基于海調(diào)實(shí)測資料的中尺度冷渦的會(huì)聚區(qū)聲傳播特征診斷*

鮑森亮,張 韌,高 飛,洪 梅,潘忠良,劉科峰

(1.解放軍理工大學(xué) 氣象海洋學(xué)院，江蘇 南京 211101；2.海軍海洋測繪研究所 儀器設(shè)備研究室，天津 300061；3.海軍航空兵學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125000)

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基于海調(diào)實(shí)測資料的中尺度冷渦的會(huì)聚區(qū)聲傳播特征診斷*

鮑森亮1,張 韌1*,高 飛2,洪 梅1,潘忠良3,劉科峰1

(1.解放軍理工大學(xué) 氣象海洋學(xué)院，江蘇 南京 211101；2.海軍海洋測繪研究所 儀器設(shè)備研究室，天津 300061；3.海軍航空兵學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125000)

海洋中尺度渦能夠使聲能空間分布不均，進(jìn)而對(duì)水聲設(shè)備、水下兵器使用和潛艇戰(zhàn)造成重大影響。本文基于2014年西太平洋海調(diào)中尺度渦觀測資料，首先對(duì)該渦旋的三維結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行研究，得出此為黑潮延伸體海域典型的氣旋式冷渦。然后利用拋物方程水聲數(shù)值模型仿真研究該中尺度渦對(duì)聲傳播損失的影響。研究表明：中尺度渦引發(fā)的海洋聲速場水平擾動(dòng)對(duì)水聲場空間分布特征造成巨大影響，冷渦使得會(huì)聚區(qū)的位置前移，寬度減小，增益效能增強(qiáng);聲在中尺度渦邊傳播時(shí)，渦邊會(huì)聚區(qū)較渦心會(huì)聚區(qū)的位置后退,寬度加大,增益效能減弱。

中尺度冷渦；UMPE模型；會(huì)聚區(qū)

眾所周知，海洋中尺度渦是以氣旋或反氣旋方式運(yùn)動(dòng)的水體，空間尺度為幾十至幾百千米，時(shí)間尺度為十幾天至上百天。它不僅分布在西太海域，也廣泛分布于世界大洋，它的出現(xiàn)改變了海區(qū)的水文環(huán)境分布，進(jìn)而對(duì)水下聲場產(chǎn)生巨大影響。經(jīng)研究表明，聲吶在無渦和有渦時(shí)聲波傳播損失相差可達(dá)40 dB左右[1]，相當(dāng)于使一臺(tái)聲吶完全失去作用。因此，研究中尺度渦對(duì)水聲設(shè)備、水下兵器使用和潛艇戰(zhàn)及反潛艇戰(zhàn)具有重要的軍事應(yīng)用價(jià)值。

自20世紀(jì)70年代大規(guī)模的海洋調(diào)查揭示了中尺度現(xiàn)象普遍存在于世界大洋中以來，中尺度渦對(duì)聲傳播特性的影響開始受到廣泛關(guān)注。由于受海洋資料的限制，早期的研究多采用理想渦模型。當(dāng)100 Hz的無方向性聲源的聲波通過海洋渦旋，Ralph發(fā)現(xiàn)渦旋相對(duì)聲源位置的不同，能導(dǎo)致聲傳播損失發(fā)生20 dB的變化[2]。Mellberg等采用數(shù)值模擬研究了冷渦和暖渦聲傳播特點(diǎn)，得到聲源與渦心位置的不同，導(dǎo)致會(huì)聚區(qū)距離和傳播損失的變化[3]。Hall應(yīng)用絕熱簡正波模型進(jìn)行聲傳播受理想渦位置、強(qiáng)度和大小影響的分析[4]。近年來國內(nèi)積極展開對(duì)此問題的分析，劉清宇通過對(duì)中尺度渦的分析和建模，研究了中尺度渦旋對(duì)深海表面聲道和會(huì)聚區(qū)效應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)中尺度渦旋引起聲速剖面的水平非均勻性變化，并進(jìn)一步引起會(huì)聚區(qū)結(jié)構(gòu)特性的改變[5]。李佳訊等建立一個(gè)對(duì)不同海域普遍試用的海洋中尺度渦模型，利用MMPE(Monterey-Miami Parabolic Equation)水聲模型仿真分析海洋中尺度渦對(duì)聲傳播的影響，得到了渦旋性質(zhì)、強(qiáng)度和位置、聲源頻率和置放深度對(duì)聲傳播特性影響[6]。張旭等開展了西太平洋冷渦環(huán)境下聲傳播變異現(xiàn)象的研究[7]。

