Effects of topography and Kuroshio on sound propagation in the Okinawa Sea in winter
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摘要:
冲绳海域地形复杂且冬季存在较强的黑潮海洋锋, 利用数值实验研究斜坡地形和海洋锋同时存在时由浅海至深海的声传播特性。海洋模式数值预报环境数据表明, 分布于冲绳海槽斜坡上方的海洋锋导致该海域上层水体声速存在水平变化, 纬度越高, 水平变化越大。利用抛物方程声场模型计算声传播损失, 通过简正模态分析存在表面声道的环境中声能量分布, 利用声线轨迹图解释海底斜坡和海洋锋对声传播的影响。结果表明: 声源频率低于表面声道截止频率时, 声传播主要受海底地形影响; 声源频率高于表面声道截止频率时, 位于表面声道内的声源激发的声能量主要在表面声道传播, 部分声能量从表面声道泄漏沿斜坡向深海传播, 位于表面声道深度以下的声源激发的声能量主要沿斜坡向深海传播, 斜坡地形导致表面声道下方至共轭深度这一深度范围呈现为声影区, 海洋锋的存在可导致表面声道传播损失变化明显, 影响程度与声源深度有关。
Abstract:The topography in the Okinawa Sea is usually complex, and there is a strong Kuroshio front in winter. Characteristics of sound field, running from shallow to deep water across slope topography and across the front, are analyzed by numerical experiments. The environmental data provided by the Hybrid Ocean Model show that the Kuroshio front is above the slope of the Okinawa trough. Moreover, sound speed of the upper water varies in the horizontal direction, and the horizontal sound-speed change increases with the latitude increasing. The transmission loss is calculated by the parabolic-equation acoustic model. The distribution of sound energy in the environment with the existence of surface duct is analyzed by normal modes. Effects of the topography and a front on sound propagation are explained using ray diagrams. It shows that the sound propagation is mainly influenced by the topography when the frequency of source is lower than the cut-off frequency of surface duct. When the frequency of source is higher than the cut-off frequency of surface duct, the sound energy excited by the source located in the surface duct mainly propagates around the surface channel, and part of sound energy leaking from the surface duct transmits along the slope to the deep water. The sound energy excited by the source located below the surface duct mainly propagates along the slope to the deep water. The sound field in the depth range from the bottom of the surface duct to the conjugate depth appears as a sound shadow area due to the effect of slope bottom. It is also observed that the existence of a front can lead to significant differences of the transmission loss in surface duct at some depths of sound source.
