基于海调实测资料的中尺度冷涡的会聚区声传播特征诊断*

鲍森亮,张 韧,高 飞,洪 梅,潘忠良,刘科峰

(1.解放军理工大学 气象海洋学院，江苏 南京 211101；2.海军海洋测绘研究所 仪器设备研究室，天津 300061；3.海军航空兵学院，辽宁 葫芦岛 125000)



基于海调实测资料的中尺度冷涡的会聚区声传播特征诊断*

鲍森亮1,张 韧1*,高 飞2,洪 梅1,潘忠良3,刘科峰1

(1.解放军理工大学 气象海洋学院，江苏 南京 211101；2.海军海洋测绘研究所 仪器设备研究室，天津 300061；3.海军航空兵学院，辽宁 葫芦岛 125000)

海洋中尺度涡能够使声能空间分布不均，进而对水声设备、水下兵器使用和潜艇战造成重大影响。本文基于2014年西太平洋海调中尺度涡观测资料，首先对该涡旋的三维结构特征进行研究，得出此为黑潮延伸体海域典型的气旋式冷涡。然后利用抛物方程水声数值模型仿真研究该中尺度涡对声传播损失的影响。研究表明：中尺度涡引发的海洋声速场水平扰动对水声场空间分布特征造成巨大影响，冷涡使得会聚区的位置前移，宽度减小，增益效能增强;声在中尺度涡边传播时，涡边会聚区较涡心会聚区的位置后退,宽度加大,增益效能减弱。

中尺度冷涡；UMPE模型；会聚区

众所周知，海洋中尺度涡是以气旋或反气旋方式运动的水体，空间尺度为几十至几百千米，时间尺度为十几天至上百天。它不仅分布在西太海域，也广泛分布于世界大洋，它的出现改变了海区的水文环境分布，进而对水下声场产生巨大影响。经研究表明，声呐在无涡和有涡时声波传播损失相差可达40 dB左右[1]，相当于使一台声呐完全失去作用。因此，研究中尺度涡对水声设备、水下兵器使用和潜艇战及反潜艇战具有重要的军事应用价值。

自20世纪70年代大规模的海洋调查揭示了中尺度现象普遍存在于世界大洋中以来，中尺度涡对声传播特性的影响开始受到广泛关注。由于受海洋资料的限制，早期的研究多采用理想涡模型。当100 Hz的无方向性声源的声波通过海洋涡旋，Ralph发现涡旋相对声源位置的不同，能导致声传播损失发生20 dB的变化[2]。Mellberg等采用数值模拟研究了冷涡和暖涡声传播特点，得到声源与涡心位置的不同，导致会聚区距离和传播损失的变化[3]。Hall应用绝热简正波模型进行声传播受理想涡位置、强度和大小影响的分析[4]。近年来国内积极展开对此问题的分析，刘清宇通过对中尺度涡的分析和建模，研究了中尺度涡旋对深海表面声道和会聚区效应的影响，发现中尺度涡旋引起声速剖面的水平非均匀性变化，并进一步引起会聚区结构特性的改变[5]。李佳讯等建立一个对不同海域普遍试用的海洋中尺度涡模型，利用MMPE(Monterey-Miami Parabolic Equation)水声模型仿真分析海洋中尺度涡对声传播的影响，得到了涡旋性质、强度和位置、声源频率和置放深度对声传播特性影响[6]。张旭等开展了西太平洋冷涡环境下声传播变异现象的研究[7]。

然而，应用实测数据进行声学模拟实验较为少见，以往研究多采用模型构建中尺度涡水声传播背景场，进而基于模型进行模拟分析，对于真实涡环境对声场影响机制的认识仍欠缺。本文基于西北太平洋海洋调查中尺度涡的实测数据，在分析中尺度涡旋三维结构的基础上，利用UMPE抛物方程模型研究其对水声场的影响，具有重要的科学意义和参考价值。

