基于FIO-COM 的海洋聲學預報系統(tǒng)的構(gòu)建與應用

楊春梅，劉宗偉，姜 瑩，呂連港*，肖 斌

（1. 自然資源部 第一海洋研究所，山東 青島 266061；2. 自然資源部 海洋環(huán)境科學與數(shù)值模擬重點實驗室，山東 青島 266061；3. 山東省海洋環(huán)境科學與數(shù)值模擬重點實驗室，山東 青島 266061；4. 嶗山實驗室 區(qū)域海洋動力學與數(shù)值模擬功能實驗室，山東 青島 266237）

近幾十年來，各國對水聲設(shè)備、水聲理論、海洋環(huán)境等方面的研究提出了更高的要求。聲吶技術(shù)取得跨越式發(fā)展的重要途徑在于深入挖掘海洋環(huán)境水聲特性。因此，研究海洋聲速場及聲場的分布、了解聲速剖面及聲傳播的時空分布變化規(guī)律、掌握聲道的分類特征，以及探索深淺海聲道特征量的地理分布狀況等，對提高反潛、探測能力和建立深海預警體系有著非常重要的意義。

海洋聲學的研究范疇主要集中在：①探索以海面波浪、海水非均勻性，以及海底結(jié)構(gòu)為代表的海洋環(huán)境在時空變化方面對聲場作用的規(guī)律；②研究聲波在海洋探測和反演等方面的應用，即如何利用聲波來探測海洋結(jié)構(gòu)及海洋中物體的位置與特性[1]。在以往進行的海洋環(huán)境對聲場影響研究中[2-4]，大多對海洋環(huán)境進行相對簡單的假設(shè)，這必定會對分析結(jié)果造成一定偏差。

隨著時代與科學的進步，很多優(yōu)秀成熟的海洋模式被開發(fā)，其研究預報對象也能分辨中小尺度海洋運動，可以與聲場理論結(jié)合進行研究。近20 a 來國外在這方面得到了極大的發(fā)展[5-10]①BOTSEAS G, LEE D, SIEGMANN W L. IFD: interfaced with Harvard open ocean model forecasts. United States: Naval Underwater Systems Center Technical Report 8367, 1989.。Botseas 等①將隱式-有限差分PE 模型與HOOM 模型產(chǎn)生的海洋預報聯(lián)系起來，實驗結(jié)果成功地證明了這種耦合方式的有效性。Mellberg 等[11]于1990 年提出使用海洋描述預報系統(tǒng)（the Oceanic Descriptive Predictive System，ODPS）與有限差分模型耦合建立中尺度渦條件下的聲場參數(shù)，對灣流區(qū)域冷、暖渦旋影響下的聲傳播特點以及產(chǎn)生的聲傳播時間的影響進行了深入的分析與總結(jié)。2016年 Heaney 和Campbell[12]使用海洋預報數(shù)據(jù)庫ECCO2（Estimating the Circulation and Climate of the Ocean,Phase II ）結(jié)合全三維拋物模型系統(tǒng)研究了海洋中尺度現(xiàn)象對全球尺度上的低頻聲傳播影響，發(fā)現(xiàn)中尺度現(xiàn)象能導致1.8°的水平偏轉(zhuǎn)，這可能對遠距離低頻聲源的定位產(chǎn)生重大影響。國內(nèi)在聲學和海洋學的耦合研究方面也有了一定發(fā)展。笪良龍等[13]利用海洋-聲學耦合模式預報聲速場時空變化，獲取聲速垂直結(jié)構(gòu)不確定性分布規(guī)律，提出了經(jīng)驗正交函數(shù)-隨機多項式展開方法以降低不確定參數(shù)維度，得到聲場不確定性分布。肖瑤[14]利用遙感數(shù)據(jù)與全球再分析數(shù)據(jù)，結(jié)合渦旋探測和追蹤方法分析我國南海北部和墨西哥灣中尺度渦旋的參數(shù)特征和分布情況，基于簡正波和射線理論對中尺度渦引起聲場時空變化機理進行了解釋。

