黃 瑛，周超杰，方澤宇，李建龍2，

（1.浙江大學(xué) 海洋學(xué)院，浙江 舟山 316021；2.浙江大學(xué) 海南研究院，海南 三亞 572000；3.浙江大學(xué) 信息與電子工程學(xué)院，浙江 杭州 310027）

0 引言

海洋是一個復(fù)雜的流體動力學(xué)系統(tǒng)，其內(nèi)部存在多種多樣的動力過程，如鋒面、渦流、內(nèi)波等[1]。多尺度動力過程間復(fù)雜的相互作用決定了海水的溫度、鹽度和濁度分布，進而對聲波的傳播、反射和聲學(xué)信號的傳輸產(chǎn)生影響。開展海洋聲學(xué)特征分析研究對于深入理解海洋聲信號傳播規(guī)律、探測水下目標、保障水下環(huán)境安全等方面具有重要意義。

當(dāng)前，聲吶是海洋聲學(xué)研究的主要手段，其數(shù)據(jù)包含水下聲學(xué)信號反射、傳播和散射信息，可用于識別海底地形、水文條件和海洋生物等，但在水下環(huán)境長距離傳播受到水體條件的限制[2]，往往需要動力環(huán)境觀測的輔助。海洋觀測站、衛(wèi)星遙感、潛艇傳感器等能夠提供海洋中動力環(huán)境的信息，但是海洋觀測站空間覆蓋有限，不適于全球性研究的開展[3-4]；衛(wèi)星遙感分辨率有限且易受天氣條件的限制[5]；潛艇傳感器僅限于特定位置，并且探測深度有限[6]。

高分辨率的海洋數(shù)值模擬是研究海洋動力學(xué)過程的另外一種手段，但常規(guī)模擬提供的信號尺度與聲場計算的需求存在較大差距。LLC4320 再分析數(shù)據(jù)基于麻省理工學(xué)院發(fā)展的環(huán)流模型MITgcm（ Massachusetts Institute of Technology general circulation model）。該模型由大氣和潮汐強迫驅(qū)動，可以對亞中尺度過程進行豐富的表征，優(yōu)勢在于實現(xiàn)了前所未有的全球范圍高分辨率模擬[7]，是一個可行的手段。其在實現(xiàn)中尺度渦旋和內(nèi)潮模擬的同時，也考慮了一些較小尺度的變化，能夠支持更真實的平衡運動和地轉(zhuǎn)運動混合，使得在全球表面地形中分析研究中小尺度特征成為可能[7]。此外，該模型綜合了潮汐驅(qū)動，并且實現(xiàn)了逐小時的高頻輸出，其模擬結(jié)果中涵蓋了內(nèi)潮、內(nèi)波、中尺度渦旋和近慣性運動等多尺度信號[8]。

建立 LLC4320 模型的初衷是進行 SWOT（Surface Water and Ocean Topography）衛(wèi)星觀測的仿真，用于評估SWOT 對海洋中小尺度現(xiàn)象的觀測能力。除了完成 SWOT 相關(guān)仿真工作外，LLC4320 數(shù)據(jù)產(chǎn)品在海洋亞中尺度研究中也得到了廣泛應(yīng)用。DONG 等基于LLC4320 模型研究發(fā)現(xiàn)全球?qū)ΨQ不穩(wěn)定的空間分辨率僅為10 m～1 km的尺度[9]，且其活躍性具有明顯的區(qū)域依賴性和季節(jié)變化特征，還發(fā)現(xiàn)對稱不穩(wěn)定對風(fēng)能有效輸入的耗散作用可達0.83 mW·m-2。馮哲等利用LLC4320數(shù)值模式資料研究發(fā)現(xiàn)在地轉(zhuǎn)動能較強的呂宋海峽區(qū)域，地轉(zhuǎn)平衡運動與近慣性運動二者間的動能交換率顯著高于地轉(zhuǎn)動能較弱的南海東北部內(nèi)區(qū)[8]。LIU 等基于LLC4320 估計、刻畫并分析了黑潮延伸體區(qū)域的特定尺度渦旋擴散系數(shù)隨空間和尺度選取的變化特征，捕捉到了特定尺度渦旋混合效應(yīng)的尺度相關(guān)性。同時，評估了擴展后的特定尺度混合理論對于特定尺度渦旋擴散系數(shù)的表征能力，進一步設(shè)計了可以更加準確表征特定尺度渦旋混合的經(jīng)驗公式[10]。

