潘長(zhǎng)明，高飛，，孫磊，3，王璐華，王本洪，李璨

(1.海軍海洋測(cè)繪研究所儀器設(shè)備研究室，天津300061;2.解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院，江蘇南京211101;3.哈爾濱工程大學(xué)水聲工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001)

水聲調(diào)查資料在海洋工程、海洋科學(xué)和軍事海洋環(huán)境保障方面有廣泛的應(yīng)用前景[1]。因此開(kāi)展水聲調(diào)查研究，特別是溫鹽躍層對(duì)淺海聲場(chǎng)的分布和傳播影響的探索有著重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。水聲傳播損失一般分為擴(kuò)展損失和衰減損失，后者是由于傳播媒介的吸收、散射等作用造成，因此必然受到海洋環(huán)境的影響。溫躍層[2]是重要的海洋現(xiàn)象，其對(duì)聲場(chǎng)傳播影響顯著已被許多學(xué)者證實(shí)[3-6]。

聲波在淺海和深海中的傳播性質(zhì)存在明顯差異，躍層的影響作用各異，本文重點(diǎn)研究淺海溫躍層對(duì)水聲傳播的影響。BAO等[7](1994)利用在黃海南部進(jìn)行的聲學(xué)試驗(yàn)得出淺海水體密度主要取決于溫度。Martine等(2004)[8]對(duì)比分析 Kauai(夏季)和Elba(冬季)水聲傳播的差異，得出溫躍層和海底地質(zhì)對(duì)聲場(chǎng)傳播的影響。Lin Zhang等(2012)[9]等利用束狀射線理論模型RAY研究了溫躍層對(duì)水聲傳播的影響。張旭等(2012)[10]通過(guò)模擬中國(guó)近海陸架海區(qū)躍層強(qiáng)度變化和不同季節(jié)躍層位置變化，結(jié)合Kraken模型對(duì)淺海聲信道的能量場(chǎng)分布進(jìn)行了研究。北太平洋聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室成員(2012)[11]對(duì)北菲律賓海深海水聲傳播和環(huán)境噪音的影響進(jìn)行一系列研究，獲得了深海聲線傳播時(shí)間與溫躍層季節(jié)變化的關(guān)系。過(guò)去研究溫躍層對(duì)水聲場(chǎng)的影響以模擬仿真為主，存在聲學(xué)模型本身的制約;部分利用聲學(xué)調(diào)查數(shù)據(jù)也是單航次資料，無(wú)法進(jìn)行溫躍層季節(jié)性變化對(duì)比;同時(shí)沒(méi)能很好的將模式研究和實(shí)測(cè)資料結(jié)合起來(lái)。

針對(duì)傳統(tǒng)研究中調(diào)查數(shù)據(jù)的不足，模型模擬的理想性等限制，本文將2007、2008、2009年3個(gè)航次的聲學(xué)調(diào)查實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和UMPE拋物方程水聲模式有機(jī)結(jié)合，通過(guò)分析確定溫躍層的位置、深度和厚度以及季節(jié)變化等因素，同時(shí)綜合考慮海表、海底、水體狀況，來(lái)分析溫度躍層結(jié)構(gòu)對(duì)淺海聲傳播的影響效應(yīng)。

1 淺海聲學(xué)調(diào)查

聲學(xué)調(diào)查3個(gè)航次時(shí)間分別為2007年07月、2008年04月、2009年09月。其中3個(gè)航次的觀測(cè)方案、觀測(cè)區(qū)域和走航斷面、實(shí)驗(yàn)儀器大致相同，下面以2009年調(diào)查為例進(jìn)行說(shuō)明。整個(gè)調(diào)查海區(qū)的調(diào)查以走航觀測(cè)與定點(diǎn)觀測(cè)相結(jié)合的方式進(jìn)行，調(diào)查項(xiàng)目包含聲傳播損失、海洋環(huán)境噪聲、GPS數(shù)據(jù)、溫度、鹽度、密度、水深、海面氣象和海表風(fēng)浪等，示意圖如圖1。

