浅海温跃层对水声传播损失场的影响

潘长明，高飞，，孙磊，3，王璐华，王本洪，李璨

(1.海军海洋测绘研究所仪器设备研究室，天津300061;2.解放军理工大学气象海洋学院，江苏南京211101;3.哈尔滨工程大学水声工程学院，黑龙江哈尔滨150001)

水声调查资料在海洋工程、海洋科学和军事海洋环境保障方面有广泛的应用前景[1]。因此开展水声调查研究，特别是温盐跃层对浅海声场的分布和传播影响的探索有着重要的科学意义和应用价值。水声传播损失一般分为扩展损失和衰减损失，后者是由于传播媒介的吸收、散射等作用造成，因此必然受到海洋环境的影响。温跃层[2]是重要的海洋现象，其对声场传播影响显著已被许多学者证实[3-6]。

声波在浅海和深海中的传播性质存在明显差异，跃层的影响作用各异，本文重点研究浅海温跃层对水声传播的影响。BAO等[7](1994)利用在黄海南部进行的声学试验得出浅海水体密度主要取决于温度。Martine等(2004)[8]对比分析 Kauai(夏季)和Elba(冬季)水声传播的差异，得出温跃层和海底地质对声场传播的影响。Lin Zhang等(2012)[9]等利用束状射线理论模型RAY研究了温跃层对水声传播的影响。张旭等(2012)[10]通过模拟中国近海陆架海区跃层强度变化和不同季节跃层位置变化，结合Kraken模型对浅海声信道的能量场分布进行了研究。北太平洋声学实验室成员(2012)[11]对北菲律宾海深海水声传播和环境噪音的影响进行一系列研究，获得了深海声线传播时间与温跃层季节变化的关系。过去研究温跃层对水声场的影响以模拟仿真为主，存在声学模型本身的制约;部分利用声学调查数据也是单航次资料，无法进行温跃层季节性变化对比;同时没能很好的将模式研究和实测资料结合起来。

针对传统研究中调查数据的不足，模型模拟的理想性等限制，本文将2007、2008、2009年3个航次的声学调查实测数据和UMPE抛物方程水声模式有机结合，通过分析确定温跃层的位置、深度和厚度以及季节变化等因素，同时综合考虑海表、海底、水体状况，来分析温度跃层结构对浅海声传播的影响效应。

1 浅海声学调查

声学调查3个航次时间分别为2007年07月、2008年04月、2009年09月。其中3个航次的观测方案、观测区域和走航断面、实验仪器大致相同，下面以2009年调查为例进行说明。整个调查海区的调查以走航观测与定点观测相结合的方式进行，调查项目包含声传播损失、海洋环境噪声、GPS数据、温度、盐度、密度、水深、海面气象和海表风浪等，示意图如图1。

水声探测浮标系统，能接收不同距离处爆炸声源和人工声源在20 Hz～10 kHz频带内不同中心频率下的水声信号，给出工作船和浮标接收系统的数据记录。通过海面浮标下挂水听器阵(含8个不同深度的水听器)，接收位于相对温跃层不同深度的声波，采用通信控制为主，自动作业方式为辅的工作方式。某型拖曳声源，是专门为海洋声传播损失测量和海底特性调查设计的人工声源，是一种近似无指向性声源，能提供人工控制(或自动)发射多种波形的大功率声波信号。本航次声源发射频率为0.58、1.3 和 6.3 kHz，含正弦波、线性调频波，实时显示拖鱼的GPS坐标和入水深度。

图1 声学调查示意图Fig.1 Sketch map of acoustic research

利用CTD、XBT测得观测断面上的温度、盐度、密度，计算出声速剖面，利用多波束沿发射航线测深。关注海表气象情况，主要包括风、降水等;海区水文概况，主要包括海流、潮流，海浪等。调查海区海底地形相对平坦，最大水深为84.0 m，最浅水深52.0 m，海底地型以沙和泥沙为主，如图2。同时，对作业海区进行实时天气预报，主要包括海面天气、风速、风向、浪高等。

