全球氣候變化對海洋聲吸收系數的影響研究

劉宗偉,鮑 穎,呂連港,喬方利,宋振亞

(1.國家海洋局第一海洋研究所,山東青島266061; 2.青島海洋科學與技術國家實驗室區域海洋動力學與數值模擬功能實驗室,山東青島266071; 3.海洋環境科學與數值模擬國家海洋局重點實驗室,山東青島266061)

全球氣候變化對海洋聲吸收系數的影響研究

劉宗偉1,2,3,鮑 穎1,2,3,呂連港1,2,3,喬方利1,2,3,宋振亞1,2,3

(1.國家海洋局第一海洋研究所,山東青島266061; 2.青島海洋科學與技術國家實驗室區域海洋動力學與數值模擬功能實驗室,山東青島266071; 3.海洋環境科學與數值模擬國家海洋局重點實驗室,山東青島266061)

基于地球系統模式FIO-ESM(The First Institute of Oceanography-Earth System Model),研究了在最高排放RCP8.5情景下1851—2100年海水溫度、鹽度和酸度的變化規律,綜合考慮三者得到了聲吸收系數的變化規律。FIO-ESM模式輸出結果表明,1851—2100年間大部分區域的海水溫度出現不同程度地上升,海洋酸化現象明顯,北極地區附近的海水鹽度出現較大程度的下降。利用Francaais-Garriso經驗公式計算海洋聲吸收系數發現,如果只考慮酸度對聲吸收系數的影響,聲吸收系數的預報誤差將達到40%以上。綜合計算結果表明,隨著全球氣候變化的演進,全球海洋聲吸收系數出現不同程度的下降,最大可達70%,即未來的海洋對于聲波更加“透明”。

全球氣候變化;聲吸收系數;地球系統模式

除了幾何擴展損失和底質吸收損失外,海水中的聲能衰減主要由海水介質的聲吸收引起。聲吸收系數大小對聲吶的設計和應用具有重要的參考意義,同時也會對海洋中依靠聲波交流和捕食的哺乳動物的行為產生影響。

海水對聲波的吸收主要由2個因素引起,一是海水的切變黏滯效應,另一個是海水中的硫酸鎂和硼酸化學共振效應。這2種效應對聲吸收的貢獻由海水的溫度、鹽度和p H值決定。全球變化引起的海水溫度升高、p H值降低已被觀測證實[1-2]。全球變化導致的海水溫度、鹽度、p H值變化都會影響海水對聲波的吸收。Hester等人首先從全球氣候視角研究了海洋酸化對聲吸收系數的影響[3],其研究結果表明由于CO2溫室氣體的排放導致的海洋酸化,會使海水對10 k Hz以下的聲波吸收明顯降低。通過計算工業革命前至20世紀90年代海洋酸度變化,以及對應的海洋聲吸收系數的變化,發現部分海域低頻聲系數降低了大約15%。隨后,Ilyina借助全球氣候模式研究了1800—2300年全球海洋酸度的變化情況[4],并計算了對應的聲吸收系數,結果表明,到2100年,在某些高緯度地區和深海區域,p H降低可達到0.6單位,100 Hz～10 k Hz的聲吸收系數降低達到60%。Joseph計算了海洋噪聲級對海洋酸化的敏感度[5],計算結果表明由于海洋酸化的影響,在特定的海域,其噪聲級變化不會超過0.21 d B,即認為環境噪聲級對海洋酸化并不敏感。Rouseff在隨后的研究中指出,由于內波的存在,導致海洋酸化對環境噪聲級的影響較預期的要大,原因在于內波重新分配了聲能在各條傳播路徑中的比例,使得聲波在水體中傳播的分量增加[6]。

上述的研究中只考慮了海洋酸度變化對聲吸收系數的影響,但是全球氣候變化導致的海水升溫和鹽度變化同樣會對聲吸收系數產生影響。我們將綜合考慮全球氣候變化中海水溫度、鹽度和酸度對聲吸收的影響,研究未來一段時間內聲吸收系數的變化規律。

(王 燕 編輯)