水聲探測(cè)浮標(biāo)系統(tǒng)，能接收不同距離處爆炸聲源和人工聲源在20 Hz～10 kHz頻帶內(nèi)不同中心頻率下的水聲信號(hào)，給出工作船和浮標(biāo)接收系統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄。通過(guò)海面浮標(biāo)下掛水聽(tīng)器陣(含8個(gè)不同深度的水聽(tīng)器)，接收位于相對(duì)溫躍層不同深度的聲波，采用通信控制為主，自動(dòng)作業(yè)方式為輔的工作方式。某型拖曳聲源，是專門為海洋聲傳播損失測(cè)量和海底特性調(diào)查設(shè)計(jì)的人工聲源，是一種近似無(wú)指向性聲源，能提供人工控制(或自動(dòng))發(fā)射多種波形的大功率聲波信號(hào)。本航次聲源發(fā)射頻率為0.58、1.3 和 6.3 kHz，含正弦波、線性調(diào)頻波，實(shí)時(shí)顯示拖魚(yú)的GPS坐標(biāo)和入水深度。

圖1 聲學(xué)調(diào)查示意圖Fig.1 Sketch map of acoustic research

利用CTD、XBT測(cè)得觀測(cè)斷面上的溫度、鹽度、密度，計(jì)算出聲速剖面，利用多波束沿發(fā)射航線測(cè)深。關(guān)注海表氣象情況，主要包括風(fēng)、降水等;海區(qū)水文概況，主要包括海流、潮流，海浪等。調(diào)查海區(qū)海底地形相對(duì)平坦，最大水深為84.0 m，最淺水深52.0 m，海底地型以沙和泥沙為主，如圖2。同時(shí)，對(duì)作業(yè)海區(qū)進(jìn)行實(shí)時(shí)天氣預(yù)報(bào)，主要包括海面天氣、風(fēng)速、風(fēng)向、浪高等。

圖2 調(diào)查海區(qū)底質(zhì)分布圖Fig.2 Sketch map of bottom shelf in research area

2 UMPE模型

為討論實(shí)際淺海中溫躍層的時(shí)空變化對(duì)海洋聲場(chǎng)的影響，引入U(xiǎn)MPE(the University of Miami parabolic equation)拋物方程數(shù)值模式對(duì)聲場(chǎng)傳播損失進(jìn)行模擬。UMPE模型[12]是由邁阿密大學(xué)和美國(guó)海軍研究院聯(lián)合開(kāi)發(fā)的一種海洋水聲模型。拋物方程方法由Tappert F D引入到水下聲學(xué)傳播衰減的研究，其研發(fā)的聲場(chǎng)數(shù)值模型稱作拋物方程模型(PE models)[13-14]。該模式靈活性大、適應(yīng)性強(qiáng)，可通過(guò)參數(shù)文件來(lái)控制海表、海底條件，需計(jì)算的水平距離和垂直深度，輸出所需的結(jié)果文件。對(duì)遠(yuǎn)距離的傳播衰減模擬效果較好[9]。柱坐標(biāo)系下的Helmholtz 方程為[12，15]

式中:r為距離;ω 為圓頻率;z為水深;p(r，z，φ，ωt)為聲壓，等于 p(r，z，φ )e-ωt;k0= ω /c0為參考波數(shù);n(r，z，φ)=c0/c(r，z，φ)是聲學(xué)折射率參數(shù)，c(r，z，φ)為聲速;zs為聲源所在深度;xs為點(diǎn)(r=0，z=zs)。設(shè)波解形式為

當(dāng)r=R0時(shí)，ψ=1，p=p0，經(jīng)過(guò)計(jì)算可得到ψ滿足偏微分方程為

針對(duì)擬計(jì)算的近海聲場(chǎng)近似，對(duì)上式做近似簡(jiǎn)化處理，略去含有和的項(xiàng)，于是式(3)可以化為，即拋物型方程模型[13-14]:

