張 旭，程 琛，劉 艷

（中國人民解放軍91550部隊，遼寧 大連116023）

中層冷水是出現(xiàn)在我國東海西北部和南黃海西部大陸架海區(qū)春季的一種特殊的海洋學(xué)現(xiàn)象，其主要特征是近底層海水在溫度剖面中表現(xiàn)為逆溫結(jié)構(gòu)，使得次表層水溫明顯低于表層水和底層水而成為夾在兩者之間的冷水層［1－2］。

關(guān)于東海大陸架海域近底層出現(xiàn)逆溫的現(xiàn)象早在20世紀(jì)60年代的海洋普查中就已發(fā)現(xiàn)［3］，翁學(xué)傳［4］通過分析普查資料認(rèn)為逆溫現(xiàn)象是由臺灣暖流的輸運引起的，而在暖流之上滯留的冬季冷水最終形成了中層冷水，王宗山等［5］的研究結(jié)果表明表層熱通量和臺灣暖流底層鹽度同步增加導(dǎo)致的密度躍層增強是維持中層冷水的重要原因。藍淑芳等［6］通過分析1976－1980年的BT調(diào)查資料，發(fā)現(xiàn)南黃海西部在春季也有逆溫層和中層冷水存在，丁宗信等［7］認(rèn)為其形成機制與東海中層冷水類似，不同的是底層暖水的輸運是由黃海暖流提供的。鄒娥梅等［2］和徐伯昌等［1］結(jié)合不斷更新的調(diào)查資料，分別對南黃海西部和東海西北部中層冷水特征值的空間分布和季節(jié)變化進行了細致的描述。

關(guān)于中層冷水形成機制和變化規(guī)律的討論不斷深入，但這種現(xiàn)象所引起的水聲傳播效應(yīng)卻尚不明確。由于海水中的聲速受水文條件影響顯著，因此中層冷水的存在必然引起黃海和東海局部海區(qū)水聲環(huán)境的異常變化，研究此類環(huán)境下的聲傳播特性對于在這些海區(qū)進行水下工程作業(yè)時的水聲設(shè)備使用及目標(biāo)測量具有重要意義。我們應(yīng)用水聲學(xué)數(shù)值模型對淺海大陸架典型中層冷水環(huán)境下的聲場特性進行初步分析，并通過與常規(guī)環(huán)境下聲場比較得出中層冷水現(xiàn)象對于水聲傳播的主要影響機制。

1 資料與方法

選取1996－05在溫州外海的一次海洋調(diào)查中獲得的28°N（122°～124°E）水文斷面作為聲場分析的背景環(huán)境，其溫度分布見圖1a。中層冷水核心位于水下20m附近，逆溫層產(chǎn)生的溫度梯度變化在斷面西部較強，向東逐漸減弱。斷面位置對應(yīng)的海底地形西淺東深，斷面西側(cè)的水深為48m，東側(cè)為92m。圖1b給出斷面中自西向東間的聲速剖面結(jié)構(gòu)變化，可以看出逆溫層在聲速剖面中表現(xiàn)為明顯的正梯度結(jié)構(gòu)，而近表層在春季溫躍層初步形成的條件下呈現(xiàn)出弱的負梯度結(jié)構(gòu)，兩者之間聲速極小值與冷水層的核心位置相對應(yīng)。

圖1 溫州外海28°N斷面的溫度分布及聲速剖面Fig.1 Temperature distribution and sound speed profile along the 28°N section in the offshore area of Wenzhou

采用KRAKEN模型［8］計算聲場。KRAKEN模型是在早期的SNAP簡正波模式算法的基礎(chǔ)上擴展形成的，在水平非均勻性環(huán)境的處理方面，模型采用絕熱耦合或前向耦合的方法處理距離相關(guān)問題，能夠適用于復(fù)雜環(huán)境條件下的聲場計算，如彈性海底以及三維海洋環(huán)境變化等［9－10］。由于KRAKEN模型對于淺海低頻聲傳播問題具有較好的解算效果，因此在類似本文所選環(huán)境的淺海聲傳播研究中有著廣泛應(yīng)用［11－14］。

