中层冷水环境下的声场特性分析＊

张 旭，程 琛，刘 艳

（中国人民解放军91550部队，辽宁 大连116023）

中层冷水是出现在我国东海西北部和南黄海西部大陆架海区春季的一种特殊的海洋学现象，其主要特征是近底层海水在温度剖面中表现为逆温结构，使得次表层水温明显低于表层水和底层水而成为夹在两者之间的冷水层［1－2］。

关于东海大陆架海域近底层出现逆温的现象早在20世纪60年代的海洋普查中就已发现［3］，翁学传［4］通过分析普查资料认为逆温现象是由台湾暖流的输运引起的，而在暖流之上滞留的冬季冷水最终形成了中层冷水，王宗山等［5］的研究结果表明表层热通量和台湾暖流底层盐度同步增加导致的密度跃层增强是维持中层冷水的重要原因。蓝淑芳等［6］通过分析1976－1980年的BT调查资料，发现南黄海西部在春季也有逆温层和中层冷水存在，丁宗信等［7］认为其形成机制与东海中层冷水类似，不同的是底层暖水的输运是由黄海暖流提供的。邹娥梅等［2］和徐伯昌等［1］结合不断更新的调查资料，分别对南黄海西部和东海西北部中层冷水特征值的空间分布和季节变化进行了细致的描述。

关于中层冷水形成机制和变化规律的讨论不断深入，但这种现象所引起的水声传播效应却尚不明确。由于海水中的声速受水文条件影响显著，因此中层冷水的存在必然引起黄海和东海局部海区水声环境的异常变化，研究此类环境下的声传播特性对于在这些海区进行水下工程作业时的水声设备使用及目标测量具有重要意义。我们应用水声学数值模型对浅海大陆架典型中层冷水环境下的声场特性进行初步分析，并通过与常规环境下声场比较得出中层冷水现象对于水声传播的主要影响机制。

1 资料与方法

选取1996－05在温州外海的一次海洋调查中获得的28°N（122°～124°E）水文断面作为声场分析的背景环境，其温度分布见图1a。中层冷水核心位于水下20m附近，逆温层产生的温度梯度变化在断面西部较强，向东逐渐减弱。断面位置对应的海底地形西浅东深，断面西侧的水深为48m，东侧为92m。图1b给出断面中自西向东间的声速剖面结构变化，可以看出逆温层在声速剖面中表现为明显的正梯度结构，而近表层在春季温跃层初步形成的条件下呈现出弱的负梯度结构，两者之间声速极小值与冷水层的核心位置相对应。

图1 温州外海28°N断面的温度分布及声速剖面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］计算声场。KRAKEN模型是在早期的SNAP简正波模式算法的基础上扩展形成的，在水平非均匀性环境的处理方面，模型采用绝热耦合或前向耦合的方法处理距离相关问题，能够适用于复杂环境条件下的声场计算，如弹性海底以及三维海洋环境变化等［9－10］。由于KRAKEN模型对于浅海低频声传播问题具有较好的解算效果，因此在类似本文所选环境的浅海声传播研究中有着广泛应用［11－14］。

根据图1给出的水文环境，在声场计算中将最大水平距离和最大深度分别设为100km和100m，水平分辨率和垂直分辨率分别设为0.2km和0.5m，取声波频率为1kHz。底质参数的设置，根据许东禹的中国近海底质类型分布［15］，所选取海区主要为粉砂质黏土型（TY）底质。参照Hamilton［16］的地声学经验参数表选取底质参数为密度1.421g/cm3，压缩波声速1 520m/s，压缩波衰减系数0.12dB/λ，剪切波声速80 m/s，剪切波衰减系数1.00dB/λ［16］。为更清晰地反映中层冷水现象引起的特殊声学效应，计算相同条件下的常规环境声场（均匀声速分布）作为参照，通过比较2种环境下声场的差异性得出中层冷水环境对声传播的影响机制。

2 声场结果分析

根据KRAKEN模型计算得到的中层冷水环境（图2，对应图1）与均匀声速环境下的声场传播损失分布比较，声源深度（SD）分别取20m和40m，频率取1kHz，图3为典型接收深度的传播损失曲线，接收深度（RD）分别取20m和40m。

当声源位于水深20m时，声波在中层冷水环境下的冷水层中激发的声场能量明显高于均匀声速环境，这种声能差异贯穿于整个水柱范围（图2a和图2b）。在近场以外的区域，无论接收深度在冷水层中还是在冷水层下，中层冷水环境中的传播损失都比均匀声速环境明显减小，两者传播损失差异约为15～20dB，局部区域甚至可达30dB以上（图3a和图3b）。这说明中层冷水使声能更多地保留在水层之中，而声波与海面、海底边界发生交互作用产生的损失明显减小。比较图3a和图3b可以看出，这种影响扩散到了整个浅海空间，而不仅限于冷水层附近。2种声场的传播损失差异在距离80km之外开始逐渐减小，这是因为在沿着断面由西向东的传播过程中“冷水”环境逐渐弱化（图1a），使得冷水层陷获的声能衰减速度加快造成的。