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Keywords:
- Kuroshio front /
- Surface duct /
- Acoustic propagation /
- Topography
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引言
冲绳海域黑潮海表温度锋在冬季和春季较强, 秋季次之, 夏季消失 [1]。冬季黑潮海洋锋使冲绳海域表面声道声速存在明显水平变化, 此时该海域声传播受冲绳海槽斜坡地形和海洋锋共同影响。
关于斜坡波导环境下的声传播规律, 目前已开展许多研究工作。Tappert等 [2]利用卡内奥赫海湾真实环境数值仿真声传播, 发现在浅海下坡海域, 海底反射作用使声波沿斜坡向下传播, 深海声道声速剖面对声线的折射作用使声波逐渐与底部分离并沿声道轴继续在深海海域传播, 这一现象在西北太平洋大陆坡外海也进行了实验验证 [3]。最近, 胡治国等[4-5]通过将深海海底平坦和海底倾斜环境下的传播损失对比分析海底地形对声传播的影响, 小海底山丘对声波的反射遮挡作用导致特定传播距离和深度上出现倒三角声影区。庞立臣等 [6]利用南海实验数据分析负梯度水文环境下海底山对声传播的影响, 用射线模型进行解释, 仿真结果表明海山的存在破坏了平坦海底环境下的声场结构, 导致山后形成大范围影区。张青青等 [7]利用南海实验数据分析跨海沟条件下的声传播特性, 并用射线理论解释地形变化对声传播的影响, 结果表明在负梯度声速和地形的共同作用下, 声能量随海底深度增加而向深海传播, 至海深大于声道轴深度时, 声能量主要集中在声道轴附近向远处传播。但这些研究均是在水文环境水平均匀的假设下开展。
考虑了海洋锋引起的声速水平变化, Mellberg等 [8]利用数值实验说明在海洋锋区收发深度变化会显著影响声场特征。Jensen等 [9]利用抛物方程声场模型计算冰岛费罗海洋锋区中低频声传播, 发现地形变化对声传播模式影响最大, 水文环境变化对声场产生显著但相对较小的影响, 并用射线方法为部分声传播特性进行物理解释。张旭等 [10]应用射线模型计算东海黑潮海洋锋环境下的声场, 计算结果表明声波传播通过锋面区导致声能量的空间分布出现偏移。存在表面声道的海洋环境中, 基于射线方法得到的声场结果与实际情况不符[11-12]。由于射线理论在复杂的水文环境中不一定适用, Carman等 [13]利用海洋模型输出的环境数据数值计算地形变化海洋锋区低频声传播特性时, 通过相同环境下射线方法提供的声传播轨迹为声传播特性提供物理解释, 但所呈现的声传播轨迹不等同于射线理论中的声线, 而是用于代表水体中不同的声能量传播模式。段睿等 [14]利用简正模态解释表面声道环境中声场能量的垂向分布, 并用声线呈现分布在表面声道深度范围内的声能量的传播。本文将采用类似的声场分析方法为冲绳海域声传播特性提供物理解释。
冲绳海域地形、水文环境复杂, 直接通过海上环境观测试验掌握环境特征以分析该海域声传播特性需要付出高昂的实验成本。混合坐标大洋模式HYCOM (Hybrid Ocean Model)[15]适用于模拟深海大洋及海盆尺度的海洋温度、盐度, 也可用于陆架海区的模拟[16]。本文基于HYCOM预报输出的环境数据分析冲绳海域地形、水文特点, 利用抛物方程声场模型计算不同地形、水文、收发条件下从浅海海域向冲绳海槽深海海域的声传播损失。由于冬季冲绳海域存在表面声道, 为从物理上解释地形及水文环境对声传播的影响, 利用简正模态解释水平均匀海洋环境中存在表面声道时声能量垂向分布, 参照文献[7-8]采用的数据分析方法, 利用声线轨迹图解释海底地形、海洋锋对声传播的影响。
1. 冲绳海域环境参数
东海陆架区域海深向东平缓增大, 至冲绳海域急剧下降。冬季黑潮从赤道地区带来的高温海水和东海底层陆架水交汇, 形成典型的海洋锋水体声速环境, 因此该海域的声传播需考虑海洋锋和海底地形的影响。研究所用温度、盐度等环境数据由HYCOM提供, 空间分辨率为0.08° × 0.04°。图1为模式给出的2022年2月1日海表温度分布, 冲绳海域黑潮暖流朝东北方向流动, 图1显示海表等温线方向大致沿黑潮路径分布, 而非沿地球纬线的方向分布。
