海洋锋现象及其对水声传播的影响

郭婷婷，高文洋

（海军海洋水文气象中心，北京100161）

海洋锋现象及其对水声传播的影响

郭婷婷，高文洋

（海军海洋水文气象中心，北京100161）

为了研究海洋锋对声传播的影响，借鉴黑潮引起的台湾海峡南部海洋锋的历史水文观测资料，提出并建立了适合描述台湾海峡南部海洋锋的数学模型及其声速表达式。通过与实测资料对比，建立的海洋锋模型能准确反映客观实际情况，表现出较好的效果。同时，在借鉴了前人研究经验的基础上，采用Argo实测资料，建立了台湾海峡南部海洋锋的数学模型及其声速表达式，利用MMPE水下声场模型进行了海洋声场数值模拟试验，对目标海区典型的声场结构进行了声线路径模拟和传播损失的计算仿真,并将实验结果通过与前人进行的实际大洋声场实验的结果比较，证实了本文的模拟结果是准确可信的，提高了水声数值模拟试验的准确有效性。

海洋锋；声传播；影响

1 引言

海洋锋一般指在海洋中特性明显不同的两种或几种水体之间的狭窄过渡带，其间存在强烈的湍流混合交换、水平辐合（辐散）和垂直运动。可用海水的温度、盐度、密度、速度、颜色、叶绿素等要素的水平梯度来确定锋带的位置[1]。海洋锋的规模可以小至几分之一米，大至全球范围的所有空间尺度。锋存在于海洋的表层、中层和近底层，可分为八类：1.行星尺度锋；2.强西边界流的边缘锋，由于热带的高温高盐水向高纬度侵入而形成，如黑潮、湾流的边缘锋；3.陆架坡折锋；4.上升流锋；5.羽状锋；6.浅海锋；7.河口锋；8.岬角锋。这些锋都具有持续性，持续时间为数小时至数月。此外，锋区异常的水文状况，又将直接或间接的影响水下声学通讯，因此，海洋锋对潜艇活动、水声探测、水下通信等影响很大[1]。

本文研究选择的区域—台湾海峡，位于东海和南海之间，是南北沟通我国近海的重要水道，海峡南部地形较为复杂，大致以200m等深线为界，西北方为宽阔的陆架，东南方则属南海海盆，其间为狭窄的陆坡架；在海峡中间有一系列的水下沙洲发育，形成台湾浅滩，其水深小于20m，将海峡一分为二；在浅滩以东100m等深线向北深入海峡，形成澎湖水道，在浅滩西侧另有一水道，水深约40m；在浅滩和澎湖水道以南有一狭窄的坡折带。

关于海洋锋面与水声传播之间的重要联系，一些外国学者早在20世纪80年代就开始着手对此进行了一系列研究。例如Rousseau等[2]发现当锋面通过温度锋面时，会由于温度的剧烈变化而产生声速梯度的变化，对于较强的湾流和黑潮锋面来说，声速的改变将大于30m/s，而对于较弱的锋面来说声速的改变小于5m/s；Mellberg等[3]研究了东格陵兰极地与周围海区的过渡区域的锋面对声传播的影响，发现锋面对声传播的影响与声源位置有关；Heathershaw等[4]利用三维数值海洋模型获得的水声环境数据作为输入，研究了通过海洋锋面的声传播问题。研究发现，对不同的声源及接收器深度的组合，锋面的影响会使得传播损失发生10—20 dB的变化[5]。

在国内笪良龙[5]应用简化的深海海洋锋面模型，利用射线传播模型研究了锋面对声传播损失的影响，并将有锋和无锋时会聚区的位置和深度进行

了比较；南明星等[6]对海洋锋区的三维声线轨迹进行了分析，发现声线从进入锋区开始发生明显的偏转，而且随着距离的增加，水平偏转角度越来越大，最大值达到1°左右；李立等[7]的研究提出：由于多种水系在台湾海峡南部交汇，其冬、夏季均有明显的锋面发育，受季风气候影响，锋面发育有显著的季节差异；南明星等[6]使用1989—2001年的NOAA AVHRR（Advanced Very High Resolution Radiometer）图像，研究了我国台湾海峡及其邻近海域的海面温度锋。卫星遥感观测表明该海域海面温度锋终年存在[8]。