然而，應(yīng)用實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行聲學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)較為少見，以往研究多采用模型構(gòu)建中尺度渦水聲傳播背景場，進(jìn)而基于模型進(jìn)行模擬分析，對(duì)于真實(shí)渦環(huán)境對(duì)聲場影響機(jī)制的認(rèn)識(shí)仍欠缺。本文基于西北太平洋海洋調(diào)查中尺度渦的實(shí)測數(shù)據(jù)，在分析中尺度渦旋三維結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用UMPE拋物方程模型研究其對(duì)水聲場的影響，具有重要的科學(xué)意義和參考價(jià)值。

1 海洋環(huán)境特征分析

1.1 中尺度渦數(shù)據(jù)來源

此次海洋調(diào)查在黑潮延伸體南部海域開展了渦旋三維結(jié)構(gòu)精細(xì)化調(diào)查，空間范圍(156°～160°E，30°～32°N)。圖1為海調(diào)大面調(diào)查斷面分布圖，其背景場為海表面高度異常值，資料采用法國國家空間研究中心(CNES)的衛(wèi)星海洋存檔數(shù)據(jù)中心(AVISO)提供的數(shù)據(jù)(http:∥www.aviso.oceanobs.com/)，空間分辨率為(1/4)°×(1/4)°。圖中可發(fā)現(xiàn)此處存在較明顯的中尺度渦結(jié)構(gòu)特征，渦旋中心位置約(157°45′00″E，31°19′48″N)

圖1 中尺度渦走航觀測斷面分布Fig.1 Survey sections across the mesoscale eddy

由于中尺度研究區(qū)域XCTD數(shù)據(jù)測量深度并未達(dá)到海底，基于深海溫鹽變化小，1 250～5 000 m用2014-07 SODA數(shù)據(jù)接上，將溫鹽剖面補(bǔ)齊至海底，以滿足聲學(xué)模型模擬真實(shí)的海洋環(huán)境的需要。

1.2 溫鹽特征分析

圖2為6條斷面觀測的溫度和溫度異常分布圖。該圖表明，在100 m以深，由于渦旋內(nèi)部下層水體存在上升運(yùn)動(dòng)，等溫線呈現(xiàn)較為一致的向上抬升現(xiàn)象，但在不同斷面，溫度等值線的抬升情況存在差異，以中層水的6 ℃等值線為例，位于渦旋南北兩個(gè)邊界處的斷面1和斷面6，6 ℃等值線分別可抬升至590和580 m；斷面2和斷面5介于渦旋中心和邊界之間，6 ℃等值線分別可抬升至525和500 m，斷面3和斷面4十分接近渦旋中心，6 ℃等值線分別可抬升至430和450 m；再以16 ℃等值線為例，氣候態(tài)下16 ℃等值線大致位于300 m深度，而在斷面1至斷面6，它最大分別可抬升至180,100,50,45,60和130 m深度?？芍娇拷鼫u旋中心，等溫線抬升越顯著，水體上升運(yùn)動(dòng)越明顯。

利用實(shí)測溫度數(shù)據(jù)減去當(dāng)?shù)?月份的氣候態(tài)溫度，得到各斷面上的溫度異常分布(如圖2中色塊所示)。整體而言，冷渦內(nèi)部呈現(xiàn)較為一致的溫度負(fù)異常，溫度異常相對(duì)大值區(qū)分布在100～500 m，即永久性躍層所在深度。在300～500 m深度存在溫度負(fù)異常的冷中心，冷核呈現(xiàn)下部平，上部尖的圓錐形結(jié)構(gòu)。

在不同的斷面上，渦旋內(nèi)部的冷中心強(qiáng)度及位置存在較大差異：在渦邊緣的斷面1和6上，溫度異常冷中心分別位于500和450 m，中心溫度異常值分別為-3.0和-2.5 ℃；在斷面2和5上，溫度異常冷中心均位于約400 m深度，中心溫度異常值分別為-4.5和-5.0 ℃；在斷面3和4上，溫度異常冷中心分別位于約400和380 m深度，中心溫度異常值均可達(dá)-6.5 ℃以上。即:越靠近渦旋中心位置，溫度負(fù)異常越顯著，冷核中心強(qiáng)度越大，深度越淺。

