西太平洋夏季三類聲速環(huán)境下的會聚區(qū)特性比較＊

程 琛，張 旭，史 峰

（中國人民解放軍91550部隊，遼寧 大連116023）

目前，關(guān)于西太平洋的聲速環(huán)境特性已有大量研究，關(guān)于其混合層［1－3］、溫躍層［4］和深海聲道［5－6］等參數(shù)的氣候態(tài)分布特征已形成了較清晰的認識。在此基礎(chǔ)上，張旭等［7］應(yīng)用Argo資料分析了西太平洋冬季和夏季聲速剖面整體結(jié)構(gòu)的差異性，并得出了聲速剖面的主要類型特征。由于聲波在海洋中的傳播特性與所經(jīng)歷的海洋環(huán)境條件密切相關(guān)，西太平洋的聲速環(huán)境的區(qū)域性和季節(jié)性差異必然會引起聲傳播方式的變化。近年來，一些研究表明，聲速剖面的結(jié)構(gòu)變化能夠使會聚區(qū)出現(xiàn)明顯的偏移［8－10］，當(dāng)一些特殊海洋現(xiàn)象存在時還會使會聚區(qū)聲場產(chǎn)生復(fù)雜的變化［11－12］。然而，目前對于西太平洋聲場環(huán)境差異性的認識仍不充分，具有不同聲速結(jié)構(gòu)的海區(qū)使會聚區(qū)樣式和會聚區(qū)距離發(fā)生的變化方式和變化程度還沒有確定性的結(jié)論。針對這個問題，本文應(yīng)用Argo資料給出了西太平洋夏季三類典型聲速剖面，應(yīng)用水聲學(xué)數(shù)值方法討論了這些環(huán)境差異對會聚區(qū)聲場產(chǎn)生的影響。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源及典型海區(qū)選取

海區(qū)的聲速剖面結(jié)構(gòu)取決于水文環(huán)境，本文中采用美國國家海洋學(xué)數(shù)據(jù)中心（NODC）發(fā)布的Argo剖面數(shù)據(jù)［13］，剖面測量范圍一般為0～2 000m，采樣數(shù)據(jù)主要包括水溫、鹽度和壓力，典型空間分辨率約為3°×3°，時間分辨率約為10d［14］。根據(jù)張旭等［7］得出的西太平洋典型聲速剖面的分布特征，選取3個5°×5°的深海區(qū)域作為西太平洋夏季三類聲速剖面主要類型的代表性區(qū)域，經(jīng)緯度范圍分別為（140°～145°E，5°～10°N），（130°～135°E，18°～23°N），（142°～147°E，30°～35°N），3個區(qū)域的平均水深分別為5 740，5 708和5 956m（根據(jù)ETOPO1數(shù)據(jù)計算）。取8月作為夏季的代表月份，數(shù)據(jù)選取的時間范圍為2006—2012年，3個區(qū)域水溫、鹽度剖面數(shù)據(jù)分別為136組、228組和301組。圖1顯示了研究海區(qū)的位置及數(shù)據(jù)分布情況，圖中矩形方框為本文所選海區(qū)，方框中的點表示觀測剖面的位置。

由Argo數(shù)據(jù)給出的3類剖面的平均聲速結(jié)構(gòu)見圖2，本文將其分別定義為熱帶型（I型）、亞熱帶南部型（II型）和亞熱帶北部型（III型）。由圖可見，3類剖面在1 000m以淺的上層海洋中結(jié)構(gòu)差異明顯，I型剖面主躍層淺而薄，且躍變較強；II型剖面的主躍層深而厚，躍變相對較弱；III型剖面躍層分為上、下兩個部分，近表層躍層較強，中層躍層較弱，其間由一個弱正梯度層相分隔。

圖2 3個典型海區(qū)的聲速剖面比較Fig.2 Comparison of sound speed profile in three typical areas