呂宋海峽地處中國臺灣島和菲律賓呂宋島之間，擁有重要的石油航線，是國家戰(zhàn)略運輸?shù)谋亟?jīng)之路[11]。另外，由于呂宋海峽地區(qū)風(fēng)浪和流速較大，非常適合潛艇活動，反之也對反潛作戰(zhàn)提出更高的要求[12]。因此，本文將基于LLC4320 高分辨率海洋環(huán)境再分析數(shù)據(jù)，以呂宋海峽為研究區(qū)域，開展局部聲學(xué)特征分析。

1 LLC4320 再分析數(shù)據(jù)

LLC4320 再分析數(shù)據(jù)是通過麻省理工學(xué)院環(huán)流模型（MITgcm）全球模擬得到的，模式的水平分辨率為1/48°（極地附近約為0.75 km，赤道附近約為2.2 km）[13]。模式在垂向上分為90 層，垂向分辨率在表層為1 m，在底層增加至480 m。海底地形數(shù)據(jù)來自Smith 和Sandwell 14.1 版本[14]和

IBCAO 2.23（International Bathymetric Chart of the Arctic Ocean）版本[15]的數(shù)據(jù)集，最大水深可以達到7 000 m，如圖1所示。海表面通量數(shù)據(jù)來自ECMWF（European Center For Medium Range Weather Forecasts）[16]，空間分辨率為0.14°×0.14°，它是每6 h 變化一次的業(yè)務(wù)化大氣模式分析數(shù)據(jù)集，包括10 m 層風(fēng)速、2 m 層溫度和濕度、長波輻射、短波輻射以及大氣壓數(shù)據(jù)等。潮汐強迫場由16 個潮汐分量組成，其中包括8 個長周期分潮（Mt，Mf，Mm，Msm，Msf，Msa，Ss，Ln），4 個主要全日分潮（K1，O1，P1，Q1）和4 個主要半日分潮（M2，S2，K2，N2）。LLC4320 數(shù)值模擬的時間步長為25 s，時間范圍為2011年9月13日-2012年11月15日，共14 個月。本文使用了經(jīng)緯度范圍在北緯18°～25°和東經(jīng)116°～124°之間的模式數(shù)據(jù)，輸出的時間間隔為1 h，基本物理量包括海表面高度、位勢溫度、鹽度和流速等。

圖1 研究區(qū)域水深Fig.1 Bathymetry of study area

2 區(qū)域環(huán)境場特征

2.1 溫鹽場

溫度和鹽度是刻畫海水物理特征的主要變量，其時空變化是驅(qū)動海洋環(huán)流和混合的主要因素之一，二者關(guān)系不僅可以反映海水的運動規(guī)律，還能夠用于進一步研究渦旋、洋流和深層循環(huán)等現(xiàn)象。通常情況下，海水的溫度和鹽度存在正相關(guān)關(guān)系，即海水溫度越高，鹽度越高。選取2012年1月呂宋海峽周邊海域作為研究區(qū)域，溫鹽隨時間變化情況如圖2所示。溫度和鹽度總體上呈現(xiàn)正相關(guān)變化，但自1月12日開始二者關(guān)系出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，溫度從 22.6℃急劇升高至 23.25℃，鹽度卻從33.85 psu 降至33.75 psu 左右。

圖2 2012年1月呂宋海峽周邊海域溫度和鹽度時間變化特征Fig.2 Temporal variation characteristics of temperature and salinity in vicinity of the Luzon Strait in January，2012

為了分析上述溫鹽變化，選取2012年1月12日22時和2012年1月15日7時的數(shù)據(jù)繪制對應(yīng)時刻研究區(qū)域的溫度和鹽度空間分布，如圖3所示?？梢钥闯?，呂宋海峽區(qū)域由于黑潮入侵流量的增加，高溫水團在臺灣島以南迅速累積，造成局地表層溫度大幅度升高。另外，呂宋島西北部表層水體高溫區(qū)域也有所增加，因此，該區(qū)域表層溫度出現(xiàn)急劇升高的特征。呂宋島東部的黑潮源頭在很大程度上控制著黑潮與南海的能量及水交換，對南海的動力環(huán)境有顯著影響[17]。然而，鹽度場卻出現(xiàn)相反的特征，根據(jù)邱春華等的研究，鹽度場受黑潮形變的影響較大[18]，黑潮發(fā)生形變時，黑潮水與南海水之間的水團差異會引起該處水團水平密度梯度的差異，當(dāng)黑潮流量大時彎曲程度小，呂宋海峽處鹽度值較低，當(dāng)黑潮流量小時彎曲程度大，呂宋海峽處鹽度值較高。