由于海洋锋的生成机制和类型分布各异，目前研究海洋锋，主要是利用观测资料进行统计分析。为了研究其对声传播的影响，本文借鉴黑潮引起的台湾海峡南部海洋锋的历史水文观测资料，首次提出并建立了适合描述该海域的海洋锋模型及声速表达式。通过与实测资料对比，我们建立的海洋锋模型能准确反映客观实际情况，表现出较好的效果。

同时，本文在借鉴了前人研究经验的基础上，首次将经过融合的Argo等多源资料作为水声模型的初始场。以往对声波传播和衰减数值模拟试验的研究，多是利用海洋环境预报模式的结果作为输入值，由于模式缺乏客观、准确的要素初始场，导致实验结果精准度不高的问题无法解决。本文提出一种新途径：在Argo实测资料的基础上，对数据加以融合。由于Argo浮标探测的极限是2000m左右深度，而声传播模型需要从海面到海底的声速数据，为了得到完整的声速剖面，我们必须要有从海面到海底的温盐剖面。本文采用两部分数据组合导出完整的温盐剖面，一部分是Argo次表层的原位数据，另一部分是全球海洋资料同化系统（Global Ocean DataAssim ilation System，GODAS）深层水文气象数据。利用局部加权散点图平滑数据，然后采用未加权的线性最小二乘法进行滤波，最后利用平滑样条法进行曲线拟合得到完整的剖面图。以Kraken声学模型计算软件为基础，建立海洋声场数值预报系统，应用该系统进行了海洋声场数值模拟试验，对目标海区典型的声场结构进行了声线路径模拟和传播损失的计算仿真,实验结果通过与前人进行的实际大洋声场实验的结果比较，证实了本文的模拟结果是准确可信的，提高了水声数值模拟试验的准确有效性。

2 海洋锋面模型

2.1 海洋锋的声学意义

声波在海水中传播时衰减较小，水声技术被广泛应用于海洋研究、海洋开发和海洋军事活动。早在1827年瑞士物理学家Colladon和法国数学家Sturm就在日内瓦湖中测量了水中声速，其结果1435m/s与后来声波在可压缩介质中传播的相速度1436m/s的理论计算值很接近。

式中：ρ为介质密度，cp、cv为介质的比定压热容和比定容热容，kt为介质的等温压缩系数。在海洋中，海水的密度、比热容及压缩系数均随海水的温度、盐度和静压力（水深）的变化而变化，大致范围为1450—1540m/s[3]。

由实验可知，水温增高，声速增加；盐度增大引起密度变大，会使声速减小，然而盐度增大的同时引起压缩系数减小，又会使声速增大，其总的效应是使声速增大；静压力增加，也会使声速增加。声波在浅海中传播时，除受声速垂直分布和海面状况的影响外，还受海底的地质和地貌的影响。声波在深海中传播时，主要受声速垂直分布状况的影响[1]。

就水声应用而言，海洋锋面的定义为：锋面是海洋中声传播模式和传播损失显著改变的任何突变面。因此，声道深度的急剧变化、声层深度（Sonic Layer Depth，SLD）的差异以及温度的反转都表明了锋面的存在。面对幅员辽阔的海洋，海洋锋面的存在对声纳探测和潜艇隐蔽起着重要的作用，因此我们研究掌握海洋锋面对水下声传播的影响意义深远。

2.2 台湾海峡南部海洋锋的特点分布

本文主要针对黑潮流经台湾海峡南部引发的海洋锋进行建模研究。台湾海峡是我国近海海洋锋现象十分显著的海域，由于多种水系在此交汇，形成复杂的锋面结构。强烈的季风作用使该处海洋锋现象呈现显著的季节差异，变化更趋复杂。尤其海峡南部（台湾浅滩周围）是海洋锋的多发区，海

峡的南北水交换过程十分复杂。图1给出了海峡南部冬季典型的海表面温度（Sea Surface Temperature，SST）分布（1992年1月27日），该资料取自美国NOAA AVHRR图像，经常规定标处理反演为SST影像后，处理为SST等值线图。由图1可见，大致以中线为界海峡西部主要受沿岸冷水控制，福建沿岸水温低于15℃（隆冬时节可达10℃以下，视时段不同而异）；海峡东侧则受暖水支配，沿澎湖水道有一股暖水向北运动，其主轴水温高于20℃。在澎湖以北该暖水舌离开台湾西岸，其主轴折向西北，然后呈反气旋状回转，向东北延伸至25°N附近（指17℃等温线）。由于来自北方的沿岸冷水和来自南方的热带暖水在海峡交汇，海峡南部出现明显的温度锋。

