台风中的降雨对水下环境噪声的影响

徐东，李风华



台风中的降雨对水下环境噪声的影响

徐东1,2，李风华1

(1. 中国科学院声学研究所声场声信息国家重点实验室，北京 100190；2. 中国科学院大学，北京 100049)

利用数值模型和实验数据分析了台风过境前后雨成噪声对水下环境噪声的影响。该数值模型是基于简正波理论和雨成噪声的统计分析方法。在没有航船噪声和生物噪声的影响下，环境噪声主要是风成噪声和雨成噪声的总和。通过对海上实验数据的分析，深海水下噪声将会在台风眼壁到达前和离开后的两小时时刻受到雨成噪声的影响。在1～3 kHz的频段处，台风中的雨成噪声要比风成噪声大5～6 dB，并且雨成噪声谱的强度随频率的变化比风成噪声谱的变化平缓。理论和实验对比结果显示，数值模型可以较好地预测实验数据。

水下噪声；降雨；台风；谱级

0 引言

海洋表面动力过程激发的风成噪声和雨成噪声是水下环境噪声的重要组成部分。由于台风过境时总是伴随着强降雨和高风速的气象特征，水下背景噪声级将会在台风过境前后出现明显的变化。Houze[1]研究了台风内部区域的云团结构，并由此提出了一个复杂典型的风场和雨带结构。Quilfen等[2]分析了多次台风的海面风速与降雨速率的关系，并得出最大降雨量发生在台风最大风速区域的外围的结论。水下一定深度布放的水听器能够被动地记录台风过境前后水下背景噪声的变化，这种变化可以揭示风成噪声和雨成噪声的特性。许多研究工作显示风速与风成噪声级之间存在对数关系，并且提出了一些噪声模型来计算风成噪声级[3-7]。王璟琰等分析了台风过境时的风成噪声数据，发现风速与距台风的距离有关，并且提出了一种本地风速模型[8]。

降雨会对水下噪声[9-13]、噪声自动监测系统[14]和机载雷达的作用距离[15]等有较大的影响。研究降雨的发声机制也因此有着重要的意义。雨成噪声的产生机理在实验室的实验条件下已经获得一些研究成果：Pumphrey等[16]讨论了一滴水珠在冲击水面时产生的首次声脉冲现象以及后续气泡的形成过程。Prosperetti等[17]证明雨珠必须要有一个较高的冲击水面的速度，才能在此过程中产生气泡。Nystuen等[18]发现部分雨珠会在冲击水面后发生二次溅射并且产生水下声波。Tajiri等[9]利用有限差分晶格的模型仿真计算了水滴与水面的动力过程中的声辐射现象，计算结果显示了雨珠冲击水面激发的水下声波主要来自小气泡的振动，并且与雨珠的形状有关。国内在降雨噪声方面的研究主要集中在实验数据分析和降雨成因的定性讨论方面，给出了不同降雨速率下噪声谱级的变化特征[10-11]。室内人工雨滴实验能够采用可控手段逐个观察单一水滴辐射声音现象，而自然界降雨时，不同降雨条件下的雨滴分布差异较大，雨滴终端速度不均匀，入射倾角易受到海面风场的扰动，这些因素直接导致自然界降雨产生噪声的复杂性[10]。

由于从微观上雨滴的粒径在实际海况下分布复杂，目前对于降雨噪声的研究主要集中在宏观上用降雨量的手段进行表征。通过统计的方法可以建立水下雨成噪声强度与降雨量的关系，Ma等[12]分析了不同降雨量和风速下环境噪声谱的特性，提出了一个半经验模型来预测风成噪声和雨成噪声谱。Barclay等[13]研究了在暴风雨时水下雨成噪声强度与接收深度的关系，并通过对比风成噪声谱，得到了雨成噪声谱有更平滑的频谱分布的结论。然而，由于台风的快速移动性和伴随的恶劣天气，较难有效地进行被动观测，目前国内外对于台风过境前后水下雨成噪声的分布情况与影响程度研究较少。

本文通过对中国某海域的海上实验数据进行分析，将雨成噪声与风成噪声的强度和噪声谱斜率进行了对比，讨论了台风过境时的雨成噪声对水下环境噪声的影响，结合数值模型，仿真了雨成噪声和风成噪声的理论谱，并与实验数据进行了对比。

1 噪声模型

台风是热带气旋的一个类别，发展于北太平洋西部，处于东经100°～180°之间。这个区域是全球最活跃的热带气旋发生位置，占全球年均总量的约1/3。一种典型的台风卫星云图如图1所示，云图显示台风是球型或椭圆形的涡旋，海面上方的冷热空气对流在台风眼外部区域产生了大量的云，其中的积雨云会产生降雨，在局部区域甚至有强降雨。台风伴随着高风速，高风速引起海面波浪破碎产生气泡振动，风成噪声由此而来。然而，台风带来的强降雨所引起的降雨噪声也不可忽视。

