海洋混合层结构对表面声道中声传播特性的影响分析.pdf

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1、第34卷第1期2012年1月海洋学报ACTAOCEANOLOGICASINICAV01．34，NO．1January2012海洋混合层结构对表面声道中声传播特性的影响分析张旭1，张永刚2，张健雪3，董楠2(1．中国人民解放军91550部队，辽宁大连116023；2．海军大连舰艇学院科研部，辽宁大连116018；3．中国海洋大学海洋环境学院，山东青岛266003)摘要：利用WOA05气候态数据集和北黄海调查数据，应用BELLHOP高斯束射线模型分析了我国近海及西太平洋典型海区的混合层结构对表面声道中声传播特性的影响，结果表明：我国近海的混合层结构有显著的区域性和季节

2、性变化；深海中主要表现为混合层深度变化，这种变化直接影响表面声道的空间分布，声波在混合层中的表面声道中传播与在混合层外的影区中传播产生的能量场差异较大；浅海中混合层深度与声速梯度的空间变化都很明显，声速梯度的增大和混合层的加深都能使更多声线以反转的形式传播，使表面声道声场增强。两组海上实验数据表明，在真实海洋中混合层可在短时间内出现生消变化或在局部海域出现非均匀分布。在浅海温跃层环境下，海一气边界特定的物理过程能够使混合层发生间歇性的变化，当表面声道出现时近表层声场明显增强。关键词：混合层；声速剖面；表面声道；声传播；BELLHOP模型中图分类号：P733．2文献

3、标志码：A文章编号：0253—4193(2012)01—0079—111引言海一气通量变化过程和风浪搅拌作用使海洋近表层产生厚度一定、水温均一的水层，被称为混合层。在混合层中声速受压力的影响呈正梯度结构，在这种条件下从混合层中发出的声波向海面方向偏折，经海面多次反射形成波导式的传播，这种类型的声信道被称为表面声道(或混合层声道)[1]。表面声道是海洋近表层较有效的声信道，能够实现声能的远距离传播，这对于声呐及其他水声设备的使用具有重要意义。以往关于表面声道的研究虽提出了一些理论模型和经验模型E2-4]，但都不能令人满意地预测实际海洋表面声道中的传播损失[5]，其主

4、要原因可能与海一气边界层物理过程及混合层环境变化的复杂性有关[6]。我国近海幅员辽阔，海洋地理、气象、水文特征复杂，混合层水文环境有显著的区域性和季节性变化。很多报道曾对这些海区的混合层物理场环境征进行了描述与分析[71121，但并没有建立混合层结构变化与声传播和声场的联系。张仁和[131曾得出了理想的浅海混合层条件下的简正波声场近似解，但没有讨论具体海区的环境变化对表面声道声场的影响。目前关于我国近海的混合层结构变化对表面声道中声传播特性影响的认识仍比较欠缺。本文根据WOA05气候态数据，将物理海洋学与海洋声学的研究方法结合起来对此类问题进行分析和讨论。2我国近

5、海及西太平洋混合层结构的季节性特征在海洋学中混合层深度通常由表层水温开始出现明显减小的深度定义，如Sprintall等口41将混合层定义为比近海面10m厚水层中的平均温度减小0．5℃所在的深度；在水声学中计算表面声道的混合层深度是以表层以下声速出现极大值的深度定义收稿日期：2010—04—15；修订日期：201卜04一05。作者简介：张旭(1982一)，男，黑龙江省萝北县人，博士，主要从事军事海洋学研究。海洋学报34卷的。在真实的海洋中由于近表层水文环境复杂多变．温度和盐度通常为非均匀的垂直结构(如逆温，逆盐等结构)，因此海洋学与水声学定义的混合层深度往往并不一致

6、。以往一些文献中曾根据海洋学定义对我国近海混合层的分布规律进行了报道(如文献[11．15])，以下从水声学的角度出发，根据近表层声速削面中出现声速极大值的位置_】IE计算混合层深度．并给出层中的声速梯度。幽1和2为根据WOA05数据集计算得到的我国近海和西太平洋不捌季节的混合层深度和声速梯度分布(WOA05数据集由美国国家海洋学数据中心发布，是根据1900一2005年全球范围的历史观测数据经Levitus客观分析方法得到的格点数据集，水平网格为I9×I’，深度为0～5500m，垂直标准层为33层”””’)，这两组图中均以4，7，10和1月分别代表春季、夏季、秋季和

7、冬季。由于从海面到混合层底声速随深度而增加，因此层中声速梯度皆为正值。由这两组图可见，我国近海的混合层分布特征受季风气候影响显菪，呈现明显的季节性变化．冬季最强，秋季次之，春．夏两季较弱。同l我国近海及西太平洋的混合层深度tm)分布教姑来自w()A05数姑粜冬季在东北季风(冬季风)的控制下，亚热带以北悔区的混合对流作用较强，整个海区的混台层深度普遍达到最大。渤海，黄海、东海大陆架区域的混合层加深到海底附近+分布趋势与等深线相近。在南海中部深海海盆区域混合层较浅，通常不超过30m，而南海北部在温跃层通风作用的影晌下””，混合层自东南向西北方向逐渐加深，深度为30～5

8、0m；在北