图2 调查海区底质分布图Fig.2 Sketch map of bottom shelf in research area

2 UMPE模型

为讨论实际浅海中温跃层的时空变化对海洋声场的影响，引入UMPE(the University of Miami parabolic equation)抛物方程数值模式对声场传播损失进行模拟。UMPE模型[12]是由迈阿密大学和美国海军研究院联合开发的一种海洋水声模型。抛物方程方法由Tappert F D引入到水下声学传播衰减的研究，其研发的声场数值模型称作抛物方程模型(PE models)[13-14]。该模式灵活性大、适应性强，可通过参数文件来控制海表、海底条件，需计算的水平距离和垂直深度，输出所需的结果文件。对远距离的传播衰减模拟效果较好[9]。柱坐标系下的Helmholtz 方程为[12，15]

式中:r为距离;ω 为圆频率;z为水深;p(r，z，φ，ωt)为声压，等于 p(r，z，φ )e-ωt;k0= ω /c0为参考波数;n(r，z，φ)=c0/c(r，z，φ)是声学折射率参数，c(r，z，φ)为声速;zs为声源所在深度;xs为点(r=0，z=zs)。设波解形式为

当r=R0时，ψ=1，p=p0，经过计算可得到ψ满足偏微分方程为

针对拟计算的近海声场近似，对上式做近似简化处理，略去含有和的项，于是式(3)可以化为，即抛物型方程模型[13-14]:

将式(5)代入声压表达式(2)，计算出声压场。

3 实测数据研究

3.1 水听器深度及声源频率的影响

水声信道传播能力强弱受到水深、海底、海表、水体水文要素的综合作用。研究温跃层对水声场的影响首先要确定水听器与声源的相对位置，以及水深等要素对水声场的影响。如图3，其中发射频率0.58、1.3、6.3 kHz 对应的声源级分别为 188、188.3、190.5 dB，带宽统一为500 ms。浅海水深较浅，通过实测数据的对比分析发现，正跃层条件下深层的水听器接收到的声能较大，接近海表的水听器接收到的声能相对最小(如图3)。

根据声线在介质中传播总是弯向声速较小的方向，说明在浅海海域声波在经过多次反射之后，波动振幅逐渐减小，趋于平滑，同时向海底汇聚。图4中6.3 kHz接收到的声能曲线较短，同时传播损失较大，这验证了高频声波在传播过程中衰减较快，传播距离较短。

图3 不同深度水听器传播损失对比Fig.3 The TL comparison between hydrophones of different depths

图4 不同频率传播损失对比Fig.4 The TL comparison between different frequencies

3.2 温跃层时空特征

对夏、春2个季节温度剖面进行分析，得出温跃层存在的差异，进而研究温跃层对水声场的影响。东海近海春季海表开始增温，存在较弱的垂直温度梯度，依据国家海洋调查规范[16]，浅海(水深小于200 m)跃层判定标准为 0.5°C·m-1，该海域还尚未达到温跃层标准;夏季温跃层最大强度在0.5°C·m-1以上，温跃层上界深度在20 m左右[17]。受数据限制，分别对4月(春)、9月(夏)该海域相同位置处走航调查测得的温度断面进行对比分析。将温度数据进行垂向Akima插值处理到垂直间隔1 m的层次，利用垂直梯度法判定温跃层:

同时，声速计算采用Wilson于1960年导出的声速公式[18]:

式中:Gi为温度梯度，i为序列号，Ti为第i层温度，Zi为第 i层深度。其中 C0，35，0=1 492.9 m·s-1，温度-4°C＜T＜30°C，压力 1 kg·cm-2＜P＜1 000 kg·cm-2，盐度 0＜S＜37，计算精度较高，适合我国海区。

图5 春季调查断面两端点处温度、声速剖面图Fig.5 Temperature and sound speed profiles on two points of the investigation sections in spring

4月(春季)东海近海近表层海水水温相对均匀，未达到温跃层的标准。水声调查春季某一东西向断面内，水深从53 m向东约70 km增加至75 m，水温总体垂直向较均匀，靠近东海沿岸处近海表水温均匀，15～34 m深度，出现逆温层，最大约为-0.6°C·m-1(图 5(a));向东约 70 km 远海处，逆温层消失，表层55 m以内海水混合均匀，近底层温度略有下降，未达到正温跃层的标准(图5(c))。9月(夏季)跃层显著增强，不难看出沿声学走航断面的温跃层的近远海跃层上界深度都约为32 m左右，远海跃层厚度较大，最大强度较小。近海跃层最大强度可达 0.11°C·m-1，分布在 32.5～40.5 m 左右(如图6(a));远海最大强度出现在61 m左右深度处，约为 0.86°C·m-1，跃层分布在 32.5～64.5 m(如图6(c))。同时，此处计算声速剖面是为下文利用UMPE模型仿真做准备。