根據(jù)圖1給出的水文環(huán)境，在聲場計算中將最大水平距離和最大深度分別設(shè)為100km和100m，水平分辨率和垂直分辨率分別設(shè)為0.2km和0.5m，取聲波頻率為1kHz。底質(zhì)參數(shù)的設(shè)置，根據(jù)許東禹的中國近海底質(zhì)類型分布［15］，所選取海區(qū)主要為粉砂質(zhì)黏土型（TY）底質(zhì)。參照Hamilton［16］的地聲學(xué)經(jīng)驗參數(shù)表選取底質(zhì)參數(shù)為密度1.421g/cm3，壓縮波聲速1 520m/s，壓縮波衰減系數(shù)0.12dB/λ，剪切波聲速80 m/s，剪切波衰減系數(shù)1.00dB/λ［16］。為更清晰地反映中層冷水現(xiàn)象引起的特殊聲學(xué)效應(yīng)，計算相同條件下的常規(guī)環(huán)境聲場（均勻聲速分布）作為參照，通過比較2種環(huán)境下聲場的差異性得出中層冷水環(huán)境對聲傳播的影響機制。

2 聲場結(jié)果分析

根據(jù)KRAKEN模型計算得到的中層冷水環(huán)境（圖2，對應(yīng)圖1）與均勻聲速環(huán)境下的聲場傳播損失分布比較，聲源深度（SD）分別取20m和40m，頻率取1kHz，圖3為典型接收深度的傳播損失曲線，接收深度（RD）分別取20m和40m。

當(dāng)聲源位于水深20m時，聲波在中層冷水環(huán)境下的冷水層中激發(fā)的聲場能量明顯高于均勻聲速環(huán)境，這種聲能差異貫穿于整個水柱范圍（圖2a和圖2b）。在近場以外的區(qū)域，無論接收深度在冷水層中還是在冷水層下，中層冷水環(huán)境中的傳播損失都比均勻聲速環(huán)境明顯減小，兩者傳播損失差異約為15～20dB，局部區(qū)域甚至可達30dB以上（圖3a和圖3b）。這說明中層冷水使聲能更多地保留在水層之中，而聲波與海面、海底邊界發(fā)生交互作用產(chǎn)生的損失明顯減小。比較圖3a和圖3b可以看出，這種影響擴散到了整個淺?？臻g，而不僅限于冷水層附近。2種聲場的傳播損失差異在距離80km之外開始逐漸減小，這是因為在沿著斷面由西向東的傳播過程中“冷水”環(huán)境逐漸弱化（圖1a），使得冷水層陷獲的聲能衰減速度加快造成的。

當(dāng)聲源位于水深40m時，中層冷水環(huán)境與均勻聲速環(huán)境聲場的差異性較小，中層冷水環(huán)境下未出現(xiàn)明顯的聲能增強現(xiàn)象（圖2c和圖2d），這與圖2a中出現(xiàn)的情況形成鮮明的對比。中層冷水環(huán)境下的聲能更多地集中在近場，而在50km以外則出現(xiàn)了聲能衰減加快的現(xiàn)象，中層冷水環(huán)境下的傳播損失比均勻聲速環(huán)境增大了5～10dB，這種變化也存在于整個水柱范圍內(nèi)（圖3c和圖3d）。

圖2 中層冷水環(huán)境與均勻聲速環(huán)境下的聲場比較Fig.2 Comparison of sound fields in the environments with ICW and with constant sound speed

圖3 中層冷水環(huán)境與均勻聲速環(huán)境傳播損失曲線比較Fig.3 Comparison of transmission loss curves for the environments with ICW and with constant sound speed

3 討論

為進一步分析中層冷水對聲場能量分布的影響機制，繪出典型中層冷水環(huán)境下的聲線傳播圖（圖4）。選取的聲速剖面為圖1斷面中123°E處，冷水層核心位置位于水深20m處，圖中對聲源在冷水層中和在冷水層下2種傳播方式進行比較。當(dāng)聲源位于中層冷水中時，在聲速最小值深度附近出現(xiàn)了類似深海波導(dǎo)式的傳播，使得部分聲能被陷獲進而在水柱中發(fā)生匯聚，造成整個聲場能量的增強。當(dāng)聲源位于中層冷水以下時，無波導(dǎo)現(xiàn)象發(fā)生，聲線只在海面和海底邊界之間以反射的形式傳播，逆溫層中的正梯度聲速結(jié)構(gòu)使聲線向近場方向偏折，增加聲線與海面邊界接觸的頻率，因此中層冷水環(huán)境下的聲能只能在近場的一定范圍內(nèi)保持較強的能量，當(dāng)超出這個區(qū)域時能量迅速減小?？梢?，聲線傳播中體現(xiàn)出的這些特征與圖2和圖3中的聲場能量分布規(guī)律相符合。

圖4 中層冷水環(huán)境下的聲線傳播軌跡Fig.4 Illustration of sound ray tracing in an ICW environment

