張旭,程琛,劉艷
(1.中國人民解放軍91550部隊,遼寧大連 116023;2.92493部隊博士后科研工作站,遼寧大連 116023)
西北太平洋副熱帶模態水形成區聲傳播特性分析
張旭1,2,程琛1,劉艷1
(1.中國人民解放軍91550部隊,遼寧大連 116023;2.92493部隊博士后科研工作站,遼寧大連 116023)
利用Argo剖面數據和水聲學數值模型,分析了西北太平洋副熱帶模態水(STMW)形成區因季節性環境差異所引起的水聲傳播變化特征。聲場計算結果表明,STMW形成區域的聲傳播為近表層波導與會聚區的復合形式,其中會聚區終年存在,表面波導在秋、冬兩季混合層加深的環境條件下出現,次表層波導在夏季STMW潛沉的環境條件下出現。上層海洋中兩類不同形式的波導使表層和次表層的聲能分布呈反相變化,波導內與波導外的聲能差異可達10~15 dB(聲波頻率為1 000 Hz)。STMW的季節性變化還會引起會聚區的位置差異,具體情況與聲源深度有關。聲源在20 m時,夏季會聚區距離最遠,秋季、春季次之,冬季最近,夏季和冬季相差6.6 km;聲源在150 m時,夏季會聚區距離縮短了3.1 km,其他季節變化不大。
模態水;西北太平洋;次表層波導;Argo;BELLHOP模型
聲波在海洋中的傳播特性與所經歷的海洋環境條件密切相關,海洋中的各種現象引起的水文環境分布變化往往使不同海區、不同季節的聲傳播方式出現顯著差異。關于西北太平洋聲傳播規律的研究已有大量報道,對于混合層[1-3]、溫躍層[4]和深海聲道[5-6]等參數的分布特征已有較為清晰的描述,關于聲速剖面的結構特點也有了初步的認識[7]。西北太平洋主要為深海環境,存在深海聲道、會聚區、表面聲道、海面-海底反射聲道等聲傳播樣式,但一些較復雜的海洋現象往往使局部海區呈現出非均勻聲速水平分布,使聲傳播樣式出現異常,例如海洋鋒、中尺度渦、內波等現象能夠使聲傳播產生會聚區偏移、多路徑傳播和水平折射等效應[8-11]。盡管對于西北太平洋聲傳播規律的研究持續開展,但仍有很多特殊海洋現象對聲傳播影響的規律尚未被認識,西北太平洋副熱帶模態水的存在和變化就是其中之一。
西北太平洋副熱帶模態水(STMW)最早由Masuzawa提出,是指副熱帶環流西北部永久性躍層之上的16~18℃水層,其主要特點是在一定厚度的次表層水層中海水密度呈現出較為均勻的分布[12]。STMW大體形成于黑潮和黑潮延伸體以南,區域范圍約為30°~34°N,140°~170°E[13-14]。由于STMW攜帶著大氣信號與海洋內部橋接的關鍵示蹤信息[15],其形成及演化機制受到國內外學者的密切關注[16-18]。Hanawa和Talley總結了2000年以前相關的研究成果[19],之后由于衛星遙感和Argo浮標帶來的技術革命,迅速積累的海洋觀測數據已能夠覆蓋到STMW形成、擴展、消散全過程的區域,使得近十年來關于STMW物理機制的研究取得了較大的進展,Oka和Qiu對這些成果進行了全面的總結[20]。
盡管STMW作為一種海洋物理現象倍受關注,但它所引起的水聲環境變化和對聲傳播影響的研究尚未開展。本文嘗試對STMW環境下可能出現的聲傳播現象進行初步分析,這對于進一步認識西北太平洋的水聲環境有一定意義。
2.1 數據來源
海區的聲速剖面結構取決于水文環境,本文中采用美國國家海洋學數據中心(NODC)發布的Argo剖面數據[21],剖面測量范圍一般為0~2 000 m之間,采樣數據主要包括水溫、鹽度和壓力,典型空間分辨率約為3°×3°,時間分辨率約為10 d[22]。為了反映STMW形成區的環境特性,本文選取STMW形成區(參見文獻[20])的一個5°×10°矩形區域的Argo數據,區域范圍為29°~34°N、150°~160°E,時間范圍為2006-2012年,水溫、鹽度剖面數據共計2 322組(圖1)。

