西沙海槽海域聲速特點分析

劉方蘭，羅偉東，于宗澤，曾瑞堅

（廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局 廣東 廣州 510760）

西沙海槽海域聲速特點分析

劉方蘭，羅偉東，于宗澤，曾瑞堅

（廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局 廣東 廣州 510760）

通過對西沙海槽海域?qū)崪y的58個聲速剖面進(jìn)行分析研究，認(rèn)為區(qū)內(nèi)聲速剖面具有典型的三層結(jié)構(gòu)特征－表面層、中間躍變層以及深海恒溫層。表面層普遍有聲速穩(wěn)定次層，平均厚度約18.6 m，表層聲速最大值一般出現(xiàn)在下午3點至4點之間，最小值則出現(xiàn)在早上6點至7點之間。聲速極小值出現(xiàn)在躍變層與深海恒溫層間的過渡水層，其深度最淺為830.7 m，平均深度為1 220 m，但當(dāng)水深大于1 300 m以后，聲速與水深成線性相關(guān)，聲速梯度穩(wěn)定，平均為每百米1.34 m/s。

聲速；聲速剖面；梯度；西沙海槽海域

聲速是聲波在海水中的傳播速度，聲速剖面則是反映聲速隨深度變化的垂直分布序列。聲速是水聲學(xué)研究中的一個重要參數(shù)，隨著聲學(xué)技術(shù)在海洋中的廣泛應(yīng)用，聲速參數(shù)已成為高精度海洋測量必不可少的參數(shù)之一，諸如在水下聲學(xué)通訊、水下定位、魚群探測、聲納等等的應(yīng)用[1]，特別是在精確的水深測量中，已越來越依賴于聲速的準(zhǔn)確性。海洋水深測量是通過發(fā)射特定頻率的聲波后，接收海底回波信號，計算傳播時間，然后通過給定的聲速獲取回波的傳播距離，最后換算成水深。在多波束水深測量中，聲速剖面是進(jìn)行聲線追蹤的基本參數(shù)，表層聲速則在波束形成、波束角計算中起著決定性作用。因此，必須提供準(zhǔn)確的表層聲速以及聲速剖面信息，才能發(fā)揮多波束高精度測量的優(yōu)勢。

多波束測量規(guī)范中要求每1°×1° 范圍內(nèi)進(jìn)行3次聲速剖面測量[2]，也有要求白天和晚上使用不同的聲速剖面，但是，這些規(guī)定都不能完全適應(yīng)聲速剖面的變化規(guī)律，甚至在某些海域，按照這些規(guī)定無法實施多波束測量。那么，海洋中聲速到底是如何變化的？聲速剖面的特點是什么？本文根據(jù)2004年以來在南海西沙海槽海域收集的五十多個聲速剖面，并在這些聲速剖面的基礎(chǔ)上，研究分析該海域聲速剖面變化規(guī)律，以便繼續(xù)探討整個南海海洋聲速變化特征，更好地實現(xiàn)多波束水深測量中的聲速校正。

1 聲速剖面的采集與測點分布

廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局在開展多波束水深測量以及海洋綜合調(diào)查的過程中，采集了大量的聲速剖面，其中位于西沙海槽海域內(nèi)的聲速剖面共58個。

1.1 聲速計與聲速測量精度

本文使用的聲速剖面除個別剖面是使用MarkIII溫鹽深測量系統(tǒng)外，大部分剖面是使用AML系列聲速計采集的。AML系列聲速計是加拿大Applied Microsystems公司生產(chǎn)，分別有SVP-16型，sv plus，sv plus v2等，它們都屬于“環(huán)鳴法”聲速剖面儀?！碍h(huán)鳴法”聲速測量儀設(shè)計有固定距離的聲反射板，連續(xù)不斷地測量聲波在該距離內(nèi)往返的時間，從而獲得該距離內(nèi)水介質(zhì)的聲波傳播速度。該系列的聲速計除能夠測量聲速外，還能準(zhǔn)確測量水溫和壓力。聲速、溫度、壓力的測量誤差分別優(yōu)于 ±0.1m/s、±0.05 ℃和 ±0.05%，最新的 sv plusv2聲速計聲速測量精度達(dá)±0.05 m/s。通過對以上不同型號聲速計進(jìn)行相同深度定點聲速測量對比，統(tǒng)計誤差小于0.2 m/s。因此，本文采用的聲速值準(zhǔn)確度應(yīng)為0.2 m/s。