图1 1992年1月27日台湾海峡南部NOAA AVHRR卫星遥感SST分布

2.3 台湾海峡南部海洋锋模型

根据上述观测结论，借鉴海洋锋三维模型的声速表达式[9]：

在海洋锋条件下，球坐标中声速c(r,θ,φ)受海洋锋强度、位置及其形态的影响。式中：c0为球坐标系中不存在海洋锋条件下地球上位置点（r,θ,φ）处的声速，c′为声速扰动因子，z0,θ0,φ0分别为地球上海洋环境中海洋锋中心的深度、纬度和经度，Wz,Wθ,Wφ分别为海洋锋中心在深度上的半径、纬度和经度上的半径。c′控制海洋锋的强弱，z0,θ0,φ0控制海洋锋的位置，Wz,Wθ,Wφ控制海洋锋的形态。因此，通过上式可以求得球坐标系下海洋锋区任意位置点（r,θ,φ）处的声速c(r,θ,φ)，把计算得到的声速值带入美国海军研究院和迈阿密大学联合研制开发的一种水下声场模型：MMPE模型[10]，再进行声场传播仿真模拟的计算。

针对黑潮引起的台湾海峡南部海洋锋我们提出用海洋锋二维模型来描述，其声速表达式为：

在由黑潮引起的海洋锋条件下，声速c(r,θ,φ)受海洋锋强度、位置及其形态的影响。式中：z0,r0分别为地球上海洋环境中海洋锋中心的垂直深度位置、水平位置，Wz,Wr分别为海洋锋中心在垂直深度上的半径、在水平方向上的半径。

图2所示的是Munk型深海声道在存在海洋锋条件下的声速等值线图，海洋锋中的声速扰动因子为0.02，海洋锋的水平尺度为100 km，垂直尺度为1000 m，中心的水平位置在150 km，海洋锋中心深度依次是0m(a)、1300m(b)和2000m(c)。

3 海洋锋面声传播特性模拟

3.1 扰动因子对声传播影响

声速扰动因子是刻画海洋锋强弱的参数，根据模拟的实际海洋锋强弱的差异，选择不同的扰动因子。一般中等强度的海洋锋的声速扰动因子是0.05，较弱的海洋锋是0.02，较强的海洋锋是0.1。所以我们分别对较弱和较强的海洋锋对声传播的影响进行仿真（见图3）。海洋锋的水平尺度为100 km，垂直尺度为1000m，中心的水平位置在150 km，中心深度1000 m。声源频率200 Hz，声源深度是100m，参考声速c0是1500m/s，仿真试验海区深度为4000m,接收器最大接收范围为300 km。海底参

数取：声速c=1700m/s，密度ρ=2.0×103kg/m3，吸收系数0.0。

图4是声波在水中传播过程中的声传播损失图，在仿真模拟实验中，暂不比较声线进入锋区后传播损失随传播距离的变化（下同）。通过比较可以发现，声线从进入锋区开始发生了明显的偏转，而且锋面越强（扰动因子越大）偏转角度越大，折射的声线经海面反射后又向下传播，如此反复，形成了声道传播现象。

图2 Munk型深海声道在存在海洋锋条件下的声速等值线图

图5 给出的是深度在1000m上的声传播损失图。水声在海水中传播时，常以射线方法定性描述声波的传播轨迹，任何辐射形式下，波阵面任一点的法线方向即为波的传播方向。相邻波阵面上法线的轨迹即是声线。它代表波的传播路径[8]。声波在深海远距离传播中，不同途径的声线会聚形成的声强度高值区，我们称之为海洋声汇聚区。海洋声汇聚区的存在不利于潜艇实施隐蔽，但有利于声纳远距离探测目标。

图3 声速剖面等值线图（左图扰动因子为0.02，右图扰动因子为0.1）

图4 声传播损失图（声源频率为200Hz）

一般来说，声波从冷水区向暖水区传播（对应有锋）和声波在冷水区（对应无锋）传播比较，传播损失相差较大，在很多情况下相差10—20 dB,有锋存在时会聚区距离明显增大，增大几千米至十几千米。从图5上可以看到强度较弱的海洋锋即扰动因子小所形成的声场要比较强的海洋锋即扰动因子大所形成的声场的汇聚区距离大，差值在几十千米左右。在弱锋面中汇聚区的宽度（以高出最小传播损失5 dB来测定）比强锋面中汇聚区的宽度大，最大处可达30 km。因此我们认为强度较弱的海洋锋的存在更利于声纳远距离探测目标，更利于建立海上警戒系统；而强度较强的海洋锋的存在更利于实施隐蔽。

