0 引　言

温跃层是指海洋中海水温度垂直梯度较大的水层。温跃层介于上混合层与海洋深水层之间。根据我国海域特点，一般认为温跃层判定标准为：一个温度剖面中某一段的海温垂直梯度大于某一临界值。以该段剖面的最上一层水深为温跃层上界，该段剖面的厚度为温跃层厚度，该段剖面垂向温度平均梯度为温跃层强度^[1]。温跃层的存在和变化能够对海洋环境造成很大影响，例如可以决定水团的划分，还可以影响声波在海洋中的传播，进一步会对水下和水面航行器的声纳通讯系统产生重要影响。由于在温跃层中，会出现声速的极大值点，所以根据波的折射理论，声波会在此水层中不断折射，损失很小，继而可以在该水层中传播很远的距离，即所谓水下声道，能够实现两地远距离水下通信，也可实现有效的声呐探测。稳定的温跃层还能很好的抑制海水垂直对流的发生，有效阻碍水层间物质、热量和动量的垂直交换。温度跃层的形成原因有两类，热力-动力原因和水团配置原因，且与大洋环流、内波等现象关系密切。因此，温跃层研究对于航行器水下航行、通信、探测和隐蔽等军事活动都有重大意义。

1 数　据

本文使用数据来自国家海洋信息中心研制的西北太平洋海洋再分析数据。该数据基于海洋动力模型，利用数据同化技术，将时空分布不均匀的海洋观测资料与数值模式的格点数据相结合，得出反映海洋要素多时空尺度变化特征和多要素物理关联性的海洋再分析产品。本文的研究区域为99°E～122°E，2°N～24°N，时间范围为1958年1月1日至2015年12月31日，时间分辨率为1d，空间分辨率为1/8°×1/8°。该数据发布之前经过了严格的检验评估，利用大量内部资料和国内外相关产品对该数据进行检验。通过与实测海洋资料对比检验、与常规海洋水文统计分析产品对比检验和与国外海洋再分析产品的比对检验三个模块，细致分析给出了海洋再分析产品在温度、盐度、海流和海面高度的检验结果和误差统计。温度盐度均方根误差分别为0.70 ℃和0.09 psu，强流区（流速>50 cm/s）流速平均误差小于25 cm/s，流向平均误差小于30°。其中还针对中尺现象进行了单独检验，结果表明该数据在南海、东海和台湾周边海域能够很好地再现各类主要海洋现象和空间结构和变化过程。

2 方　法

温跃层的计算常用方法有：垂直梯度法、S-T 法、最大曲率法和拟阶梯函数法。垂直梯度法自海面向下，若满足：温度梯度>0.05 ℃/m （水深>200 m）或0.2 ℃/m（水深<200 m），则所在深度为温跃层上界深度。S-T法先用海表温度减去0.5 ℃，所得的温度值所在的深度确定为温跃层的上界深度。最大曲率点法，根据温度剖面数据，计算剖面曲线各点的曲率，曲率的极大值点即为温跃层的临界值，从而可以确定温跃层上界和下界。拟阶梯函数法认为海水垂直方向为3层结构，即上均匀层、跃层和下均匀层，根据3层结构构造一个阶梯函数来拟合海水温度的垂直分布曲线。函数表达式为：

$\left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {{{t}} = {{A}}},&{{{h}} < a};\\ {{{t}} = {{r}}\left( {{{h}} - {{a}}} \right) + {{A}}},&{{{a}} < h < b};\\ {{{t}} = {{B}}},&{{{h}} > b}\text{。} \end{array}} \right.$

(1)

式中：t为拟合温度值；h为水深值；a为跃层上界深度；b为跃层下界深度；r为跃层强度；A为上均匀层平均温度；B为下均匀层平均温度。该方法用统一的量化标准判定跃层，摆脱了人为主观因素，可不受0.05 ℃/m的最低跃层标准的限制。本文研究比较了几种方法的优缺点^[5-8]，最后采用以下方法：当水深大于200 m时，直接采用垂向梯度法，水深小于或等于200 m时，采用拟阶梯函数法。此方法完全用客观的方法计算跃层参数（上界深度、厚度和强度），消除了主观判断，从而解决了跃层参数在陆架区和深水区交界处的突变现象^[9]。

