基于LLC4320 环境数据的吕宋海峡声学特征分析

黄 瑛，周超杰，方泽宇，李建龙2，

（1.浙江大学 海洋学院，浙江 舟山 316021；2.浙江大学 海南研究院，海南 三亚 572000；3.浙江大学 信息与电子工程学院，浙江 杭州 310027）

0 引言

海洋是一个复杂的流体动力学系统，其内部存在多种多样的动力过程，如锋面、涡流、内波等[1]。多尺度动力过程间复杂的相互作用决定了海水的温度、盐度和浊度分布，进而对声波的传播、反射和声学信号的传输产生影响。开展海洋声学特征分析研究对于深入理解海洋声信号传播规律、探测水下目标、保障水下环境安全等方面具有重要意义。

当前，声呐是海洋声学研究的主要手段，其数据包含水下声学信号反射、传播和散射信息，可用于识别海底地形、水文条件和海洋生物等，但在水下环境长距离传播受到水体条件的限制[2]，往往需要动力环境观测的辅助。海洋观测站、卫星遥感、潜艇传感器等能够提供海洋中动力环境的信息，但是海洋观测站空间覆盖有限，不适于全球性研究的开展[3-4]；卫星遥感分辨率有限且易受天气条件的限制[5]；潜艇传感器仅限于特定位置，并且探测深度有限[6]。

高分辨率的海洋数值模拟是研究海洋动力学过程的另外一种手段，但常规模拟提供的信号尺度与声场计算的需求存在较大差距。LLC4320 再分析数据基于麻省理工学院发展的环流模型MITgcm（ Massachusetts Institute of Technology general circulation model）。该模型由大气和潮汐强迫驱动，可以对亚中尺度过程进行丰富的表征，优势在于实现了前所未有的全球范围高分辨率模拟[7]，是一个可行的手段。其在实现中尺度涡旋和内潮模拟的同时，也考虑了一些较小尺度的变化，能够支持更真实的平衡运动和地转运动混合，使得在全球表面地形中分析研究中小尺度特征成为可能[7]。此外，该模型综合了潮汐驱动，并且实现了逐小时的高频输出，其模拟结果中涵盖了内潮、内波、中尺度涡旋和近惯性运动等多尺度信号[8]。

建立 LLC4320 模型的初衷是进行 SWOT（Surface Water and Ocean Topography）卫星观测的仿真，用于评估SWOT 对海洋中小尺度现象的观测能力。除了完成 SWOT 相关仿真工作外，LLC4320 数据产品在海洋亚中尺度研究中也得到了广泛应用。DONG 等基于LLC4320 模型研究发现全球对称不稳定的空间分辨率仅为10 m～1 km的尺度[9]，且其活跃性具有明显的区域依赖性和季节变化特征，还发现对称不稳定对风能有效输入的耗散作用可达0.83 mW·m-2。冯哲等利用LLC4320数值模式资料研究发现在地转动能较强的吕宋海峡区域，地转平衡运动与近惯性运动二者间的动能交换率显著高于地转动能较弱的南海东北部内区[8]。LIU 等基于LLC4320 估计、刻画并分析了黑潮延伸体区域的特定尺度涡旋扩散系数随空间和尺度选取的变化特征，捕捉到了特定尺度涡旋混合效应的尺度相关性。同时，评估了扩展后的特定尺度混合理论对于特定尺度涡旋扩散系数的表征能力，进一步设计了可以更加准确表征特定尺度涡旋混合的经验公式[10]。

吕宋海峡地处中国台湾岛和菲律宾吕宋岛之间，拥有重要的石油航线，是国家战略运输的必经之路[11]。另外，由于吕宋海峡地区风浪和流速较大，非常适合潜艇活动，反之也对反潜作战提出更高的要求[12]。因此，本文将基于LLC4320 高分辨率海洋环境再分析数据，以吕宋海峡为研究区域，开展局部声学特征分析。

1 LLC4320 再分析数据

LLC4320 再分析数据是通过麻省理工学院环流模型（MITgcm）全球模拟得到的，模式的水平分辨率为1/48°（极地附近约为0.75 km，赤道附近约为2.2 km）[13]。模式在垂向上分为90 层，垂向分辨率在表层为1 m，在底层增加至480 m。海底地形数据来自Smith 和Sandwell 14.1 版本[14]和