1 海洋环境特征分析

1.1 中尺度涡数据来源

此次海洋调查在黑潮延伸体南部海域开展了涡旋三维结构精细化调查，空间范围(156°～160°E，30°～32°N)。图1为海调大面调查断面分布图，其背景场为海表面高度异常值，资料采用法国国家空间研究中心(CNES)的卫星海洋存档数据中心(AVISO)提供的数据(http:∥www.aviso.oceanobs.com/)，空间分辨率为(1/4)°×(1/4)°。图中可发现此处存在较明显的中尺度涡结构特征，涡旋中心位置约(157°45′00″E，31°19′48″N)

图1 中尺度涡走航观测断面分布Fig.1 Survey sections across the mesoscale eddy

由于中尺度研究区域XCTD数据测量深度并未达到海底，基于深海温盐变化小，1 250～5 000 m用2014-07 SODA数据接上，将温盐剖面补齐至海底，以满足声学模型模拟真实的海洋环境的需要。

1.2 温盐特征分析

图2为6条断面观测的温度和温度异常分布图。该图表明，在100 m以深，由于涡旋内部下层水体存在上升运动，等温线呈现较为一致的向上抬升现象，但在不同断面，温度等值线的抬升情况存在差异，以中层水的6 ℃等值线为例，位于涡旋南北两个边界处的断面1和断面6，6 ℃等值线分别可抬升至590和580 m；断面2和断面5介于涡旋中心和边界之间，6 ℃等值线分别可抬升至525和500 m，断面3和断面4十分接近涡旋中心，6 ℃等值线分别可抬升至430和450 m；再以16 ℃等值线为例，气候态下16 ℃等值线大致位于300 m深度，而在断面1至断面6，它最大分别可抬升至180,100,50,45,60和130 m深度。可知，越靠近涡旋中心，等温线抬升越显著，水体上升运动越明显。

利用实测温度数据减去当地7月份的气候态温度，得到各断面上的温度异常分布(如图2中色块所示)。整体而言，冷涡内部呈现较为一致的温度负异常，温度异常相对大值区分布在100～500 m，即永久性跃层所在深度。在300～500 m深度存在温度负异常的冷中心，冷核呈现下部平，上部尖的圆锥形结构。

在不同的断面上，涡旋内部的冷中心强度及位置存在较大差异：在涡边缘的断面1和6上，温度异常冷中心分别位于500和450 m，中心温度异常值分别为-3.0和-2.5 ℃；在断面2和5上，温度异常冷中心均位于约400 m深度，中心温度异常值分别为-4.5和-5.0 ℃；在断面3和4上，温度异常冷中心分别位于约400和380 m深度，中心温度异常值均可达-6.5 ℃以上。即:越靠近涡旋中心位置，温度负异常越显著，冷核中心强度越大，深度越浅。

图2 6条断面上温度及温度异常分布图Fig.2 Temperature and temperature anomalies observed along the six survey sections

图3为6条断面上盐度及盐度异常的分布，该图表明，盐度的等值线与图3中温度等值线的分布有相似的特征，均有向上抬升的现象，且越靠近涡旋中心，抬升现象越明显。值得注意的是，在靠近涡旋中心的断面3和断面4，由于下层海水强烈的上翻作用，34.6等盐度线在50 m以浅发生断裂，这表明下层低盐度的海水可上升至海表面。图3中色块为各断面上的盐度异常分布。在涡旋内部，盐度异常总体呈现上层负异常、下层正异常的“偶极子”结构。具体而言，冷涡内部，表层至700 m深度，由于次表层水所在的位置与气候态基本一致，但下层低盐水的上翻作用使得上层海水盐度降低，盐度异常为负值，且越靠近中心，盐度异常值越大，负异常最大-0.6出现在涡中心350 m深度处；700 m以深，由于下层较高盐度海水的上升运动，造成下层海水整体盐度增大，高盐异常值同样出现在涡中心位置，正异常最大为0.20，出现在800 m附近。