將式(5)代入聲壓表達(dá)式(2)，計(jì)算出聲壓場(chǎng)。

3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)研究

3.1 水聽(tīng)器深度及聲源頻率的影響

水聲信道傳播能力強(qiáng)弱受到水深、海底、海表、水體水文要素的綜合作用。研究溫躍層對(duì)水聲場(chǎng)的影響首先要確定水聽(tīng)器與聲源的相對(duì)位置，以及水深等要素對(duì)水聲場(chǎng)的影響。如圖3，其中發(fā)射頻率0.58、1.3、6.3 kHz 對(duì)應(yīng)的聲源級(jí)分別為 188、188.3、190.5 dB，帶寬統(tǒng)一為500 ms。淺海水深較淺，通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，正躍層條件下深層的水聽(tīng)器接收到的聲能較大，接近海表的水聽(tīng)器接收到的聲能相對(duì)最小(如圖3)。

根據(jù)聲線在介質(zhì)中傳播總是彎向聲速較小的方向，說(shuō)明在淺海海域聲波在經(jīng)過(guò)多次反射之后，波動(dòng)振幅逐漸減小，趨于平滑，同時(shí)向海底匯聚。圖4中6.3 kHz接收到的聲能曲線較短，同時(shí)傳播損失較大，這驗(yàn)證了高頻聲波在傳播過(guò)程中衰減較快，傳播距離較短。

圖3 不同深度水聽(tīng)器傳播損失對(duì)比Fig.3 The TL comparison between hydrophones of different depths

圖4 不同頻率傳播損失對(duì)比Fig.4 The TL comparison between different frequencies

3.2 溫躍層時(shí)空特征

對(duì)夏、春2個(gè)季節(jié)溫度剖面進(jìn)行分析，得出溫躍層存在的差異，進(jìn)而研究溫躍層對(duì)水聲場(chǎng)的影響。東海近海春季海表開(kāi)始增溫，存在較弱的垂直溫度梯度，依據(jù)國(guó)家海洋調(diào)查規(guī)范[16]，淺海(水深小于200 m)躍層判定標(biāo)準(zhǔn)為 0.5°C·m-1，該海域還尚未達(dá)到溫躍層標(biāo)準(zhǔn);夏季溫躍層最大強(qiáng)度在0.5°C·m-1以上，溫躍層上界深度在20 m左右[17]。受數(shù)據(jù)限制，分別對(duì)4月(春)、9月(夏)該海域相同位置處走航調(diào)查測(cè)得的溫度斷面進(jìn)行對(duì)比分析。將溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行垂向Akima插值處理到垂直間隔1 m的層次，利用垂直梯度法判定溫躍層:

同時(shí)，聲速計(jì)算采用Wilson于1960年導(dǎo)出的聲速公式[18]:

式中:Gi為溫度梯度，i為序列號(hào)，Ti為第i層溫度，Zi為第 i層深度。其中 C0，35，0=1 492.9 m·s-1，溫度-4°C＜T＜30°C，壓力 1 kg·cm-2＜P＜1 000 kg·cm-2，鹽度 0＜S＜37，計(jì)算精度較高，適合我國(guó)海區(qū)。

圖5 春季調(diào)查斷面兩端點(diǎn)處溫度、聲速剖面圖Fig.5 Temperature and sound speed profiles on two points of the investigation sections in spring

4月(春季)東海近海近表層海水水溫相對(duì)均勻，未達(dá)到溫躍層的標(biāo)準(zhǔn)。水聲調(diào)查春季某一東西向斷面內(nèi)，水深從53 m向東約70 km增加至75 m，水溫總體垂直向較均勻，靠近東海沿岸處近海表水溫均勻，15～34 m深度，出現(xiàn)逆溫層，最大約為-0.6°C·m-1(圖 5(a));向東約 70 km 遠(yuǎn)海處，逆溫層消失，表層55 m以內(nèi)海水混合均勻，近底層溫度略有下降，未達(dá)到正溫躍層的標(biāo)準(zhǔn)(圖5(c))。9月(夏季)躍層顯著增強(qiáng)，不難看出沿聲學(xué)走航斷面的溫躍層的近遠(yuǎn)海躍層上界深度都約為32 m左右，遠(yuǎn)海躍層厚度較大，最大強(qiáng)度較小。近海躍層最大強(qiáng)度可達(dá) 0.11°C·m-1，分布在 32.5～40.5 m 左右(如圖6(a));遠(yuǎn)海最大強(qiáng)度出現(xiàn)在61 m左右深度處，約為 0.86°C·m-1，躍層分布在 32.5～64.5 m(如圖6(c))。同時(shí)，此處計(jì)算聲速剖面是為下文利用UMPE模型仿真做準(zhǔn)備。