使用聲速計進(jìn)行聲速剖面測量時，需要在水中先停留3 ～ 5分鐘，以使聲速計適應(yīng)水的溫度，一般停留在水深約1 m處，因此，本文實測的聲速剖面中一般缺少1 m以淺的聲速數(shù)據(jù)，或者水深小于1 m的淺表層聲速測量值誤差超過了正常范圍。

1.2 聲速剖面采集時間

58個聲速剖面是自 2004年以來采集獲得的，采集時間（北京）信息見表1。表1顯示，大部分聲速剖面采集時間集中在每年的 4—8月，即氣溫相對高的季節(jié)，沒有冬天或者氣溫較低的 10月—次年2月間采集的聲速剖面。

表 1 西沙海槽海域聲速剖面采集時間分布Tab. 1 Collection month and time of the sound velocity profiles

1.3 聲速剖面的平面分布

58個聲速采集點遍及整個西沙海槽海域，在這些聲速剖面中，11個剖面所在位置水深小于1 000 m，27個剖面采集深度大于1 500 m，大部分聲速剖面采集于西沙海槽內(nèi)。

2 聲速剖面特點分析

聲速與海水溫度、鹽度、壓力三因素關(guān)系最為密切。在全海洋深度范圍內(nèi)，目前最具有代表性[3]的是Mackenzie于1981提出的聲速（C）與溫度（T）、鹽度（S）、深度（D）的關(guān)系式[4]：

根據(jù)公式，溫度、鹽度和深度對聲速產(chǎn)生的變化率分別為：4.6/溫度單位（℃）、1.34/鹽度單位（‰）以及0.016/深度單位（m）。因此，聲速在垂直方向上會表現(xiàn)出一定的變化規(guī)律。一般地，深海聲速剖面可分為三層[5-7]：表面層、躍變層以及深海等溫層。表面層從海面起算，向下延伸幾米至數(shù)十米，該層內(nèi)聲速對熱、冷和風(fēng)的作用的日變化和局部變化非常敏感，由于風(fēng)浪的作用，在該層內(nèi)形成了一次層等水溫的混合層。表面層之下的躍變層，是溫度、聲速隨溫度變化較大的水層，該層上部為季節(jié)躍變層，聲速隨深度的變化特征呈負(fù)的溫度梯度和聲速梯度，梯度大小隨季節(jié)而變。季節(jié)躍變層下的主躍變層則比較穩(wěn)定，季節(jié)改變對它的影響微弱。主躍變層之下一直延伸到海底是深海恒溫層，該層溫度變化不大，聲速隨深度增加而增加。

西沙海槽海域聲速剖面具有深海聲速剖面典型三層的基本形態(tài)特征（圖1），但由于其海底地形特殊，地理緯度比較低，年平均氣溫較高，降雨量大，其聲速剖面有其自身的特點。

