吳雙林 李整林 秦繼興 王夢(mèng)圓 董凡辰

1) (中國科學(xué)院聲學(xué)研究所，聲場(chǎng)聲信息國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190)

2) (中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100190)

3) (中山大學(xué)海洋工程與技術(shù)學(xué)院，珠海 519000)

1 引言

海洋聲學(xué)主要研究海洋與聲波之間的相互作用，探索以海面波浪、海水非均勻性以及海底結(jié)構(gòu)為代表的海洋環(huán)境在時(shí)空變化方面對(duì)聲場(chǎng)作用的規(guī)律[1].海洋內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，從大尺度的大洋環(huán)流，到中尺度的渦旋、海洋鋒面、潮汐和內(nèi)波，以至小尺度的湍流和氣泡等過程[2]，這些海洋內(nèi)部結(jié)構(gòu)的時(shí)空變化，均會(huì)引起海水聲速的隨機(jī)非均勻性，從而造成聲場(chǎng)起伏變化[3]、傳播損失異常[4，5]、聲場(chǎng)時(shí)空相關(guān)性下降[6-7]、會(huì)聚區(qū)位置改變等[8-10].海水聲速的非均勻變化會(huì)影響水下目標(biāo)聲學(xué)探測(cè)、識(shí)別、通信和海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)等性能.譬如，非線性內(nèi)波導(dǎo)致聲傳播路徑上海水聲速劇烈波動(dòng)，引起聲傳播損失異常，從而可能導(dǎo)致聲納探測(cè)和水聲通信的作用距離降低;湍流和線性內(nèi)波下聲信道傳輸函數(shù)的隨機(jī)性會(huì)使得信號(hào)在水聽器陣列上的空間相關(guān)性快速下降，從而引起波束形成空間分辨率和陣增益的降低;中尺度暖渦會(huì)導(dǎo)致深海會(huì)聚區(qū)距離變大，這會(huì)對(duì)遠(yuǎn)距離聲源定位和水聲通信產(chǎn)生顯著影響;印度洋熱帶偶極子(Indian Ocean dipole，IOD)是年紀(jì)時(shí)間尺度上熱帶印度洋海表溫度的東西向偶極子模態(tài)，具體表現(xiàn)為蘇門答臘附近海域和西印度洋海表溫度異常的現(xiàn)象.有研究表明該現(xiàn)象是由印度洋內(nèi)部的海氣相互作用產(chǎn)生的東西熱帶印度洋反相的海溫異常，IOD 事件常發(fā)生于夏秋季節(jié)，春冬兩季減弱[11].所以，水體起伏引起海水聲速非均勻變化，導(dǎo)致聲場(chǎng)時(shí)空特性改變，這是海洋聲學(xué)領(lǐng)域一個(gè)重要的研究課題.印度洋熱帶偶極子現(xiàn)象作為一種物理海洋過程，由于內(nèi)部的海氣相互作用影響著海水溫度，造成水體聲速的起伏變化對(duì)聲傳播有著重要影響;同時(shí)印度洋海域作為海上運(yùn)輸?shù)闹匾煌ê降谰哂兄匾膽?zhàn)略意義，我國對(duì)該海域的水下聲場(chǎng)特性研究相對(duì)較少，特別對(duì)水體起伏環(huán)境下的聲學(xué)規(guī)律掌握還不夠充分.

海洋中水體起伏對(duì)聲場(chǎng)影響的研究主要從20 世紀(jì)70 年代末到80 年代開始，起初研究人員主要利用射線幾何聲學(xué)方法對(duì)內(nèi)波、鋒面、海洋中尺度等現(xiàn)象開展研究，如Weinberg[12]用射線方法計(jì)算了渦旋影響下水平折射效應(yīng).Mellerg 等[13]提出使用海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)與有限差分模型建立中尺度渦條件下的聲場(chǎng)參數(shù)，對(duì)冷渦和暖渦旋影響下的聲傳播特點(diǎn)進(jìn)行了深入分析，指出當(dāng)聲源在渦旋中的位置移動(dòng)時(shí)，會(huì)聚區(qū)距離和會(huì)聚區(qū)能量隨之發(fā)生顯著變化.Heaney 等[14]使用海洋預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)庫ECCO2結(jié)合三維拋物方程模型研究了中尺度現(xiàn)象對(duì)全球海域的低頻聲傳播影響，發(fā)現(xiàn)中尺度現(xiàn)象能導(dǎo)致1.8°的水平偏轉(zhuǎn).在內(nèi)波引起的聲場(chǎng)起伏研究方面，Georges 等[15]利用新澤西海域獲取的SW06實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)值模擬研究了淺海環(huán)境下非線性內(nèi)波引起的聲場(chǎng)起伏，結(jié)果表明收發(fā)路徑和孤立子內(nèi)波波陣面之間小角度的偏差(±5°以內(nèi))會(huì)造成不可忽視的聲場(chǎng)起伏變化.海洋聲信道傳遞函數(shù)的隨機(jī)性在實(shí)驗(yàn)中得到多次證實(shí)[16-17]，Dyson[18]分析了從伊柳塞拉島到百慕大海域的聲傳播數(shù)據(jù)，在26天的實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，聲強(qiáng)變化范圍在20 dB 以上，接收信號(hào)的相位同樣存在隨機(jī)起伏.