圖6 夏季調(diào)查斷面兩端點(diǎn)處溫度、聲速剖面圖Fig.6 Temperature and sound speed profiles on two points of the investigation sections in summer

3.3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析溫躍層對(duì)水聲場(chǎng)影響

選取2008年04月和2009年09月對(duì)應(yīng)上文溫躍層分析斷面處聲學(xué)傳播損失數(shù)據(jù)，2次調(diào)查時(shí)對(duì)應(yīng)的海表氣象水文情況有所差異:08年側(cè)線附近伴隨偏北風(fēng) 5～6 級(jí)，浪高 2.5～3.5 m，陰有陣雨;09 年調(diào)查期間天氣晴轉(zhuǎn)多云，東北風(fēng)5～6級(jí)，浪高2～3 m。同時(shí)2個(gè)航次的水聽(tīng)器陣分布水層存在微小差異，下文分析中選取水聽(tīng)器深度對(duì)應(yīng)較好的數(shù)據(jù)進(jìn)行討論。

春季拖曳聲源深度約為40 m，夏季在33 m左右，隨著船體拖動(dòng)深度變化在2 m以內(nèi)，分別位于逆溫躍層(春季)、正溫躍層(夏季)當(dāng)中。同時(shí)由于調(diào)查原因，同一測(cè)線獲取的數(shù)據(jù)的距離長(zhǎng)度不一。從圖7不難發(fā)現(xiàn)，溫躍層對(duì)水聲傳播損失存在巨大的影響，夏季的傳播損失明顯大于春季，當(dāng)水聽(tīng)器從海表向下靠近溫躍層上界時(shí)，躍層中傳播損失逐漸增大。春季調(diào)查斷面起點(diǎn)存在較強(qiáng)逆溫躍層，對(duì)應(yīng)夏季的強(qiáng)正溫躍層，傳播損失在靠近測(cè)量斷面起點(diǎn)(近聲源區(qū)域)兩者差別不明顯，距聲源距離超過(guò)5 km，傳播損失差別迅速增大。距聲源11 km處差值達(dá)到最大，在5.5 m左右深度層，最大相差約12～14 dB(圖7(a));在28 m左右深度層(圖7(b))，最大相差約16～18 dB，這證明了在溫躍層之上水層由上至下，躍層左右變大。隨著遠(yuǎn)離聲源，靠近測(cè)線斷面的末端，逆溫躍層逐漸消失，水溫垂直分布均勻，春、夏之間的差別逐漸較小，直至維持在同一穩(wěn)定水平。

同一溫躍層海洋環(huán)境中，頻率越高的聲波，傳播損失越大(如圖4)。春、夏季節(jié)海洋環(huán)境相差較大，躍層各異，溫躍層對(duì)不同頻率水聲場(chǎng)作用如圖8。

圖7 傳播損失季節(jié)對(duì)比，聲源頻率為0.58 kHzFig.7 Comparison of TL between different seasons，f=0.58 kHz

圖8 躍層對(duì)不同頻率水聲場(chǎng)影響對(duì)比圖，水聽(tīng)器深度=5.7mFig.8 The influence of thermocline on acoustic TL of different frequency，hydrophone in the depth of 5.7m

不難發(fā)現(xiàn)，溫躍層對(duì)低頻水聲場(chǎng)影響較大，高頻較小。當(dāng)聲源f=6.3 kHz，春夏季節(jié)的傳播損失曲線平整關(guān)系較好，相差6～8 dB(圖8(b));當(dāng)聲源f=0.58 kHz 和 1.3 kHz，春夏傳播損失最大分別相差12～14 dB、9～11 dB，且隨距聲源的距離增大，變化幅度較大(圖8(a))。