1 理論模型

1.1 聲吸收系數計算方法

由于海水介質導致的聲強衰減是比較復雜的物理、化學過程,因此直到目前仍然沒有理論公式和實際測量結果吻合的較好。實際應用中常采用經驗公式來計算聲吸收系數。在Francaais-Garriso經驗公式[7]中,總吸收系數=硼酸貢獻+硫酸鎂貢獻+純水貢獻,即

式中,α為聲吸收系數,單位為d B/km;f為聲波頻率,單位為k Hz。

硼酸貢獻對應的系數為

式中,c為聲速(m/s),可由式c=1 412+3.21t+1.19S+0.016 7D近似給出,其中t表示溫度(℃),T=273+t, S表示鹽度,D表示深度(m)。

硫酸鎂貢獻對應的系數為

純水貢獻對應的系數為

該經驗公式的適用范圍為聲波頻率200 Hz～1 MHz,海水深度5 000 m以內。在此范圍內準確度可達到5%以內,范圍外的準確度為10%以內。此準確度對實際的應用以及本工作的分析是足夠的。

1.2 地球系統模式FIO-ESM

國家海洋局第一海洋研究所地球系統模式FIO-ESM(The First Institute of Oceanography-Earth System Model)v1.0[8],是首個耦合海浪模式的地球系統模式,并參加了第5次全球氣候模式比較計劃CMIP5(Coupled Model Inter-comparison Project Phase 5)。FIO-ESM采用NCAR發展的耦合器Coupler 6將大氣模式(CAM3)、陸面模式(CLM3.5)、海冰模式(CICE4)、海洋模式(POP2.0)以及海浪模式(MASNUM)封裝起來;通過非破碎波致混合理論[9-10]實現海浪模式與氣候系統的耦合。FIO-ESM還耦合了全球碳循環過程,包括陸地碳循環(CASA)、海洋碳循環(OCMIP-2)以及CO2在大氣中輸運過程;大氣CO2濃度受陸-氣CO2通量、海氣CO2通量以及人為CO2排放的共同影響,實現完整的全球碳循環過程。氣候物理過程與全球碳循環過程相互作用,共同影響全球氣候變化。FIO-ESM的大氣模式水平分辨率為T42,約為2.875°,垂向分為26層;陸面模式的水平分辨率與大氣相同;海洋模式的水平分辨率經向為1.1°,緯向為0.3°～0.5°,垂向分為40層;海冰模式的水平分辨率與海洋相同;海浪模式的水平分辨率為2°×2°,波向分辨率為30°。

本文采用的數據來自FIO-ESM歷史(1851—2005年)和未來(2006—2100年)高排放情景RCP8.5的CMIP5全球碳循環實驗模擬結果,實驗設計見Taylor等[11]。Qiao等[8]表明,FIO-ESM全球碳循環模式能較好地再現歷史時期的大氣CO2濃度增長、氣溫升高等變化特征。本文采用的海水溫度、鹽度數據為FIOESM海洋模式輸出結果;p H值數據是由FIO-ESM海洋分量模式輸出的溫度、鹽度、堿度、溶解無機碳、磷酸鹽等變量利用海洋碳酸鹽系統模塊mocsy2.0[12]通過模擬海水的碳酸鹽化學過程而計算得出。

2 仿真實驗及結果

2.1 聲吸收系數與水體參數之間的關系

利用1.1節給出的Francaais-Garriso經驗公式,可以得到聲吸收系數隨海水溫度、鹽度和酸度變化情況。為了便于比較各個參數對聲吸收系數的影響情況,設定參考海水的溫度為12℃,鹽度為35,p H值為8.1,深度為0 m。圖1a給出了不同溫度變化情況下聲吸收系數變化百分比。其中,縱坐標為聲吸收系數相對參考海水的差異百分比。4條曲線分別代表升溫Δt為1,2,3和4℃。從圖中可以看出,在80 k Hz以下,隨著溫度的升高,聲吸收系數基本呈下降趨勢。在2.5 k Hz附近,聲吸收系數對溫度的變化不敏感。在100 Hz和20 k Hz附近,聲吸收系數隨溫度升高而減弱最顯著;當溫度升高4℃時,聲吸收系數降低了12%以上。80～700 k Hz聲吸收系數隨溫度的升高而增大,最敏感的頻點在200 k Hz附近。