自然資源部第一海洋研究所基于多年的積累，開發(fā)了全球0.1°分辨率海浪-潮流-環(huán)流耦合模式（Wave-Tide-Circulation Coupled Ocean Model by the First Institute of Oceanography，F(xiàn)IO-COM）。本文在該模式的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一種新型的適用于高性能計算機的全球海洋聲學預報系統(tǒng)，該系統(tǒng)集合了一種水聲環(huán)境特征診斷方法和幾種聲傳播模型，使其具有海洋環(huán)境水聲特征診斷和海洋聲場相關(guān)預報功能；并將該系統(tǒng)應用于全球海域，分析了全球海域的水聲環(huán)境和聲吶作用距離的空間特征及季節(jié)變化。

1 海洋聲學預報系統(tǒng)的構(gòu)建和功能

基于自然資源部第一海洋研究所自主研發(fā)的全球0.1°分辨率海浪-潮流-環(huán)流耦合模式（FIOCOM），本文提出了一種水聲環(huán)境特征診斷方法，將其與海洋動力模式、水下聲傳播模型協(xié)同運作，構(gòu)建了一種適用于全球海域的水下聲學預報系統(tǒng) （Global Ocean Acoustic Forecasting System，F(xiàn)IOGOAFS），該系統(tǒng)能夠針對全球海域的水聲環(huán)境進行聲道特征診斷，并提供水下聲場及相關(guān)結(jié)果預報。水聲環(huán)境聲道特征診斷結(jié)果包括表面聲道深度 （Sonic Layer Depth，SLD） 及表面聲道截止頻率（Surface Duct Cutoff Frequency，SFD）、半聲道條件 （Half Channel Conditions，HAF）、深海聲道軸深度（Deep Sound Channel Axis Depth，DSC） 和淺海聲道軸深度 （Shallow Sound Channel Axis Depth，SSX）；水下聲場及相關(guān)預報結(jié)果包括：傳播損失斷面分布、傳播損失水平分布、匯聚區(qū)距離和聲吶作用距離等。海洋聲學預報系統(tǒng)功能模塊的基本結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 海洋聲學預報系統(tǒng)的功能模塊圖Fig. 1 Diagram of the functional modules of the Ocean Acoustic Forecasting System

本系統(tǒng)海底地形水深文件數(shù)據(jù)采用通用大洋水深制圖（The General Bathymetric Chart of the Oceans，GEBCO）提供的30″分辨率全球大洋水深網(wǎng)格數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)基于多波束數(shù)據(jù)插值而成，其中包含了源標識數(shù)據(jù)（Source ID-entified code，SID），用來標識真實原始聲吶點水深數(shù)據(jù)和插值數(shù)據(jù)。海底底質(zhì)參數(shù)一部分利用自然資源部第一海洋研究所自主調(diào)查的海底環(huán)境參數(shù)資料，一部分采用反演獲得的底質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)。海洋環(huán)境數(shù)值預報系統(tǒng)使用自然資源部第一海洋研究所自主研發(fā)的全球0.1°分辨率海浪-潮流-環(huán)流耦合數(shù)值預報系統(tǒng)（FIO-COM），該預報系統(tǒng)能夠提供未來7 d 全球海浪波高、波向、海表面高度、譜峰周期、海流流向和流速、海水溫度、鹽度、密度、水位和海冰密集度等海洋環(huán)境要素的預報產(chǎn)品，預報結(jié)果每隔3 h 輸出1 次，其中海浪波高、溫度、鹽度、密度以及海冰密集度等均可轉(zhuǎn)化為特定格式的海洋環(huán)境參數(shù)輸入到聲學模型中。海洋-聲學連接模塊通過將海洋模型的溫度、鹽度、密度、海浪波高等輸出轉(zhuǎn)化為聲學模型的參數(shù)輸入，將海洋模型和聲學模型結(jié)合在一起。海洋聲學傳播解決模塊集合了一種海洋環(huán)境水聲特征診斷方法以及幾種聲傳播模型，可用于診斷預測海洋環(huán)境水聲特性以及聲學的相關(guān)結(jié)果預報。本系統(tǒng)在高性能計算機上并行實現(xiàn)，在進行聲場計算時，針對頻點和方位角按進程個數(shù)進行均衡分配；在進行水聲環(huán)境特征診斷及聲吶作用距離預報時，將地理空間區(qū)域按進程個數(shù)均衡劃分。本文針對全球海洋區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了水聲環(huán)境特征診斷及聲吶作用距離預報，并對預報結(jié)果進行了分析。