圖1 區域選取及數據分布Fig.1 The selected region in this paper and the distribution of the profilers'position
2.2 聲速剖面擴充方法
Argo剖面數據的最大取樣深度通常為2 000 m左右,因此無法提供聲速剖面的深海部分,不能直接用于深海聲傳播的計算。針對這個問題,采用WOA09數據集對Argo剖面最大采樣深度以下的溫度、鹽度參數進行補充。WOA09數據集由美國國家海洋學數據中心(NODC)發布,是根據1900-2009年全球范圍的歷史觀測數據經Levitus客觀分析方法得到的格點數據集,水平網格為1°×1°,深度范圍為0~5 500 m,垂直標準層為33層[23-24]。
首先,在WOA09數據集中選取與Argo剖面觀測時間及經、緯度位置最為接近的氣候態剖面,并根據Mackenzie聲速經驗公式[25]計算聲速剖面。其次,采用10 m深度間隔對垂直分層進行加密,對Argo觀測剖面和參考聲速剖面分別進行插值處理,由Argo數據得到的聲速剖面記為cA(z),由WOA09數據得到的聲速剖面記為cW(z)。假設在深海聲道軸深度ZU之下水文環境趨于穩定,Argo數據與WOA09數據在此深度之下交疊的部分一直接續到Argo剖面的最大采樣深度ZD。通過引入兩個比例系數kA(z)和kW(z)將兩個剖面在深海聲道軸之下的部分進行融合,合成剖面的表達式為:

式中,深海聲道軸深度ZU為剖面中聲速最小值對應深度,一般為900~1 100 m,而Argo剖面的最大采樣深度ZD約為2 000 m。根據式(1)~(3),兩剖面交疊部分之上水層由Argo數據提供,之下水層由WOA09數據提供;在交疊部分的深度范圍由兩類數據共同提供,其中越靠近頂部Argo數據的權重越大,越靠近底部WOA09數據的權重越大。
2.3 聲場計算方法
采用BELLHOP高斯束射線模型[26]計算聲場。與簡正波模型(如Kraken)或拋物方程模型(如MMPE)相比,射線模型的主要優勢是能夠清晰、準確地描述聲能在水平非均勻環境傳播過程中的變化方式,因此更適用于本文所選取的西北太平洋深海海區。傳統射線模型通常受到高頻近似的限制,不能有效計算焦散線附近的傳播損失。Porter等通過引入地聲學中的高斯近似方法提出了BELLHOP模型,較好地解決了焦散線對聲場計算的影響,在處理聲能焦散和完全影區等問題方面相對于傳統模型有明顯地改進,并且能夠適用于復雜三維環境下的聲場計算[26-28]。聲場計算過程中的參數設置如下:垂直方向和水平方向的分辨率分別取5 m和0.2km,聲波頻率取1 k Hz;掠射角范圍取-90°~90°,掠射角間隔設為0.5°。
圖2給出了根據2006-2012年的Argo數據得到的聲速垂直分布時間序列,圖中的點線表示在躍層深度范圍內出現的弱梯度夾層的上、下邊界(以聲速負梯度絕對值小于0.05 s-1的深度范圍計算)。圖3給出了各月份平均聲速剖面的垂直結構(由所選海區在不同年份、相同月份的剖面進行平均得到)。
根據圖2和圖3可以看出,冬季末期是模態水形成的季節,混合層達到全年的最大深度(通常可達200 m左右),冷的表層水通過混合對流作用與次表層的主躍層水相接觸,發生“溫躍層通風”現象[15],此時的聲速剖面滿足由混合層、主溫躍層和深海等溫層構成的“三層結構”。春季之后,太陽輻射的增強使混合層快速消退,近表層開始出現負梯度的季節性溫躍層,此時在冬末“溫躍層通風”過程中形成的模態水仍滯留在次表層,形成了圖2中點線之間所標示的較厚的弱梯度夾層。進入夏季,近表層的季節性躍層達到最強,同時滯留在次表層的模態水逐漸潛沉進入到主躍層內部,厚度較春季有所減小,但整個水層的物理性質更加均一,以致于聲速剖面開始出現正梯度分布。秋季,近表層混合對流作用的加強使混合層不斷加深,季節性躍層隨之消退,模態水在混合層的卷入過程中逐漸消蝕[15],聲速剖面中弱梯度夾層在混合層的加深過程中逐漸瓦解,直到冬季末期混合層再次加深到主躍層的上部,新的“溫躍層通風”現象又將開始。由以上分析可以看出,模態水的形成、擴散及消亡過程對上層海洋聲速剖面結構的影響非常明顯,全年中有超過半年的時間季節性躍層與主躍層都處于被弱聲速梯度夾層隔斷的狀態;相比之下,主躍層以下的深層水環境較為穩定,月變化很小。