1.2 聲速剖面擴充方法

Argo剖面數(shù)據(jù)的取樣深度約為2 000m，因此無法提供聲速剖面的深海部分，從而不能直接用于深海聲傳播的計算。針對這個問題，采用WOA09數(shù)據(jù)集對Argo剖面最大采樣深度以下的溫度、鹽度參數(shù)進行補充。WOA09數(shù)據(jù)集由美國國家海洋學(xué)數(shù)據(jù)中心（NODC）發(fā)布，是根據(jù)1900—2009年全球范圍的歷史觀測數(shù)據(jù)經(jīng)Levitus客觀分析方法得到的格點數(shù)據(jù)集，水平網(wǎng)格為1°×1°，深度范圍為0～5 500m，垂直標(biāo)準(zhǔn)層為33層［15－16］。

首先，在WOA09數(shù)據(jù)集中選取與Argo剖面觀測時間及經(jīng)、緯度位置最為接近的氣候態(tài)剖面，并根據(jù)Mackenzie聲速經(jīng)驗公式［17］計算聲速剖面。然后，采用10m深度間隔對垂直分層進行加密，對Argo觀測剖面和參考聲速剖面分別進行插值處理?？紤]到深海聲道軸深度以下水文環(huán)境趨于穩(wěn)定，可以將深海聲道軸深度到Argo剖面最大采樣深度之間的深度范圍設(shè)為過渡區(qū)域，在過渡區(qū)域中的剖面由Argo數(shù)據(jù)和WOA09數(shù)據(jù)融合得到，在過渡區(qū)域之下的剖面由WOA09數(shù)據(jù)提供，表達式為：

式中，c（z）為融合后的聲速剖面；z為水深；cA（z）為 Argo數(shù)據(jù)得到的聲速剖面；cW（z）為 WOA09數(shù)據(jù)得到的聲速剖面；kA（z）和kW（z）為剖面融合的比例系數(shù)；ZU為深海聲道軸深度，為剖面中聲速最小值對應(yīng)深度，一般為900～1 100m；ZD為Argo剖面的最大采樣深度，約為2 000m。根據(jù)式（1）～（3），兩剖面交疊部分之上水層由Argo數(shù)據(jù)提供，之下水層由WOA09數(shù)據(jù)提供；在交疊部分的深度范圍由兩類數(shù)據(jù)共同提供。其中越靠近頂部，Argo數(shù)據(jù)的權(quán)重越大；而越靠近底部，WOA09數(shù)據(jù)的權(quán)重越大。

1.3 聲場計算方法

采用BELLHOP高斯束射線模型［18］計算聲場。與簡正波模型（如Kraken）或拋物方程模型（如MMPE）相比，射線模型的主要優(yōu)勢是能夠清晰、準(zhǔn)確地描述聲能在水平非均勻環(huán)境傳播過程中的變化方式，因此更適用于本文所選取的西北太平洋深海海區(qū)。傳統(tǒng)射線模型通常受到高頻近似的限制，不能有效計算焦散線附近的傳播損失。Porter等［18］通過引入地聲學(xué)中的高斯近似方法提出了BELLHOP模型，較好地解決了焦散線對聲場計算的影響，在處理聲能焦散和完全影區(qū)等問題方面相對于傳統(tǒng)模型有明顯的改進，并且能夠適用于復(fù)雜三維環(huán)境下的聲場計算［18－20］。聲場計算過程中的參數(shù)設(shè)置如下：垂直方向和水平方向的分辨率分別取5m和0.2km，聲波頻率取1kHz；掠射角范圍?。?0°～90°，掠射角間隔設(shè)為0.5°。根據(jù)Etter［21］的研究，深海會聚區(qū)主要由小掠射角的能量構(gòu)成，在深海等溫層中聲速達到近表層聲速極大值時的深度稱為共軛深度，超出共軛深度的深海水層對會聚區(qū)貢獻很小。文中所選的3類剖面共軛深度均小于5 500m，為了便于比較3類聲場，在計算過程中將底邊界均設(shè)為5 500m。