2 水聲環(huán)境特征診斷及預報結(jié)果分析

海洋中聲速剖面的某些特定的垂直結(jié)構(gòu)，能夠限制聲能量在一定深度范圍內(nèi)很少向外泄漏，聲能量在該深度范圍內(nèi)遠距離傳播的這個水層結(jié)構(gòu)稱為聲道。除高緯度、赤道等特殊區(qū)域外，典型深海聲速剖面可分為三層結(jié)構(gòu)：表面等溫層、溫躍層和深海等溫層。極地區(qū)域深海一般不存在溫躍層，聲速從海面到海底呈現(xiàn)正梯度分布。水聲學的淺海深度一般為幾十米到數(shù)百米，其間沒有固定的深海聲道。海洋這些特定的分層現(xiàn)象及其產(chǎn)生的不同聲傳播模式與聲吶的工作原理密切相關(guān)。

水聲環(huán)境特征診斷主要針對水體中的聲速剖面進行。海洋模型提供全球海域的溫度、鹽度及對應的深度等環(huán)境參數(shù)預報，根據(jù)這些海洋環(huán)境參數(shù)求取對應網(wǎng)格點的聲速剖面，本系統(tǒng)中聲速剖面利用Mackenzie 公式求解：

式中： t 為溫度（℃）； S 為鹽度； D為深度（m）。本系統(tǒng)采用垂直梯度法對聲速剖面進行特征診斷。水聲特征診斷流程圖如圖2 所示。本系統(tǒng)利用聲速垂直梯度確認聲速剖面所有極小值點和極大值點的深度（圖3）。從海面開始，若初始梯度為負時，則判定該網(wǎng)格點不存在表面聲道；若初始梯度為正時，查找確認自海面起第1 個聲速極大值點的深度，判定該深度為表面聲道深度（SLD），計算表面聲道截止頻率（SFD）；若正梯度從海面一直延伸到海底，則確認該網(wǎng)格點滿足半聲道條件（HAF）。針對聲速垂直梯度法確認的聲速剖面極小值點深度（從負梯度轉(zhuǎn)正梯度過零點的深度），查找確認聲道軸深度。本系統(tǒng)以350 m 深度作為淺海聲道軸深度（SSX）和深海聲道軸深度（DSC）分界線。

圖2 水聲環(huán)境特征診斷流程圖Fig. 2 Flow chart of the diagnosis of underwater acoustic environment characteristic

圖3 聲速及聲速梯度Fig. 3 Sound velocity and its corresponding gradient

2.1 表面聲道及表面聲道截止頻率

海-氣熱通量變化過程和風浪攪拌作用使海洋近表層產(chǎn)生一定厚度的等溫層。層內(nèi)溫度均勻，壓力隨深度增加，聲速呈正梯度分布。近表層聲源發(fā)出的聲線在該層中傳播時幾乎被完全限制在表面層中傳播，該層被稱為表面聲道。表面聲道是海洋近表層較有效的聲信道，能夠?qū)崿F(xiàn)聲能的遠距離傳播。聲能在表面聲道中傳播存在低頻截止現(xiàn)象，只有高于某頻率的聲能才能傳播。表面聲道的截止頻率（f0）為