我國早期的海洋學(xué)與水聲學(xué)研究聯(lián)系不緊密，影響了學(xué)科之間的交叉融合.在海洋水體起伏對(duì)聲場(chǎng)的影響方面，大多數(shù)研究集中在淺海海域，研究者們分析不同起伏環(huán)境下的聲強(qiáng)、相位、到達(dá)時(shí)間、聲場(chǎng)時(shí)空相關(guān)性以及散射聲強(qiáng)角度分布等聲場(chǎng)統(tǒng)計(jì)特征量，解釋了相關(guān)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.張青青等[19-20]統(tǒng)計(jì)分析了南海北部淺海有內(nèi)波經(jīng)過時(shí)的聲強(qiáng)起伏及其統(tǒng)計(jì)特性.在深海中尺度渦研究方面，劉清宇[21]使用實(shí)際觀測(cè)的溫鹽資料研究了中尺度渦影響下的聲速場(chǎng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并分析了存在中尺度渦條件下的深海信道效應(yīng)，指出中尺度渦會(huì)導(dǎo)致深海表面聲道的出現(xiàn)或消失.Cheng 等[22]使用ARGO 浮標(biāo)數(shù)據(jù)從表面波導(dǎo)聲傳播的角度揭示了渦旋對(duì)聲傳播的影響機(jī)理.肖瑤等[23]利用遙感數(shù)據(jù)與全球再分析數(shù)據(jù)，分析了南海北部和墨西哥灣中尺度渦旋的參數(shù)特征和分布情況，并分析了中尺度渦旋對(duì)聲場(chǎng)的影響效應(yīng)，得出了在暖渦環(huán)境下深海會(huì)聚區(qū)會(huì)向聲源方向移動(dòng)的結(jié)論.但是，上述研究均基于聲場(chǎng)模型數(shù)值分析，還未見有實(shí)驗(yàn)結(jié)果報(bào)道.由海氣相互作用引起的印度洋偶極子事件導(dǎo)致的水體起伏對(duì)聲場(chǎng)的影響的研究在水聲學(xué)領(lǐng)域基本屬于空白狀態(tài).

本文利用2019 年8 月東印度洋深海實(shí)驗(yàn)獲取的聲學(xué)和同步水文數(shù)據(jù)，重點(diǎn)研究了印度洋熱帶偶極子引起的水體躍層起伏對(duì)深海會(huì)聚區(qū)的影響，并利用經(jīng)典射線理論解釋了水體起伏海洋環(huán)境下聲傳播實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象以及形成這種現(xiàn)象的原因機(jī)理.

2 印度洋深海聲傳播實(shí)驗(yàn)介紹

我國對(duì)印度洋海域開展的聲學(xué)實(shí)驗(yàn)相關(guān)研究較少，2019 年8 月，聲場(chǎng)聲信息國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在東印度洋海域進(jìn)行了一次深海聲傳播實(shí)驗(yàn)，其主要內(nèi)容之一是研究深海復(fù)雜環(huán)境下的聲傳播特性.實(shí)驗(yàn)中采用拖曳聲源發(fā)射聲信號(hào)，以獲得隨距離精細(xì)變化的聲傳播數(shù)據(jù)[24-28].海上實(shí)驗(yàn)示意圖見圖1，采用實(shí)驗(yàn)船結(jié)合深海聲學(xué)潛標(biāo)垂直接收陣(VLA)的方式進(jìn)行，其中接收潛標(biāo)系統(tǒng)由23 個(gè)自容式水聲記錄器(USR)組成，USR 以非等間距方式布放在86—4130 m 深度范圍內(nèi)，基本上覆蓋了大部分水體.接收靈敏度為 —170 dB，接收信號(hào)的采樣率為16 kHz.“實(shí)驗(yàn)1 號(hào)”科考船以4 節(jié)航速勻速拖曳發(fā)射換能器，使得拖曳發(fā)射聲源相對(duì)穩(wěn)定在120 m深度左右發(fā)射聲信號(hào)，實(shí)際深度隨海水流速及船速變化，通過拖曳聲源上的深度傳感器進(jìn)行校準(zhǔn).拖曳聲源是間隔發(fā)射長(zhǎng)度為20 s，頻率范圍250—350 Hz 的雙曲調(diào)頻(HFM)信號(hào)，發(fā)射重復(fù)間隔如圖2 所示.“實(shí)驗(yàn)1 號(hào)”由近及遠(yuǎn)駛離VLA，拖曳聲傳播最遠(yuǎn)距離182 km，傳播路徑上的海深變化如圖3 中的藍(lán)色實(shí)線所示.可見，海底較為平坦，平均海深約為4170 m.在潛標(biāo)垂直接收陣處測(cè)量的海水聲速剖面(SSP)由圖3 中紅色實(shí)線給出.圖3 中黑色圓實(shí)點(diǎn)表示接收陣23 個(gè)水聽器布放深度，虛線給出海底聲速的共軛深度.該海域的最小聲速值為1495 m/s，聲道軸大約在1400 m 深度處，聲道軸深度附近聲速變化緩慢，聲道軸層“較厚”，與南海及西太平洋海域測(cè)量的聲速剖面相比差異明顯[29-30].海面處海水聲速為1544 m/s，大于海底附近的海水聲速(1528 m/s)，為典型的深海不完全聲道.由接收潛標(biāo)布放位置處聲速剖面可以看出，海底聲速的共軛深度在115 m，與實(shí)驗(yàn)中拖曳聲源的深度較為接近.

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備布放示意圖Fig.1.The configuration of the experiment.

圖2 拖曳換能器發(fā)射信號(hào)間隔示意圖Fig.2.The cycle of the source signals from a towed transducer.

圖3 聲傳播測(cè)線上的海底地形和潛標(biāo)垂直陣處海水聲速剖面Fig.3.The bathymetry along the propagation track and sound speed profile (SSP) at the VLA.