圖3 2012年1月12日22 時和1月15日7 時的表層溫度分布和鹽度分布Fig.3 Surface temperature and salinity distribution at 22：00 on January 12，2012 and at 7：00 on January 15，2012

圖4給出了呂宋海峽及其周邊海域的溫鹽日變化特征（圖中為UTC 時間），溫度的日變化較為明顯，局地時間14-16時達到最高值，6時左右達到最低值，溫度最高可以達到28.08℃左右，最低27.9℃左右。鹽度基本不變，保持在33.14 psu 左右。因此，該區(qū)域海水表層溫度主要受太陽輻射的影響，而鹽度日變化特征較為穩(wěn)定。

圖4 呂宋海峽周邊海域2012年1月份平均溫度和鹽度日變化圖Fig.4 Daily variation of temperature and salinity in study area in January，2012

2.2 躍層

呂宋海峽及其周邊海洋環(huán)境復(fù)雜多變，常常受到來自南海和西北太平洋的水團交匯的影響，不同水團具有不同的溫度和鹽度特征，交匯時會形成顯著的海洋躍層，在其中會出現(xiàn)溫度鹽度劇烈變化等現(xiàn)象，躍層深度和溫鹽特征息息相關(guān)。通常情況下，海水表層不同的溫度場和鹽度場分布也會影響形成的躍層深度。研究區(qū)域2012年1月的躍層深度空間分布如圖5所示，選取海水溫度減小0.5℃的深度作為躍層的下界。西北太平洋中的躍層深度較大，部分區(qū)域深至120 m，而南海東北部躍層深度較小，大部分區(qū)域在60 m 以下，臺灣島西部僅為20 m 左右。

圖5 2012年1月研究區(qū)域躍層深度空間分布Fig.5 Spatial distribution of thermocline depth in study area in January，2012

出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因主要是由于西北太平洋和南海的水團特征存在差異，西北太平洋的水團通常來自較深的水體，具有較低的溫度和鹽度，導(dǎo)致西北太平洋中形成的躍層深度較大。相比之下，南海水團通常來自較淺的水體，從而導(dǎo)致在南海北部形成的躍層深度相對較小，同時，呂宋海峽兩側(cè)的海水溫鹽特性也存在較大的區(qū)別[19]。除此之外，海流和海底地形也可能對躍層深度的分布產(chǎn)生影響，西北太平洋中存在較強的海流，這些海流的水動力作用可以促使深層水體上升，從而形成較深的躍層[20]。

躍層的上方是混合層，圖6 給出了2012年1月呂宋海峽及其周邊海域混合層深度的月變化，發(fā)現(xiàn)1月12日22 時-1月15日7 時混合層深度出現(xiàn)驟降，從77 m 降至50 m 左右，整體變化特征與前文圖2 的鹽度變化特征近似，而與溫度變化呈相反趨勢?；旌蠈拥着c下層躍層水體之間的界面變化會引起混合層鹽度的變化，當(dāng)混合層加深時，鹽度普遍相對較高的原界面下層的水體會與原混合層水體混合，使混合層鹽度升高[21]。此外，混合層深度的減小和海水溫度的升高通常是相關(guān)的。在混合層中，海水發(fā)生劇烈的垂直運動和攪拌，導(dǎo)致溫度、鹽度等水質(zhì)特征的變化。當(dāng)混合層深度減小時，混合層中的垂直運動和攪拌減弱，海水不再充分混合，上層水體更易受到太陽輻射或其他水團影響，海水溫度升高。同樣，海水溫度升高，水體密度下降，減弱上層水體與深層水體之間的密度梯度，也會導(dǎo)致混合層的深度減小[22]。

圖6 2012年1月研究區(qū)域混合層深度時間變化Fig.6 Temporal variation of mixed layer depth in study area in January，2012

