海洋鋒現象及其對水聲傳播的影響

郭婷婷，高文洋

（海軍海洋水文氣象中心，北京100161）

海洋鋒現象及其對水聲傳播的影響

郭婷婷，高文洋

（海軍海洋水文氣象中心，北京100161）

為了研究海洋鋒對聲傳播的影響，借鑒黑潮引起的臺灣海峽南部海洋鋒的歷史水文觀測資料，提出并建立了適合描述臺灣海峽南部海洋鋒的數學模型及其聲速表達式。通過與實測資料對比，建立的海洋鋒模型能準確反映客觀實際情況，表現出較好的效果。同時，在借鑒了前人研究經驗的基礎上，采用Argo實測資料，建立了臺灣海峽南部海洋鋒的數學模型及其聲速表達式，利用MMPE水下聲場模型進行了海洋聲場數值模擬試驗，對目標海區典型的聲場結構進行了聲線路徑模擬和傳播損失的計算仿真,并將實驗結果通過與前人進行的實際大洋聲場實驗的結果比較，證實了本文的模擬結果是準確可信的，提高了水聲數值模擬試驗的準確有效性。

海洋鋒；聲傳播；影響

1 引言

海洋鋒一般指在海洋中特性明顯不同的兩種或幾種水體之間的狹窄過渡帶，其間存在強烈的湍流混合交換、水平輻合（輻散）和垂直運動。可用海水的溫度、鹽度、密度、速度、顏色、葉綠素等要素的水平梯度來確定鋒帶的位置[1]。海洋鋒的規模可以小至幾分之一米，大至全球范圍的所有空間尺度。鋒存在于海洋的表層、中層和近底層，可分為八類：1.行星尺度鋒；2.強西邊界流的邊緣鋒，由于熱帶的高溫高鹽水向高緯度侵入而形成，如黑潮、灣流的邊緣鋒；3.陸架坡折鋒；4.上升流鋒；5.羽狀鋒；6.淺海鋒；7.河口鋒；8.岬角鋒。這些鋒都具有持續性，持續時間為數小時至數月。此外，鋒區異常的水文狀況，又將直接或間接的影響水下聲學通訊，因此，海洋鋒對潛艇活動、水聲探測、水下通信等影響很大[1]。

本文研究選擇的區域—臺灣海峽，位于東海和南海之間，是南北溝通我國近海的重要水道，海峽南部地形較為復雜，大致以200m等深線為界，西北方為寬闊的陸架，東南方則屬南海海盆，其間為狹窄的陸坡架；在海峽中間有一系列的水下沙洲發育，形成臺灣淺灘，其水深小于20m，將海峽一分為二；在淺灘以東100m等深線向北深入海峽，形成澎湖水道，在淺灘西側另有一水道，水深約40m；在淺灘和澎湖水道以南有一狹窄的坡折帶。

關于海洋鋒面與水聲傳播之間的重要聯系，一些外國學者早在20世紀80年代就開始著手對此進行了一系列研究。例如Rousseau等[2]發現當鋒面通過溫度鋒面時，會由于溫度的劇烈變化而產生聲速梯度的變化，對于較強的灣流和黑潮鋒面來說，聲速的改變將大于30m/s，而對于較弱的鋒面來說聲速的改變小于5m/s；Mellberg等[3]研究了東格陵蘭極地與周圍海區的過渡區域的鋒面對聲傳播的影響，發現鋒面對聲傳播的影響與聲源位置有關；Heathershaw等[4]利用三維數值海洋模型獲得的水聲環境數據作為輸入，研究了通過海洋鋒面的聲傳播問題。研究發現，對不同的聲源及接收器深度的組合，鋒面的影響會使得傳播損失發生10—20 dB的變化[5]。

在國內笪良龍[5]應用簡化的深海海洋鋒面模型，利用射線傳播模型研究了鋒面對聲傳播損失的影響，并將有鋒和無鋒時會聚區的位置和深度進行

了比較；南明星等[6]對海洋鋒區的三維聲線軌跡進行了分析，發現聲線從進入鋒區開始發生明顯的偏轉，而且隨著距離的增加，水平偏轉角度越來越大，最大值達到1°左右；李立等[7]的研究提出：由于多種水系在臺灣海峽南部交匯，其冬、夏季均有明顯的鋒面發育，受季風氣候影響，鋒面發育有顯著的季節差異；南明星等[6]使用1989—2001年的NOAA AVHRR（Advanced Very High Resolution Radiometer）圖像，研究了我國臺灣海峽及其鄰近海域的海面溫度鋒。衛星遙感觀測表明該海域海面溫度鋒終年存在[8]。