由于發(fā)射的信號(hào)形式和參數(shù)已知，在使用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算傳播損失(TL)時(shí)，為了提高接收信號(hào)的信噪比(SNR)，先對(duì)其進(jìn)行脈沖壓縮處理.假設(shè)拖曳聲源發(fā)射的信號(hào)為s(t)，則水聽器上接收到的信號(hào)可表示為

其 中，S(ω) 為發(fā)射信號(hào)s(t) 的頻譜，P(r，z;ω) 為S(ω) 在海洋環(huán)境中從聲源到接收器的傳輸函數(shù)，該函數(shù)與海洋環(huán)境場(chǎng)有關(guān).為了提高信噪比，對(duì)水聽器上接收的聲信號(hào)進(jìn)行脈沖壓縮得:

再對(duì)sc(t) 作傅里葉變換得到頻譜Xi，將Xi在中心頻率f0=300 Hz 的實(shí)驗(yàn)發(fā)射信號(hào)帶寬內(nèi)(100 Hz)取平均，得到接收聲信號(hào)的平均能量為

其中，f0為發(fā)射信號(hào)的中心頻率，F(xiàn)s為采樣率，f1和f2為發(fā)射信號(hào)頻率的上下限，nf1和nf2分別為頻率上下限對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)數(shù)，則實(shí)驗(yàn)接收聲信號(hào)的傳播損失(TL)為

其中，SL(f0) 為發(fā)射換能器聲源級(jí)，由收發(fā)距離較近的聲源級(jí)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)獲取，Mv為潛標(biāo)垂直陣上接收水聽器的靈敏度，Ec為根據(jù)確知的發(fā)射聲源信號(hào)計(jì)算得到的脈沖壓縮匹配濾波增益.為了確定發(fā)射換能器聲源級(jí)SL(f0)，實(shí)驗(yàn)期間還對(duì)發(fā)射換能器聲源級(jí)進(jìn)行了標(biāo)定.經(jīng)過聲源級(jí)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的處理，得到拖曳發(fā)射換能器在發(fā)射頻率帶寬范圍內(nèi)的聲源級(jí)為192 dB.

對(duì)實(shí)驗(yàn)中VLA 上不同深度USR 記錄的聲傳播數(shù)據(jù)，經(jīng)脈沖壓縮處理及聲傳播損失計(jì)算，得到傳播路徑上隨深度和距離的傳播損失如圖4 所示.從圖中可以看到，在距離小于60 km 的第1 影區(qū)內(nèi)傳播損失較小，第1 會(huì)聚區(qū)結(jié)構(gòu)不明顯，之后的第2 會(huì)聚區(qū)沒有形成，而在180 km 附近形成了較為明顯的第3 會(huì)聚區(qū)結(jié)構(gòu).

圖4 中心頻率300 Hz 的聲傳播損失實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.4.Experimental TLs along the sound propagation track at the central frequency of 300 Hz.

3 印度洋深海聲傳播實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析

由于拖曳聲源的深度恰好處于圖3 聲速變化大的位置，所以實(shí)驗(yàn)船對(duì)水航速變化引起的拖曳聲源深度起伏，以及海洋中尺度現(xiàn)象引起的溫躍層起伏，對(duì)聲傳播特性都會(huì)產(chǎn)生明顯影響，這里分別分析兩者對(duì)深海會(huì)聚區(qū)的影響.

3.1 聲源深度起伏對(duì)會(huì)聚區(qū)形成與否的影響

為了分析圖4 所示的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，使用拋物方程聲場(chǎng)近似模型RAM-PE[31]結(jié)合實(shí)驗(yàn)的海洋環(huán)境計(jì)算聲傳播損失.首先，只考慮聲速剖面水平不變情況，利用實(shí)驗(yàn)潛標(biāo)處測(cè)量的聲速剖面和實(shí)測(cè)海深數(shù)據(jù)計(jì)算得到201 m 和1606 m 兩個(gè)典型接收深度上的傳播損失值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖5 所示.其中，模型計(jì)算時(shí)的聲源中心頻率和帶寬與實(shí)驗(yàn)發(fā)射信號(hào)相同，頻率間隔10 Hz，頻點(diǎn)數(shù)為11.選取兩層海底模型，其中沉積層厚度為10 m，沉積層聲速和密度分別選為1560 m/s 和1.6 g/cm3，無限大基底的聲速取1650 m/s，密度為1.8 g/cm3，沉積層和基底的衰減系數(shù)均取0.15 d B/λ.根據(jù)互易原理，計(jì)算時(shí)將聲源置于0 km 距離VLA 上接收水聽器所在深度，接收深度使用拖曳聲源設(shè)定的工作120 m 深度.

由圖5 可以看出，兩個(gè)接收深度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中聲波經(jīng)過了一段距離的傳播，在第1 會(huì)聚區(qū)附近的傳播損失與第3 會(huì)聚區(qū)的傳播損失相近或更大，兩個(gè)接收深度的數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)的傳播損失值在60 km 和120 km 距離范圍上均存在較大差異，實(shí)驗(yàn)結(jié)果在第1、第2 會(huì)聚區(qū)的能量會(huì)聚現(xiàn)象不明顯，而模型計(jì)算的傳播損失均存在明顯的會(huì)聚區(qū)，傳播損失在會(huì)聚區(qū)距離范圍內(nèi)差別較大，而且第3 會(huì)聚區(qū)位置也存在一定差異.根據(jù)聲傳播理論，聲能量會(huì)限制在深海聲道中傳播，對(duì)于同一個(gè)深度處，不同會(huì)聚區(qū)同時(shí)形成或消失.對(duì)于聲速剖面水平不變的海洋環(huán)境，聲源深度會(huì)影響會(huì)聚區(qū)的形成，聲源較淺時(shí)由于沒有深度余量，不會(huì)形成會(huì)聚區(qū).隨著聲源深度增大，會(huì)引起深度余量出現(xiàn)，進(jìn)而形成會(huì)聚區(qū)[32-33].對(duì)于圖3 所示的印度洋特殊水文環(huán)境條件，4170 m 接近海底深度處的海水聲速和拖曳聲源深度處的聲速近似，聲源深度的變化可能會(huì)影響會(huì)聚區(qū)的形成.因此，首先考慮實(shí)驗(yàn)中聲源深度變化引起的會(huì)聚區(qū)“消失”.