式中： cs為 海面處的聲速； a為 相對聲速梯度； H為表面聲道深度。

表面聲道深度和截止頻率是表面聲道的重要參數(shù)。表面聲道越深，捕獲的聲能越強，聲傳播距離越遠。本文構(gòu)建的海洋聲學預報系統(tǒng)（FIO-GOAFS）能夠給出全球海域的表面聲道深度和表面聲道截止頻率。本系統(tǒng)中，表面聲道深度定義為近表層聲速極大值所在的深度 H；之后，由聲速數(shù)據(jù)計算層中的相對聲速梯度a， 并根據(jù)式（2）進一步計算截止頻率 f0。接下來利用系統(tǒng)給出了2 月和8 月的預報結(jié)果（圖4 和圖5）。圖4 給出了全球海域的表面聲道深度（2 月和8 月），水平網(wǎng)格為0.1°×0.1°。從預報結(jié)果可以看出，低緯度海域常年表面聲道很弱，厚度約幾十米，赤道附近基本不存在表面聲道。中、高緯度海域在夏季表面聲道很弱，即使存在， 表面聲道深度也只有幾十米。在冬季，混合層厚度加深，低緯度海域表面聲道厚度可達150～200 m；中緯度海域表面聲道深度可伸展至大洋主溫躍層；高緯度大部分海域存在表面聲道，表面聲道深度在100 ～300 m。表面聲道截止頻率與表面聲道深度 H3/2成反比，表面聲道深度越淺，截止頻率越高；表面聲道深度越深，截止頻率越低。冬季的中、高緯度海域表面聲道截止頻率很低，約幾十赫茲，夏季海域幾十米表面聲道厚度的表面聲道截止頻率在600～1 000 Hz（圖5）。由于表面聲道位于海洋表層，受到太陽輻射和風雨攪拌作用，因此，表面聲道深度和截止頻率具有明顯的空間分布特征和季節(jié)性變化。

圖4 全球海域表面聲道深度預報結(jié)果Fig. 4 Forecasting results of the sonic layer depth in the global ocean

圖5 全球海域表面聲道截止頻率預報結(jié)果Fig. 5 Forecasting results of the surface duct cutoff frequency in the global ocean

2.2 半聲道條件

如果聲速正梯度從海面一直延伸到海底，則稱為半聲道。聲速隨深度加深逐漸增大，最大聲速位于海底。近表層聲源發(fā)出的聲線在傳播過程中不斷向上折射，在海面向下反射，然后再次向上折射，循環(huán)往復，向前傳播。半聲道效果相當于加強版的表面聲道，聲能量在半聲道條件下能傳播更遠的距離。圖6 為FIO-GOAFS 系統(tǒng)給出的全球海域2 月和8 月的半聲道分布狀況，由圖6 可見，半聲道主要分布于冬季的極地區(qū)域以及部分淺海區(qū)域。

圖6 全球海域半聲道分布預報結(jié)果Fig. 6 Forecasting results of half channel conditions in the global ocean

2.3 聲道軸

聲速極小值所在的深度稱聲道軸。聲道軸分為深海聲道軸和淺海聲道軸兩類：深海聲道軸是深海的一個穩(wěn)定的特征，位于主躍層之下；淺海聲道軸發(fā)生在主躍層，通常跟鋒面和渦旋有關(guān)。

2.3.1 深海聲道軸

深海聲道軸位于主躍層之下的最小聲速深度。聲源位于深海聲道軸附近時，其在一定角度范圍內(nèi)出射的聲線被限制于深海聲道內(nèi)傳播。這部分聲線不受海面散射和海底反射的影響，能夠傳播很遠的距離。深海聲道又被稱為SOFAR（Sound Fixing and Ranging Channel, SOFAR）聲道，利用深海聲道可以有效地定位和測距。圖7 為預報系統(tǒng)給出的2 月和8 月的深海聲道軸深度預報結(jié)果。由圖7可見，2 月和8 月的深海聲道軸深度基本一致，說明深海聲道軸受季節(jié)變化的影響較小，深海聲道效應比較穩(wěn)定，但是深海聲道軸深度具有明顯的空間分布特征。在緯向上，赤道海域主溫躍層強而薄，深度約300 m，因而赤道海域深海聲道軸深度較淺，大約在800 m；副熱帶海域主溫躍層深度加深，厚度加大，深海聲道軸變深，在1 000～1 200 m；高緯度海域主溫躍層強度增大，厚度減小，水層變淺，聲道軸深度在350～500 m；極地海域不出現(xiàn)深海聲道軸。聲道軸深度的分布隨緯度的變化大體呈“W”形狀分布。但是在一些高溫、高鹽附近的特殊海域，聲道軸深度的分布不符合這個規(guī)律。例如，在北大西洋東部，由于高溫高鹽的地中海水溢出直布羅陀海峽下沉，該海域在1 200 m的水層上出現(xiàn)了大片高溫區(qū)；同樣，在印度洋北部，由于紅海和波斯灣的高溫、高鹽水下沉，使得印度洋北部1 000 m 水層出現(xiàn)相應的高溫區(qū)。1 000 m 水層高溫區(qū)的出現(xiàn)使得北大西洋東部和印度洋北部原有的深海聲道變得不明顯，聲速梯度變得緩和，最小聲速值深度出現(xiàn)在1 500～2 000 m。