由于海洋鋒的生成機制和類型分布各異，目前研究海洋鋒，主要是利用觀測資料進行統計分析。為了研究其對聲傳播的影響，本文借鑒黑潮引起的臺灣海峽南部海洋鋒的歷史水文觀測資料，首次提出并建立了適合描述該海域的海洋鋒模型及聲速表達式。通過與實測資料對比，我們建立的海洋鋒模型能準確反映客觀實際情況，表現出較好的效果。

同時，本文在借鑒了前人研究經驗的基礎上，首次將經過融合的Argo等多源資料作為水聲模型的初始場。以往對聲波傳播和衰減數值模擬試驗的研究，多是利用海洋環境預報模式的結果作為輸入值，由于模式缺乏客觀、準確的要素初始場，導致實驗結果精準度不高的問題無法解決。本文提出一種新途徑：在Argo實測資料的基礎上，對數據加以融合。由于Argo浮標探測的極限是2000m左右深度，而聲傳播模型需要從海面到海底的聲速數據，為了得到完整的聲速剖面，我們必須要有從海面到海底的溫鹽剖面。本文采用兩部分數據組合導出完整的溫鹽剖面，一部分是Argo次表層的原位數據，另一部分是全球海洋資料同化系統（Global Ocean DataAssim ilation System，GODAS）深層水文氣象數據。利用局部加權散點圖平滑數據，然后采用未加權的線性最小二乘法進行濾波，最后利用平滑樣條法進行曲線擬合得到完整的剖面圖。以Kraken聲學模型計算軟件為基礎，建立海洋聲場數值預報系統，應用該系統進行了海洋聲場數值模擬試驗，對目標海區典型的聲場結構進行了聲線路徑模擬和傳播損失的計算仿真,實驗結果通過與前人進行的實際大洋聲場實驗的結果比較，證實了本文的模擬結果是準確可信的，提高了水聲數值模擬試驗的準確有效性。

2 海洋鋒面模型

2.1 海洋鋒的聲學意義

聲波在海水中傳播時衰減較小，水聲技術被廣泛應用于海洋研究、海洋開發和海洋軍事活動。早在1827年瑞士物理學家Colladon和法國數學家Sturm就在日內瓦湖中測量了水中聲速，其結果1435m/s與后來聲波在可壓縮介質中傳播的相速度1436m/s的理論計算值很接近。

式中：ρ為介質密度，cp、cv為介質的比定壓熱容和比定容熱容，kt為介質的等溫壓縮系數。在海洋中，海水的密度、比熱容及壓縮系數均隨海水的溫度、鹽度和靜壓力（水深）的變化而變化，大致范圍為1450—1540m/s[3]。

由實驗可知，水溫增高，聲速增加；鹽度增大引起密度變大，會使聲速減小，然而鹽度增大的同時引起壓縮系數減小，又會使聲速增大，其總的效應是使聲速增大；靜壓力增加，也會使聲速增加。聲波在淺海中傳播時，除受聲速垂直分布和海面狀況的影響外，還受海底的地質和地貌的影響。聲波在深海中傳播時，主要受聲速垂直分布狀況的影響[1]。

就水聲應用而言，海洋鋒面的定義為：鋒面是海洋中聲傳播模式和傳播損失顯著改變的任何突變面。因此，聲道深度的急劇變化、聲層深度（Sonic Layer Depth，SLD）的差異以及溫度的反轉都表明了鋒面的存在。面對幅員遼闊的海洋，海洋鋒面的存在對聲納探測和潛艇隱蔽起著重要的作用，因此我們研究掌握海洋鋒面對水下聲傳播的影響意義深遠。

2.2 臺灣海峽南部海洋鋒的特點分布

本文主要針對黑潮流經臺灣海峽南部引發的海洋鋒進行建模研究。臺灣海峽是我國近海海洋鋒現象十分顯著的海域，由于多種水系在此交匯，形成復雜的鋒面結構。強烈的季風作用使該處海洋鋒現象呈現顯著的季節差異，變化更趨復雜。尤其海峽南部（臺灣淺灘周圍）是海洋鋒的多發區，海

峽的南北水交換過程十分復雜。圖1給出了海峽南部冬季典型的海表面溫度（Sea Surface Temperature，SST）分布（1992年1月27日），該資料取自美國NOAA AVHRR圖像，經常規定標處理反演為SST影像后，處理為SST等值線圖。由圖1可見，大致以中線為界海峽西部主要受沿岸冷水控制，福建沿岸水溫低于15℃（隆冬時節可達10℃以下，視時段不同而異）；海峽東側則受暖水支配，沿澎湖水道有一股暖水向北運動，其主軸水溫高于20℃。在澎湖以北該暖水舌離開臺灣西岸，其主軸折向西北，然后呈反氣旋狀回轉，向東北延伸至25°N附近（指17℃等溫線）。由于來自北方的沿岸冷水和來自南方的熱帶暖水在海峽交匯，海峽南部出現明顯的溫度鋒。

