白令海西部小區(qū)域聲傳播特征研究

高飛，張新睿，孫磊，潘長明，李勝全，李佳訊

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白令海西部小區(qū)域聲傳播特征研究

高飛1，張新睿2，孫磊1，潘長明1，李勝全1，李佳訊1

(1. 海軍海洋測繪研究所，天津 300061；2. 解放軍95871部隊，湖南衡陽 421002)

白令海是連接太平洋、北冰洋唯一要道，經(jīng)濟(jì)、軍事地位極其重要。利用中國第5次北極科學(xué)考察CTD(Conductivity, Temperature, Depth)數(shù)據(jù)，在分析白令海西部小區(qū)域水文環(huán)境基礎(chǔ)上，結(jié)合大陸坡地形，利用UMPE(University of Miami Parabolic Equation)拋物方程模型模擬聲傳播特征，并利用Bellhop射線聲學(xué)模型分析其形成的物理機(jī)制。陸坡區(qū)域受流混合影響，50~350 m形成低溫、低鹽水團(tuán)。聲波沿陸坡向深海傳播時，聲能向500 m以上匯聚，次表層50 m左右形成聲道，深層為聲影區(qū)；聲波沿陸坡向淺海傳播時，50 m左右出現(xiàn)聲道，深層傳播損失較大，無聲影區(qū)；“斜坡增強(qiáng)效應(yīng)”使得聲源置于淺水海域時，50 m聲道強(qiáng)度大于聲源置于深水海域。

白令海；聲傳播特征；UMPE模型；Bellhop模型；陸坡流

0 引言

北極是全球氣候變化的重要窗口，北極海洋生物、礦產(chǎn)資源引起了廣泛的關(guān)注，同時也成為各個大國爭奪的戰(zhàn)略要地[1-4]。白令海是連接太平洋和北冰洋的唯一要道，經(jīng)濟(jì)、軍事地位極其重要。

白令海處于太平洋最北高緯度地區(qū)，具有其獨特的溫、鹽、流特征，國內(nèi)外對白令海水文環(huán)境研究較多[5-8]。白令海陸架、海盆分布層次分明，深度差異巨大，加之冰蓋的影響，具有相對獨特的聲傳播特性，國外相關(guān)公開的聲學(xué)報道多是應(yīng)用于海洋漁業(yè)資源的開發(fā)[9-11]。

然而關(guān)于白令海聲傳播特性的研究較少，特別是結(jié)合海底地形和水文特征探索白令海聲傳播特征的報道更為欠缺。本文利用中國第五次北極科學(xué)考察CTD數(shù)據(jù)，國內(nèi)首次在分析白令海西區(qū)實測溫、鹽特征獲得聲速分布基礎(chǔ)上討論聲傳播特征，部分學(xué)者對中國周邊海域也開展過類似的工作[12,13]。本文得出的相關(guān)水文、聲學(xué)方面的研究結(jié)論和其形成機(jī)制，對于該海域航運安全、海洋資源尤其是魚類資源開發(fā)、海洋魚類和哺乳動物洄游規(guī)律以及軍事活動均有著積極意義。

1 海洋環(huán)境特征分析

1.1 資料來源與處理方法

本文將研究范圍定于白令海西部陸坡區(qū)域，其空間范圍為59.35°~60.69°N、178.77°~181.14°E(圖1)。選取中國第五次北極科學(xué)考察CTD站點數(shù)據(jù)，位于陸坡小區(qū)域內(nèi)共四個站點(編號A、B、C、D)，測量時間為7月中旬，CTD測量深度由西南向東北方向依次為2392、2490、1055、201 m。各站點所處位置實際水深依次為3540、2611、1138、223 m(通過多波束獲取)，分別位于白令海海盆(站點A)、大陸坡(站點B、C)、大陸架(站點D)。

選取調(diào)查過程中CTD下放階段的溫度、鹽度數(shù)據(jù)，并利用上升過程中的數(shù)據(jù)對近海表數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充。利用Akima插值[14]將CTD數(shù)據(jù)處理到垂向間隔1 m的距離。

1.2 溫鹽特征分析

圖2(a)、2(b)分別為選取研究區(qū)域各站點的溫度、鹽度剖面。7月中旬，研究海域表層溫度由西南向東北有微弱的減小趨勢，部分源于晝夜太陽輻射差異(站點A、B、C、D的CTD采樣時間分別為13點、15點、19點、21點)。站點A、B、C處于深海，站點D位于大陸架，這里視為淺海。