圖1b給出了不同鹽度變化情況下聲吸收系數變化百分比。其中縱坐標的定義與圖1a一致。由圖可見,1 k Hz是一個明顯的分界點。在1 k Hz以下,鹽度降低,聲吸收系數增加;在1 k Hz以上,聲吸收系數隨著鹽度的降低而降低。在20 k Hz附近,鹽度降低4個單位,聲吸收系數降低接近12%。

圖1 不同溫度、鹽度、p H值變化情況下聲吸收系數變化百分比Fig.1 Variation of percentage in sound absorptivity in seawater under different temperatures,salinities and p Hs

Hester等[1]已經研究了聲吸收系數隨p H值變化規律。為了便于對比,這里仍然給出其變化曲線,其變化曲線如圖1c所示。其中縱坐標的定義與圖1a一致。由圖可以看出,在30 k Hz以下,隨著p H值的降低,聲吸收系數也降低,特別是1 k Hz以下,p H值降低0.6個單位時,聲吸收系數降低了60%。30 k Hz以上聲吸收系數對p H值變化不敏感。

2.2 全球氣候變化中的溫度、鹽度和酸度變化情況

圖2給出了FIO-ESM模擬的1851年和2100年全球海表面及1 000 m水深處的溫度分布,以及溫度變化分布。由圖中可知,1851—2100年表層海水存在一個明顯的溫升效應,在南北半球的中緯度30°～60°范圍內大部分海區升溫達到5℃以上。1 000 m水深處海水溫度總體變化較小,北大西洋地區的海水升溫最為明顯,其原因為大洋翻轉環流在此處下沉,將表層高溫度的海水帶到了深水區。

圖2 溫度分布Fig.2 Changes in the seawater temperature

圖3給出了1851年和2100年全球海表面及1 000 m水深處的鹽度分布,以及鹽度變化分布。從圖中可以看到,相較于1851年、2100年的北極地區表層海水存在一個明顯鹽度降低現象。此變化主要由海冰融化所致。

圖3 鹽度分布Fig.3 Changes in the seawater salinity

圖4 給出了1851年和2100年全球海表面及1 000 m水深處p H值分布,以及p H值變化的分布。從圖中可以看到,相較于1851年,2100年全球存在一個明顯的酸化過程,部分海域表層海水的p H值最大可降低0.6個單位。1 000 m水深處的p H值變化較小。

圖4 p H值分布Fig.4 Changes in the seawater p H

2.3 全球氣候變化中的聲吸收系數變化情況

根據FIO-ESM地球系統模式的溫度、鹽度以及p H值結果,利用Francaais-Garriso經驗公式,經過計算可以得到,1851—2100年間海水聲吸收系數變化情況。本文選取200 Hz,3 k Hz和30 k Hz作為典型頻率計算海洋聲吸收變化趨勢。其中,200 Hz屬于主要的航運噪聲分布頻段,主動聲吶和哺乳動物交流等聲波頻率在3 k Hz附近,哺乳動物捕食信號則使用更高頻率的30 k Hz來代表。聲波頻率200 Hz時,表層海水聲吸收系數變化百分比的分布見圖5a。從圖中可以看到,相對1851年、2100年由于表層海水溫度升高、p H值降低,全球范圍內的表層海水聲吸收系數均出現不同程度的降低,最大可達70%。北半球的中高緯度海域和南半球的中緯度海域聲吸收系數降低程度較大,南極大陸周圍聲吸收系數降低程度較小。通過對比2.2節中的圖2～圖4可知,聲波頻率200 Hz時,聲吸收系數降低程度分布特征主要由p H值變化控制。圖5b給出了聲波頻率3 k Hz時,表層海水聲吸收系數變化取值分布。從圖中可以看出,中低緯度海域的聲吸收系數降低程度較大,這是由溫度、鹽度和p H值變化綜合作用的結果。圖5c給出了聲波頻率30 k Hz時,表層海水聲吸收系數降低取值分布。由圖可知,相較于200 Hz和3 k Hz,大部分海域聲吸收系數降低得較小。