综上知，该涡旋为黑潮延伸体海域典型的气旋式冷涡[8]，其温盐结构与周边海域有显著差异，涡心处有明显的冷水上升运动，冷核位于表层至500 m深度，涡的直径约为190 km，涡旋中心位置约(157°45′00″E，31°19′48″N)。

图3 6条断面上盐度及盐度异常分布图Fig.3 Salinity and salinity anomalies observed along the six survey sections

2 仿真实验分析

基于海调XCTD数据，采用Chen-Millero声速计算方法，求取第四断面声速剖面(图4)。当深度较小时，声速大小主要取决于温度，与温度变化趋势类似，盐度作用较小。深度较大时，温、盐垂向变化缓慢，声速随深度的增加而增加。

图4 第四断面部分站点声速剖面Fig.4 Sound speed profiles at the stations of the fourth section

表1 各声速剖面最小声速大小及对应深度Table 1 Minimum sound speed and corresponding depths of each sound speed profile

表1为各站点最小声速值，声道轴深度及海表至500 m处声速梯度。由表1知各站点声速剖面在50～800 m深度内声速剖面随着经度变化。从中尺度涡边至涡心，随着经度的增加，站点声速剖面的最小声速值和声道轴深度不断减少，声速梯度值不断增加。在涡边157°00′E站点处最小声速值为 1 479.26 m/s,声道轴深度最深，为800 m；到涡心157°45′E站点处最小声速值为1 477.95 m/s,声道轴深度最浅，为600 m。这是由于此为中尺度冷涡，涡心处冷水上翻较涡边强烈，使表层水温和盐度降低，声速减小，导致声道轴深度减小。而各站点声速剖面在深层随经度差别较小，表明中尺度涡主要影响海洋表层声速梯度性质，形成海洋环境的水平非均匀性。

通过查询本州岛东南部海图，获悉研究海域海底底质以黏土为主。在数值模型中，将声传播媒介分为3层，海水、沉积物层(500 m)、岩石层[9]，海底地形数据采用美国国家海洋大气局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)网 站 上 提供的ETOPO1(1 Minute Gridded Global Relief Data Collection,一分网格全球地形数据集)( http:∥www.ngdc.noaa.gov/mgg/global/global.html)。ETOPO1 地形数据的分辨率为1′×1′。

声传播模型采用UMPE(University of Miami Parabolic Equation)抛物方程模型，该模型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下抛物方程模型[10-11]。该模型灵活性大、适应性强，对低频远距离的传播衰减模拟效果较好，且该模型在计算水平变化的海洋环境中具有较好的效果，且当方向散射较弱时也具有较高的计算精度，孙磊等[12]利用该模型研究日本以南海域温跃层对水声传播影响，得出水声在不同跃层环境下传播差异。故采用UMPE模型能够满足分析中尺度涡对水声场的影响的要求。本次实验中设无指向性声源频率为100 Hz，传播距离上计算步长为10 km。模拟声线传播最大的水平距离与中尺度涡直径相等，约190 km，其间使用9个声速剖面，剖面间距约为0.25°。声速剖面共27层，深度分别为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。将海表粗糙度值取为0，海面实现全反射。