該海域夏季溫度分布總趨勢海表溫度最高，約為7.68 °C，向下至深度50 m(次表層)左右溫度迅速減小，達(dá)到整個溫度剖面的最小值，為典型季節(jié)性溫躍層，平均躍層強(qiáng)度約為0.116 °C/m(圖2(a))。對應(yīng)深度層次處的鹽度向下迅速增加(圖2(b))。夏季，白令海太陽輻射增強(qiáng)，表層迅速增溫，太陽輻射影響隨深度增加逐漸減小，導(dǎo)致強(qiáng)季節(jié)性溫躍層產(chǎn)生。同時冰層融化，對表層海水稀釋作用致使鹽度從50 m向上迅速減小。深海區(qū)域從約420 m溫度向下緩慢減小，符合常規(guī)中深層海水溫度變化規(guī)律，鹽度變化向下緩慢增加。

(a) 溫度剖面

(b) 鹽度剖面

圖2 溫度鹽度剖面圖(A、B、C、D分別對應(yīng)圖1中站點A、B、C、D)

Fig.2 Diagrams of temperature and salt profiles(A、B、C、D corresponding to A、B、C、D in figure 1)

陸坡區(qū)域50~420 m溫度(圖2a)、鹽度(圖2b)垂向呈兩段結(jié)構(gòu)特征，50~350 m溫度、鹽度垂向變化小，可近似當(dāng)成混合均勻?qū)樱瑢?yīng)于次表層水；混合層下層溫度(350~410 m)又復(fù)增加，出現(xiàn)明顯的負(fù)溫躍層，鹽度也迅速增加。

該區(qū)域不同站點處50~420 m層次的水團(tuán)及其形成機(jī)制與海底地形特征聯(lián)系極為密切，站點A、站點B與C、站點D處50~420 m深度層分別對應(yīng)于海盆、陸坡、陸架中層水。海盆區(qū)域冬季表層溫度降低，密度增加，導(dǎo)致表層、次表層對流混合均勻，中層溫度相對上混合層較高；夏季表層增溫，海冰融化鹽度降低，影響深度主要分布于表層，因此次表層溫度最低，中層水溫仍相對較大(圖2(a)、2(b))。

國內(nèi)外關(guān)于白令海東部、西部大陸坡58°~60°N處的陸坡流報道較多[15,16]，圖3引用了第五次北極科學(xué)考察報告，在站點C處存在較強(qiáng)的東北向陸坡流，其動力機(jī)制造成的該層次的海水混合能很好地解釋站點B、C處的溫度、鹽度垂向分布特征。

大陸架海區(qū)水深不足400 m，站點D靠近陸坡區(qū)域，深層仍受到陸坡一定的影響，溫度有所增長(圖2(a)中站點D)，鹽度變化較簡單，從表層向下層增長趨勢(圖2(b)中站點D)。

2 聲傳播特征數(shù)值模擬

本節(jié)結(jié)合海底地形、水文、底質(zhì)等要素對該區(qū)域聲傳播特征進(jìn)行模擬仿真，研究其聲傳播損失分布特征，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。

2.1 模擬條件與模型選取

利用研究區(qū)域內(nèi)的CTD數(shù)據(jù)，采用Wilson(B式)聲速計算方法，求取研究區(qū)域各站點聲速剖面如圖4所示。由于選取的研究區(qū)域部分站點CTD數(shù)據(jù)測量深度并未達(dá)到海底，基于深海溫度、鹽度變化小，聲速主要隨深度增加而緩慢增大，利用外插方法，將聲速剖面補(bǔ)齊至海底，以滿足聲學(xué)模型模擬真實的海洋環(huán)境的需要。

深度較小時，聲速大小主要取決于溫度，與溫度變化趨勢類似，鹽度作用較小。深度較大時，溫度、鹽度垂向變化緩慢，聲速隨深度的增加而增加(圖4中站點A、B、C)。從圖4中分析不難發(fā)現(xiàn)，選取的斷面上各站點都在50 m左右出現(xiàn)聲速剖面的最小值點，陸坡區(qū)域站點B、C聲速剖面內(nèi)出現(xiàn)一定厚度的近等聲速層[17]。表1為分析各站點淺層最大聲速值和最小聲速值，及其對應(yīng)的深度。

研究的斷面海底底質(zhì)以灰色-灰黑色粉砂質(zhì)粘土為主[1]。在數(shù)值模型中，將聲傳播媒介分為三層，海水、沉積物層(500 m)、巖石層。海底地形變化復(fù)雜，水深變化較大。設(shè)無指向性聲源頻率為150 Hz，并將聲源置于50 m處。模擬聲線傳播最大的水平距離與站點A、D間水平距離相等，約180 km。將海表粗糙度值取為0，海面實現(xiàn)全反射。圖5為模擬海區(qū)相關(guān)要素分布圖。