图2给出冲绳海域海底地形, 东海大陆架浅海区域海深增加相对缓慢, 在冲绳海域海深急剧下降至1000 m以深。根据局部海域的位涡守恒公式[17]
ςH=const, (1) 其中,
ς 为相对涡度,H 为水流所经海区深度。由此方程可知, 海深变化会影响流体涡度, 进而使流向发生变化以平衡地形导致的涡度变化。结合图1可以看出, 受位涡守恒条件的约束, 黑潮暖流走向与海槽斜坡的等深线方向平行, 海表等温线与海深等深线方向一致。选取图2橙线标注的3个断面研究冲绳海槽地形和黑潮海洋锋综合作用下的声传播, 红色标注点为置于浅海斜坡上方的声源位置, 断面A, B, C所处纬度逐渐降低。将HYCOM输出的温度、盐度代入威尔逊公式[18]计算, 图3中给出图2中3组断面分别对应的声速剖面, 3组声速剖面均显示海洋锋核心位置主要分布在冲绳海槽斜坡区域上层水体0~150 m的深度范围, 冬季低气温导致海表水温较低, 因此上层水体声速为正梯度, 形成表面声道, 此深度以下海水温度降低, 声速剖面为负梯度。此外可以看出, 黑潮暖流导致断面A上层水体声速在水平方向变化幅度可达10 m/s, 随着纬度降低, 断面B, C对应的声速水平变化幅度逐渐减小。本文将选取断面B详细分析环境条件对声传播损失的影响机制, 并利用断面A, C进行对比验证。
2. 冲绳海槽地形对声传播影响
本节数值模拟声速水平均匀海底平坦和海底倾斜两种地形环境下的声传播损失, 通过两种环境下的传播损失计算结果比较分析冲绳海槽斜坡地形对声传播的影响, 利用简正模态解释海洋环境中存在表面声道时声能量分布, 通过声线轨迹图描述海底倾斜环境下表面声道中声能量和泄漏到表面声道之下的声能量传播轨迹。
参照冲绳海域真实环境条件, 选取图3(b) 70 km处声速作为水平均匀声速剖面, 如图4所示, 海面声速1529 m/s, 表面声道深度90 m, 声速梯度约0.01 s−1, 深海声道轴深度约为900 m, 共轭深度(上方水体声速等于海底声速时对应的深度)约为600 m。图5给出仿真采用地形及声源布放示意图, 在水平距离0~25 km的区间上, 海深由125 m缓慢增加至300 m, 水平距离25~55 km区间上, 海深由300 m快速增加至1500 m, 海槽底部地形平坦。假设海底为液态半无限沉积层, 参照Hamilton给出的典型大陆架海底沉积参数 [19], 设置海底声速为1623 m/s, 密度为1.77
g/gcm3cm3 , 吸收系数为0.5dB/dBλ λ 。基于声速水平均匀条件下的环境参数, 利用抛物方程声场模型计算50~800 Hz传播损失, 结果见图6, 其中声源深度50 m, 接收深度50 m。图6(a)和图6(b)分别对应海底平坦(海深1500 m)和海底倾斜(地形参照图5)两种环境下的计算结果。文献[20]给出表面声道截止频率与水文环境的关系式:
fcutoff=98g[1−(c0cb)2]−3/322, (2) 其中,
g 为表面声道声速梯度,c0 为海面声速,cb 为表面声道最大深度处的声速。由式(2)得图4中表面声道对应截止频率约为265 Hz。图6(a)显示, 声源频率低于截止频率时, 表面声道存在明显的声能量分布。在图6(a)对应的海底平坦声速水平均匀环境中, 图7呈现声源频率100 Hz时第1, 35, 40号简正模态, 当简正模态阶数增大至40号时, 表面声道深度范围的模态幅值明显增大, 海底平坦时, 表面声道深度范围内的声源即使低于截止频率, 其激发的简正模态在表面声道内也会存在声能量分布。斜坡海底环境下, 图6(b)显示声源频率低于截止频率时, 表面声道深度范围在水平距离25 km之后形成声影区, 根据绝热简正波理论[12], 某阶模态的能量不会转化为较高阶或较低阶的能量, 低频声波由浅海向深海传播的过程中, 浅海海域激发的低阶简正模态能量无法在深海海域转化至高阶模态, 如图7所示, 深海海域低阶模态在表面声道内分布的声能量较低, 导致浅海海域低频声波无法在深海海域表面声道传播。由于本文研究的声传播问题不满足射线声学近似条件, 参照文献[13], 通过声线轨迹图从声能量传播轨迹的角度定性分析海底地形对声传播的影响, 这里利用声线分别代表集中分布在表面波导中的声能量和泄漏到表面声道之下的声能量传播轨迹, 如图8所示。位于表面声道深度范围内的声源频率高于表面声道截止频率时, 声波主要以表面波导的模式传播, 海底对集中在表面声道深度范围的声传播影响不明显。频率低于表面声道截止频率时, 低阶简正模态的能量主要分布在表面声道深度以下, 图8中声传播轨迹显示从表面声道中泄露的声能量经下坡海底反射, 沿斜坡向下传播。由几何关系可知, 若斜坡坡度为
α , 入射到斜坡上的声线掠射角为θi , 经海底反射后掠射角为θr , 那么θr = θi−2α. (3) 由式(3)呈现的掠射角关系可看出, 海底反射作用使声能量传播轨迹对应的水平掠射角减小, 声波传播至深海声道轴深度时, 声速剖面的折射作用使声波沿声道轴继续在深海海域传播。
