海洋鋒現(xiàn)象及其對(duì)水聲傳播的影響.pdf

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1、第32卷第5期海洋預(yù)報(bào)V01．32。No．52015年10月MARINEFORECASTSOct．2015DOI：10．11737巧．issn．1003—0239．2015．05．010海洋鋒現(xiàn)象及其對(duì)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)摘要：為了研究海洋鋒對(duì)聲傳播的影響，借鑒黑潮引起的臺(tái)灣海峽南部海洋鋒的歷史水文觀測(cè)資料，提出并建立了適合描述臺(tái)灣海峽南部海洋鋒的數(shù)學(xué)模型及其聲速表達(dá)式。通過(guò)與實(shí)測(cè)資料對(duì)比，建立的海洋鋒模型能準(zhǔn)確反映客觀實(shí)際情況，表現(xiàn)出較好的效果。同時(shí)，在借鑒了前人研究經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用Argo實(shí)測(cè)資料，建立了臺(tái)灣海峽南部海洋鋒的數(shù)學(xué)模型及其聲

2、速表達(dá)式，利用MMPE水下聲場(chǎng)模型進(jìn)行了海洋聲場(chǎng)數(shù)值模擬試驗(yàn)，對(duì)目標(biāo)海區(qū)典型的聲場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了聲線路徑模擬和傳播損失的計(jì)算仿真，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過(guò)與前人進(jìn)行的實(shí)際大洋聲場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果比較，證實(shí)了本文的模擬結(jié)果是準(zhǔn)確可信的，提高了水聲數(shù)值模擬試驗(yàn)的準(zhǔn)確有效性。關(guān)鍵詞：海洋鋒；聲傳播；影響中圖分類(lèi)號(hào)：P733．21文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003—0239(2015)05．0080—091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(guò)渡帶，其間存在強(qiáng)烈的湍流混合交換、水平輻合(輻散)和垂直運(yùn)動(dòng)?？捎煤Ｋ臏囟取Ⅺ}度、密度、速度、顏色、葉綠素等要素的水平梯度來(lái)確定鋒帶的位置n，。海洋鋒的

3、規(guī)?？梢孕≈翈追种幻?，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(lèi)：1．行星尺度鋒；2．強(qiáng)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(xù)性，持續(xù)時(shí)間為數(shù)小時(shí)至數(shù)月。此外，鋒區(qū)異常的水文狀況，又將直接或間接的影響水下聲學(xué)通訊，因此，海洋鋒對(duì)潛艇活動(dòng)、水聲探測(cè)、水下通信等影響很大‘”。本文研究選擇的區(qū)域一臺(tái)灣海峽，位于東海和南海之間，是南北溝通我國(guó)近海的重要水道，海峽南部地形較為復(fù)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

4、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(fā)育，形成臺(tái)灣淺灘，其水深小于20m，將海峽一分為二；在淺灘以東100rn等深線向北深入海峽，形成澎湖水道，在淺灘西側(cè)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(guān)于海洋鋒面與水聲傳播之間的重要聯(lián)系，一些外國(guó)學(xué)者早在20世紀(jì)80年代就開(kāi)始著手對(duì)此進(jìn)行了一系列研究。例如Rousseau等口1發(fā)現(xiàn)當(dāng)鋒面通過(guò)溫度鋒面時(shí)，會(huì)由于溫度的劇烈變化而產(chǎn)生聲速梯度的變化，對(duì)于較強(qiáng)的灣流和黑潮鋒面來(lái)說(shuō)，聲速的改變將大于30m／s，而對(duì)于較弱的鋒面來(lái)說(shuō)聲速的改變小于5rrds；Mellberg等口1研究了東格陵蘭極地與周?chē)^(qū)的過(guò)渡區(qū)域的

5、鋒面對(duì)聲傳播的影響，發(fā)現(xiàn)鋒面對(duì)聲傳播的影響與聲源位置有關(guān)；Heathershaw等H，利用三維數(shù)值海洋模型獲得的水聲環(huán)境數(shù)據(jù)作為輸入，研究了通過(guò)海洋鋒面的聲傳播問(wèn)題。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)不同的聲源及接收器深度的組合，鋒面的影響會(huì)使得傳播損失發(fā)生10—20dB的變化”】。在國(guó)內(nèi)笪良龍”，應(yīng)用簡(jiǎn)化的深海海洋鋒面模型，利用射線傳播模型研究了鋒面對(duì)聲傳播損失的影響，并將有鋒和無(wú)鋒時(shí)會(huì)聚區(qū)的位置和深度進(jìn)行收稿日期：2015—02—03作者簡(jiǎn)介：郭婷婷(1983一)，女，工程師，從事氣象預(yù)報(bào)保障工作。E-mail：guotingtin9565683@163．corn5期郭婷婷等：海洋鋒現(xiàn)象及其對(duì)水聲傳播的影響了比

6、較；南明星等吲對(duì)海洋鋒區(qū)的三維聲線軌跡進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)聲線從進(jìn)入鋒區(qū)開(kāi)始發(fā)生明顯的偏轉(zhuǎn)，而且隨著距離的增加，水平偏轉(zhuǎn)角度越來(lái)越大，最大值達(dá)到10左右；李立等[71的研究提出：由于多種水系在臺(tái)灣海峽南部交匯，其冬、夏季均有明顯的鋒面發(fā)育，受季風(fēng)氣候影響，鋒面發(fā)育有顯著的季節(jié)差異；南明星等同使用1989--2001年的NOAAAVHRR(AdvancedVeryHighResolutionRadio—meter)圖像，研究了我國(guó)臺(tái)灣海峽及其鄰近海域的海面溫度鋒。衛(wèi)星遙感觀測(cè)表明該海域海面溫度鋒終年存在㈣。由于海洋鋒的生成機(jī)制和類(lèi)型分布各異，目前研究海洋鋒，主要是利用觀測(cè)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。為了研究其

7、對(duì)聲傳播的影響，本文借鑒黑潮引起的臺(tái)灣海峽南部海洋鋒的歷史水文觀測(cè)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(dá)式。通過(guò)與實(shí)測(cè)資料對(duì)比，我們建立的海洋鋒模型能準(zhǔn)確反映客觀實(shí)際情況，表現(xiàn)出較好的效果。同時(shí)，本文在借鑒了前人研究經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，首次將經(jīng)過(guò)融合的Argo等多源資料作為水聲模型的初始場(chǎng)。以往對(duì)聲波傳播和衰減數(shù)值模擬試驗(yàn)的研究，多是利用海洋環(huán)境預(yù)報(bào)模式的結(jié)果作為輸入值，由于模式缺乏