当声源位于水深40m时，中层冷水环境与均匀声速环境声场的差异性较小，中层冷水环境下未出现明显的声能增强现象（图2c和图2d），这与图2a中出现的情况形成鲜明的对比。中层冷水环境下的声能更多地集中在近场，而在50km以外则出现了声能衰减加快的现象，中层冷水环境下的传播损失比均匀声速环境增大了5～10dB，这种变化也存在于整个水柱范围内（图3c和图3d）。

图2 中层冷水环境与均匀声速环境下的声场比较Fig.2 Comparison of sound fields in the environments with ICW and with constant sound speed

图3 中层冷水环境与均匀声速环境传播损失曲线比较Fig.3 Comparison of transmission loss curves for the environments with ICW and with constant sound speed

3 讨论

为进一步分析中层冷水对声场能量分布的影响机制，绘出典型中层冷水环境下的声线传播图（图4）。选取的声速剖面为图1断面中123°E处，冷水层核心位置位于水深20m处，图中对声源在冷水层中和在冷水层下2种传播方式进行比较。当声源位于中层冷水中时，在声速最小值深度附近出现了类似深海波导式的传播，使得部分声能被陷获进而在水柱中发生汇聚，造成整个声场能量的增强。当声源位于中层冷水以下时，无波导现象发生，声线只在海面和海底边界之间以反射的形式传播，逆温层中的正梯度声速结构使声线向近场方向偏折，增加声线与海面边界接触的频率，因此中层冷水环境下的声能只能在近场的一定范围内保持较强的能量，当超出这个区域时能量迅速减小。可见，声线传播中体现出的这些特征与图2和图3中的声场能量分布规律相符合。

图4 中层冷水环境下的声线传播轨迹Fig.4 Illustration of sound ray tracing in an ICW environment

声速剖面的形态结构显示，浅海波导“负梯度＋正梯度”类型的声速剖面几乎是深海声道的“缩影”。不同的是，在深海中提供负梯度层的是主跃层，提供正梯度层的是深海等温层，这2个水层的厚度可达到几百米到上千米的量级。相比之下，中层冷水环境引起的浅海波导受到海面和海底边界的限制，所能提供的波导空间只有几十米，因此两者的声场有本质区别。图5是根据Snell法则得出的线性条件下声线反转最大掠射角与声速梯度和水层厚度的变化关系。无论负梯度还是正梯度，如果水层过薄或声速梯度过小都无法实现声线束的陷获。水层厚度的增加和梯度的增强都可以使更多的反转声线被陷获，但只有两者都达到一定的量值才能引起明显的波导效应，如果其中的一个因素较强而另一个因素较弱则波导效应大大减弱。声速剖面（图4a）显示海面附近的负梯度较强的水层厚度约为10m，声速梯度约为0.20s－1，陷获声线的最大掠射角为3°～4°；冷水层以下逆温引起的正梯度较强的水层厚度约为15m，声速梯度为0.35s－1，陷获声线的最大掠射角为4°～5°。在这种条件下，掠射角小于3°的声线束将以完全波导的形式传播（不与边界发生交互作用），这部分声能将构成远场能量的主体；掠射角为4°～5°的声线束将以海面反射的形式传播，这种情况与混合层声道类似；而掠射角大于5°的声线束将以海面和海底之间反射的形式传播，声能损失较快，只能存在于近场（图4b）。

需要说明的是，深海波导对应的声速结构在中、低纬度的深海海洋中普遍存在，而中层冷水现象则是特定海域特定季节出现的一种特殊现象，以往的气候态图集虽然以统计结果的形式给出这种类型的声速剖面类型［17］，但并未阐释这种结构是什么样的海洋现象所引起的。还有更多类似的复杂环境引起的声传播现象，这些现象有待于在物理海洋学与水声学领域的交叉研究中给出。

图5 线性梯度条件下声线反转最大掠射角与声速梯度和水层厚度的变化关系（单位：°）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 结论

通过应用KRAKEN数值模型对东海中层冷水环境下的声场进行计算和分析，发现中层冷水能够引发不同于常规环境的水声传播方式。声源是否位于冷水层中这一条件对于声场能量分布的影响起到了重要作用。当声源位于冷水层中时，将产生显著的波导效应，使整个声场的传播损失明显小于常规环境，对于1 kHz的声波，2类声场的传播损失差异可达15～20dB。当声源位于冷水层之下时，声传播的情况与常规环境差别不大。

浅海波导与深海波导在声传播方式上有很大的相似性，但声场能量的分布特征却有本质区别。深海波导是主跃层与深海等温层维持的一种深海中的普遍现象，而浅海波导则是由季节性跃层和逆温层维持的一种特定海区特定季节出现的特殊现象。

中层冷水提供了一个浅海波导型声场的典型环境，但它仅仅是诸多复杂海洋现象中的一种，这些现象伴随的水文环境分布异常不可避免地要对水声传播产生影响，既可能使声场能量分布出现轻微的畸变，也可能导致整个声场结构的完全变化。对于这些异常环境效应的研究有利于加深对复杂环境水声传播规律的认识，进而为水声工程的应用提供更充分的理论和技术基础。

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