3 聲學(xué)特征分析

3.1 聲速場分析

聲速是研究海洋聲傳播的重要參數(shù)，水體中聲速場具有時空演化特性，其分布與變化對聲傳播具有顯著影響。聲速主要受海水溫度、鹽度和壓力影響，而壓力與海水深度有關(guān)，因此常將聲速表征為溫度、鹽度和深度的經(jīng)驗函數(shù)。通常情況下，溫度對聲速的影響最大，鹽度對聲速的影響較小。

利用前文獲取的高分辨溫鹽場數(shù)據(jù)，根據(jù)Mackenzie 經(jīng)驗公式[23]計算聲速場。繪制經(jīng)度為東經(jīng)120°、緯度為北緯21°點處的聲速剖面在2012年1月1日-31日間逐小時的演化情況。如圖7所示，其中不同顏色實線條對應(yīng)不同時刻，深藍色對應(yīng)起始時刻2012年1月1日0 時，深紅色對應(yīng)最終時刻2012年1月31日23 時，相鄰時間間隔為1 h；黑色虛線表示在關(guān)注時段內(nèi)的平均聲速剖面，灰色線段表示在關(guān)注時段內(nèi)各深度聲速值分布上下界。該處聲速剖面在1月中旬變化相對較大，而在1月下旬變化相對較小，該現(xiàn)象與溫度、鹽度等環(huán)境場的時間變化相關(guān)。另一方面，在整個關(guān)注時段內(nèi)，淺海范圍的聲速隨時間的變化相對較為明顯。隨著深度增加，聲速剖面隨時間變化的幅度逐漸減小，在1 700 m 深度以下，同一深度處的聲速值在一個月內(nèi)的變化范圍小于1 m/s。

圖7 所選點位處聲速剖面隨時間演化圖Fig.7 Temporal evolution of sound speed profiles at specified location

圖8展示了2012年1月1日在251.77 m 深度處聲速場水平切面，圖中，白色區(qū)域表示水深小于251.77 m 處海域，虛線分別為聲速場（紅色）和聲傳播損失剖面（藍色）研究區(qū)域。在該時刻，不同水平位置之間的聲速差異較大，整體上東部區(qū)域聲速值與西部相差比較大。圖9繪制了同一時刻東經(jīng)120°沿正北方向300 km 范圍內(nèi)（圖8中紅色點線所示位置）垂向切面的聲速場空間分布，圖中，白色區(qū)域?qū)?yīng)海底及以下深度的無數(shù)據(jù)位置。在該時刻，該垂直切面顯示的淺海范圍聲速沿距離方向變化較為顯著；隨著深度增加，聲速剖面沿距離方向變化逐漸減弱。淺海區(qū)域聲速變化更為敏感，與溫度、鹽度等環(huán)境場的空間分布相關(guān)。

圖8 2012年1月1日251.77 m 層聲速場水平分布圖Fig.8 Spatial distribution of sound speed field at a depth of 251.77 meters on Jan 1，2012

圖9 2012年1月1日120°E 附近經(jīng)向切面聲速場垂直分布圖Fig.9 Vertical distribution of sound speed field in longitudinal section near 120 °E on January 1，2012

3.2 聲傳播分析

海洋聲場的計算是水聲科學(xué)的基礎(chǔ)問題，聲場計算結(jié)果可以為解決通信、探測、定位、跟蹤等具體水聲工程問題提供直接指導(dǎo)。在獲得聲速場等環(huán)境參數(shù)后，利用聲傳播模型可進一步開展聲場計算，進行聲傳播規(guī)律與特征的分析。聲傳播模型以數(shù)值手段定量計算海洋聲傳播特性，是聲場計算的核心。根據(jù)環(huán)境與需求的不同，實際應(yīng)用可選取適合的聲傳播模型進行計算。

本文關(guān)注的區(qū)域中的環(huán)境場具有時空變化特性，是典型的距離依賴（Range Dependent）環(huán)境。在各類聲傳播模型中，拋物方程模型對原始聲波動方程采用拋物方程近似，將原邊值問題轉(zhuǎn)換為初值問題，能將隨距離變化的環(huán)境參數(shù)直接嵌入步進求解過程中，是聲場計算中最適合求解距離依賴問題的模型之一[24]。本文使用拋物方程模型 RAM（Range-dependent Acoustic Model）計算聲傳播損失，該模型基于分裂步進Padé 法，對拋物方程中的有關(guān)算子做有理近似，能有效求解距離依賴場景下的聲傳播問題[25]。