圖2 北太平洋西部副熱帶模態水形成區域聲速垂直分布時間序列Fig.2 Time series of vertical distribution of sound speed of STMW source area
圖4~7給出了STMW形成區域各季節典型聲場的比較,選取2月、5月、8月、11月作為冬季、春季、夏季、秋季的代表月份,聲場由BELLHOP模型計算,聲源深度設為20 m和150 m,深海部分的聲速剖面根據WOA09數據按式(1)~(3)計算得到。圖8給出了各季節的聲場在典型接收深度上的傳播損失曲線比較。由圖可見,模態水的季節轉換使聲場能量分布發生了顯著的變化,不同季節聲場的差異性與聲速剖面結構和聲源深度變化有很大的關聯性。
當聲源位于20 m時,對于秋、冬季聲場,近表層在有較深的混合層條件下形成表面聲道,進入深海的聲波則形成會聚區聲道,兩類聲道同時存在;對于春、夏季聲場,近表層在季節性躍層環境下為負梯度聲速結構,不能形成表面聲道,聲波直接進入深海形成會聚區聲道。根據傳播損失曲線(見圖8),秋、冬兩季近表層聲能水平明顯高于春、夏兩季聲場,傳播損失相差10~15 dB(不包含會聚區附近區域)。

圖3 北太平洋西部模態水形成區域各月份的平均聲速結構Fig.3 Profiles of monthly mean of sound speed of STMW source area
當聲源位于150 m時,秋、冬和春季聲場都表現為會聚區傳播的樣式,相比之下夏季聲場的樣式較為特殊。對于冬季聲場,聲源深度在混合層底附近,只有少部分聲線對近表層聲能有所貢獻,但整體上表現為會聚區的樣式。對于夏季聲場,聲源位于聲速極小值附近,在其上的負梯度溫躍層和其下的正梯度模態水層的約束下,形成了明顯的水下波導式傳播,樣式與深海SOFAR聲道類似(由于波導層出現在次表層,本文將其稱為次表層波導,相應的聲道為次表層聲道)。根據傳播損失曲線(見圖8),夏季聲場比冬季聲能高出約10 dB(不包含會聚區附近區域)。這種情況剛好與接收深度為20 m的情況形成鮮明的反差,這是因為夏季聲場中近表層已在波導區域之外,因此到達的聲能明顯小于次表層。
表1給出了聲源-接收深度分別為20 m和150 m時的會聚區位置比較,會聚區位置以傳播損失曲線中聲能增益極大值所在位置計算。由表可見,當聲源深度和接收深度在近表層(見圖8a)時,由于夏季聲場在近表層形成較強的季節性溫躍層,因此在從表層到深層的水柱中聲速整體躍變更強,對聲線偏折的影響更大,使得夏季會聚區距離最遠。而冬季聲場有較厚的混合層,水柱中的聲速垂向躍變程度最弱,因此會聚區距離最近,第一會聚區的位置與夏季相差約6.6 km。春、秋兩季聲場的會聚區位置介于冬、夏兩季之間,其中秋季躍層更強一些,因此會聚區距離更遠。會聚區位置的這些變化特征與文獻[29-30]報道的結果相一致。當聲源深度和接收深度在次表層(見圖8b)時,對于春、秋、冬三季會聚區位置受環境變化的影響較小,第一會聚區的變化量值小于1.0 km,而對于夏季環境因素影響較大,會聚區距離減小了3.1 km。這是因為,在春季和秋季的次表層都為較弱的負梯度結構,不能對聲能形成陷獲作用,對會聚區起主要作用的小角度聲線進入深海傳播,而夏季小角度聲線大部分限制在次表層波導之中,會聚區由掠射角更大的聲線提供,次表層的弱正梯度抑制了這些聲線向更深的水層偏折,因此到達的距離變近。