1.1 台风激发的噪声模型

台风激发的噪声问题如图2所示。雨带是台风眼壁外环状对称分布的区域，眼壁区域的风速要远远高于台风其他区域的风速。台风眼区风速低，天气晴朗。而毗连的眼壁和雨带区域会有较大的风速变化和强降雨。在台风外围区域，风速和降雨量随着距离的增大逐渐减小。海面风速的吹拂会扬起波浪，波浪卷入空气后发生破碎，在水下产生大量气泡，这些气泡可以等效成在一定深度分布的声源，气泡振动辐射声波，产生风成噪声。而降雨激发的噪声主要来自于雨珠与水面的碰撞过程中辐射的声波。从已发表的文献来看，一般用降雨量来统计降雨的噪声强度[12-13]。

图2 台风激发的噪声模型

台风过境时，由于航船停港避风，台风激发的水下噪声主要来自风成噪声和降雨噪声。可表示为式(1)的形式：

台风的风速可由Holland参数模型表示[19]：

其中：和是台风眼区和外部区域的气压；r是接收水听器与台风眼的间距；是空气密度；A和B是影响最大风速值和眼壁半径的经验常数。图3给出了台风风速剖面与距离的关系，所需的输入参数如表1所示。

表1 风速模型的输入参数

1.2 雨成噪声的谱级

从微观上看，雨成噪声是由大量统计独立的雨滴作为点源辐射的声波能量的和。对于单颗雨滴，它产生的水下噪声强度主要与雨滴大小、形状、入水速度和入水角度等因素有关[20]。目前主要采用以雨滴粒径、入水速度和单一雨滴产生的水下功率谱来描述雨成噪声强度，如下式表示[21]：

图4 雨成噪声级与降雨量的理论关系

Ma等给出了风成噪声的半经验公式[12]，该公式的适用范围是风速小于14 m.s-1，由于台风过境前后风速一般高达30 m.s-1以上，因此该风速模型不适用。而Ma等给出的雨成噪声强度和降雨量的宏观关系式普遍适用于1～10 kHz的频带范围。此关系式是建立在前人研究的基础上的，具有一定的普遍性。雨成噪声的谱级(单位dB)由式(7)表示[12]：

图5 台风“罗莎”中心与水听器的间距随时间的变化

在实际海洋环境中，台风过境时的水下噪声强度是风成噪声和雨成噪声的强度之和，即水下噪声的理论谱(单位：dB)由式(9)给出：

当总的噪声谱级和风成噪声级已知时，由式(9)可以得到雨成噪声的谱级。

2 实验研究

第1节在理论上对台风过境时的水下噪声谱级进行了分析，并给出了雨成噪声的理论表达式。本节根据在中国某深海海域实测的台风过境时的水下噪声数据，进行数据分析和理论验证。

2.1 实验数据分析

为了衡量台风中的雨成噪声对水下环境噪声的影响程度，2013年11月中国科学院声学研究所在中国某深海海域开展了一次海上实验。水听器布放深度为1 130 m，采样频率为8 kHz，设定的水下工作方式是连续实时地记录声信号。实验海域海深为3 640 m，海底平坦。在水听器接收系统工作期间，一个名为“罗莎”的台风(国际编号1329)途经水听器，最近距离为3 km。台风的中心与水听器之间的距离随时间的变化如图5所示。本次台风中的气象数据，如最大风速和眼区气压来自中央气象台。

实验测量的噪声谱以1/3倍频程带宽处理，环境噪声谱的窄带功率谱级如式(10)所示：

图6给出了台风过境前后水听器测量得到的海洋环境噪声谱随时间的变化情况。在13时和20时出现的噪声峰值是因为台风眼壁两次经过接收器上方。在16时出现的噪声谷值是因为台风眼区经过接收器时，风速和降雨量急剧减小造成的。通过图6的时频结构可以看出，台风激发的水下噪声强度会明显提高海洋的背景噪声级，从几十赫兹至几千赫兹的噪声频带范围都会受到台风影响。

