2.3 全球水声环境主要参数分布

全球深海水声环境存在巨大的地域差异性，且随时间剧烈变化。为了形成对全球深海环境的总体认识，本节利用两种数据集，从水声环境的若干特征因素的分布出发，总结深海水声环境的特点。

2.3.1 数据集

ETOP01 数据集是由美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的全国地球物理资料中心在2008年8月发布的精度为1'的全球地形模型，包含了陆地地形数据和海底地形数据。该数据集整合了多种全球和局部地形数据集，纬度覆盖范围为90°S至90°N，经度覆盖范围为180°W～180°E。本书使用该数据集分析全球海深的分布。

SODA海洋数据集由全球简单海洋资料同化（Simple Ocean Data Assimilation）分析系统产生，该系统用于同化分析的温度和盐度廓线数据多达700万个。其中，三分之二来自世界海洋数据库（World Ocean Database），其他来自美国国家海洋资料中心（NODC）的实测温度廓线数据、大西洋热带-海洋浮标组群（Tao/Triton）和全球海洋观测网（ARGO）的观测数据、综合海洋大气数据集（COADS）的混合层温度数据等。

数据集的水平覆盖范围为179.75°W～179.75°E，75.25°S～89.25°N，水平分辨力为0.5°×0.5°；垂直分辨力不等间距共40层（单位为m），每层间距为5～5374m，前23层数据的精度较高。海表面至200m海深处共有14个点。SODA数据为按月平均数据，覆盖时段为1958年1月—2007年12月。由于数据时间分辨力的限制，所以基于SODA数据的特征参量的时间分辨力为月。SODA 数据集主要包含了温度、盐度、纬向海流速度、经向海流速度、垂向海流速度、经向海表面风应力、纬向海表面风应力、海面热通量、海面淡水交换、海平面高度等。本书使用2007年的温度和盐度信息计算声速剖面，以获取有关的特征参量。

2.3.2 海底地形

图2-2给出了ETOP01数据集的全球海洋深度分布。统计得出，深度在1000m以内的海洋面积占海洋总面积的0.7%，1000～2000m的比例为1.9%，2000～3000m的比例为6%，3000～4000m 的比例为 21.6%，4000～5000m 的比例为 39.7%，5000～6000m 的比例为28.3%，6000m以上的比例为1.8%。全球海深在3000～6000m的比例约为90%，其余为大陆架和大陆坡海域。在陆地为平原的地方，大陆架一般很宽，可达到数百千米甚至上千米，如太平洋西部、大西洋北部两岸和北冰洋的边缘；紧邻的陆地若是高原或山脉，大陆架宽仅数十公里，甚至缺失。例如，南美大陆西岸大陆架非常狭窄。如图2-3所示，中国周边的海洋环境具有多样性：在东南部沿岸有着宽阔的大陆架区域，地形较为平坦；南海的平均深度是 1212m，但最深处有 5567m，并且存在大量地形起伏（海山、海沟、岛屿等）；在第一岛链以东，海深迅速加深，平均深度约为5000m。

2.3.3 声速剖面分布

图2-4为太平洋150.75°W断面（图2-2左侧虚线所示）的声速剖面分布，图2-4（a）为当年1月份所测的声速剖面，图2-4（b）为7月份所测的声速剖面。1月份，赤道附近和北半球低纬度地区的表面声道明显，平均厚度约80m以上；7月份，赤道附近和南半球低纬度地区的表面声道明显，但表面声道厚度较小，平均约60m。

在高纬度地区（南北纬度60°到南北极之间的区域），深海等温层几乎延伸到海面，深海声道轴也相应地变浅。7月份北极区域的声道轴较深，但也不超过200m。在这里，可以给出声速剖面有关的形态结构。全声道围绕声道轴形成，常把它限制在表面波导以下和海底之间。以声道轴为界，全声道的上下两部分各形成一个半声道。上半声道具有负的声速梯度（例如，某些深度在 1000m 以内的海域），下半声道具有正的声速梯度，高纬度地区的声速剖面基本属于这种半声道。

中纬度地区（30°～60°海域）为全声道和半声道的过渡海域，声速剖面形态结构最为复杂。在南半球，1月份的声速剖面虽然大部分为全声道，但温跃层的梯度非常弱，在7月份，声速剖面大部分变为半声道。在北半球1月份和7月份声速剖面差异不大，45°N以南的海域，温跃层声速梯度较大，45°N以北海域，声速剖面逐渐变为半声道。

图2-5为大西洋25.75°W断面（图2-2中虚线所示）的声速剖面分布，图2-5（a）为当年1月份所测的声速剖面，图2-5（b）为7月份所测的声速剖面。声速剖面的分布特性与上述太平洋声速剖面的分布特性基本相同，但其特征也非常显著。