圖5 聲源深度120 m 時(shí)模型計(jì)算的傳播損失與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較 (a)接收深度201 m;(b)接收深度1606 mFig.5.Comparison of the experimental and the numerical TLs where the source depth is 120 m at the two different receiver depths:(a) 201 m;(b) 1606 m.

為了解釋圖4 和圖5 中實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的第1、第2 會(huì)聚區(qū)“消失”的現(xiàn)象，根據(jù)拖曳發(fā)射換能器上的溫深傳感器(TD)記錄的不同距離時(shí)聲源深度變化(圖6)分析聲場(chǎng).

對(duì)于較小的聲源深度變化，文獻(xiàn)[27，28]中一般作深度平均處理，處理結(jié)果不影響理論分析和數(shù)值仿真.但對(duì)圖6 所示的聲源深度變化較大，比如在135 km 處，發(fā)射換能器深度增加超過10 m，這對(duì)聲傳播的影響就不能忽略.圖6 的聲源深度數(shù)據(jù)進(jìn)行分段平均，結(jié)果如圖6 中水平黑色實(shí)線所示，在0—50 km 平均聲源深度為122 m，50—100 km平均聲源深度為118 m，100—135 km 平均聲源深度為115 m，135—182 km 平均聲源深度為125 m.使用分段平均的聲源深度計(jì)算的聲傳播損失隨距離變化曲線由圖7 給出.與圖5 中聲源深度保持120 m 不變條件下的傳播損失相比，可以看到使用近似實(shí)際的聲源深度計(jì)算的第1 和第2 會(huì)聚區(qū)傳播損失與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致.說明這種情況下聲源深度對(duì)會(huì)聚區(qū)形成與否具有重要影響，對(duì)探測(cè)聲納及通信聲納在不完全深海聲道中應(yīng)用時(shí)需要特別注意.

圖6 拖曳聲源上溫深傳感器記錄的聲源深度及其所在深度海水溫度隨距離變化Fig.6.The measured sound depth and temperature by TD on towed transducer along the track during the experiment.

圖7 聲源深度分段變化條件下模型計(jì)算的傳播損失與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較 (a)接收深度201 m;(b) 接收深度1606 mFig.7.Comparison of the experimental and the numerical TLs where the source depth is segmented at the two different receiver depths:(a) 201 m;(b) 1606 m.

但是，從圖7 可以看出，兩個(gè)不同接收深度處實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的第3 會(huì)聚區(qū)距離均比模型計(jì)算的結(jié)果提前2—3 km，也就是說第3 會(huì)聚區(qū)的位置出現(xiàn)了偏差.一般地，當(dāng)接收深度變大，會(huì)聚區(qū)距離會(huì)逐漸減小.然而根據(jù)聲場(chǎng)理論分析，即使接收深度變化30 m，也不能導(dǎo)致第3 會(huì)聚區(qū)位置偏差2—3 km.因此，拖曳聲源深度變深，并不是第3 會(huì)聚區(qū)提前的原因，其中必然有其他原因，將在下一節(jié)里分析.

3.2 印度洋熱帶偶極子對(duì)會(huì)聚區(qū)位置的影響

為進(jìn)一步解釋第3 會(huì)聚區(qū)位置偏差的原因，我們利用聲傳播路徑上每間隔10 km 投放的拋棄式溫度探頭(XBT)數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的水文數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析.使用烏德經(jīng)驗(yàn)公式將測(cè)量的海水溫度轉(zhuǎn)化聲速[34]:

其中，T為海水溫度，S為海水鹽度，P為海水靜壓力，這3 個(gè)參數(shù)都是深度的函數(shù).隨距離變化的海水溫度T由不同距離上的XBT 數(shù)據(jù)測(cè)量得到;海水的鹽度S對(duì)聲速的影響較小且相對(duì)較為穩(wěn)定，由潛標(biāo)點(diǎn)投放的XCTD 測(cè)量的鹽度得到;海水靜壓力P與海水深度有已知的對(duì)應(yīng)關(guān)系.由760 m以淺XBT 測(cè)量溫度剖面計(jì)算聲速剖面，由于大洋深層處的海水聲速比較穩(wěn)定，隨距離變化不大，760 m 以深的數(shù)據(jù)利用接收點(diǎn)測(cè)量的CTD 聲速數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，得到試驗(yàn)期間測(cè)線全海深聲速剖面隨距離變化如圖8(a)所示.由于200 m 以淺的海水聲速存在較大起伏變化，選取50—180 m 深度上的聲速數(shù)據(jù)由圖8(b)給出，同時(shí)將拖曳發(fā)射聲源深度隨距離的變化用黑色實(shí)線顯示.從圖8(b)可見，海水聲速剖面隨距離變化，特別是120 km 附近處水體的聲速有較大的起伏變化.

圖8 實(shí)驗(yàn)期間測(cè)量的海水聲速剖面隨距離深度變化 (a) 全海深范圍;(b)深度范圍50—180 mFig.8.The measured sound speed profile along the track during the experiment:(a) For almost total depth;(b) 50—180 m.