圖2 6條斷面上溫度及溫度異常分布圖Fig.2 Temperature and temperature anomalies observed along the six survey sections

圖3為6條斷面上鹽度及鹽度異常的分布，該圖表明，鹽度的等值線與圖3中溫度等值線的分布有相似的特征，均有向上抬升的現(xiàn)象，且越靠近渦旋中心，抬升現(xiàn)象越明顯。值得注意的是，在靠近渦旋中心的斷面3和斷面4，由于下層海水強(qiáng)烈的上翻作用，34.6等鹽度線在50 m以淺發(fā)生斷裂，這表明下層低鹽度的海水可上升至海表面。圖3中色塊為各斷面上的鹽度異常分布。在渦旋內(nèi)部，鹽度異?？傮w呈現(xiàn)上層負(fù)異常、下層正異常的“偶極子”結(jié)構(gòu)。具體而言，冷渦內(nèi)部，表層至700 m深度，由于次表層水所在的位置與氣候態(tài)基本一致，但下層低鹽水的上翻作用使得上層海水鹽度降低，鹽度異常為負(fù)值，且越靠近中心，鹽度異常值越大，負(fù)異常最大-0.6出現(xiàn)在渦中心350 m深度處；700 m以深，由于下層較高鹽度海水的上升運(yùn)動(dòng)，造成下層海水整體鹽度增大，高鹽異常值同樣出現(xiàn)在渦中心位置，正異常最大為0.20，出現(xiàn)在800 m附近。

綜上知，該渦旋為黑潮延伸體海域典型的氣旋式冷渦[8]，其溫鹽結(jié)構(gòu)與周邊海域有顯著差異，渦心處有明顯的冷水上升運(yùn)動(dòng)，冷核位于表層至500 m深度，渦的直徑約為190 km，渦旋中心位置約(157°45′00″E，31°19′48″N)。

圖3 6條斷面上鹽度及鹽度異常分布圖Fig.3 Salinity and salinity anomalies observed along the six survey sections

2 仿真實(shí)驗(yàn)分析

基于海調(diào)XCTD數(shù)據(jù)，采用Chen-Millero聲速計(jì)算方法，求取第四斷面聲速剖面(圖4)。當(dāng)深度較小時(shí)，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(shí)，溫、鹽垂向變化緩慢，聲速隨深度的增加而增加。

圖4 第四斷面部分站點(diǎn)聲速剖面Fig.4 Sound speed profiles at the stations of the fourth section

表1 各聲速剖面最小聲速大小及對(duì)應(yīng)深度Table 1 Minimum sound speed and corresponding depths of each sound speed profile

表1為各站點(diǎn)最小聲速值，聲道軸深度及海表至500 m處聲速梯度。由表1知各站點(diǎn)聲速剖面在50～800 m深度內(nèi)聲速剖面隨著經(jīng)度變化。從中尺度渦邊至渦心，隨著經(jīng)度的增加，站點(diǎn)聲速剖面的最小聲速值和聲道軸深度不斷減少，聲速梯度值不斷增加。在渦邊157°00′E站點(diǎn)處最小聲速值為 1 479.26 m/s,聲道軸深度最深，為800 m；到渦心157°45′E站點(diǎn)處最小聲速值為1 477.95 m/s,聲道軸深度最淺，為600 m。這是由于此為中尺度冷渦，渦心處冷水上翻較渦邊強(qiáng)烈，使表層水溫和鹽度降低，聲速減小，導(dǎo)致聲道軸深度減小。而各站點(diǎn)聲速剖面在深層隨經(jīng)度差別較小，表明中尺度渦主要影響海洋表層聲速梯度性質(zhì)，形成海洋環(huán)境的水平非均勻性。

通過查詢本州島東南部海圖，獲悉研究海域海底底質(zhì)以黏土為主。在數(shù)值模型中，將聲傳播媒介分為3層，海水、沉積物層(500 m)、巖石層[9]，海底地形數(shù)據(jù)采用美國國家海洋大氣局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)網(wǎng) 站 上 提供的ETOPO1(1 Minute Gridded Global Relief Data Collection,一分網(wǎng)格全球地形數(shù)據(jù)集)( http:∥www.ngdc.noaa.gov/mgg/global/global.html)。ETOPO1 地形數(shù)據(jù)的分辨率為1′×1′。