图9给出斜坡海底环境中声源深度10~120 m对应的传播损失随接收深度的变化, 收发距离80 km, 图9(a)和图9(b)中声源频率分别为100 Hz和500 Hz。声源频率100 Hz时, 声能量主要沿深海声道轴分布在600~1200 m的深度范围, 声源深度变化对声能量在深度上的分布结构影响不明显。声源频率500 Hz时, 声源深度小于80 m时声能量集中分布在90 m以浅表面声道, 也存在部分声能量沿深海声道轴分布, 声源深度大于80 m时表面波导模式消失。随声源深度变化, 深海声道轴的深度范围均稳定存在明显的声能量覆盖。海底为下坡时, 斜坡海底反射使浅海海域声源激发的声波向下传播, 至深海海域声能量主要沿深海声道传播, 位于浅海海域任何深度、频率的声源均会在表面声道下方至共轭深度这一深度范围形成声影区。
3. 海洋锋对冲绳海域声传播的影响
为分析海洋锋对声传播的影响, 利用抛物方程声场模型计算冲绳海域不同水文条件下传播损失随深度和距离的变化, 结果如图10所示。图10(a)(b)分别为100 Hz声源在声速水平均匀和存在海洋锋时传播损失计算结果, 声源位于表面声道内, 深度为50 m。声源频率低于表面声道截止频率时, 图10(a)显示随海深增加, 浅海海域声能量沿斜坡向下传播, 至深海海域沿深海声道向远处传播, 声能量轨迹呈现为图8所示泄露模式的声线轨迹。由于海洋锋主要分布在冲绳海槽斜坡区域上层水体, 声能量沿斜坡向深海传播过程中, 海洋锋对声场能量分布结构没有明显的影响, 如图10(b)所示。
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图 10 声源50 m时不同水文环境条件下的传播损失 (a) 水平均匀, 声源100 Hz; (b) 海洋锋环境, 声源100 Hz; (c) 水平均匀, 声源500 Hz; (d) 海洋锋环境, 声源500 Hz图10(c)(d)为500 Hz声源在两种水文环境下的传播损失计算结果。图10(c)显示声源频率高于表面声道截止频率时, 声能量主要沿表面声道向远处传播, 声能量轨迹呈现为图8表面波导模式的声线轨迹, 也存在部分声能量沿下坡以泄露模式的轨迹向远处传播。图10(d)显示斜坡上方25 km之后表面声道深度范围的声场能量分布改变相对明显, 由于海洋锋核心位置主要分布在冲绳海槽斜坡区域表面声道深度范围, 声能量传播轨迹表明部分以表面波导模式传播的声波在不均匀水体的折射作用下从表面声道泄漏。
图11(a)为声速水平均匀、海底平坦时不同深度的声源在80 km处传播损失随接收深度的变化, 声源频率为500 Hz, 高于表面声道截止频率, 图中显示表面声道深度范围声能量相对较高, 表面声道以下也覆盖有声能量, 相比之下, 图9(b)显示声速水平均匀、海底倾斜时100~600 m深度范围为声影区, 即表面声道下方至共轭深度这一深度范围呈现为声影区。图11(b)为海洋锋环境下传播损失计算结果, 与图9(b)对比可以看出, 声源位于35~60 m时, 海洋锋的存在导致表面声道声能量分布明显改变, 而声源位于表面声道内其他深度时, 表面声道声能量依然相对集中分布, 由于经不均匀水体折射后的声能量可能从表面声道泄漏, 也可能继续在表面声道传播, 海洋锋对声传播损失的影响程度随声源深度变化。
利用传播损失曲线定量比较不同环境条件对表面声道声传播的影响, 为便于比较传播损失衰减趋势, 对1/3倍频程带宽内的声场进行平均以平滑多途干涉导致的声场强度起伏。图12(a)为不同环境条件下声源100 Hz时传播损失对比图, 声源深度20 m, 接收深度50 m, 与平坦海底环境相比, 由于声波沿斜坡向深海传播, 斜坡海底的存在使表面声道传播损失增大45 dB, 黑潮海洋锋的存在使斜坡海底环境下的传播损失减小5 dB, 声源频率低于表面声道截止频率时, 表面声道深度范围的传播损失主要受海底地形的影响。图12(b)为不同环境条件下声源500 Hz时传播损失对比图, 声源深度20 m, 接收深度50 m, 声源频率高于截止频率时, 地形对表面声道深度范围的声传播损失基本无影响, 而黑潮海洋锋的存在导致传播损失增大3 dB, 表面声道深度范围内的声传播损失主要受海洋锋影响。
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图 12 不同环境条件下50 m深度处的传播损失曲线 (a) 频率100 Hz, 声源深度20 m; (b) 频率500 Hz, 声源深度20 m; (c) 频率500 Hz, 声源深度50 m; (d) 频率500 Hz, 声源深度120 m图12(c)为500 Hz声源位于50 m深度时传播损失对比图, 接收深度50 m, 与声源深度20 m时类似, 地形变化对表面声道深度范围的传播损失基本无影响, 海洋锋使声传播损失增大4 dB。图12(d)为声源位于120 m深度时的传播损失对比图, 海底斜坡导致表面声道深度范围内的传播损失增大16 dB, 而海洋锋的存在使声传播损失减小10 dB, 海底斜坡和海洋锋均对声传播损失影响明显。