聲速剖面的形態(tài)結(jié)構(gòu)顯示，淺海波導(dǎo)“負梯度＋正梯度”類型的聲速剖面幾乎是深海聲道的“縮影”。不同的是，在深海中提供負梯度層的是主躍層，提供正梯度層的是深海等溫層，這2個水層的厚度可達到幾百米到上千米的量級。相比之下，中層冷水環(huán)境引起的淺海波導(dǎo)受到海面和海底邊界的限制，所能提供的波導(dǎo)空間只有幾十米，因此兩者的聲場有本質(zhì)區(qū)別。圖5是根據(jù)Snell法則得出的線性條件下聲線反轉(zhuǎn)最大掠射角與聲速梯度和水層厚度的變化關(guān)系。無論負梯度還是正梯度，如果水層過薄或聲速梯度過小都無法實現(xiàn)聲線束的陷獲。水層厚度的增加和梯度的增強都可以使更多的反轉(zhuǎn)聲線被陷獲，但只有兩者都達到一定的量值才能引起明顯的波導(dǎo)效應(yīng)，如果其中的一個因素較強而另一個因素較弱則波導(dǎo)效應(yīng)大大減弱。聲速剖面（圖4a）顯示海面附近的負梯度較強的水層厚度約為10m，聲速梯度約為0.20s－1，陷獲聲線的最大掠射角為3°～4°；冷水層以下逆溫引起的正梯度較強的水層厚度約為15m，聲速梯度為0.35s－1，陷獲聲線的最大掠射角為4°～5°。在這種條件下，掠射角小于3°的聲線束將以完全波導(dǎo)的形式傳播（不與邊界發(fā)生交互作用），這部分聲能將構(gòu)成遠場能量的主體；掠射角為4°～5°的聲線束將以海面反射的形式傳播，這種情況與混合層聲道類似；而掠射角大于5°的聲線束將以海面和海底之間反射的形式傳播，聲能損失較快，只能存在于近場（圖4b）。

需要說明的是，深海波導(dǎo)對應(yīng)的聲速結(jié)構(gòu)在中、低緯度的深海海洋中普遍存在，而中層冷水現(xiàn)象則是特定海域特定季節(jié)出現(xiàn)的一種特殊現(xiàn)象，以往的氣候態(tài)圖集雖然以統(tǒng)計結(jié)果的形式給出這種類型的聲速剖面類型［17］，但并未闡釋這種結(jié)構(gòu)是什么樣的海洋現(xiàn)象所引起的。還有更多類似的復(fù)雜環(huán)境引起的聲傳播現(xiàn)象，這些現(xiàn)象有待于在物理海洋學(xué)與水聲學(xué)領(lǐng)域的交叉研究中給出。

圖5 線性梯度條件下聲線反轉(zhuǎn)最大掠射角與聲速梯度和水層厚度的變化關(guān)系（單位：°）Fig.5 Relationship between the maximal grazing angle of sound ray inversion and the sound speed gradient and water layer thickness under the condition of linear sound gradient（Unit：°）

4 結(jié)論

通過應(yīng)用KRAKEN數(shù)值模型對東海中層冷水環(huán)境下的聲場進行計算和分析，發(fā)現(xiàn)中層冷水能夠引發(fā)不同于常規(guī)環(huán)境的水聲傳播方式。聲源是否位于冷水層中這一條件對于聲場能量分布的影響起到了重要作用。當(dāng)聲源位于冷水層中時，將產(chǎn)生顯著的波導(dǎo)效應(yīng)，使整個聲場的傳播損失明顯小于常規(guī)環(huán)境，對于1 kHz的聲波，2類聲場的傳播損失差異可達15～20dB。當(dāng)聲源位于冷水層之下時，聲傳播的情況與常規(guī)環(huán)境差別不大。

淺海波導(dǎo)與深海波導(dǎo)在聲傳播方式上有很大的相似性，但聲場能量的分布特征卻有本質(zhì)區(qū)別。深海波導(dǎo)是主躍層與深海等溫層維持的一種深海中的普遍現(xiàn)象，而淺海波導(dǎo)則是由季節(jié)性躍層和逆溫層維持的一種特定海區(qū)特定季節(jié)出現(xiàn)的特殊現(xiàn)象。

中層冷水提供了一個淺海波導(dǎo)型聲場的典型環(huán)境，但它僅僅是諸多復(fù)雜海洋現(xiàn)象中的一種，這些現(xiàn)象伴隨的水文環(huán)境分布異常不可避免地要對水聲傳播產(chǎn)生影響，既可能使聲場能量分布出現(xiàn)輕微的畸變，也可能導(dǎo)致整個聲場結(jié)構(gòu)的完全變化。對于這些異常環(huán)境效應(yīng)的研究有利于加深對復(fù)雜環(huán)境水聲傳播規(guī)律的認(rèn)識，進而為水聲工程的應(yīng)用提供更充分的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

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