2.1 表面層內(nèi)的聲速變化

由于表面層受氣候、風(fēng)、流以及海浪的影響較大，層內(nèi)的聲速既具有易變性同時又有明顯的特征，聲速穩(wěn)定就是其特征之一。根據(jù)聲速測量的準(zhǔn)確度，本文把聲速剖面中相鄰測點聲速差小于0.2 m/s或連續(xù)10 m厚度水層中變化梯度小于每米0.02 m/s時，稱該水層為聲速穩(wěn)定層。基于這個標(biāo)準(zhǔn)，西沙海槽海域內(nèi)表面層中普遍都存在一個聲速穩(wěn)定次層，在全部58個聲速剖面中54有一個聲速穩(wěn)定次層（見表2）。根據(jù)聲速穩(wěn)定次層的位置，可分兩大類（圖2）：第一類是在表面層內(nèi)，自表層最上部往下，聲速就比較穩(wěn)定，變化很小，稱為表層聲速Ⅰ型；第二類是在表面層上部，聲速隨深度變化較大，到一定深度后才呈現(xiàn)相對穩(wěn)定或變化很小，形成一個聲速穩(wěn)定次層，稱為表層聲速Ⅱ型。在本文研究的全部聲速剖面中，35個聲速剖面屬于表層聲速Ⅰ型，從最表層開始即呈現(xiàn)聲速穩(wěn)定或較小的正梯度變化特征，只有每米0.01 m/s左右的變化，極個別呈現(xiàn)微小的負(fù)梯度。該穩(wěn)定層一般從幾米延伸至幾十米，最深達(dá)58.3 m（9號聲速），表層聲速Ⅰ型的聲速穩(wěn)定次層平均厚度為19.6 m，它向下逐漸過渡至躍變層。17個聲速剖面屬于表層聲速Ⅱ型，一般地，水深零至十多米的水層內(nèi)聲速呈負(fù)梯度變化，梯度值在每米-0.1 m/s～-0.3 m/s之間，大約在10 m左右附近聲速趨于穩(wěn)定，該穩(wěn)定層的下界多在 20多米水深處，表層聲速Ⅱ型的聲速穩(wěn)定次層平均厚度為15.9 m。不論Ⅰ型還是Ⅱ型，聲速穩(wěn)定次層的厚度均不大，平均只有18.6 m左右，明顯小于高緯度地區(qū)的海域[6]。在這些聲速剖面中，9號聲速剖面的聲速穩(wěn)定次層厚度最大（58.3 m），它是2008年3月22日10點左右采集的，說明本區(qū)域內(nèi)，3月份仍處于冷熱交替的季節(jié)，氣溫較為穩(wěn)定，表面層內(nèi)具有較大的聲速穩(wěn)定層；142號聲速的聲速穩(wěn)定次層厚度最小，只有 4.2 m，它的采集時間是2009年4月25日凌晨3點，表明到了4月底，氣溫開始升高，聲速穩(wěn)定次層厚度變小。

表 2 西沙海槽海域部分聲速剖面特征值統(tǒng)計表Tab. 2 Character of the sound velocity profiles in Xisha Zone

圖 1 西沙海槽典型聲速剖面（84號剖面）Fig. 1 Representative profile （No.84）

圖 2 典型表層聲速剖面Fig. 2 Representative surface sound profile

在 58個聲速剖面中，最表層的聲速變化范圍為1 536.3 m/s ～ 1 547.8 m/s。最低聲速是3月22日早上10點采集的（9號），最大聲速是7月15日14點采集，這與表層聲速受季節(jié)和時間的變化關(guān)系密切，夏季正中午表層海水因日照溫度升高，所以表層聲速較大。由于本次研究的聲速剖面沒有全年溫度最低的1月、2月采集的，所以，表層最低聲速應(yīng)該比1 536.3 m/s更小，但表面最大聲速基本能夠代表本區(qū)夏季表層聲速的最大值。

另外，在研究區(qū)內(nèi)兩次定點觀察了表層聲速隨時間的變化特征，把表層聲速計固定在水深3 m左右的位置，進(jìn)行24小時觀察。圖3是2009年4月23日早上7:35開始至24日早上06:31的表層聲速變化曲線圖。該點表層聲速變化從1 541.6 m/s至1 542.9 m/s，一天內(nèi)變化幅度為1.3 m/s。聲速最高值出現(xiàn)在下午 15:30左右，聲速最低值出現(xiàn)在早上6:30—7:30之間。另外，在這個聲速剖面中，出現(xiàn)了一個異常變化，即在晚上22:35，聲速在12分鐘內(nèi)從1 541.8 m/s增加到1 542.2 m/s，幅度為0.4 m/s，說明表面水層容易受到周圍環(huán)境影響（如溫度、鹽度）產(chǎn)生局部的變化。

圖 3 表層水聲速定點觀察值的變化Fig. 3 Changes of the surface sound veolicity to the measure time

2.2 聲速剖面中聲速極小值的深度

自表層開始，聲速隨著溫度的迅速減小而呈負(fù)梯度變化，但當(dāng)水深增加到一定深度，溫度減小的速度變慢，壓力對聲速的影響增大，隨著壓力的增大，聲速呈正梯度增長。在正、負(fù)梯度變化之間，聲速表現(xiàn)為極小值。