图13给出断面A对应的声速剖面条件下80 km处传播损失随声源深度、接收深度的变化, 频率500 Hz, 图13(a)(b)(c)分别对应水文均匀海底平坦、水文均匀海底倾斜和海洋锋三种环境条件下的计算结果。这里为便于分析海洋锋对声传播的影响, 断面A, C均参照图5给出的地形条件进行声场数值仿真。对比图13(a)和图13(b), 声源位于表面声道内时, 斜坡海底主要对泄漏于表面声道之外的声能量传播产生影响, 斜坡海底的存在导致表面声道下方至共轭深度(150~600 m)这一深度范围呈现为声影区, 图13(c)显示在斜坡海底和海洋锋的共同影响下, 当声源深度在60~120 m时, 表面声道深度范围的声能量分布改变明显, 传播损失增大, 海洋锋对表面声道传播损失的影响与声源深度有关。
图14为断面C对应的声速剖面条件下80 km处传播损失随声源深度、接收深度的变化, 将图14(a)(b)(c)对比可发现与断面A, B一致的规律。由于纬度越低, 声速水平变化幅度越小, 黑潮海洋锋对表面波导模式传播的声波的折射作用影响减弱, 断面C中海洋锋对表面声道内声场能量分布的影响不如断面A, B明显。
以上分析一致表明, 声源频率低于表面声道截止频率时, 声能量沿海底斜坡向深海传播, 由于海洋锋分布在冲绳海槽斜坡区域上层水体, 声传播主要受海底地形影响, 海洋锋的影响不明显; 声源频率高于表面声道截止频率时, 位于表面声道内的声源激发的声能量主要在表面声道传播, 也存在部分声能量从表面声道泄漏沿海底斜坡向深海传播, 而位于表面声道之下的声源激发的声能量主要在表面声道之下沿斜坡向深海传播, 海洋锋对表面声道声传播的影响程度随声源深度变化, 海底地形对表面声道深度范围的传播损失影响不明显, 斜坡海底导致表面声道下方至共轭深度这一深度范围传播损失明显增大, 呈现为声影区; 海洋锋对声传播的影响程度与海洋锋强度呈正相关, 冲绳海域纬度越高的海域, 海洋锋导致的声速水平变化幅度越大, 海洋锋对声传播的影响越明显。
4. 结论
冲绳海域黑潮海洋锋分布于冲绳海槽斜坡上方, 沿海底斜坡等深线走向分布, 海表等温线与斜坡等深线方向一致。研究海槽地形和海洋锋对声能量从浅海海域向冲绳海槽深海海域传播的影响, 利用抛物方程声场模型计算声传播损失, 利用简正模态分析海洋环境中存在表面声道时声能量分布, 利用声线轨迹图分析表面声道中的声能量和泄漏在表面声道之下的声能量传播轨迹。通过数值计算和分析, 主要结论如下:
(1) 声源频率低于表面声道截止频率时, 在海底平坦的环境中声能量可以在表面声道传播, 但在海底倾斜的环境中表面声道深度范围内呈现为声影区, 声能量沿斜坡向深海传播, 斜坡地形可导致表面声道传播损失增大45 dB, 声传播主要受海底地形影响, 主要分布在表面声道深度范围的海洋锋对声能量分布影响不明显。
(2) 声源位于表面声道深度范围内且频率高于表面声道截止频率时, 声能量主要在表面声道传播, 也有部分从表面声道泄漏沿斜坡海底向深海传播, 位于表面声道之下的声源声能量主要沿斜坡向深海传播。主要分布在表面声道深度范围的海洋锋可对表面声道传播损失产生显著影响, 影响程度随声源深度变化, 斜坡地形对表面声道传播损失影响不明显, 斜坡海底导致表面声道下方至共轭深度这一深度范围传播损失明显增大, 呈现为声影区。
(3) 纬度越高, 冲绳海槽斜坡等深线梯度方向的声速水平变化幅度越大, 海洋锋对声传播的影响越明显。
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图 10 声源50 m时不同水文环境条件下的传播损失 (a) 水平均匀, 声源100 Hz; (b) 海洋锋环境, 声源100 Hz; (c) 水平均匀, 声源500 Hz; (d) 海洋锋环境, 声源500 Hz
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图 12 不同环境条件下50 m深度处的传播损失曲线 (a) 频率100 Hz, 声源深度20 m; (b) 频率500 Hz, 声源深度20 m; (c) 频率500 Hz, 声源深度50 m; (d) 频率500 Hz, 声源深度120 m
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期刊类型引用(1)
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