表1 各聲速剖面淺層極值大小及對應(yīng)深度

UMPE模型[18]是由美國邁阿密大學(xué)和海軍研究院聯(lián)合開發(fā)的一種海洋水下拋物方程模型，Tappert等[19]利用該模型模擬夏威夷附近海域的水聲傳播特征，得出“泥流效應(yīng)”；孫磊等[20]利用該模型研究日本以南海域溫躍層對水聲傳播的影響，得出不同躍層環(huán)境中水聲傳播的差異。該模型在計算水平變化的海洋環(huán)境中具有較好的效果，且當(dāng)方向散射較弱時也具有較高的計算精度，能很好地滿足本文的研究要求。

2.2 模擬結(jié)果及其機(jī)制分析

將聲源分別置于淺海(站點D)和深海(站點A)50 m，利用UMPE模擬該小區(qū)域內(nèi)的聲傳播特征(見圖6)。

聲源位于站點D附近時，傳播損失場如圖6(a)所示，大陸架淺水區(qū)域聲能傳播損失整體較?。幌蛏詈鞑サ倪^程中，聲能逐漸向500 m以上深度匯聚，50 m深度左右傳播損失最小，形成聲道；深海聲能傳播損失較大，形成聲影區(qū)。

聲源位于站點A附近時，傳播損失場如圖6(b)所示，由海盆海域向大陸架傳播過程中，聲能爬坡，深海聲影區(qū)消失；50 m左右深度聲傳播損失仍較小，聲道現(xiàn)象仍很明顯，較聲源位于淺水時，聲道強(qiáng)度有微弱降低。

為了探索上述現(xiàn)象形成的物理機(jī)制，利用Bellhop射線聲學(xué)模型[21]計算對應(yīng)于圖6兩種海洋環(huán)境中的聲線傳播路徑分布(見圖7)，圖7(a)、7(b)分別對應(yīng)圖6(a)、6(b)環(huán)境中的聲線，其中紅色聲線掠射角較小。

聲源位于淺水海域(圖7(a))，大陸架區(qū)域有效聲線掠射角變化較小，故各層次聲能分布差異較小，傳播損失分布較均勻，大陸架海域聲能垂向差異不明顯。聲線沿陸坡向深海海域傳播時，隨傳播距離的增大，聲線(特別是大掠射角聲線)受邊界反射次數(shù)增多，掠射角逐漸減小，根據(jù)聲線總是彎向聲速減小的方向原理[22]，聲線逐漸彎向50 m左右深度處，故在該深度處會形成聲道現(xiàn)象(圖6(a))。陸坡區(qū)域350 m以上受陸坡流影響(站點B、C)，混合劇烈，聲速整體變化較小，可合理地解釋陸坡流區(qū)域較小的傳播損失這一現(xiàn)象。部分聲能向深層泄漏現(xiàn)象可理解為掠射角較大的聲線導(dǎo)致這一現(xiàn)象，經(jīng)計算當(dāng)聲線掠射角大于41°時，聲線可以到達(dá)深海海底。

圖7(b)顯示了研究剖面聲線由深水區(qū)向淺水區(qū)傳播分布特征。聲線掠射角的變化主要是由聲速梯度和海底反射界面的傾角引起的。與圖7(a)相比，聲線分布更為均勻。不難理解，在淺水區(qū)比在深水區(qū)邊界對聲能影響更大，與聲源水平距離相等時，深水區(qū)聲線與邊界接觸的次數(shù)少很多，特別是掠射角較大的聲線，如以(dB/反射一次)[23]定量計算并比較深、淺海的傳播損失，深水區(qū)傳播損失更小。同時，聲源位于淺水海域(圖7(a))，聲線沿著陸坡向深海傳播過程中，掠射角大的射線由于界面反射次數(shù)較多，能量損失較大，遠(yuǎn)距離傳播只剩下小掠射角的聲線，故深層水體形成聲影區(qū)；聲源位于深水海域(圖7(b))，聲線沿著陸坡向淺海傳播過程中，掠射角大的聲線與海底界面作用次數(shù)減少，能量損失較小，且爬坡作用使聲線掠射角增加，故深層水體聲影區(qū)消失。將之應(yīng)用于研究區(qū)域聲能向聲道匯聚時，易得出深海聲道聲能要小于淺海的結(jié)果。因為當(dāng)聲能相等，聲源位于海盆區(qū)域時，聲能垂向分布差異較小，深海聲道匯聚的聲能較聲源位于淺水時更少，聲道強(qiáng)度微弱降低，Northrop等[24]最早通過加利福尼亞海域?qū)嶒灁?shù)據(jù)，并將之稱為“斜坡增強(qiáng)效應(yīng)”。