图5 海洋锋中心深度在1000m上的声传播损失图（声源频率为200Hz）

图6 声传播损失图（声源频率为400Hz）

3.2 声源频率对声传播影响

在声源频率对声传播的仿真模拟试验中，设定声源频率由200 Hz提高为400 Hz，其他参数设定如同3.1，并进行声传播损失实验。同3.1模拟试验中

相同海洋锋强度（即相同扰动因子）的情形比较（见图6），图6的声线进入锋区，传播过程中发生偏转角度大于图4，可知声源频率越大偏转角度越大。

图7 海洋锋中心深度在1000m上的声传播损失图（声源频率为400Hz）

图8 声传播损失图

图7是频率为400 Hz的声波传播损失，和图5比较,传播损失高于频率为200Hz的声波传播损失，可知传播损失随频率的增高而增大，原因是海水的吸收损失对高频声波作用更大。低频时锋面对声传播的影响要大于高频时的影响，是由于高频声波能量集中，受海洋内部结构扰动变化较小的缘故。

图9 海洋锋中心深度在1000m上的声传播损失图

3.3 声源位置对声传播影响模拟分析

在声源位置对声传播的仿真模拟试验中，设定声源位置为：位于近海面（50m）、位于锋面铅直作用深度下边界（2000m）以下及位于海底（3500m）这3种情况，其他参数设定如同3.1，并进行声传播损失实验。由图8、图9可知，声源位于近海面的情形时，声波经海面反射形成了表面波导传播；声源位于锋面铅直作用深度下边界以下的情形时，声波发射后分别向海面和海底方向折射，射向海面的声波能量大部分被海水吸收，水平传播距离只有几十千米。向海底折射的声波经途中的海水吸收和海底介质的吸收能量衰减的更快，水平传播距离也只有几十千米；声源位于海底的情况时，可以看到从声源发出的大部分声波向海底折射，经海底的数次

反射后形成声道传播，能传播很远，仿佛是对海面的情况的反转，这一现象的原因从声速等值线图的对称性上不难验证。

4 小结

本文根据海洋锋面的特点建立了锋面模型，运用MMPE水下声场模型对声波在海洋锋面区的传播规律进行了研究。海洋锋是温度的跃变区，即是声速的跃变区，海洋锋对声线的传播具有强烈的反射、折射作用。通过仿真试验讨论了声速扰动因子、声源频率和声源位置对声传播的影响以及对声纳探测带来的误差。通过以上研究，可以得到如下结论：

（1）一般来说，声波从冷水区向暖水区传播（对应有锋）和声波在冷水区（对应无锋）传播比较，传播损失相差较大，在很多情况下相差10—20 dB；有锋存在时会聚区距离明显增大，增大几千米至十几千米；强度较弱的海洋锋即扰动因子小所形成的声场要比较强的海洋锋即扰动因子大所形成的声场的会聚区距离大，差值在几十千米左右；在弱锋面中会聚区的宽度（以高出最小传播损失5 dB来测定）比强锋面中会聚区的宽度大，最大处可达30 km；

（2）声传播损失随频率的增高而增大，原因是海水的吸收损失对高频声波作用更大；低频时，海洋锋面对声传播的影响要大于高频时的影响，是由于高频声波能量集中，受海洋内部结构扰动变化较小的缘故；（3）声源位于近海面形成表面波导传播；声源位于锋面铅直作用深度下边界以下时，声波分别向海面和海底方向折射，水平传播距离只有几十千米；声源位于海底形成与近海面声道相对称的海底声道传播。

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Phenomenon of ocean front and it im pacton the sound p ropagation

GUOTing-ting,GAOWen-yang
(Marine HydrometeorologicalCenter,Beijing 100161 China)

In order to study the effectof ocean fronton the sound propagation,based on the hydrologic data of ocean front in south of Taiwan channel ow ing to the Kuroshio and Argo data,amathematicmodeland acoustical velocity expression of the sea are is established for the first time.Compared with observational data,the ocean frontmodel can simulate environmental condition well and truly.The sound propagation in Taiwan channel is simulated using MMPEmodel,and the resultsshow that themodeled data isexactand effectual.

ocean front；sound propagation；effect

P733.21

A

1003-0239（2015）05-0080-09

2015-02-03

郭婷婷（1983-），女，工程师，从事气象预报保障工作。E-mail：guotingting565683@163.com

10.11737/j.issn.1003-0239.2015.05.010