IBCAO 2.23（International Bathymetric Chart of the Arctic Ocean）版本[15]的数据集，最大水深可以达到7 000 m，如图1所示。海表面通量数据来自ECMWF（European Center For Medium Range Weather Forecasts）[16]，空间分辨率为0.14°×0.14°，它是每6 h 变化一次的业务化大气模式分析数据集，包括10 m 层风速、2 m 层温度和湿度、长波辐射、短波辐射以及大气压数据等。潮汐强迫场由16 个潮汐分量组成，其中包括8 个长周期分潮（Mt，Mf，Mm，Msm，Msf，Msa，Ss，Ln），4 个主要全日分潮（K1，O1，P1，Q1）和4 个主要半日分潮（M2，S2，K2，N2）。LLC4320 数值模拟的时间步长为25 s，时间范围为2011年9月13日-2012年11月15日，共14 个月。本文使用了经纬度范围在北纬18°～25°和东经116°～124°之间的模式数据，输出的时间间隔为1 h，基本物理量包括海表面高度、位势温度、盐度和流速等。

图1 研究区域水深Fig.1 Bathymetry of study area

2 区域环境场特征

2.1 温盐场

温度和盐度是刻画海水物理特征的主要变量，其时空变化是驱动海洋环流和混合的主要因素之一，二者关系不仅可以反映海水的运动规律，还能够用于进一步研究涡旋、洋流和深层循环等现象。通常情况下，海水的温度和盐度存在正相关关系，即海水温度越高，盐度越高。选取2012年1月吕宋海峡周边海域作为研究区域，温盐随时间变化情况如图2所示。温度和盐度总体上呈现正相关变化，但自1月12日开始二者关系出现异常现象，温度从 22.6℃急剧升高至 23.25℃，盐度却从33.85 psu 降至33.75 psu 左右。

图2 2012年1月吕宋海峡周边海域温度和盐度时间变化特征Fig.2 Temporal variation characteristics of temperature and salinity in vicinity of the Luzon Strait in January，2012

为了分析上述温盐变化，选取2012年1月12日22时和2012年1月15日7时的数据绘制对应时刻研究区域的温度和盐度空间分布，如图3所示。可以看出，吕宋海峡区域由于黑潮入侵流量的增加，高温水团在台湾岛以南迅速累积，造成局地表层温度大幅度升高。另外，吕宋岛西北部表层水体高温区域也有所增加，因此，该区域表层温度出现急剧升高的特征。吕宋岛东部的黑潮源头在很大程度上控制着黑潮与南海的能量及水交换，对南海的动力环境有显著影响[17]。然而，盐度场却出现相反的特征，根据邱春华等的研究，盐度场受黑潮形变的影响较大[18]，黑潮发生形变时，黑潮水与南海水之间的水团差异会引起该处水团水平密度梯度的差异，当黑潮流量大时弯曲程度小，吕宋海峡处盐度值较低，当黑潮流量小时弯曲程度大，吕宋海峡处盐度值较高。

图3 2012年1月12日22 时和1月15日7 时的表层温度分布和盐度分布Fig.3 Surface temperature and salinity distribution at 22：00 on January 12，2012 and at 7：00 on January 15，2012

图4给出了吕宋海峡及其周边海域的温盐日变化特征（图中为UTC 时间），温度的日变化较为明显，局地时间14-16时达到最高值，6时左右达到最低值，温度最高可以达到28.08℃左右，最低27.9℃左右。盐度基本不变，保持在33.14 psu 左右。因此，该区域海水表层温度主要受太阳辐射的影响，而盐度日变化特征较为稳定。

图4 吕宋海峡周边海域2012年1月份平均温度和盐度日变化图Fig.4 Daily variation of temperature and salinity in study area in January，2012

2.2 跃层

吕宋海峡及其周边海洋环境复杂多变，常常受到来自南海和西北太平洋的水团交汇的影响，不同水团具有不同的温度和盐度特征，交汇时会形成显著的海洋跃层，在其中会出现温度盐度剧烈变化等现象，跃层深度和温盐特征息息相关。通常情况下，海水表层不同的温度场和盐度场分布也会影响形成的跃层深度。研究区域2012年1月的跃层深度空间分布如图5所示，选取海水温度减小0.5℃的深度作为跃层的下界。西北太平洋中的跃层深度较大，部分区域深至120 m，而南海东北部跃层深度较小，大部分区域在60 m 以下，台湾岛西部仅为20 m 左右。