上述分析得到的白令海西部小區(qū)域內(nèi)的聲傳播特征源于該區(qū)域內(nèi)獨特的海洋水文環(huán)境和海底地形特征，兩者缺一不可。為驗證上述聲傳播特征形成的物理機(jī)制，模擬海水聲速剖面垂向相等時的聲傳播損失場(見圖8)和無陸坡地形的聲傳播損失場(見圖9)。

(a) 聲源位于淺海50 m

(b) 聲源位于深海50 m

圖6 數(shù)值模擬水聲傳播損失場圖

Fig.6 Figures of underwater acoustic transmission loss from model simulation

(a) 聲源位于淺海50 m

(b) 聲源位于深海50 m

圖7 數(shù)值模擬聲線傳播圖

Fig.7 Figures of underwater acoustic rays’ transmission from model simulation

由圖8不難發(fā)現(xiàn)當(dāng)聲速分布垂向均勻時，傳播損失垂向分布也較均勻，“泥流效應(yīng)”使得遠(yuǎn)距離淺層形成聲影區(qū)，同時淺層聲道和深層聲影區(qū)消失。分析圖9可得，整體模擬斷面深層聲能分布較均勻，50 m左右仍有聲道形成，但強(qiáng)度更弱，且無聲影區(qū)存在。

3 結(jié)論

本文結(jié)合北極科學(xué)考察數(shù)據(jù)，在分析白令海西部海洋環(huán)境的基礎(chǔ)上討論大陸坡海域聲傳播特征，主要結(jié)論如下：

(1) 研究小區(qū)域內(nèi)的陸架、陸坡、海盆區(qū)調(diào)查站點溫、鹽、聲差異較大，形成機(jī)制各異。陸坡區(qū)域受陸坡流混合的影響，在50~350 m形成低溫、低鹽水團(tuán)。夏季鹽度隨深度增加而增加，表層受融冰影響鹽度最低。

(2) 聲源位于陸架區(qū)域，聲波沿陸坡向深水傳播過程中，聲能向500 m以上匯聚，在50 m左右形成聲道，深層為聲影區(qū)；陸坡區(qū)域50~350 m受流影響，聲速整體較小，傳播損失小。

(3) 聲源位于海盆區(qū)域，聲波沿陸坡向淺水傳播過程中，50 m左右形成聲道現(xiàn)象，其它層次傳播損失相對較大，無聲影區(qū)。受“斜坡增強(qiáng)效應(yīng)”，聲源置于淺水海域時，50 m聲道強(qiáng)度大于聲源置于深水海域時。

受研究區(qū)域內(nèi)水文數(shù)據(jù)量和聲學(xué)數(shù)據(jù)空缺的限制，本文分析具有一定局限性，下一步將深化北極海域的聲學(xué)研究工作。

致謝：感謝中國第五次北極科學(xué)考察隊伍提供寶貴的CTD數(shù)據(jù)支持！

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The analysis of acoustic propagation characteristics in the small area west of Bering Sea

GAO Fei1, ZHANG Xin-rui2, SUN Lei1, PAN Chang-ming1, LI Sheng-quan1, LI Jia-xun1

(1.Naval Institute of Hydrographic Surveying and Charting, Tianjin 300061, China; 2. 95871 Troops of the PLA, Hengyang 421002, Hu’nan, China)

The Bering Sea is the only channel connecting the Pacific Ocean and the Arctic Ocean, which is of great economy and military significance. The discussion in this paper is based on the CTD data from Chinese Fifth Arctic Research Expedition, and the characteristics of the area in the west of Bering Sea are analyzed. The acoustic transmission propagation feature is simulated by UMPE model, and Bellhop model is used to explain it. Low temperature and salt water mass exists between the layers of 50-350m over the continental slope, resulted from vertical mixture. When the acoustic wave transmits along the slope from shallow-water to deep water, acoustic energy gathers to the upper 500 meters layer, underwater track appears in about 50 meters, the deep layer is shadow zone; When the acoustic wave transmits in the opposite direction, underwater track appears in about 50 meters, the transmission loss in deep layer is big with no shadow zone existing. Comparing the conditions as the source is putted in shallow water with in deep water, acoustic channel in 50m of the former is stronger due to “slope swelling phenomenon”.

the Bering Sea; characteristics of acoustic transmission; University of Miami Parabolic Equation model; Bellhop model; slope current

733.23

A

1000-3630(2015)-04-0306-06

10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.04.003

2014-08-25;

2014-11-27

國家自然科學(xué)基金資助項目(41276088)

高飛(1989－), 男, 碩士, 湖南衡陽人, 助理工程師, 研究方向為海洋聲學(xué)。

高飛, E-mail: gfei88_lgdx@163.com