（1）1月份北半球中纬度区域的全声道特征明显，表面波导深度和深海声道均较深；

（2）南半球40°S附近海域在近海面水层以下存在厚度几百米，声速几乎相同的水层，增加了声速剖面分层数量。

图2-6为印度洋60.25°E断面（图2-2右侧虚线所示）的声速剖面分布，图2-6（a）为当年1月份所测的声速剖面，图2-6（b）为7月份所测的声速剖面。印度洋赤道附近和北半球低纬度海区的深海声道轴可以达到2 000m，并且温跃层和深海声道轴之间存在厚度可达 1 000m 以上且负梯度非常弱的水层。在中纬度海域，存在双声道声速剖面，即两个声速局部极小值，并且季节性变化非常明显。在高纬度地区，声速剖面接近于半声道。

2.3.4 深海声道轴深度

由于深海声道轴为声速最小值所在深度，根据斯涅尔定律，声速梯度使声线不断地向最小声速的深度处折射。因此，有一部分声能保持在声道轴附近，不存在海面或海底反射损失，可实现超远距离传播。图2-7为全球深海声道轴深度分布，图2-7（a）为当年1月所测的深海声道轴深度分布，图2-7（b）为7月份所测的深海声道轴深度分布。声道轴深度比较稳定，随季节变化不大。声道轴最深处出现在东北大西洋靠近西班牙的海域、印度洋赤道附近和北半球低纬度区域，深度可达 1 600m 以上。太平洋低纬度地区的平均声道轴深度为 1 100m 左右，高于大西洋低纬度地区的平均值（约 850m）。南半球太平洋和印度洋20°S～40°S海区的声道轴深度较深，平均约1 300m，高于大西洋在此纬度的平均值（约 1 050m）。但是，北半球大西洋 20°N～40°N 海区的声道轴深度明显深于太平洋在此海域的深度。高纬度地区的声道轴深度一般小于 200m。中国南海的平均声道轴深度在1 100m左右。深海声道轴深度影响汇聚区的位置，但由于其随时间的变异性不强，因而汇聚区的位置可以通过数据集的形式给出，本书不对其做深入研究。

2.3.5 表面波导厚度

表面波导厚度随时间变化规律按所研究时间尺度的不同，可以分为日变化、季节内变化、季节变化、年间变化规律等。表面波导厚度随空间的变化也非常剧烈，夏半球小于20m，冬半球在近极地地区可以大于500m。图2-8为全球海洋表面波导厚度分布，图2-8（a）为当年1月份所测的表面波导厚度分布，图2-8（b）为7月份所测的表面波导厚度分布。由2.3.3节对声速剖面的分析知，在中高纬度地区（45°N以北和45°S以南），声速剖面近似为半声道，声场在全深度海水中向上折射传播，讨论表面波导厚度的意义不大。我们仅关注中低纬度地区的表面波导厚度的分布。1月份的南半球为夏半球，除了太平洋赤道附近表面波导厚度在60m左右，其余海区厚度均非常小或者为0；而此时北半球，10°N以北海域的表面波导较厚，平均可达90m，10°N以南的海域中，大西洋和印度洋的表面波导较弱。7 月份的北半球为夏半球，但此时西太平洋低纬度海区和印度洋的表面波导依然较强，平均厚度约70m；而此时南半球的表面波导普遍较强，但厚度存在着强烈的时空变化，最厚处在西南太平洋，可达 165m。中国南海在 1 月份表面波导厚度平均约 60m，最厚的位置在东南沿海，厚度可达 120m；而 7 月份由于海面风力弱，中北部表面波导基本消失，仅在南部存在厚度约40m左右的表面波导。

2.3.6 临界深度分布

图2-9为全球海洋临界深度分布，图2-9（a）为1月份所测的海洋临界深度分度，图2-9（b）为7月所测的海洋临界深度分度。在中高纬度地区（45°N以北和45°S以南），声速剖面近似为半声道，讨论临界深度的意义不大。我们仅关注中低纬度地区的临界深度的分布。根据临界深度的定义，冬半球由于海表温度低，声速低，所以临界深度相对于夏半球时较浅。例如，1月份的太平洋和大西洋北半球的临界深度明显小于 7 月份的值。另外，由于海深的限制，夏半球存在临界深度的海域面积一般小于冬半球的该面积，例如大西洋北半球海岭（见图2-2）附近临界深度的海域面积在1月（冬半球）明显大于7月（夏半球）。又如，西南印度洋海域，临界深度的海域面积在7月（冬半球）明显大于1月（夏半球）。北印度洋由于深海声道轴向下延伸深度非常深，压缩了深海等温层的厚度，因而整个海域几乎没有临界深度。

正如图2-2所示，在太平洋中东、中南、东南部由于网状海岭的存在，海深不深，因而不存在有临界深度的海域。相同的情况如大西洋的S形海岭和印度洋由西北向东南延伸的海岭附近的海域。在太平洋西南部则存在复杂的海底地貌，海深较浅，因此也不存在临界深度。中国南海由于海深较浅，基本不存在有临界深度的海域，而与南海通过巴士海峡相连的菲律宾海，由于海深约为5500m，有临界深度的海域较广。