春季(如圖9(a))逆溫躍層上界深度為17 m，水聽(tīng)器位于22 m時(shí)傳播損失最大，5.7 m最小，10.3 m居中;說(shuō)明逆溫層上界水層，隨深度的增大傳播損失逐漸增加。夏季(如圖9(b))正溫躍層上界深度在32 m左右，水聽(tīng)器位于22.5 m時(shí)傳播損失最小，5.1 m 最大，10.2 m 居中;說(shuō)明正溫躍層上界水層，隨深度的增大傳播損失逐漸減小。分析原因，聲傳播過(guò)程中聲線總是彎向聲速梯度減小的方向，正躍層上界隨深度增大溫度逐漸減小，這就導(dǎo)致了正溫度梯度海洋環(huán)境中，聲波逐漸向聲速減小的方向會(huì)集，亦即向溫度減小和深水區(qū)方向聚集，水深越小，傳播損失越大。逆溫躍層上界海洋環(huán)境相反，聲波向淺海會(huì)集，水深越小，傳播損失越小。

圖9 春、夏季節(jié)溫躍層上界傳播損失對(duì)比Fig.9 TL comparison in the water layer above thermocline in spring and summer

部分淺海溫躍層下界直達(dá)海底，獲取實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的水聽(tīng)器陣位于溫躍層上界或者處于溫躍層中，未達(dá)到躍層下界水層，因此本文實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)重點(diǎn)分析躍層上界水層，下文利用UMPE補(bǔ)充模擬分析躍層下界水層的傳播損失。

4 UMPE模型補(bǔ)充分析

李家訊(2009)[19]利用Kraken簡(jiǎn)正波模型對(duì)不同聲速剖面下聲傳播損失場(chǎng)進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，淺海聲速剖面主要是受溫度剖面影響，不同聲速剖面反應(yīng)了不同的溫度剖面，即不同性質(zhì)的溫躍層特征。但是該文章沒(méi)有具體提出是溫躍層的影響，本文利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)該模式在中國(guó)近海的適應(yīng)性進(jìn)行驗(yàn)證，再利用UMPE拋物模型重點(diǎn)研究溫躍層以下水層聲傳播損失分布。

上文分析聲學(xué)調(diào)查斷面海底、海表與聲學(xué)相關(guān)信息如圖10所示。春、夏2個(gè)航次海表浪高相當(dāng)，僅存在風(fēng)向和天氣特征的差異，這對(duì)聲學(xué)調(diào)查結(jié)果影響較小。水深變化較小，海底地形相對(duì)平坦，最深75 m，最淺在53 m。在長(zhǎng)約70 km斷面上，由淺至深分布有粉砂質(zhì)粘土、粘土質(zhì)砂和砂(沒(méi)有再細(xì)分)。UMPE模型的不足之一在于無(wú)法對(duì)海面海表的分布特征進(jìn)行區(qū)域細(xì)分，只能做單一處理。根據(jù)實(shí)際海況將聲學(xué)參數(shù)融入U(xiǎn)MPE模型，進(jìn)行仿真模擬，春、夏季的聲速剖面如圖5(b)、圖5(d)、圖6(b)、圖6(d)所示，由于高頻聲源聲波傳播較短，模擬聲源頻率定為300 Hz。

從圖11不難發(fā)現(xiàn)，春季傳播損失場(chǎng)整體低于夏季。夏季正溫躍層條件下，聲速相對(duì)較大，聲能衰減迅速，且從表層向下，傳播損失逐漸減小，這與前文分析的在躍層上界水層，從表層向下傳播損失逐漸減小相對(duì)應(yīng)，隨著傳播距離的增加，聲能逐漸向海底聚集。由于UMPE模型模擬的是窄角聲源，難以達(dá)到實(shí)測(cè)調(diào)查使用的近似無(wú)指向性聲源效果。但對(duì)比圖11(a)、圖11(b)易得到負(fù)溫躍層海洋環(huán)境中聲信道效果較好，聲波傳播距離更大，同時(shí)聲波向中上層海水折射。