圖1 1992年1月27日臺灣海峽南部NOAA AVHRR衛星遙感SST分布

2.3 臺灣海峽南部海洋鋒模型

根據上述觀測結論，借鑒海洋鋒三維模型的聲速表達式[9]：

在海洋鋒條件下，球坐標中聲速c(r,θ,φ)受海洋鋒強度、位置及其形態的影響。式中：c0為球坐標系中不存在海洋鋒條件下地球上位置點（r,θ,φ）處的聲速，c′為聲速擾動因子，z0,θ0,φ0分別為地球上海洋環境中海洋鋒中心的深度、緯度和經度，Wz,Wθ,Wφ分別為海洋鋒中心在深度上的半徑、緯度和經度上的半徑。c′控制海洋鋒的強弱，z0,θ0,φ0控制海洋鋒的位置，Wz,Wθ,Wφ控制海洋鋒的形態。因此，通過上式可以求得球坐標系下海洋鋒區任意位置點（r,θ,φ）處的聲速c(r,θ,φ)，把計算得到的聲速值帶入美國海軍研究院和邁阿密大學聯合研制開發的一種水下聲場模型：MMPE模型[10]，再進行聲場傳播仿真模擬的計算。

針對黑潮引起的臺灣海峽南部海洋鋒我們提出用海洋鋒二維模型來描述，其聲速表達式為：

在由黑潮引起的海洋鋒條件下，聲速c(r,θ,φ)受海洋鋒強度、位置及其形態的影響。式中：z0,r0分別為地球上海洋環境中海洋鋒中心的垂直深度位置、水平位置，Wz,Wr分別為海洋鋒中心在垂直深度上的半徑、在水平方向上的半徑。

圖2所示的是Munk型深海聲道在存在海洋鋒條件下的聲速等值線圖，海洋鋒中的聲速擾動因子為0.02，海洋鋒的水平尺度為100 km，垂直尺度為1000 m，中心的水平位置在150 km，海洋鋒中心深度依次是0m(a)、1300m(b)和2000m(c)。

3 海洋鋒面聲傳播特性模擬

3.1 擾動因子對聲傳播影響

聲速擾動因子是刻畫海洋鋒強弱的參數，根據模擬的實際海洋鋒強弱的差異，選擇不同的擾動因子。一般中等強度的海洋鋒的聲速擾動因子是0.05，較弱的海洋鋒是0.02，較強的海洋鋒是0.1。所以我們分別對較弱和較強的海洋鋒對聲傳播的影響進行仿真（見圖3）。海洋鋒的水平尺度為100 km，垂直尺度為1000m，中心的水平位置在150 km，中心深度1000 m。聲源頻率200 Hz，聲源深度是100m，參考聲速c0是1500m/s，仿真試驗海區深度為4000m,接收器最大接收范圍為300 km。海底參

數取：聲速c=1700m/s，密度ρ=2.0×103kg/m3，吸收系數0.0。

圖4是聲波在水中傳播過程中的聲傳播損失圖，在仿真模擬實驗中，暫不比較聲線進入鋒區后傳播損失隨傳播距離的變化（下同）。通過比較可以發現，聲線從進入鋒區開始發生了明顯的偏轉，而且鋒面越強（擾動因子越大）偏轉角度越大，折射的聲線經海面反射后又向下傳播，如此反復，形成了聲道傳播現象。

圖2 Munk型深海聲道在存在海洋鋒條件下的聲速等值線圖

圖5 給出的是深度在1000m上的聲傳播損失圖。水聲在海水中傳播時，常以射線方法定性描述聲波的傳播軌跡，任何輻射形式下，波陣面任一點的法線方向即為波的傳播方向。相鄰波陣面上法線的軌跡即是聲線。它代表波的傳播路徑[8]。聲波在深海遠距離傳播中，不同途徑的聲線會聚形成的聲強度高值區，我們稱之為海洋聲匯聚區。海洋聲匯聚區的存在不利于潛艇實施隱蔽，但有利于聲納遠距離探測目標。

圖3 聲速剖面等值線圖（左圖擾動因子為0.02，右圖擾動因子為0.1）

圖4 聲傳播損失圖（聲源頻率為200Hz）

一般來說，聲波從冷水區向暖水區傳播（對應有鋒）和聲波在冷水區（對應無鋒）傳播比較，傳播損失相差較大，在很多情況下相差10—20 dB,有鋒存在時會聚區距離明顯增大，增大幾千米至十幾千米。從圖5上可以看到強度較弱的海洋鋒即擾動因子小所形成的聲場要比較強的海洋鋒即擾動因子大所形成的聲場的匯聚區距離大，差值在幾十千米左右。在弱鋒面中匯聚區的寬度（以高出最小傳播損失5 dB來測定）比強鋒面中匯聚區的寬度大，最大處可達30 km。因此我們認為強度較弱的海洋鋒的存在更利于聲納遠距離探測目標，更利于建立海上警戒系統；而強度較強的海洋鋒的存在更利于實施隱蔽。