图6 夏季调查断面两端点处温度、声速剖面图Fig.6 Temperature and sound speed profiles on two points of the investigation sections in summer

3.3 实测数据分析温跃层对水声场影响

选取2008年04月和2009年09月对应上文温跃层分析断面处声学传播损失数据，2次调查时对应的海表气象水文情况有所差异:08年侧线附近伴随偏北风 5～6 级，浪高 2.5～3.5 m，阴有阵雨;09 年调查期间天气晴转多云，东北风5～6级，浪高2～3 m。同时2个航次的水听器阵分布水层存在微小差异，下文分析中选取水听器深度对应较好的数据进行讨论。

春季拖曳声源深度约为40 m，夏季在33 m左右，随着船体拖动深度变化在2 m以内，分别位于逆温跃层(春季)、正温跃层(夏季)当中。同时由于调查原因，同一测线获取的数据的距离长度不一。从图7不难发现，温跃层对水声传播损失存在巨大的影响，夏季的传播损失明显大于春季，当水听器从海表向下靠近温跃层上界时，跃层中传播损失逐渐增大。春季调查断面起点存在较强逆温跃层，对应夏季的强正温跃层，传播损失在靠近测量断面起点(近声源区域)两者差别不明显，距声源距离超过5 km，传播损失差别迅速增大。距声源11 km处差值达到最大，在5.5 m左右深度层，最大相差约12～14 dB(图7(a));在28 m左右深度层(图7(b))，最大相差约16～18 dB，这证明了在温跃层之上水层由上至下，跃层左右变大。随着远离声源，靠近测线断面的末端，逆温跃层逐渐消失，水温垂直分布均匀，春、夏之间的差别逐渐较小，直至维持在同一稳定水平。

同一温跃层海洋环境中，频率越高的声波，传播损失越大(如图4)。春、夏季节海洋环境相差较大，跃层各异，温跃层对不同频率水声场作用如图8。

图7 传播损失季节对比，声源频率为0.58 kHzFig.7 Comparison of TL between different seasons，f=0.58 kHz

图8 跃层对不同频率水声场影响对比图，水听器深度=5.7mFig.8 The influence of thermocline on acoustic TL of different frequency，hydrophone in the depth of 5.7m

不难发现，温跃层对低频水声场影响较大，高频较小。当声源f=6.3 kHz，春夏季节的传播损失曲线平整关系较好，相差6～8 dB(图8(b));当声源f=0.58 kHz 和 1.3 kHz，春夏传播损失最大分别相差12～14 dB、9～11 dB，且随距声源的距离增大，变化幅度较大(图8(a))。

春季(如图9(a))逆温跃层上界深度为17 m，水听器位于22 m时传播损失最大，5.7 m最小，10.3 m居中;说明逆温层上界水层，随深度的增大传播损失逐渐增加。夏季(如图9(b))正温跃层上界深度在32 m左右，水听器位于22.5 m时传播损失最小，5.1 m 最大，10.2 m 居中;说明正温跃层上界水层，随深度的增大传播损失逐渐减小。分析原因，声传播过程中声线总是弯向声速梯度减小的方向，正跃层上界随深度增大温度逐渐减小，这就导致了正温度梯度海洋环境中，声波逐渐向声速减小的方向会集，亦即向温度减小和深水区方向聚集，水深越小，传播损失越大。逆温跃层上界海洋环境相反，声波向浅海会集，水深越小，传播损失越小。

图9 春、夏季节温跃层上界传播损失对比Fig.9 TL comparison in the water layer above thermocline in spring and summer

部分浅海温跃层下界直达海底，获取实测数据的水听器阵位于温跃层上界或者处于温跃层中，未达到跃层下界水层，因此本文实测数据重点分析跃层上界水层，下文利用UMPE补充模拟分析跃层下界水层的传播损失。

4 UMPE模型补充分析

李家讯(2009)[19]利用Kraken简正波模型对不同声速剖面下声传播损失场进行了模拟实验，浅海声速剖面主要是受温度剖面影响，不同声速剖面反应了不同的温度剖面，即不同性质的温跃层特征。但是该文章没有具体提出是温跃层的影响，本文利用实测数据对该模式在中国近海的适应性进行验证，再利用UMPE抛物模型重点研究温跃层以下水层声传播损失分布。