3 计算方法

本文计算区域选取99°E～122°E，2°N～24°N。首先计算该区域内温度数据的累年月平均数据。利用月平均数据将每个格点温度数据垂直方向插值到1 m分辨率。针对每个格点垂直剖面判断，当水深小于等于200 m时，用拟阶梯函数法，当水深大于200 m时，直接用垂直梯度法（判据取0.05 ℃/m）。

1）拟阶梯函数法实现

将标准层的海温数据利用Akima插值到1 m间隔，然后根据式（1），设层次数为N，则存在N组h，t。假设温跃层最小厚度为1 m，实测温度资料为t，则由式（1）计算的温度为t′,均方差为：

$ \Delta {S}=\frac{1}{{N}-2}\sum _{{i}=1}^{{N}}{\left({{t}}_{{i}}-{{t}}_{{i}}^{'}\right)}^{2}\text{。} $

(2)

后用最小二乘法确定函数的最优系数，即找到均方差极小值时跃层上界点a、下界点b、跃层强度r和跃层厚度。

2）垂直梯度法实现

利用插值后的1 m间隔的温度资料，直接计算海温的垂直梯度，梯度大于0.05 ℃/m的水层即为温跃层所在区域。满足梯度0.05 ℃/m条件最上层的深度即为跃层上界a，最下层的深度即为温跃层下界深度b，下界深度与上界深度之差为温跃层厚度， $ \left({{{t}}_{{b}}-{t}}_{{a}}\right)/ ({b}-{a}) $ 即温跃层强度。

3）温跃层的统计

温跃层计算后按以下条件统计：

① 如果计算结果中一个海温剖面只有一段满足温跃层判据，则此段直接判断为温跃层，相应参数按相应公式计算。

② 如果计算结果中一个海温剖面中至少有2段满足温跃层判据，则再判断上界深度和各段之间的间隔。当上界深度小于50 m，间隔小于5 m时，或者当上界深度大于等于50 m，间隔小于25 m时，则此两段可合并为一段单跃层，否则判断为多跃层。若一个海温剖面被判定为多跃层，则取跃层强度最大的一段作为主跃层，如果跃层强度相等，则取跃层厚度最大的一段。

4 结果分析

按照以上数据和方法计算得出多年平均1-12月逐月温跃层上界深度、厚度和强度结果。选取1月、4月、7月和10月分别代表冬、春、夏、秋4个季度，具体分布如图1~图3所示。

1）温跃层深度

图1为南海四季温跃层深度的大面分布。由图可以看出，冬季海区北部受东北季风的影响，上层混合最强，北部陆架区季节性温跃层消失，深度达到最深，在100 m以上，等值线呈东北-西南走向，西北部最深向东南逐渐变浅至20 m以下，吕宋海峡有一极大值区，在100 m以上，吕宋岛西北有一30 m以下的低值区。春季，温跃层范围开始增大，北部和南部陆架区及泰国湾海域温跃层开始生成，由于季风导致的上层混合开始减弱，温跃层深度整体开始变浅，陆架区深度在20 m左右。中南部海盆有一个30 m以上的极大值区，吕宋海峡仍然有一极大值区，但深度变浅。夏季，跃层范围进一步增大，中部深水区跃层深度极大值区范围加大，深度大于40 m，分别向西北和东南逐渐变浅，吕宋海峡的极大值区范围和深度都逐渐减小。秋季，北部陆架区的温跃层范围开始缩小，深度开始加深。高值区从南海南部海域，经吕宋岛西侧，与吕宋海峡的高值区相连，温跃层深度在40 m以上。冬季由于温跃层深度增加，有利于水声通信和探测的深度增加，但对于水下航行器的隐蔽不利，若要更好的隐蔽应潜入更深的海域，春季到夏季由于季节性跃层开始形成，声呐探测有利的深度变浅，反而有利于航行器隐蔽。