2 結(jié)果分析

由BELLHOP模型計算得到的3類聲速剖面的會聚區(qū)聲場比較如圖3～圖5所示。聲源深度（SD）設(shè)為20和200m，接收深度（RD）與聲源深度相同，深海部分的聲速剖面根據(jù)WOA09數(shù)據(jù)由式（1）～（3）計算得到。比較圖3～圖5可以看出，對于I型剖面，近表層有厚度約50m的混合層，其下為較強的主躍層，約在300m之下躍變明顯減弱。因此，當(dāng)聲源深度為20m時，聲場中出現(xiàn)表面聲道與會聚區(qū)聲道并存的現(xiàn)象，近表層能量場較強；當(dāng)聲源深度為200m時，聲源已在混合層之下，遠場的能量主要由會聚區(qū)提供。對于II型剖面，上層海洋為單一的負梯度結(jié)構(gòu)，無論聲源深度為20m還是200m，聲場均為典型的會聚區(qū)聲場，但會聚區(qū)的距離隨聲源位置的不同而呈現(xiàn)出顯著變化。對于III型剖面，聲速躍層出現(xiàn)了間斷，當(dāng)聲源深度為20 m時，會聚區(qū)聲場并未受到明顯影響，而當(dāng)聲源深度為200m時，聲波在次表層出現(xiàn)了類似于SOFAR聲道的波導(dǎo)現(xiàn)象，能量集中在聲源深度附近，同時使會聚區(qū)中的傳播損失有所增加。

圖3 I型剖面環(huán)境下的典型聲場Fig.3 Sound field distribution of type I environment

圖4 II型剖面環(huán)境下的典型聲場Fig.4 Sound field distribution of type II environment

圖5 III型剖面環(huán)境下的典型聲場Fig.5 Sound field distribution of type III environment

3類剖面環(huán)境下不同聲源－接收深度條件的會聚區(qū)位置比較見表1。會聚區(qū)位置以傳播損失曲線中增益極大值所在位置計算。由表可見，當(dāng)聲源深度和接收深度都在近表層（20m）時，3類剖面第一會聚區(qū)距離的變化范圍為60～70km。I型剖面的會聚區(qū)距離最遠，II型次之，III型剖面的會聚區(qū)距離最近，其中II型和III型剖面的會聚區(qū)距離相差約1km，而I型和II型剖面的會聚區(qū)相差約3.5km。這是因為I型剖面的主躍層明顯強于II型和III型剖面，聲線在較強的躍層影響上反轉(zhuǎn)時獲得了更大的水平距離，這與Bongiovanni等［8］和張旭等［9－10］的研究結(jié)果相一致。

當(dāng)聲源深度和接收深度都在次表層（200m）時，會聚區(qū)距離的變化與聲源位于近表層的情況差異較大，3類剖面第一會聚區(qū)距離的變化范圍為50～60km。III型剖面的會聚區(qū)最遠，II型次之，I型會聚的距離最近，每兩類剖面的會聚區(qū)距離相差4～6km。其中，I型剖面的會聚區(qū)與聲源位于近表層時出現(xiàn)強烈的反差，這是因為在次表層其主躍層已相當(dāng)弱，所以在這個深度上會聚區(qū)在水平方向獲得的反轉(zhuǎn)距離并未受到主躍層的作用，導(dǎo)致會聚區(qū)距離迅速減小。相比之下，II型剖面主躍層較厚，在次表層仍然受到主躍層的影響，因此未出現(xiàn)異常變化。而對于III型剖面，在次表層以下存在一個厚度不大但位置較深的主躍層，其強度明顯大于II型剖面，因此在次表層之下III型剖面的會聚區(qū)聲場中聲波經(jīng)歷的躍變最強，其會聚區(qū)距離也達到最遠。

表1 3類聲速環(huán)境下不同聲源－接收深度條件的會聚區(qū)位置比較（km）Table 1 A comparison of convergence zone position between three kinds of sound speed environment in different source－receiver depth（km）

3 討論

I型和II型聲速剖面為大洋中的常規(guī)結(jié)構(gòu)，其主要差異僅在于躍層的位置、厚度和強度不同，而III型剖面則表現(xiàn)出了一種雙躍層的特殊結(jié)構(gòu)，這些差異直接引起了聲場樣式的復(fù)雜變化。