通過閱讀相關(guān)文獻(xiàn)資料[11，35]，以及分析實(shí)驗(yàn)海域的水文氣象同化數(shù)據(jù)及AVISO 數(shù)據(jù)中心的衛(wèi)星SLA 數(shù)據(jù)，得知在靠近赤道蘇門答臘島西部海域7—9 月份會(huì)受IOD 事件影響，存在一個(gè)急流區(qū).同時(shí)，相關(guān)資料報(bào)道顯示2019 年東印度洋海域發(fā)生了一次較強(qiáng)的偶極子現(xiàn)象，從發(fā)生的東印度洋偶極子發(fā)生的時(shí)間(夏季最盛)和位置(蘇門答臘沿岸海域)和實(shí)驗(yàn)時(shí)間區(qū)域吻合，本次實(shí)驗(yàn)恰好在這個(gè)海區(qū)，實(shí)驗(yàn)期間的水文環(huán)境會(huì)受到IOD 事件影響.圖9(a)所示為實(shí)驗(yàn)區(qū)域在7 月份的海水表面歷史平均溫度分布，圖9(b)為調(diào)查海區(qū)2019 年8 月8 日測(cè)線(圖中黑色實(shí)線所示)附近的海水表面溫度的分布，可以看出在聲傳播測(cè)線上，海表溫度受到了IOD 的影響，在赤道附近形成了一個(gè)海面高溫環(huán)帶，而且環(huán)帶在靠近陸地附近海表溫度更高，海洋模式同化數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)期間XBT 測(cè)量的760 m以淺海水溫度數(shù)據(jù)觀測(cè)到的現(xiàn)象一致.圖9(c)給出了測(cè)線投放的XBT 實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)與平均值之間的聲速差值圖，可以看出在聲傳播路徑距離接收潛標(biāo)120 km 處存在較為明顯的暖水團(tuán)，從該暖水團(tuán)的發(fā)生位置和影響尺度上看，受到東印度洋偶極子的影響明顯.圖9(d)為CMEMS 數(shù)據(jù)庫中調(diào)查海區(qū)2019 年8 月8 日海表面波高數(shù)據(jù)，圖中黑色實(shí)線為聲傳播路徑，可以看到在傳播后半段海面波高與周圍波高存在明顯差異，也表現(xiàn)出了聲傳播路徑上受IOD 事件影響的證據(jù).圖9 物理海洋及海面遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)均證實(shí)了在聲傳播路徑上存在水文的起伏變化，由于IOD 事件的影響會(huì)引起水文的起伏.

圖9 實(shí)驗(yàn)期間調(diào)查海區(qū)測(cè)線溫度及海面波高數(shù)據(jù) (a) 實(shí)驗(yàn)海區(qū)夏季月平均海表溫度數(shù)據(jù);(b) 實(shí)驗(yàn)海區(qū)聲傳播測(cè)線實(shí)驗(yàn)當(dāng)天的平均海表溫度數(shù)據(jù);(c) XBT 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與平均值聲速差;(d)實(shí)驗(yàn)海區(qū)聲傳播實(shí)驗(yàn)當(dāng)天的海表高度遙感數(shù)據(jù)Fig.9.The sea surface temperature (SST) and sea surface wave height during the experiment:(a) Monthly SST data in summer;(b) SST data during the experiment;(c) the difference of sound velocity between XBT measured and average value;(d) sea surface wave height during the experiment from remote sensing in CMEMS database.

從共軛深度來看，聲源深度處溫躍層的起伏變化會(huì)引起共軛深度的變化，導(dǎo)致會(huì)聚區(qū)的形成和消失，同時(shí)其會(huì)改變聲線在這些起伏深度處的折射角度，進(jìn)而影響深海聲傳播的會(huì)聚特性.考慮聲速剖面的水平變化的情況時(shí)，在完成該聲傳播測(cè)線相對(duì)較短的時(shí)間周期內(nèi)，暖水團(tuán)的移動(dòng)速度慢，在測(cè)量時(shí)間內(nèi)，海水聲速在深度范圍上的變化很小，因此可以采用不同時(shí)間上不同距離上的XBT 測(cè)量的聲速結(jié)果來反應(yīng)聲速剖面水平變化情況，同時(shí)結(jié)合上一節(jié)中聲源深度分段平均處理的方法，使用RAMPE 模型計(jì)算得到潛標(biāo)深度上的二維聲場(chǎng)分布如圖10 所示.圖10 中的傳播損失結(jié)果整體上與圖4中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好，第1 會(huì)聚區(qū)距離以內(nèi)的聲傳播損失較小，第2 會(huì)聚區(qū)消失，形成了第3 會(huì)聚區(qū).

圖10 模型計(jì)算的水平變化聲速環(huán)境下的聲傳播損失，中心頻率300 HzFig.10.Numerical TLs from RAM-PE model in the rangedependent environment at the central frequency of 300 Hz.

圖11 分別給出了201 m 和1606 m 兩個(gè)接收深度上的傳播損失實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模型計(jì)算結(jié)果比較，可以看到在會(huì)聚區(qū)的有無及第3 會(huì)聚區(qū)位置等都符合較好.同時(shí)，結(jié)合圖7 水平不變聲速剖面時(shí)的理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，圖11 結(jié)果表明了在120 km距離處的水體起伏，是第3 會(huì)聚區(qū)位置產(chǎn)生偏移的主要原因，這種溫躍層水文起伏影響會(huì)使得會(huì)聚區(qū)位置向靠近聲源方向偏移2—3 km.

圖11 水平變化環(huán)境下模型計(jì)算傳播損失與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較 (a) 接收深度201 m;(b) 接收深度1606 mFig.11.Comparison of the experimental and the numerical TLs in segmented source depth and range-dependent environment at the two different receiver depths:(a) 201 m;(b)1606 m.