聲傳播模型采用UMPE(University of Miami Parabolic Equation)拋物方程模型，該模型是由邁阿密大學(xué)和美國海軍研究院聯(lián)合開發(fā)的一種海洋水下拋物方程模型[10-11]。該模型靈活性大、適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)低頻遠(yuǎn)距離的傳播衰減模擬效果較好，且該模型在計(jì)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(shí)也具有較高的計(jì)算精度，孫磊等[12]利用該模型研究日本以南海域溫躍層對(duì)水聲傳播影響，得出水聲在不同躍層環(huán)境下傳播差異。故采用UMPE模型能夠滿足分析中尺度渦對(duì)水聲場的影響的要求。本次實(shí)驗(yàn)中設(shè)無指向性聲源頻率為100 Hz，傳播距離上計(jì)算步長為10 km。模擬聲線傳播最大的水平距離與中尺度渦直徑相等，約190 km，其間使用9個(gè)聲速剖面，剖面間距約為0.25°。聲速剖面共27層，深度分別為0,10,20,30,40,50,60,70,80,90,100,200,300,400,500,600,700,800,900,1 000,1 250,1 500,2 000,2 500,3 000,4 000和5 000 m。將海表粗糙度值取為0，海面實(shí)現(xiàn)全反射。

為研究非均勻環(huán)境下中尺度渦聲傳播特征，將聲源分別置于水平均勻環(huán)境、平底地形，水平均勻環(huán)境、真實(shí)地形以及水平非均勻環(huán)境、真實(shí)地形三種條件下，其中“水平均勻環(huán)境”是將該斷面9個(gè)聲速剖面設(shè)置為同一聲速剖面，“水平非均勻環(huán)境”為第四斷面實(shí)際環(huán)境，將實(shí)測數(shù)據(jù)的9個(gè)聲速剖面放入模型。圖5為不同地形、水文環(huán)境條件聲傳播損失圖，聲源深度取50 m。圖6為不同條件下傳播損失曲線對(duì)比，接收深度為50 m。通過對(duì)比得，在水平均勻條件下，平底地形與真實(shí)地形兩種情況得到的聲傳播損失分布圖和傳播損失曲線都十分相近，說明由于此地形較平坦，水深變化不大，地形變化并未影響聲線傳播，故兩種情況下3個(gè)會(huì)聚區(qū)形態(tài)基本相似(圖5a，5b)。如圖5b，5c所示，在真實(shí)地形下，水平非均勻環(huán)境使會(huì)聚區(qū)的位置前移，寬度減小，增益效能增強(qiáng)。以第二會(huì)聚區(qū)為例，真實(shí)地形水平均勻條件下第二會(huì)聚區(qū)的距離在115 km處，寬度約5 km，存在冷渦時(shí)第二會(huì)聚區(qū)的距離變到了110 km處，寬度減小到3 km左右，增益峰值較水平均勻條件增大了約5 dB。造成這種傳播特性的原因與聲速的分布有關(guān)，冷渦中心處冷水上翻強(qiáng)烈，為溫度極小值區(qū)，聲波向中心折射的次數(shù)增多，同時(shí)冷渦中心聲速梯度大，聲波向下折射的角度小，聲波通過海底反射使得會(huì)聚區(qū)位置前進(jìn)。與張旭[7]給出的西太平洋冷渦例子不同之處在于，由于表層聲速結(jié)構(gòu)僅在0～20 m有微弱正梯度，表面聲道現(xiàn)象幾乎忽略(圖5c)，因此并未出現(xiàn)冷渦使表面聲道消失，造成表層傳播損失迅速增大。

圖5 不同條件下時(shí)聲傳播損失圖Fig.5 Acoustic transmission loss under different situations

圖6 不同條件下聲傳播損失曲線對(duì)比Fig.6 Acoustic transmission loss curves of different situations