3類典型剖面環(huán)境下的聲傳播損失曲線比較如圖6所示。由圖可見，當(dāng)聲源深度為20m時，在會聚區(qū)以外的區(qū)域，I型剖面形成表面聲道中的傳播損失明顯小于II型和III型剖面，傳播損失相差10～15dB；而當(dāng)聲源深度為200m時，I型和II型剖面均為常規(guī)會聚區(qū)的聲場樣式，而III型剖面中聲源位于聲速極小值附近，在其上的負梯度溫躍層和其下的正梯度模態(tài)水層的約束下，形成了明顯的水下波導(dǎo)式傳播，樣式與深海SOFAR聲道類似，在會聚區(qū)以外的區(qū)域其傳播損失比I型和II型剖面減小約10～20dB。

需要注意的是，這種次表層波導(dǎo)與表面波導(dǎo)的形成機制并不相同。在I型剖面產(chǎn)生的表面聲道聲場中，聲波在混合層的正梯度聲速結(jié)構(gòu)影響下，以海面反射的形式傳播；而在III型剖面的次表層聲道聲場中，聲波在負梯度與正梯度層的共同約束下以完整的水下波導(dǎo)形式傳播。次表層聲道中的聲傳播幾乎不受海面狀況的影響，因此夏季次表層聲道的聲傳播性能比冬季的表面聲道更可靠。

對III型剖面的形成機制研究目前尚無文獻報道，根據(jù)其存在區(qū)域來看，這種結(jié)構(gòu)類型剖面的形成很有可能與西北太平洋副熱帶模態(tài)水（STMW）的形成及季節(jié)性變化有關(guān)［22］。

圖6 3類典型剖面環(huán)境下的聲傳播損失曲線比較Fig.6 Comparison of sound transmission loss curves in three typical environments

4 結(jié)論

西太平洋的聲速剖面在不同的海區(qū)呈現(xiàn)出不同的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的區(qū)域性變化對會聚區(qū)聲場特性有明顯影響。通過分析西太平洋夏季3類典型剖面環(huán)境下的會聚區(qū)聲場，可以得出以下特征：

1）傳播方式和能量分布的差異性。西太平洋夏季的聲場不是單一的會聚區(qū)模式，在熱帶海區(qū)具備形成表面波導(dǎo)的環(huán)境條件，亞熱帶北部海區(qū)具備形成次表層波導(dǎo)的環(huán)境條件，聲場的具體樣式還與聲源深度密切相關(guān)。對于1kHz的聲波，波導(dǎo)深度范圍內(nèi)的傳播損失比波導(dǎo)深度以外減小10～20dB。

2）會聚區(qū)距離的差異性。當(dāng)聲源位于近表層時，西太平洋的第一會聚區(qū)范圍為60～70km，熱帶海區(qū)的會聚區(qū)距離最遠，隨緯度的增加會聚區(qū)距離迅速變小，熱帶海區(qū)的會聚區(qū)距離比亞熱帶北部海區(qū)超出約5 km；當(dāng)聲源位于次表層時，第一會聚區(qū)范圍為50～60km，熱帶海區(qū)的會聚區(qū)距離最近，隨緯度的增加會聚區(qū)距離逐漸變大，熱帶海區(qū)的第一會聚區(qū)距離比亞熱帶北部海區(qū)約小10km。

近年來，隨著海洋學(xué)數(shù)據(jù)的不斷積累（特別是Argo數(shù)據(jù)），海洋學(xué)家對世界大洋海洋現(xiàn)象區(qū)域性、季節(jié)性變化規(guī)律的認識越來越細致。在此過程中，一些學(xué)者逐漸發(fā)現(xiàn)很多海區(qū)的聲速剖面結(jié)構(gòu)并不滿足傳統(tǒng)意義上的“三層結(jié)構(gòu)”類型，致使聲傳播呈現(xiàn)出不同形式的變異特征。本文是應(yīng)用Argo數(shù)據(jù)對特殊海洋環(huán)境條件下聲傳播效應(yīng)研究的一次嘗試，海洋學(xué)與水聲學(xué)的交叉研究有利于加深對復(fù)雜環(huán)境下聲傳播問題的認識，更深入的工作有待于進一步開展。

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