圖4 北太平洋西部模態水形成海區2月典型聲場Fig 4 Typical sound field of STMW source area in February

圖5 北太平洋西部模態水形成海區5月典型聲場Fig 5 Typical sound field of STMW source area in May

圖6 北太平洋西部模態水形成海區8月典型聲場Fig 6 Typical sound field of STMW source area in August

圖7 北太平洋西部模態水形成海區11月典型聲場Fig 7 Typical sound field of STMW source area in November

圖8 不同月份聲場傳播損失曲線比較Fig.8 Comparison of sound transmission loss curve among different months

表1 兩種聲源-接收深度條件下的會聚區位置比較Tab.1 Comparison of CZ position with two different source-receiver conditions

圖9 冬季表面波導與夏季次表層波導的聲線傳播比較Fig.9 Comparison of ray tracing pattern between the surface duct in the winter and that in the summer
在同一海區的夏季和冬季,近表層與次表層交替出現聲波導傳播現象,這是STMW在生消變化過程中所引起的特殊聲傳播現象。然而,需要注意的是這兩類波導的形成機制并不相同。對于冬季的表面聲道聲場,聲波在正梯度聲速結構的影響下,以海面反射的形式傳播;而對于夏季的次表層聲道聲場,聲波在負梯度與正梯度層的共同約束下以完整的水下波導形式傳播。圖9給出了這兩類聲道的聲線傳播圖比較,可以看出次表層聲道中的主要聲能幾乎不受海面狀況的影響,因此夏季次表層聲道的聲信號傳輸性能比冬季的表面聲道更可靠。
次表層波導形式的聲傳播現象并不僅限于西北太平洋,在大西洋的灣流區域也曾報道過類似的水聲學現象[31-32],但以往的研究中并未出現過模態水環境對水聲傳播影響的報道。模態水作為大洋中的一種特殊的海洋物理現象,有著鮮明的區域性環境分布特征。在北太平洋,還有另外兩類副熱帶模態水(中部副熱帶模態水、東部副熱帶模態水)[33],在北大西洋副熱帶海區也有類似水體的存在[34-35]。這些水體所引起的聲速環境分布變化各異,有待進一步開展研究。
在西北太平洋副熱帶模態水(STMW)的形成、運動、消蝕過程中,上層海洋的聲速環境有著鮮明的季節性變化,進而對水聲傳播方式產生了重要影響。這種影響主要體現在兩個方面:
(1)對傳播方式和能量分布的改變。從秋季到冬季混合層的不斷加深為STMW形成創造了條件,使近表層聲場呈現表面波導的聲傳播方式;春季近表層的季節性躍層代替了混合層,使聲能只能以會聚區的形式傳播;夏季STMW潛沉進入主躍層,次表層形成物理性質極為均勻的水層,使聲場呈現次表層波導的傳播方式。聲場計算結果表明,秋、冬兩季的表面波導與夏季的次表層波導引起了近表層和次表層聲場中聲能分布的季節性反相變化,表面波導或次表層波導所在水層比波導層之外區域聲能高出10~15 dB(聲波頻率為1 k Hz)。
(2)對會聚區位置的改變。STMW的季節性變化過程中聲速結構有明顯差異,使聲能的折射、反轉、會聚等過程發生了變化,其變化程度還與聲源深度有關。當聲源位于近表層20 m時,夏季會聚區距離最遠,冬季會聚區距離最近,兩者相差可達6.6 km,春、秋兩季介于冬、夏兩季之間;當聲源位于次表層150 m時,STMW的潛沉削弱了主躍層對聲線折射的貢獻,夏季會聚區距離縮短了3.1 km,而春、秋、冬三季會聚區變化不大。
近年來,隨著海洋學數據的不斷積累(特別是Argo數據),對于全球海洋現象區域性、季節性變化規律的認識越來越細致。在此過程中,逐漸發現很多海區的聲速剖面結構并不是傳統意義上的“三層結構”類型,使聲傳播呈現出不同形式的變異特征。特別是海洋鋒、中尺度渦、內波等中尺度海洋現象的生消變化,造成了海洋水文環境在時間-空間上的顯著非均勻分布,使聲場特性復雜多變,難以預測。本文是應用Argo數據對特殊海洋環境聲傳播效應研究的一次嘗試,更多的認識有待于海洋學方法與水聲學方法的交叉融合,這些研究有助于不斷積累的海洋學數據在水聲應用領域發揮更大的作用。