为研究非均匀环境下中尺度涡声传播特征，将声源分别置于水平均匀环境、平底地形，水平均匀环境、真实地形以及水平非均匀环境、真实地形三种条件下，其中“水平均匀环境”是将该断面9个声速剖面设置为同一声速剖面，“水平非均匀环境”为第四断面实际环境，将实测数据的9个声速剖面放入模型。图5为不同地形、水文环境条件声传播损失图，声源深度取50 m。图6为不同条件下传播损失曲线对比，接收深度为50 m。通过对比得，在水平均匀条件下，平底地形与真实地形两种情况得到的声传播损失分布图和传播损失曲线都十分相近，说明由于此地形较平坦，水深变化不大，地形变化并未影响声线传播，故两种情况下3个会聚区形态基本相似(图5a，5b)。如图5b，5c所示，在真实地形下，水平非均匀环境使会聚区的位置前移，宽度减小，增益效能增强。以第二会聚区为例，真实地形水平均匀条件下第二会聚区的距离在115 km处，宽度约5 km，存在冷涡时第二会聚区的距离变到了110 km处，宽度减小到3 km左右，增益峰值较水平均匀条件增大了约5 dB。造成这种传播特性的原因与声速的分布有关，冷涡中心处冷水上翻强烈，为温度极小值区，声波向中心折射的次数增多，同时冷涡中心声速梯度大，声波向下折射的角度小，声波通过海底反射使得会聚区位置前进。与张旭[7]给出的西太平洋冷涡例子不同之处在于，由于表层声速结构仅在0～20 m有微弱正梯度，表面声道现象几乎忽略(图5c)，因此并未出现冷涡使表面声道消失，造成表层传播损失迅速增大。

图5 不同条件下时声传播损失图Fig.5 Acoustic transmission loss under different situations

图6 不同条件下声传播损失曲线对比Fig.6 Acoustic transmission loss curves of different situations

由图1中尺度涡走航观测图知，第二断面位置靠近涡旋边缘，第四断面更接近涡心，涡旋强度大。为对比涡强度对声传播影响，将声源分别置于第二断面涡边(156°45′E 站点)和第四断面涡心(157°45′E站点)50 m处，设置相同海底条件。图7,图8分别对应第二、第四断面传播损失分布图和传播损失曲线对比。对比分析易知，第二断面涡边较第四断面涡心处会聚区的位置后退且宽度加大，增益效能减弱。以第一会聚区为例，第二断面第一会聚区的距离在60 km处，宽度约8 km，而第四断面第一会聚区的距离为57 km, 宽度减少到约5 km。说明涡强度越大，离涡心越近，会聚区前移越明显。这是由海洋上层的声速结构差异造成的，第二断面的涡强度明显小于第四断面，造成其声速梯度小于第四断面，声波向下折射的角度大，声线通过海底发射使得会聚区位置后退，同时反射后声线分散，会聚区的宽度增大，增益效能减弱。

图7 不同断面声传播损失分布图Fig.7 Acoustic transmission loss along different sections

图8 不同断面声传播损失曲线对比Fig.8 Acoustic transmission loss curves of different sections

3 结 语

本文利用中尺度涡实测资料和UMPE水声模型，分析了黑潮延伸体南部海域一个常年存在的中尺度涡对声传播和衰减场的影响，进行了相关的仿真试验，得出如下见解：

1)此涡旋为黑潮延伸体海域典型的气旋式冷涡，其温盐结构与周边海域有显著差异，涡心处有明显的冷水上升运动，涡影响深度达500 m；

2)中尺度涡引发的海洋表层声速场水平扰动对水声场空间分布特征造成巨大影响。冷涡使得会聚区的位置前移，宽度减小，增益效能增强;

3)声分别在中尺度涡边与涡心传播时，涡边会聚区较涡心会聚区的位置后退且宽度加大,增益效能减弱。

需要说明的是，文中选取的冷涡是以黑潮延伸体海域夏季水文环境为背景，这样的水文环境具有显著的地域性和鲜明的季节性，因此本文分析具有一定局限性，下一步将深化中尺度涡海域的声学研究工作。

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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

国家自然科学基金项目——Argo资料客观分析与三维温盐场重构技术研究(41276088)

鲍森亮(1992-), 男, 浙江永嘉人, 硕士研究生, 主要从事海洋资料分析处理方面研究.E-mail：799296775@qq.com

*通讯作者：张 韧(1963-)，男，四川眉山人，教授，博士，主要从事海洋资料分析处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