圖5 海洋鋒中心深度在1000m上的聲傳播損失圖（聲源頻率為200Hz）

圖6 聲傳播損失圖（聲源頻率為400Hz）

3.2 聲源頻率對聲傳播影響

在聲源頻率對聲傳播的仿真模擬試驗中，設定聲源頻率由200 Hz提高為400 Hz，其他參數設定如同3.1，并進行聲傳播損失實驗。同3.1模擬試驗中

相同海洋鋒強度（即相同擾動因子）的情形比較（見圖6），圖6的聲線進入鋒區，傳播過程中發生偏轉角度大于圖4，可知聲源頻率越大偏轉角度越大。

圖7 海洋鋒中心深度在1000m上的聲傳播損失圖（聲源頻率為400Hz）

圖8 聲傳播損失圖

圖7是頻率為400 Hz的聲波傳播損失，和圖5比較,傳播損失高于頻率為200Hz的聲波傳播損失，可知傳播損失隨頻率的增高而增大，原因是海水的吸收損失對高頻聲波作用更大。低頻時鋒面對聲傳播的影響要大于高頻時的影響，是由于高頻聲波能量集中，受海洋內部結構擾動變化較小的緣故。

圖9 海洋鋒中心深度在1000m上的聲傳播損失圖

3.3 聲源位置對聲傳播影響模擬分析

在聲源位置對聲傳播的仿真模擬試驗中，設定聲源位置為：位于近海面（50m）、位于鋒面鉛直作用深度下邊界（2000m）以下及位于海底（3500m）這3種情況，其他參數設定如同3.1，并進行聲傳播損失實驗。由圖8、圖9可知，聲源位于近海面的情形時，聲波經海面反射形成了表面波導傳播；聲源位于鋒面鉛直作用深度下邊界以下的情形時，聲波發射后分別向海面和海底方向折射，射向海面的聲波能量大部分被海水吸收，水平傳播距離只有幾十千米。向海底折射的聲波經途中的海水吸收和海底介質的吸收能量衰減的更快，水平傳播距離也只有幾十千米；聲源位于海底的情況時，可以看到從聲源發出的大部分聲波向海底折射，經海底的數次

反射后形成聲道傳播，能傳播很遠，仿佛是對海面的情況的反轉，這一現象的原因從聲速等值線圖的對稱性上不難驗證。

4 小結

本文根據海洋鋒面的特點建立了鋒面模型，運用MMPE水下聲場模型對聲波在海洋鋒面區的傳播規律進行了研究。海洋鋒是溫度的躍變區，即是聲速的躍變區，海洋鋒對聲線的傳播具有強烈的反射、折射作用。通過仿真試驗討論了聲速擾動因子、聲源頻率和聲源位置對聲傳播的影響以及對聲納探測帶來的誤差。通過以上研究，可以得到如下結論：

（1）一般來說，聲波從冷水區向暖水區傳播（對應有鋒）和聲波在冷水區（對應無鋒）傳播比較，傳播損失相差較大，在很多情況下相差10—20 dB；有鋒存在時會聚區距離明顯增大，增大幾千米至十幾千米；強度較弱的海洋鋒即擾動因子小所形成的聲場要比較強的海洋鋒即擾動因子大所形成的聲場的會聚區距離大，差值在幾十千米左右；在弱鋒面中會聚區的寬度（以高出最小傳播損失5 dB來測定）比強鋒面中會聚區的寬度大，最大處可達30 km；

（2）聲傳播損失隨頻率的增高而增大，原因是海水的吸收損失對高頻聲波作用更大；低頻時，海洋鋒面對聲傳播的影響要大于高頻時的影響，是由于高頻聲波能量集中，受海洋內部結構擾動變化較小的緣故；（3）聲源位于近海面形成表面波導傳播；聲源位于鋒面鉛直作用深度下邊界以下時，聲波分別向海面和海底方向折射，水平傳播距離只有幾十千米；聲源位于海底形成與近海面聲道相對稱的海底聲道傳播。

[1]大辭海編輯委員會.大辭海軍事卷[M].上海:辭書出版社,2007: 321.

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[10]艾特.水聲建模與仿真(第三版)[M].蔡志明,譯.北京:電子工業出版社,2005.

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，工程師，從事氣象預報保障工作。E-mail：guotingting565683@163.com

10.11737/j.issn.1003-0239.2015.05.010