圖7 全球海域深海聲道軸深度預報結(jié)果Fig. 7 Forecasting results of the depth of the deep sound channel axis in the global ocean

2.3.2 淺海聲道軸

淺海聲道軸出現(xiàn)在混合層下界，主溫躍層的上層區(qū)域，通常與鋒面和渦旋有關(guān)。地中海和紅海聲道軸深度常年位于350 m 以淺，本系統(tǒng)定義其為淺海聲道軸，2 個海域不存在深海聲道軸。圖8為預報系統(tǒng)給出的2 月和8 月的淺海聲道軸深度預報結(jié)果。由圖8 可見，2 月和8 月，日本海、阿拉斯加灣的淺海聲道軸也一直存在，位于200～300 m。日本海從200～300 m 深度延伸至海底，聲速線性增大，聲速最小值出現(xiàn)在200～300 m。8 月，淺海聲道軸出現(xiàn)在溫帶太平洋海域，聲道軸深度位于100～300 m。某些海域常年存在2 個聲道軸。例如，直布羅陀海峽以西的北大西洋海域，2 月和8 月均存在2 個聲道軸：淺海聲道軸深度約300 m，深海聲道軸深度約1 800 m，此聲速分布的形成是由于地中海高鹽暖水團入侵至大西洋1 200 m 深水層的緣故。印度洋40°S 部分海域存在雙聲道軸，淺海聲道軸深度位于120～130 m，深海聲道軸深度位于1 362 m 左右。

圖8 全球海域淺海聲道軸深度預報結(jié)果Fig. 8 Forecasting results of the depth of the shallow sound channel axis in the global ocean

3 聲場及相關(guān)預報結(jié)果

海洋聲學預報系統(tǒng)除具有上述水聲環(huán)境特征診斷功能，還能提供聲場及相關(guān)結(jié)果預報。本系統(tǒng)結(jié)合了幾種模型用于聲場計算；之后，在聲場計算的基礎(chǔ)上，設(shè)定聲吶優(yōu)質(zhì)因數(shù)，對聲場結(jié)果進一步處理，使得系統(tǒng)具備了聲吶作用距離預報的功能。該系統(tǒng)最終可以提供3 種形式的計算結(jié)果：①距離-深度垂直斷面的聲場分布；②距離-方位角水平平面的聲場分布；③全球或區(qū)域任意深度的聲吶作用距離估計結(jié)果。

相較于垂直剖面和水平剖面的聲場預報，全球或區(qū)域的聲吶作用距離預報的計算量較為龐大，計算過程中使用高性能計算機以提高計算效率。在本節(jié)中介紹針對全球海域的聲吶作用距離預報。本次預報中設(shè)置聲吶作用距離水平分辨率為1°。將海域中的計算任務(wù)按照海域面積均衡分配給每個進程，并且每個進程讀取自己計算范圍內(nèi)的地形、溫度、鹽度、海面粗糙度等參數(shù)。計算前判定聲源位置是否位于海洋區(qū)域，聲源位于陸地直接跳過。對于單個網(wǎng)格點對應的聲吶作用距離的求解：首先，假定目標聲源在網(wǎng)格點的存在；其次，圍繞目標聲源計算各個方位角不同深度的水平距離傳播損失，將計算結(jié)果與聲吶優(yōu)質(zhì)因數(shù)進行比較；最后，對所有方位角的作用距離進行求和平均，得到該網(wǎng)格點的聲吶作用距離。