4 印度洋熱帶偶極子對(duì)深海聲傳播影響機(jī)理

通過3.2 節(jié)的實(shí)驗(yàn)和模型數(shù)值分析，可以看出IOD 引起的水文起伏，對(duì)深海會(huì)聚區(qū)的形成及位置偏移產(chǎn)生影響.為了進(jìn)一步解釋其對(duì)深海會(huì)聚區(qū)的影響，這里采用互易方法，以接收深度201 m 作為聲源深度，計(jì)算得到300 Hz 時(shí)的聲場(chǎng)如圖12 所示，其中圖12(a)為所有深度傳播損失結(jié)果，圖12(b)為50—200 m 深度放大圖，其中黑色實(shí)線標(biāo)出了分段平均的拖曳聲源深度.可以看出由于IOD 的存在，本應(yīng)該出現(xiàn)第2 會(huì)聚區(qū)的位置處，經(jīng)過深層海水反轉(zhuǎn)到達(dá)高聲速的暖水團(tuán)的反轉(zhuǎn)作用使得會(huì)聚深度變深，在較淺的深度上會(huì)聚區(qū)沒有形成.這也是201 m 接收深度上第1 會(huì)聚區(qū)形成不明顯、第2 會(huì)聚區(qū)基本沒有形成的原因之一.因?yàn)樵诘?、第2 會(huì)聚區(qū)位置海水溫度較高，聲源深度處聲速大于海底處的海水聲速，沒有深度余量，就不能夠在該位置處形成深海反轉(zhuǎn)會(huì)聚區(qū).

圖12 聲源深度201 m 時(shí)的二維聲傳播損失 (a) 全海深范圍;(b) 深度范圍50—200 mFig.12.Numerical TLs results from RAM-PE model at the source depth of 201 m:(a) For almost total depth;(b) 50—200 m.

為了進(jìn)一步分析IOD 引起的水體起伏變化對(duì)深海會(huì)聚區(qū)的影響機(jī)理，本文利用Bellhop 射線模型[36]分析聲線的角度，以解釋實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的第三個(gè)會(huì)聚區(qū)偏移的現(xiàn)象.在數(shù)值仿真中，選擇120 m 平均聲源深度進(jìn)行分析.當(dāng)聲線在海底處掠射角為0°時(shí)，剛好不與海底發(fā)生接觸，此時(shí)該聲線發(fā)生反轉(zhuǎn)后在海面附近形成會(huì)聚區(qū)，根據(jù)Snell 定理，此時(shí)該聲線在聲源處的發(fā)射角度為

其中，c(zs) 為 聲源深度處的海水聲速，c(D) 為海底深度處海水聲速.離開聲源的聲線如果要在聲道內(nèi)傳播，不與海底作用，從而形成深海會(huì)聚區(qū)，其掠射角滿足條件:

根據(jù)接收潛標(biāo)位置處測(cè)量的聲速剖面，以接收為201 m，聲源平均深度120 m 為例進(jìn)行說明.根據(jù)聲場(chǎng)互易原理，zs=201 m，要形成深海會(huì)聚區(qū)，其聲源出射的角度應(yīng)滿足條件:

即小于±10°的出射聲線能夠在接觸海底之前反轉(zhuǎn)并在海面附近形成反轉(zhuǎn)會(huì)聚區(qū).同理，要使得到達(dá)接收處的0°聲線到達(dá)聲速更大的海表面處則需要更大的聲源出射角度，反轉(zhuǎn)聲線到120 m 接收深度以及更淺的處，其聲源出射的角度滿足條件:

即大于±7°掠射角度的聲源出射聲線能夠達(dá)到120 m 及以淺的海面處，也就是說只有這部分聲線才會(huì)受到120 m 以淺的水文變化的影響.

根據(jù)120 km 處的水體起伏影響深度可以看出，由于該深度的聲速較大，大于海底聲速值，從聲源出射的小角度的聲線不能到達(dá)到120 m 以淺的深度處，而大角度的聲線會(huì)與海底作用造成較大的聲能量衰減，到達(dá)第2 會(huì)聚區(qū)距離120 km 時(shí)能量損耗較大，大角度反射聲線對(duì)第3 會(huì)聚區(qū)距離處的影響基本可以忽略.因此，聲源處出射角度在7°≤|χ|≤10°的聲線受到120 m 深度以淺水體起伏影響，更小的掠射角度會(huì)限制在聲源共軛深度內(nèi)的聲道內(nèi)傳播，淺表層的水體起伏變化對(duì)這些聲線的影響較小.

圖13 給出Bellhop 射線模型計(jì)算的聲源深度201 m，接收深度120 m，182 km 范圍內(nèi)出射聲線角度隨接收距離變化.可以看出，在第1 會(huì)聚區(qū)60 km 范圍處(黑色實(shí)線圈出)有角度在 9°≤|χ|≤10°范圍內(nèi)的聲線會(huì)聚在同一距離上，120 km 基本沒有小角度的聲線到達(dá)會(huì)聚，而在180 km 范圍處(藍(lán)色實(shí)線圈出)有小角度在 7°≤|χ|≤10°出射的聲線會(huì)在這一距離上發(fā)生會(huì)聚區(qū)，表示有較多聲線會(huì)在海面附近較淺深度上形成深海反轉(zhuǎn)會(huì)聚區(qū).接收到第1 會(huì)聚區(qū)形成時(shí)的反轉(zhuǎn)聲線角度范圍相對(duì)第3 會(huì)聚區(qū)角度范圍小，第3 會(huì)聚區(qū)反轉(zhuǎn)聲線角度范圍大導(dǎo)致部分經(jīng)過一次海底反射的小角度聲線也在第3 會(huì)聚區(qū)處存在有能量剩余，故經(jīng)過深海會(huì)聚區(qū)傳播后第1 會(huì)聚區(qū)能量相對(duì)第3 會(huì)聚區(qū)要小一些.這與前面的理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到的結(jié)論一致，由于會(huì)聚聲線角度范圍較小第1 會(huì)聚區(qū)形成不明顯，沒有形成第2 會(huì)聚區(qū)，能夠形成較明顯的第3 會(huì)聚區(qū);形成會(huì)聚區(qū)的聲線的角度和理論計(jì)算較為一致，說明受到120 m 以淺聲速起伏影響的聲線角度主要集中在 7°≤|χ|≤10°角度范圍內(nèi).