圖10 聲學(xué)調(diào)查斷面海底、海表聲學(xué)參數(shù)分布圖Fig.10 Acoustic parameters in sea bottom and surface of acoustic

UMPE模型在模擬高頻、無(wú)指向聲源存在不足，采用降頻、窄角聲源處理，能夠滿足分析溫躍層對(duì)水聲場(chǎng)的影響的要求。提取春、夏季46、61、71 m 3個(gè)位于溫躍層下界的水層傳播損失進(jìn)行對(duì)比，近場(chǎng)傳播損失相差甚小;春季逆溫躍層海洋環(huán)境中，71 m水層傳播損失最大，46 m水層傳播損失最小，說(shuō)明逆溫躍層下界水層聲能傳播損失隨深度增大逐漸增大(圖12(a));夏季正溫躍層海洋環(huán)境中，近場(chǎng)傳播損失變化復(fù)雜，這主要是受窄角模型的影響，結(jié)合圖11(b)和圖12(b)不難發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)場(chǎng)71 m水層傳播損失最小，46 m最大，61 m居中，這說(shuō)明正溫躍層下界水層聲能傳播損失隨深度增大而增大減小。

圖11 春、夏傳播損失場(chǎng)對(duì)比圖Fig.11 The comparison of transmission loss between spring and summer

圖12 春、夏溫躍層下界水層傳播損失對(duì)比Fig.12 Different layers of transmission loss in spring and summer below the thermocline

5 結(jié)論

溫躍層是水聲傳播損失垂向變化劇烈的水層，正、逆溫躍層上、下層都伴隨有不同的變化趨勢(shì)，靠近溫躍層所在的深度傳播損失變化較快。同時(shí)，溫躍層對(duì)不同頻率水聲場(chǎng)作用各異，本文綜合利用聲學(xué)調(diào)查資料和聲學(xué)模型分析近海溫躍層對(duì)水聲場(chǎng)的影響，對(duì)聲學(xué)研究和聲學(xué)調(diào)查提供了一定的理論依據(jù)，得出如下結(jié)論:

1)無(wú)躍層或溫度垂直梯度較小時(shí)，對(duì)水聲場(chǎng)影響不大。溫躍層上界水層，逆溫躍層環(huán)境中聲傳播損失隨深度增大而逐漸增大;正溫躍層環(huán)境中，聲傳播損失隨深度增大而逐漸變小;變化速度向靠近躍層深度而加大。

2)溫躍層對(duì)不同頻率水聲場(chǎng)環(huán)境影響各異，聲源頻率越高，影響越小，隨與聲源距離的加大，傳播損失曲線平整關(guān)系較好，6.3 kHz聲源在5.7 m深度春、夏差別在6～8 dB;聲源頻率低，影響越大，傳播損失曲線差異隨距離振幅波動(dòng)較大，0.58 kHz聲源在5.7 m深度春、夏季最大差別可達(dá)12～14 dB。

3)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證UMPE聲學(xué)模型在高頻、窄角聲源方面的不足，但基本能夠滿足對(duì)溫躍層對(duì)水聲場(chǎng)影響的研究需要。并仿真溫躍層下界水聲場(chǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)躍層下界水層隨深度增大，變化趨勢(shì)與對(duì)應(yīng)躍層環(huán)境躍層上界水聲場(chǎng)變化趨勢(shì)一致。

由于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分布層次的原因，同時(shí)受到部分研究淺海區(qū)域溫躍層直達(dá)海底的限制，重點(diǎn)分析的是溫躍層上界水聲傳播損失，并且采用UMPE二維聲學(xué)模型補(bǔ)充分析溫躍層下界溫度均勻的水層。以后將進(jìn)一步研究淺海溫躍層對(duì)水聲場(chǎng)的作用，同時(shí)也將研究深海溫躍層對(duì)水聲場(chǎng)的影響。

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