圖5 頻率為200 Hz,3 k Hz和30 k Hz時表層海水聲吸收系數變化百分比Fig.5 The percentage of reduction in sound absorption at 200 Hz,3 k Hz and 30 k Hz in the surface

如果不考慮全球變化導致的海水溫度、鹽度變化對聲吸收系數的影響,而只考慮p H值變化導致的聲吸收系數變化,將會帶來計算誤差,這里定量給出其誤差分布。圖6給出了頻率為200 Hz,3 k Hz和30 k Hz時表層海水只考慮p H值變化帶來的計算誤差。由圖6a可以看出,頻率為200 Hz時,最大計算誤差可達到50%,誤差較大的區域分布在南北半球的中緯度。通過對比2.2節中的結果可知,導致誤差的主要原因為沒有考慮溫度因素。頻率為3 k Hz和30 k Hz時,誤差較大的區域位于北極附近,該誤差主要由沒有考慮鹽度的影響引起。

圖6 頻率為200 Hz,3 k Hz和30 k Hz時只考慮p H值變化導致的表層海水聲吸收系數計算誤差(%)Fig.6 Computational error of the percentage of reduction in sound absorption at 200 Hz,3 k Hz and 30 k Hz at the surface by the change in p H only

由2.2節分析可知,水深1 000 m處,溫度、鹽度和p H值變化較表層小,因此聲吸收系數的變化也比表層小。圖7給出了頻率為200 Hz,3 k Hz和30 k Hz時1 000 m水深處海水的聲吸收系數變化程度分布。由圖可知,相比于表層海水,聲吸收系數降低整體偏小;但是在某些具體海域,例如北大西洋區域和南半球中緯度海域等,聲吸收系數降低仍然可以到30%～40%。

圖7 頻率為200 Hz,3 k Hz和30 k Hz時1000 m深處海水聲吸收系數變化百分比Fig.7 Computational error of the percentage of reduction in sound absorption at 200 Hz,3 k Hz and 30 k Hz at the depth of 1 000 m

選取6個具有代表性的位置點,計算1851—2100年表層海水聲吸收系數的變化情況。這6個位置要么處在航道位置,要么處在全球氣候變化影響較大的地方,是未來需要關注的重點聲學區域。圖8給出了其計算結果。由圖可知,頻率為200 Hz和30 k Hz時,溫度對聲吸收系數起決定性作用:北極和北太平洋區域的聲吸收系數明顯比其他位置大。在3 k Hz,溫度對聲吸收系數的影響不明顯,聲吸收系數主要由酸度和鹽度決定。

圖8 代表性區域聲吸收系數變化情況Fig.8 Temporal evolution of sound absorption coefficient in acoustic hotspots

3 結 語

本文首次綜合考慮了全球氣候變化中海水溫度、鹽度和酸度對聲吸收系數的影響。計算結果表明,如果只考慮海水p H值變化對聲吸收系數的影響,計算偏差將達到40%以上。利用FIO-ESM計算了1851—2100年間聲吸收系數的變化情況。結果表明,在感興趣的區域聲吸收系數均出現不同程度的下降,最大可達50%以上。聲吸收系數的降低將直接增加聲傳播距離,聲吶的作用距離理論上可以得到提高;但是,行船等產生的噪聲傳播距離也更遠,背景噪聲級有可能升高,最終得到的聲吶信噪比是提高還是降低,仍然需要進一步研究。此外,隨著聲吸收系數降低,海洋哺乳動物將更多地暴露在可能的人為噪聲中,依靠聲波來探測食物和交流的海洋哺乳動物有可能得到更大的捕食距離和活動范圍。這些海洋生物的適應性也需要進一步的研究。

[1] BINDOFF N L,WILLEBRAND J,ARTALE V,et al.Observations:oceanic climate change and sea level[C]∥SOLOMON S,QIN D, MANNING M,et al.Climate change 2007:the physical science basis.Cambridge,United Kingdom and New York,NY,USA:Cambridge University Press,2007:386-432.

[2] MEREDITH M P,KING J C.Rapid climate change in the ocean west of the Antarctic Peninsula during the second half of the 20th centu-ry[J].Geophysical Research Letters,2005,32(19):L19604,doi:10.1029/2005GL024042.