圖13 聲源深度201 m 發(fā)射聲線到達(dá)深度接收120 m 時(shí)的聲線角度散點(diǎn)圖Fig.13.The incidence angle scatter plot of sound rays at the 201 m source depth and 120 m receiver depth.

為了直觀比較聲速剖面變化對(duì)聲線作用的影響，選取特定小角度范圍出射的聲線進(jìn)行分析研究.圖14 是聲速剖面水平不變和水平變化兩種環(huán)境下201 m 聲源深度、120 m 接收深度的聲線圖，出射角度范圍為[7°，8°]，黑色水平虛線是120 m 深度.由圖14(a)可以看出，在0—120 km 距離內(nèi)兩種水文環(huán)境下聲線軌跡相差基本不大，會(huì)聚區(qū)位置沒有出現(xiàn)明顯偏移變化.距離在120 km 以后，受到IOD 引起的水體起伏影響，聲線軌跡出現(xiàn)了明顯偏移，水平變化環(huán)境下的會(huì)聚區(qū)形成位置(紅色聲線)要提前于水平不變環(huán)境下的綠色聲線.圖14(b)為在第2、第3 會(huì)聚區(qū)范圍內(nèi)的放大聲線圖，可以看出水平變化環(huán)境下的聲線軌跡受到120 km 處高聲速暖水團(tuán)影響，第2 會(huì)聚區(qū)距離處的小角度聲線產(chǎn)生變化，從而使得在此處形成的會(huì)聚區(qū)聲線在較深的深度上反轉(zhuǎn).受暖水團(tuán)影響后聲線只傳播一個(gè)會(huì)聚區(qū)距離，聲線偏移作用不明顯，以在120 km距離上、120 m 接收深度上(聲速為c)會(huì)聚的聲線簇(角度為α)為例來說明.假設(shè)第3 會(huì)聚區(qū)120 m接收深度上對(duì)應(yīng)的聲速為czs，接收到該掠射角的聲線的角度為αzs，根據(jù)Snell 定律，，由于120 km 處暖水團(tuán)對(duì)聲線的折射，使得120 km，120 m 接收深度上的聲速c變大，要使得聲線在第3 會(huì)聚區(qū)120 m接收深度上對(duì)應(yīng)的聲速為czs處接收，則此時(shí)接收深度處聲線角度αzs會(huì)變大.即聲線被向下折射后改變了聲線的掠射角度，使得其到達(dá)第3 會(huì)聚區(qū)時(shí)聲線角度發(fā)生變化，一方面使得一些更小角度的聲線能夠到達(dá)第3 會(huì)聚區(qū)距離處，另一方面使得一些角度的聲線以更大角度到達(dá)會(huì)聚區(qū)接收點(diǎn)，使得會(huì)聚聲線提前到達(dá)，從而使得第3 會(huì)聚區(qū)位置前移，這也與圖7 中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)觀測(cè)到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象一致.文獻(xiàn)[8]通過數(shù)值分析也得出暖渦會(huì)使得會(huì)聚區(qū)向聲源方向偏移.

圖14 海水聲速剖面對(duì)部分出射角度聲線軌跡影響比較圖 (a)全海深聲線圖;(b)局部深度放大圖Fig.14.Comparison of the effects in range-dependent and range-independent environment for the rays traces at small grazing angle:(a) For almost total depth;(b) partial enlarged view.

深海會(huì)聚區(qū)是一些小角度聲線簇在海面發(fā)生會(huì)聚形成的，對(duì)形成第3 會(huì)聚區(qū)的小角度聲線進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以進(jìn)一步解釋第3 會(huì)聚區(qū)的偏移現(xiàn)象.分析中，根據(jù)圖6 監(jiān)測(cè)的聲源深度結(jié)果，選擇實(shí)驗(yàn)過程中第3 會(huì)聚區(qū)距離范圍內(nèi)聲源平均深度125 m時(shí)的聲線進(jìn)行分析.在Bellhop 射線模型計(jì)算中，同樣采用互易方法，讓聲源深度 201 m，選取聲源出射角度范圍在[—10°，10°] 的1000 根聲線，該開角內(nèi)的聲線不與海底作用是構(gòu)成第3 會(huì)聚區(qū)的主要聲線.圖15 中綠線和紅線分別表示聲速剖面水平不變和水平變化兩種環(huán)境下在第3 會(huì)聚區(qū)范圍內(nèi)的聲線圖，黑色虛線標(biāo)出了125 m 深度.

從圖15 可以看出，在第3 會(huì)聚區(qū)距離范圍內(nèi)，125 m 接收深度上水平變化環(huán)境下的紅色聲線在174 km 距離上開始發(fā)生反轉(zhuǎn)會(huì)聚，而水平不變環(huán)境下的綠色聲線125 m 接收深度上在177 km 距離上開始發(fā)生反轉(zhuǎn)會(huì)聚.水平變化的實(shí)測(cè)環(huán)境相比較于水平不變環(huán)境，第3 會(huì)聚區(qū)位置提前大約2—3 km.為了定量地分析第3 會(huì)聚區(qū)距離范圍內(nèi)的能量分布，對(duì)第3 會(huì)聚區(qū)在125 m 深度接收的聲線進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.根據(jù)經(jīng)典射線理論，聲能沿著聲線管束傳播，管束內(nèi)的聲能不會(huì)通過側(cè)面向外擴(kuò)散，因此可以假設(shè)到達(dá)第3 會(huì)聚區(qū)的每一根反轉(zhuǎn)聲線攜帶近似相同的能量.則穿過125 m 接收深度的聲線數(shù)，認(rèn)為正比于125 m 深度上接收到的聲能量.圖16 為兩種水文環(huán)境下接收到的聲線數(shù)在距離上的概率分布，聲能量概率大的距離基本指示了聲能量較強(qiáng)的會(huì)聚區(qū)位置.看出在水平變化水文環(huán)境下的第3 會(huì)聚區(qū)在125 m 接收深度上的聲線分布明顯提前于水平不變環(huán)境.