图6 台风“罗莎”过境时测量的噪声谱时频结构

图7给出了不同时刻的噪声谱分布情况。为了便于比较，第二天的时间已经加上24小时的时差。由图7可知，这些噪声谱的斜率主要分为两种，一种是-3 dB/oct(集中在5时，13时，17.6时和25时)，另一种是-1.5 dB/oct(集中在10.5时和22.5时)。这是因为当台风的雨带经过水听器上方时，雨成噪声会影响海洋背景噪声谱，表现为噪声谱强度和斜率的变化。对比图6可知，10.5时和22.5时分别是在最大噪声强度之前和之后的时刻，距离峰值的时差约2小时，这两个时刻除了受到风成噪声的影响，也同时受到雨成噪声的影响。由图7可知，5时的噪声谱级低于13时的噪声谱级，这是因为在5时台风中心与水听器的距离大于210 km，而在13时台风中心与水听器的距离为85 km。由图3可知，210 km处的风速远小于85 km处的风速，由于风速越低，风成噪声强度越小，导致5时的噪声谱级较低。

噪声谱之间的相关系数可以反映谱的变化情况。图8～10给出三个中心频率处噪声谱的时间变化情况、噪声谱的斜率随时间的变化情况以及噪声谱之间的相关系数，其中谱斜率和谱相关的频段范围是0.5～3 kHz。

图8显示了噪声谱峰值出现在13时和20时附近，并且除了图中红圈区域之外，噪声强度随着中心频率的增大而减小，呈现规律的递减结构。图8中的两个红圈，分别对应的时间为9.8时至12.5时和21.8时至23时，这两个时间段的噪声谱强度与频率变化的关系较小，噪声强度集中，对比图9可知，该时段的噪声谱斜率出现明显的抬升，斜率至-0.5，即斜率的模明显减小。而在红圈对应时刻之外的其它时间区域内，噪声的斜率基本保持在-1。红圈时刻和最大噪声级时刻相差约2 h，这分别对应台风的雨带和眼壁的影响时间。

图7 台风“罗莎”过境期间六个时刻的水下噪声谱

图8 三个中心频率的噪声谱级随时间的变化

图9 噪声谱斜率随时间的变化，频带范围0.5～3 kHz

以台风中心的噪声作为参考噪声谱，将不同时刻的噪声谱与参考噪声谱做相关，如图10所示，在红圈时刻外，相关系数保持在0.93以上，在红圈内相关系数减小至0.75，其中16.1时相关系数为1，这是噪声谱自相关导致的。因此，台风中的降雨主要出现在眼壁到达前和离开后的时刻，时间间隔约2 h，持续时间1～2 h。需要说明的是，选取眼区的噪声谱为参考谱是因为在台风过境时，航船因为停港避风的原因，水下环境噪声主要来自台风中的风和雨激发的声波，在眼区经过水听器时，由于眼区风平浪静，天气晴朗，这时测量的噪声谱可以被认为受到风、雨、船舶等因素的影响较小，适合作为参考噪声谱。

图10 噪声谱之间的相关系数随时间的变化，频带范围0.5～3 kHz

2.2 对比分析

图11 实验测量和噪声模型对比

3 结论

本文分析了台风过境前后雨成噪声对水下环境噪声的影响，将数值模型和实验数据进行了对比。得到以下结论：

(1) 台风过境期间，风成噪声和雨成噪声是水下环境噪声的主要成分。

(4) 在风速和降雨量已知的情况下，通过噪声模型可以计算雨成噪声谱与风成噪声谱，理论计算与实验结果较为一致。

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The effects of typhoon induced rainfall on underwater ambient noise

XU Dong1,2, LI Feng-hua1

(1. State Key Laboratory of Acoustics, Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

The effects of rain generated noise on underwater ambient noise spectrum during typhoon transit are analyzed by using numerical model and experimental data. This numerical model is based on the normal mode theory and the statistical analysis of rain generated noise. The ambient noise intensity without taking account of ship and wildlife noise is mainly the sum of rain and wind generated noise. The acoustic data collected in an experiment are used to investigate the characteristics of ambient noise. It is observed that the received noise intensity in deep water would be affected by the rainfall noise at the time of two hours before the eye wall of typhoon arrival and after its departure. Besides, the spectrum levels of rain generated noise are about 5-6 dB higher than those of wind generated noise at the frequencies from 1 kHz to 3 kHz, and the spectral slope of the former is flatter than the later one. By comparisons, it is shown that the simulated curves of the numerical model are in good agreement with the experimental data.

underwater noise; rainfall; typhoon; spectral level

P733.22

A

1000-3630(2019)-01-0071-06

10.16300/j.cnki.1000-3630.2019.01.012

2018-01-13;

2018-02-25

国家自然科学基金(11125420, 41561144006)

徐东(1991－), 男, 浙江温州人, 博士研究生, 研究方向为水声物理。

李风华, E-mail: lfh@mail.ioa.ac.cn