選取典型海底斜坡區(qū)域（圖8 中藍色點線所示區(qū)域）計算各個時刻聲傳播損失，部分結(jié)果如圖10所示。計算設(shè)置的聲源頻率為500 Hz，聲源深度為700 m，并分別在同一區(qū)域設(shè)置由深海向淺海傳播（上坡）及由淺海向深海傳播（下坡）2 種場景。上坡場景中，在距離較近處的聲傳播規(guī)律與平坦海底情形類似，但隨著傳播距離增加，上坡海底會改變聲線傳播路徑和會聚區(qū)位置；下坡場景中，距離較近處水深較淺，向下折射的聲線在下坡地形上產(chǎn)生反射，聲線與海底多次接觸后進入聲道軸，主要能量被限制在相應(yīng)深度范圍內(nèi)，保持圍繞聲道軸深度向遠距離傳播。另一方面，取不同時刻環(huán)境場計算得到不同時刻的聲傳播損失進行對比。由圖可見，其他條件相同時，不同時刻聲線傳播路徑與會聚區(qū)位置存在差異。各子圖中以紅色五角星記號標記表示出會聚區(qū)下沿能量中心估計位置，該估計位置在不同時刻時具有較明顯的差異，其中上坡情形取距離聲源20 km 左右處的會聚區(qū)，而下坡情形因近距離處聲線與海底大量接觸，故取距離聲源55 km 左右處的會聚區(qū)。以上差異體現(xiàn)了聲傳播規(guī)律與特征受環(huán)境時空變化影響的復(fù)雜性。

圖10 典型聲傳播損失圖Fig.10 Typical sound propagation loss

4 結(jié)束語

本文基于LLC4320 再分析數(shù)據(jù)開展了關(guān)于呂宋海峽及其周邊海域的動力環(huán)境場特征和聲學(xué)特征分析，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)域的溫度和鹽度基本符合正相關(guān)關(guān)系。但在2012年1月中旬由于黑潮入侵南海流量的增加導(dǎo)致高溫水團積累，而黑潮流量大時形變彎曲程度小，鹽度值較低，使得呂宋海峽區(qū)域出現(xiàn)溫度升高、鹽度降低的異?，F(xiàn)象。同時，發(fā)現(xiàn)海水表層溫度由于受太陽輻射的影響較大日變化較明顯，而鹽度的日變化特征趨于溫度。不同深度的躍層分布與海洋中水團的分布有關(guān)，海水溫鹽特性不同躍層深度也會不同。混合層深度的變化也會影響溫鹽特征分布，深度增加會使鹽度升高，深度減小會使上層水體更易受太陽輻射或其他水團影響而溫度升高。

聲速場的變化與溫度、鹽度等環(huán)境場特征變化相關(guān)，當(dāng)溫鹽場在2012年1月中旬出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，該區(qū)域的聲速剖面也發(fā)生相對較大的變化。由于呂宋海峽東西部溫鹽場特征存在較大差異，同一深度不同水平位置之間的聲速差異也較大，整體上東部聲速值與西部相比較大。在由深海向淺海傳播和由淺海向深海傳播兩種場景中做的聲傳播損失實驗中，聲線傳播路徑和會聚區(qū)位置存在差異，體現(xiàn)了聲傳播規(guī)律與特征受環(huán)境時空變化影響的復(fù)雜性。

近年來，利用高分辨率的海洋數(shù)值模式研究海洋中的聲學(xué)特征和動力學(xué)過程等備受關(guān)注，本文基于LLC4320 再分析數(shù)據(jù)的研究結(jié)果展現(xiàn)了呂宋海峽及其周邊海域的動力環(huán)境特征和聲學(xué)特征，為高分辨率的海洋數(shù)值模擬在海洋聲學(xué)特征研究中的應(yīng)用提供參考。未來可以進一步深入探索該區(qū)域的多尺度動力學(xué)過程包括渦旋及各種水團運動等，以加深對海洋環(huán)境場特征的理解，為未來的數(shù)值模擬和聲學(xué)研究提供更準確的基礎(chǔ)。同時，可以深入研究海洋中的聲信號傳播建模，改進聲傳播損失的模型，以更準確地模擬聲信號在不同環(huán)境條件下的傳播，為海洋聲學(xué)通信、聲吶技術(shù)等領(lǐng)域的應(yīng)用提供更可靠的理論支持。