2）温跃层厚度

图2为南海四季温跃层厚度的大面分布。由图可以看出，冬季，温跃层厚度在浅海区域较小，在大部深水海区都在100 m左右，靠近浅海有两个极大值区，一个在北部陆架区以外，一个位于吕宋岛西南，厚度都在120 m以上。春季，温跃层厚度整体加深，海盆中部在150 m以上，冬季的2个极大值区也融进整个海盆中部的极大区中，吕宋海峡出现了一个160 m极大值区。夏季，温跃层厚度的极大值区向东北移动到吕宋海峡，最大值在200 m以上，南海南部海域出现了一个140 m以上的极大值区。秋季，温跃层厚度分布形势与夏季变化不大，但厚度整体开始变小，极大值区减小为160 m左右，南海南部的极大值区减小到120 m左右，开始向冬季形态转换。夏季由于跃层变浅，厚度增加，所以水下声道的范围增大，有利于水下通信的水深变大，但航行器若活动在声道附近，则很容易被声呐探测到。

3）温跃层强度

图3为南海四季温跃层强度的大面分布。由图可以看出，冬季，温跃层强度与深度分布相似，等值线呈东北-西南走向，南海中部有一个0.1 ℃/m以上的极大值区，极大值区向西北和东南强度逐渐减弱。春季，随着温跃层范围的不断增大，近海区域跃层也开始增强，尤其是南海北部陆架区和南海东南部的浅海区，强度超过了0.15 ℃/m。中部海盆的强度开始减弱到0.1 ℃/m以下。夏季，跃层强度进一步加大，近海区域都达到0.2 ℃/m以上，南海中南部深水区强度也整体增大到0.09 ℃/m以上。秋季，温跃层强度整体减弱，极大值区存在与南海西部和南部海域，强度在0.1 ℃/m以上。夏季温跃层的增强使得在跃层以上的通信有利，但在跃层上下通信受到很大影响。

5 结　语

1）南海温跃层的深度，冬季由于强的上层混合作用，西北部陆架区深度最深，达到100 m以上，由此向东南深度逐渐变浅至20 m以下；春季范围开始增大，深度逐渐变浅，极大值在中部深海海盆；夏季北部陆架区跃层范围进一步扩大，深海温跃层深度继续加深，极大值在40 m以上；秋季范围开始减小，强度中心向海区东北部移动，开始向冬季形态转换。

2）南海温跃层厚度，冬季较小，2个极大值区位于北部陆架区以外和吕宋岛西南海域，厚度在120 m以上；春季大部海区厚度开始增加，海盆中部厚度在150 m以上；夏季温跃层厚度极大值向吕宋海峡方向移动，极大值超过了200 m；秋季分布与夏季变化不大，整体厚度变小，极大值区减小至120～140 m。

3）南海温跃层强度，海区中部有一个0.1 ℃/m以上的极大值区，冬季等值线呈东北西南走向，春季，随着温跃层范围的不断增大，近海区域跃层也开始增强，强度超过了0.15 ℃/m，中部海盆的强度减弱到0.1 ℃/m以下；夏季近海跃层强度进一步增强到0.2 ℃/m以上；秋季，温跃层强度整体减弱，极大值区存在与南海西部和南部海域，强度在0.1 ℃/m以上。

4）冬季由于温跃层深度增加，有利于水声通信和探测的深度增加，但对于水下航行器的隐蔽不利，若要更好地隐蔽应潜入更深的海域，春季到夏季由于季节性跃层开始形成，声呐探测有利的深度变浅，反而有利于航行器隐蔽。夏季海区温跃层变浅，厚度增加，所以水下声道的范围增大，有利于水下通信的水深变大，但航行器若活动在声道附近，则很容易被声呐探测到。夏季温跃层的增强使得在跃层以上的通信变得有利，但在跃层上下互相通信受到很大影响。