在實測的 58個聲速剖面中，45個剖面出現(xiàn)了聲速極小值（其他剖面因水深原因或采集深度不夠，未得到聲速極小值）。這些極小值出現(xiàn)的最大深度為1 223.0 m（73號），最淺深度為830.7 m（36號），出現(xiàn)極小值的平均深度為1 064.9 m。聲速極小值的平均值為1 485.4 m/s。

2.3 深海恒溫層聲速梯度

在躍變層下的深海恒溫層中，當(dāng)水深達(dá)到一定深度后，聲速剖面中的聲速從極小值開始，隨深度的增大而增加，即呈現(xiàn)正梯度增長的趨勢，而且到了一定深度后，梯度值較為穩(wěn)定。在西沙海槽海域，共有 24個剖面能清楚地顯示聲速隨深度的這種正梯度變化特征，它們分別在不同水深開始，聲速梯度值趨于穩(wěn)定，最淺從1 150 m開始（130號），最深從1 450 m開始（137號），大多數(shù)剖面呈現(xiàn)穩(wěn)定的聲速變化梯度的水深大約是1 300 m。根據(jù)統(tǒng)計，1 300 m以深的聲速剖面平均梯度為每百米1.34 m/s，其中最大的為每百米1.93 m/s（84號），最小的為每百米 0.88 m/s（12號）。由此可見，在深海恒溫層中，聲速變化梯度為正，在水深1 300 m以深，聲速與水深呈線性相關(guān)，梯度幾乎不變。因此，在研究區(qū)內(nèi)，實測至水深1 300 m的聲速剖面數(shù)據(jù)即可近似獲得全深度的聲速剖面。

3 結(jié) 語

通過對西沙海槽海域3—8月期間共58個聲速剖面資料進(jìn)行分析研究，西沙海槽海域聲速剖面具有以下特征：

（1）聲速剖面存在典型的三層結(jié)構(gòu)：表面層、躍變層以及深海恒溫層。表面層內(nèi)有聲速穩(wěn)定次層，但該次層在部分聲速剖面中從表層開始呈現(xiàn)，另一部分剖面則是在經(jīng)過最表層一定深度的梯度變化后才出現(xiàn)聲速穩(wěn)定次層。聲速穩(wěn)定次層的平均厚度為 18.6 m，但最小的只有 4.2 m，最大的達(dá)58.3 m。

（2）在一天中，表層聲速最大和最小值分別出現(xiàn)在下午3點～4點以及早上的6點至7點。

（3）在躍變層與深海恒溫層之間存在聲速極小值，極小值平均值為1 484.1 m/s，極小值出現(xiàn)的深度最淺為830.7 m，最深為1 223.3 m。

（4）在深海恒溫層內(nèi)，大多數(shù)聲速剖面自水深1 300 m開始，聲速隨深度的變化呈穩(wěn)定的線性關(guān)系，平均梯度為每百米1.34 m/s。

[1] 烏立克R J著. 洪申 譯. 工程水聲原理 [M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1972, 12: 14-19.

[2] 李家標(biāo). 海洋調(diào)查規(guī)范 第 10部分: 海底地形地貌調(diào)查 [S]. 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn). GB/T 12763.10-2007.

[3] 周豐年 多波束測深系統(tǒng)最優(yōu)聲速公式的確定 [J]. 臺灣海峽,2001, 20(4): 411-419.

[4] 布列霍夫斯基赫，雷桑珞夫 著. 海洋聲學(xué)基礎(chǔ) [M]. 北京: 海洋出版社, 1985, 1-10.

[5] 何高文. 多波束測深系統(tǒng)聲速校正 [J]. 海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì),2000, 20(4): 109-114.

[6] 邱章, 朱良生, 許建林, 等. 南海北部海區(qū)上層水體平均聲速場的變化 [J]. 海洋學(xué)報, 2001, 23(5): 42-48.

[7] 黃建沖，黃企洲. 南海東北部海區(qū)聲速分布特征 [J]. 熱帶海洋,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

劉方蘭（1967—），男，高級工程師，主要從事海洋地質(zhì)調(diào)查及技術(shù)方法研究，電子郵箱：lflhome@21cn.com。