圖15 聲速剖面水平不變和水平變化環(huán)境下第3 會(huì)聚區(qū)聲線圖Fig.15.Comparison of the range-dependent and range-independent environment for the rays traces in the third convergence zone.

圖16 聲能量分布概率隨距離分布圖 (a)水平變化聲速剖面環(huán)境;(b)水平不變聲速剖面環(huán)境.Fig.16.The distribution of sound energy in the third convergence zone:(a) The range-dependent environment;(b)the range-independent environment.

為了進(jìn)一步比較兩種不同水文環(huán)境下第3 會(huì)聚區(qū)的聲強(qiáng)差異，圖17 給出了兩種環(huán)境下第3 會(huì)聚區(qū)內(nèi)175.88 km 處的時(shí)間到達(dá)結(jié)構(gòu)，其中聲源深度為201 m，接收深度為125 m，藍(lán)色線表示聲線掠射角小于10°，且不與海底作用的反轉(zhuǎn)聲線，紅色線表示掠射角在10°—20°范圍，經(jīng)海底反射的聲線.可見，由于水平不變環(huán)境下使用的單個(gè)聲速剖面環(huán)境仿真，該聲速剖面在第3 會(huì)聚區(qū)175.88 km距離處，海底聲速大于聲源深度處的聲速，因此在125 m 深度上海底不存在不與海底作用的反轉(zhuǎn)聲線，在該距離上沒有反轉(zhuǎn)會(huì)聚聲線形成.但是，聲速剖面水平變化環(huán)境下存在有小角度反轉(zhuǎn)聲線，其幅值大于水平不變環(huán)境下只有經(jīng)海底反射損失后幅值較小的聲線，從而形成了聲能量的會(huì)聚.

圖17 第3 會(huì)聚區(qū)距離175.88 km 處本征聲線時(shí)間到達(dá)結(jié)構(gòu) (a)水平變化環(huán)境;(b)水平不變環(huán)境Fig.17.Comparison of the sound ray arrivals at the range of 175.88 km in the third convergence zone:(a) The rangedependent environment;(b) the range-independent environment.

表1 統(tǒng)計(jì)了兩種環(huán)境下在第3 會(huì)聚區(qū)范圍內(nèi)不同距離處聲線的最大幅值，表中略去了10—6指數(shù)項(xiàng).兩種環(huán)境下的小于10°小角度的反轉(zhuǎn)聲線分別從173.87 km 和176.88 km 這兩個(gè)距離開始出現(xiàn)(表中聲線幅度值加粗)，即在這兩個(gè)距離更近的接收距離上沒有反轉(zhuǎn)聲線到達(dá)接收點(diǎn).結(jié)合圖16 及表1 中聲線的最大幅度變化規(guī)律可以看出會(huì)聚區(qū)形成的位置，可以判斷由于IOD 導(dǎo)致的水平變化聲速剖面環(huán)境使得第3 會(huì)聚區(qū)位置出現(xiàn)偏差，這與前面圖7 實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的聲場(chǎng)能量提前會(huì)聚及圖15和圖16 中的第3 會(huì)聚區(qū)內(nèi)聲線結(jié)果一致.

表1 兩種環(huán)境下不同距離上的到達(dá)聲線的最大幅度統(tǒng)計(jì)表Table 1.Maximum amplitude of sound ray arrivals at different distances in two environments.

5 結(jié)論

本文利用2019 年夏季在東印度洋海域進(jìn)行的聲傳播實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)聲源深度起伏變化和印度洋熱帶偶極子引起的水文環(huán)境變化對(duì)會(huì)聚區(qū)形成原因及會(huì)聚區(qū)位置變化影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論分析，揭示了實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的會(huì)聚區(qū)形成和偏移的物理機(jī)制.由于印度洋熱帶偶極子的存在，引起穿越IOD 時(shí)的局部距離的海洋淺表層水體出現(xiàn)暖水團(tuán)，會(huì)對(duì)小角度聲線反轉(zhuǎn)折射產(chǎn)生影響，使得這些聲線在第2 會(huì)聚區(qū)距離沒有形成會(huì)聚，使得遠(yuǎn)距離傳播的小角度聲線更為發(fā)散，在形成會(huì)聚區(qū)的位置時(shí)由于這些小角度聲線角度的改變使得某些聲線提前在海面以下某些深度處反轉(zhuǎn)會(huì)聚，從而使第3 會(huì)聚區(qū)位置發(fā)生了向聲源處偏移2—3 km.此外，在東印度洋非完全聲道條件下，聲源所處深度對(duì)深海會(huì)聚區(qū)形成具有重要的影響，聲源深度淺到一定程度時(shí)，出射的聲線不能滿足在海底附近折射的條件，就無法形成深海會(huì)聚區(qū)，而聲源深度增加比較容易形成會(huì)聚區(qū).聲源深度和水體起伏變化對(duì)會(huì)聚區(qū)的形成和位置影響的結(jié)果對(duì)探測(cè)及通信聲納在復(fù)雜深海環(huán)境下的應(yīng)用具有重要指導(dǎo)意義.

感謝參與2019 年夏季東印度洋聲傳播實(shí)驗(yàn)的全體工作人員為本文提供可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).