上文分析声学调查断面海底、海表与声学相关信息如图10所示。春、夏2个航次海表浪高相当，仅存在风向和天气特征的差异，这对声学调查结果影响较小。水深变化较小，海底地形相对平坦，最深75 m，最浅在53 m。在长约70 km断面上，由浅至深分布有粉砂质粘土、粘土质砂和砂(没有再细分)。UMPE模型的不足之一在于无法对海面海表的分布特征进行区域细分，只能做单一处理。根据实际海况将声学参数融入UMPE模型，进行仿真模拟，春、夏季的声速剖面如图5(b)、图5(d)、图6(b)、图6(d)所示，由于高频声源声波传播较短，模拟声源频率定为300 Hz。

从图11不难发现，春季传播损失场整体低于夏季。夏季正温跃层条件下，声速相对较大，声能衰减迅速，且从表层向下，传播损失逐渐减小，这与前文分析的在跃层上界水层，从表层向下传播损失逐渐减小相对应，随着传播距离的增加，声能逐渐向海底聚集。由于UMPE模型模拟的是窄角声源，难以达到实测调查使用的近似无指向性声源效果。但对比图11(a)、图11(b)易得到负温跃层海洋环境中声信道效果较好，声波传播距离更大，同时声波向中上层海水折射。

图10 声学调查断面海底、海表声学参数分布图Fig.10 Acoustic parameters in sea bottom and surface of acoustic

UMPE模型在模拟高频、无指向声源存在不足，采用降频、窄角声源处理，能够满足分析温跃层对水声场的影响的要求。提取春、夏季46、61、71 m 3个位于温跃层下界的水层传播损失进行对比，近场传播损失相差甚小;春季逆温跃层海洋环境中，71 m水层传播损失最大，46 m水层传播损失最小，说明逆温跃层下界水层声能传播损失随深度增大逐渐增大(图12(a));夏季正温跃层海洋环境中，近场传播损失变化复杂，这主要是受窄角模型的影响，结合图11(b)和图12(b)不难发现，远场71 m水层传播损失最小，46 m最大，61 m居中，这说明正温跃层下界水层声能传播损失随深度增大而增大减小。

图11 春、夏传播损失场对比图Fig.11 The comparison of transmission loss between spring and summer

图12 春、夏温跃层下界水层传播损失对比Fig.12 Different layers of transmission loss in spring and summer below the thermocline

5 结论

温跃层是水声传播损失垂向变化剧烈的水层，正、逆温跃层上、下层都伴随有不同的变化趋势，靠近温跃层所在的深度传播损失变化较快。同时，温跃层对不同频率水声场作用各异，本文综合利用声学调查资料和声学模型分析近海温跃层对水声场的影响，对声学研究和声学调查提供了一定的理论依据，得出如下结论:

1)无跃层或温度垂直梯度较小时，对水声场影响不大。温跃层上界水层，逆温跃层环境中声传播损失随深度增大而逐渐增大;正温跃层环境中，声传播损失随深度增大而逐渐变小;变化速度向靠近跃层深度而加大。

2)温跃层对不同频率水声场环境影响各异，声源频率越高，影响越小，随与声源距离的加大，传播损失曲线平整关系较好，6.3 kHz声源在5.7 m深度春、夏差别在6～8 dB;声源频率低，影响越大，传播损失曲线差异随距离振幅波动较大，0.58 kHz声源在5.7 m深度春、夏季最大差别可达12～14 dB。

3)实测数据验证UMPE声学模型在高频、窄角声源方面的不足，但基本能够满足对温跃层对水声场影响的研究需要。并仿真温跃层下界水声场的影响，发现跃层下界水层随深度增大，变化趋势与对应跃层环境跃层上界水声场变化趋势一致。

由于实测数据分布层次的原因，同时受到部分研究浅海区域温跃层直达海底的限制，重点分析的是温跃层上界水声传播损失，并且采用UMPE二维声学模型补充分析温跃层下界温度均匀的水层。以后将进一步研究浅海温跃层对水声场的作用，同时也将研究深海温跃层对水声场的影响。

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