[3] HESTER K C,PELTZER E T,KIRKWOOD W J,et al.Unanticipated consequences of ocean acidification:a noisier ocean at lower p H [J].Geophysical Research Letters,2008,35(19):L19601,doi:10.1029/2008GL034913.

[4] ILYINA T,ZEEBE R E,BREWER P G.Future ocean increasingly transparent to low-frequency sound owing to carbon dioxide emissions [J].Nature Geoscience,2010,3(1):18-22.

[5] JOSEPH J E,CHIU C S.A computational assessment of the sensitivity of ambient noise level to ocean acidification[J].The Journal of the Acoustical Society of America,2010,128(3):EL144-EL149.

[6] ROUSEFF D,TANG D.Internal waves as a proposed mechanism for increasing ambient noise in an increasingly acidic ocean[J].The Journal of the Acoustical Society of America,2010,127(6):EL235-EL239.

[7] FRANCOIS R E,GARRISON G R.Sound absorption based on ocean measurements.Part II:Boric acid contribution and equation for total absorption[J].The Journal of the Acoustical Society of America,1982,72(6):1879-1890.

[8] QIAO F L,SONG Z Y,BAO Y,et al.Development and evaluation of an Earth System Model with surface gravity waves[J].Journal of Geophysical Research:Oceans,2013,118(9):4514-4524.

[9] QIAO F L,YUAN Y L,YANG Y Z,et al.Wave-induced mixing in the upper ocean:distribution and application to a global ocean circulation model[J].Geophysical Research Letters,2004,31(11):L11303,doi:10.1029/2004GL019824.

[10] QIAO F L,YUAN Y L,EZER T,et al.A three-dimensional surface wave-ocean circulation coupled model and its initial testing[J]. Ocean Dynamics,2010,60(5):1339-1355.

[11] TAYLOR K E,STOUFFER R J,MEEHL G A.An overview of CMIP5 and the experiment design[J].Bulletin of the American Meteorological Society,2012,93(4):485-498.

[12] ORR J C,EPITALON J M.Improved routines to model the ocean carbonate system:mocsy 2.0[J].Geoscientific Model Development, 2015,8(3):485-499.

The Effect of Global Climate Change on Ocean Sound Absorption

LIU Zong-wei1,2,3,BAO Ying1,2,3,LüLian-gang1,2,3,QIAO Fang-li1,2,3,SONG Zhen-ya1,2,3(1.The First Institute of Oceanography,SOA,Qingdao 266061,China; 2.Laboratory for Regional Oceanography and Numerical Modeling,Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology,Qingdao 266071,China; 3.Key Lab of Marine Science and Numerical Modeling,SOA,Qingdao 266061,China)

The temperature,salinity and p H are the three key parameters that influence the sea water absorption of sound.The variations of these three parameters in the years 1851—2100 are studied based on the First Institute of Oceanography-Earth System Model(FIO-ESM)under the highest emission condition,RCP8.5.These three parameters are considered together to evaluate the evolvement of the oceanic sound absorption.The results from the FIO-ESM show that the temperates undergo increases in various degrees for the most parts of the ocean from 1851 to 2100.Ocean acidification is significant.The salinity near the Arctic is reduced dramatically.The simulation results show that there will be a 40%relative error in the prediction if only the effect of the acidity is considered.The results also show that the sound absorption of the global ocean is reduced in various degrees,with some area decreasing as much as 70%,as the global climate change develops.

global climate change;oceanic sound absorption;Earth System Model

May 10,2016

P733.2

A

1671-6647(2017)02-0210-11

10.3969/j.issn.1671-6647.2017.02.006

2016-05-10

國家自然科學基金委員會-山東省人民政府聯合資助海洋科學研究中心項目——海洋環境動力學和數值模擬(U1606405);中央級公益性科研院所基本科研業務費專項資金資助項目——區域海洋聲學預報中不確定性的傳遞與度量(2015G03)

劉宗偉(1986-),男,山東單縣人,助理研究員,博士,主要從事海洋聲學方面研究.E-mail:liuzongwei@fio.org.cn