由圖1中尺度渦走航觀測圖知，第二斷面位置靠近渦旋邊緣，第四斷面更接近渦心，渦旋強(qiáng)度大。為對(duì)比渦強(qiáng)度對(duì)聲傳播影響，將聲源分別置于第二斷面渦邊(156°45′E 站點(diǎn))和第四斷面渦心(157°45′E站點(diǎn))50 m處，設(shè)置相同海底條件。圖7,圖8分別對(duì)應(yīng)第二、第四斷面?zhèn)鞑p失分布圖和傳播損失曲線對(duì)比。對(duì)比分析易知，第二斷面渦邊較第四斷面渦心處會(huì)聚區(qū)的位置后退且寬度加大，增益效能減弱。以第一會(huì)聚區(qū)為例，第二斷面第一會(huì)聚區(qū)的距離在60 km處，寬度約8 km，而第四斷面第一會(huì)聚區(qū)的距離為57 km, 寬度減少到約5 km。說明渦強(qiáng)度越大，離渦心越近，會(huì)聚區(qū)前移越明顯。這是由海洋上層的聲速結(jié)構(gòu)差異造成的，第二斷面的渦強(qiáng)度明顯小于第四斷面，造成其聲速梯度小于第四斷面，聲波向下折射的角度大，聲線通過海底發(fā)射使得會(huì)聚區(qū)位置后退，同時(shí)反射后聲線分散，會(huì)聚區(qū)的寬度增大，增益效能減弱。

圖7 不同斷面聲傳播損失分布圖Fig.7 Acoustic transmission loss along different sections

圖8 不同斷面聲傳播損失曲線對(duì)比Fig.8 Acoustic transmission loss curves of different sections

3 結(jié) 語

本文利用中尺度渦實(shí)測資料和UMPE水聲模型，分析了黑潮延伸體南部海域一個(gè)常年存在的中尺度渦對(duì)聲傳播和衰減場的影響，進(jìn)行了相關(guān)的仿真試驗(yàn)，得出如下見解：

1)此渦旋為黑潮延伸體海域典型的氣旋式冷渦，其溫鹽結(jié)構(gòu)與周邊海域有顯著差異，渦心處有明顯的冷水上升運(yùn)動(dòng)，渦影響深度達(dá)500 m；

2)中尺度渦引發(fā)的海洋表層聲速場水平擾動(dòng)對(duì)水聲場空間分布特征造成巨大影響。冷渦使得會(huì)聚區(qū)的位置前移，寬度減小，增益效能增強(qiáng);

3)聲分別在中尺度渦邊與渦心傳播時(shí)，渦邊會(huì)聚區(qū)較渦心會(huì)聚區(qū)的位置后退且寬度加大,增益效能減弱。

需要說明的是，文中選取的冷渦是以黑潮延伸體海域夏季水文環(huán)境為背景，這樣的水文環(huán)境具有顯著的地域性和鮮明的季節(jié)性，因此本文分析具有一定局限性，下一步將深化中尺度渦海域的聲學(xué)研究工作。

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Received: November 19，2015

Acoustic Propagation in the Convergence Zone of a Cold Mesoscale Eddy Based on Observed Data From Oceanographic Survey

BAO Sen-liang1, ZHANG Ren1, GAO Fei2, HONG Mei1, PAN Zhong-liang3, LIU Ke-feng1

(1.CollegeofMeteorologyandOceanography,PLAUniversityofScience&Technology, Nanjing 211101, China; 2.NavalInstituteofHydrographicSurveyingandCharting, Tianjin 30061, China; 3.PLANavalAviationAcademy, Huludao 125000, China)

Ocean mesoscale eddies can cause non-uniform distribution of sound energy, which has great impacts on underwater acoustic equipment, weapons and submarine warfare. Based on observational data from oceanographic survey in the West Pacific in 2014，three dimensional characteristics of an eddy is analyzed, showing that this eddy is a typical cold cyclonic eddy in Kuroshio extension. The impact of the eddy on acoustic transmission loss is also simulated with an acoustic model based on parabolic equation, and the results demonstrate that the disturbance of sound field caused by the eddy has great impact on the underwater acoustic field-the convergence zone is shifted forward with decreased width but enhanced gain effect. When sound propagates along the edge of the eddy, the convergence zone is shifted backward with increased width but weakened gain effect.

cold mesoscale eddy； UMPE model； convergence zone

2015-11-19

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目——Argo資料客觀分析與三維溫鹽場重構(gòu)技術(shù)研究(41276088)

鮑森亮(1992-), 男, 浙江永嘉人, 碩士研究生, 主要從事海洋資料分析處理方面研究.E-mail：799296775@qq.com

*通訊作者：張 韌(1963-)，男，四川眉山人，教授，博士，主要從事海洋資料分析處理和海洋水文保障方面研究.E-mail：zrpaper@163.com

P733.2

A

1671-6647(2016)04-0523-09

10.3969/j.issn.1671-6647.2016.04.008