对较高的断面5表层降温更加明显，负跃层强度更大，最大可达-10 S-1。两者跃层上下界深度相当，上界靠近海表，下界约24-27m深度。表1列出了各区域声跃层参量统计值。

表1 白令海各区域声跃层特征参量统计

5 结论

利用5个断面的CTD调查资料分区域分析白令海夏季声速剖面结构特征并统计了相关声跃层参量，得出以下结论：

（1）Chen-millero、Delgrosso、Wilson 3种声速计算方法在白令海域出现稳定的差别，其中Chen-millero方法计算声速值大小位于三者之间。

（2）根据已有数据可将夏季白令海声速剖面结构分为5类，其中海盆区域受太阳辐射低声速水团影响，在负声跃层下为正声跃层，中层水以下声速主要受深度影响；白令海峡南部海域东西声速差异较大；9月份，高纬地区受太阳辐射减少等因素的影响，陆架中东部浅水区出现正负跃层并存现象。

（3）白令海海盆区域声速从表层向下先减小后增加，季节性跃层（负跃层）和主跃层（正跃层）结构明显，季节性跃层深度相对较大，中南部可达40m，垂直梯度较小。其中海盆北部较南部跃层厚度增加，深度变浅。海盆向大陆架方向声速大小变化剧烈，表层大声速水层厚度迅速较小。同时声跃层增强较快。

（4）白令海峡南部海域，东侧跃层深度大，强度小；西侧跃层深度小，强度大。

受到资料的限制，本文难以全面考虑白令海各区域声速分布特征，以及季节变化特征。同时无实测声速数据验证，无法判别那种声速计算方法更为合理，只是得出他们之间相对差异。

致谢：感谢中国第五次北极科考专家研究队伍给予的CTD数据支持！

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