聲吶系統(tǒng)的作用距離與工作頻率息息相關(guān)。如果選定聲吶優(yōu)質(zhì)因數(shù)，單從傳播損失來考慮，相同海洋環(huán)境下，聲信號頻率越高，傳播過程中衰減越大，傳播損失也就越大。本文中的計算，只針對中心頻率100 Hz、1/3 倍頻程帶寬的目標聲源；計算時設(shè)定聲吶優(yōu)質(zhì)因數(shù)為80 dB，對于被動聲吶來說，該優(yōu)質(zhì)因數(shù)規(guī)定了最大允許傳播損失。圖9 為本系統(tǒng)給出的2021 年8 月5 日全球海域的聲吶作用距離預報圖。由圖9a 可見，當聲吶陣列布設(shè)于深度50 m、目標深度為50 m 時，對于南北極區(qū)域，該深度正好處于表面聲道深度，聲吶在表面聲道的作用距離很遠，可達100 km；收、發(fā)均在50 m 深度時淺海的聲吶作用距離大于深海的聲吶作用距離，這是因為聲線在淺海中柱面?zhèn)鞑?，能量分布比較均勻，而在深海中，聲線在近場區(qū)球面?zhèn)鞑ィ暷芩p很快，聲源近距離區(qū)域存在聲影區(qū)。還可看出，8 月南半球（冬季）的聲吶作用距離優(yōu)于北半球（夏季）的聲吶作用距離，這是因為在冬季，混合層的存在使得表面聲吶作用距離變遠。

圖9 全球海域聲吶作用距離預報結(jié)果Fig. 9 Forecasting results of sonar action rang in the global ocean

由圖9b 可見，當聲吶陣列位于海底、目標深度為50 m 時，深海中（水深大于臨界深度）目標和聲吶陣列之間存在著一種重要的傳播信道—可靠聲路徑，該路徑傳播距離遠（海深的 5～7 倍）、傳播損失低。因此，收、發(fā)分別位于海底、海面時深海區(qū)域（4 000～5 000 m）聲吶的作用距離要遠大于表面聲吶的作用距離；而且深海區(qū)域（4 000～5 000 m）的聲吶作用距離大于次深海海域（2 000～4 000 m）的聲吶作用距離。淺海海域的聲吶作用距離與海底底質(zhì)參數(shù)密切相關(guān)，硬質(zhì)海底對聲能吸收小，聲吶作用距離較遠；軟質(zhì)海底容易被聲線穿透，聲吶作用距離近。

4 結(jié) 語

基于自然資源部第一海洋研究所自主研發(fā)的全球0.1°分辨率海浪-潮流-環(huán)流耦合模式( FIOCOM)，本文提出了一種適用于全球海域的水下聲學預報系統(tǒng)FIO-GOAFS。該系統(tǒng)結(jié)合了一種水聲環(huán)境特征診斷方法及幾種水下聲傳播模型，能夠提供全球海域的水聲環(huán)境特征診斷結(jié)果及水下聲場及相關(guān)結(jié)果預報。本文給出了2021 年2 月和8 月的水聲環(huán)境特征診斷結(jié)果，包括表面聲道深度及表面聲道截止頻率、半聲道條件、深海聲道軸深度、淺海聲道軸深度。診斷結(jié)果表明：表面聲道深度和截止頻率、半聲道均具有明顯的空間分布特征和季節(jié)性變化；半聲道主要分布在冬季極地區(qū)域及部分淺海區(qū)域；深海聲道軸深度常年比較穩(wěn)定，不受季節(jié)變化的影響；淺海聲道軸主要跟鋒面和渦旋有關(guān)，北大西洋東部和印度洋40°S 海域部分存在雙聲道軸。本文最后給出了2021 年8 月聲吶陣列分別布放在水深50 m 深度和海底時全球海域的聲吶作用距離預報結(jié)果。聲吶陣列布放在50 m 深度時，聲吶作用距離主要與表面聲道的分布有關(guān)；聲吶陣列布放在海底時，聲吶作用距離主要與可靠聲路徑有關(guān)。需要指出，聲吶系統(tǒng)的作用距離與工作頻率密切相關(guān)，本文所示聲吶作用距離只針對聲吶優(yōu)質(zhì)因數(shù)80 dB、目標聲源中心頻率100 Hz 的情況。在同等的聲吶優(yōu)質(zhì)因數(shù)、只考慮傳播損失的前提下，聲源頻率越高，聲吶作用距離越近；聲源頻率越低，聲吶作用距離越遠。