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Acoustic propagation effect caused by subtropical mode water of northwestern Pacific
Zhang Xu1,2,Cheng Chen1,Liu Yan1
(1.Unit 91550 of People's Liberation Army of China,Dalian 116023,China;2.Post-doctoral Scientific Research Work Station in 92493 Unit of People’e Liberation Army,Dalian 116023,China)
Acoustical propagation features caused by subtropical mode water(STMW)of Northwestern Pacific during seasonal transition are analyzed by Argo profile data and acoustic numerical model.The results of sound filed show that the main propagating pattern of STMW formed region is a combination of surface or subsurface duct and convergence zone(CZ).The CZ exists all the year round,but the surface duct appears in a growing mixed-layer environment in autumn and winter,and the subsurface duct appears only in a STMW subduction environment insummer.Two types of duct propagation show an inverse pattern of sound energy distribution,and the difference can be around 10 to 15 dB between the internal and the external of the duct(sound frequency is 1 k Hz).Seasonal transition of STMW can also lead to the change of CZ positions.The changes are influenced by the source depth.When the source locates at 20 m,the CZ position reaches its furthest in the summer,remains medium in the spring,and arrives its nearest in the winter,where the maximum difference can be 6.6 km.When the source locates at 150 m,the CZ reduces 3.1 km in summer and shows no distinct changes in other seasons.
mode water;northwestern Pacific;subsurface duct;Argo;BELLHOP model
P733.2
A
0253-4193(2014)09-0094-09
張旭,程琛,劉艷.西北太平洋副熱帶模態水形成區聲傳播特性分析[J].海洋學報,2014,36(9):94—102,
10.3969/j.issn.0253-4193.2014.09.011
Zhang Xu,Cheng Chen,Liu Yan.Acoustic propagation effect caused by subtropical mode water of northwestern Pacific[J].Acta Oceanologica Sinica(in Chinese),2014,36(9):94—102,doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2014.09.011
2013-06-15;
2013-12-14。
張旭(1982—),男,黑龍江省蘿北縣人,博士,工程師,主要從事軍事海洋學、水下測量技術研究。