图5 2012年1月研究区域跃层深度空间分布Fig.5 Spatial distribution of thermocline depth in study area in January，2012

出现以上现象的原因主要是由于西北太平洋和南海的水团特征存在差异，西北太平洋的水团通常来自较深的水体，具有较低的温度和盐度，导致西北太平洋中形成的跃层深度较大。相比之下，南海水团通常来自较浅的水体，从而导致在南海北部形成的跃层深度相对较小，同时，吕宋海峡两侧的海水温盐特性也存在较大的区别[19]。除此之外，海流和海底地形也可能对跃层深度的分布产生影响，西北太平洋中存在较强的海流，这些海流的水动力作用可以促使深层水体上升，从而形成较深的跃层[20]。

跃层的上方是混合层，图6 给出了2012年1月吕宋海峡及其周边海域混合层深度的月变化，发现1月12日22 时-1月15日7 时混合层深度出现骤降，从77 m 降至50 m 左右，整体变化特征与前文图2 的盐度变化特征近似，而与温度变化呈相反趋势。混合层底与下层跃层水体之间的界面变化会引起混合层盐度的变化，当混合层加深时，盐度普遍相对较高的原界面下层的水体会与原混合层水体混合，使混合层盐度升高[21]。此外，混合层深度的减小和海水温度的升高通常是相关的。在混合层中，海水发生剧烈的垂直运动和搅拌，导致温度、盐度等水质特征的变化。当混合层深度减小时，混合层中的垂直运动和搅拌减弱，海水不再充分混合，上层水体更易受到太阳辐射或其他水团影响，海水温度升高。同样，海水温度升高，水体密度下降，减弱上层水体与深层水体之间的密度梯度，也会导致混合层的深度减小[22]。

图6 2012年1月研究区域混合层深度时间变化Fig.6 Temporal variation of mixed layer depth in study area in January，2012

3 声学特征分析

3.1 声速场分析

声速是研究海洋声传播的重要参数，水体中声速场具有时空演化特性，其分布与变化对声传播具有显著影响。声速主要受海水温度、盐度和压力影响，而压力与海水深度有关，因此常将声速表征为温度、盐度和深度的经验函数。通常情况下，温度对声速的影响最大，盐度对声速的影响较小。

利用前文获取的高分辨温盐场数据，根据Mackenzie 经验公式[23]计算声速场。绘制经度为东经120°、纬度为北纬21°点处的声速剖面在2012年1月1日-31日间逐小时的演化情况。如图7所示，其中不同颜色实线条对应不同时刻，深蓝色对应起始时刻2012年1月1日0 时，深红色对应最终时刻2012年1月31日23 时，相邻时间间隔为1 h；黑色虚线表示在关注时段内的平均声速剖面，灰色线段表示在关注时段内各深度声速值分布上下界。该处声速剖面在1月中旬变化相对较大，而在1月下旬变化相对较小，该现象与温度、盐度等环境场的时间变化相关。另一方面，在整个关注时段内，浅海范围的声速随时间的变化相对较为明显。随着深度增加，声速剖面随时间变化的幅度逐渐减小，在1 700 m 深度以下，同一深度处的声速值在一个月内的变化范围小于1 m/s。

图7 所选点位处声速剖面随时间演化图Fig.7 Temporal evolution of sound speed profiles at specified location

图8展示了2012年1月1日在251.77 m 深度处声速场水平切面，图中，白色区域表示水深小于251.77 m 处海域，虚线分别为声速场（红色）和声传播损失剖面（蓝色）研究区域。在该时刻，不同水平位置之间的声速差异较大，整体上东部区域声速值与西部相差比较大。图9绘制了同一时刻东经120°沿正北方向300 km 范围内（图8中红色点线所示位置）垂向切面的声速场空间分布，图中，白色区域对应海底及以下深度的无数据位置。在该时刻，该垂直切面显示的浅海范围声速沿距离方向变化较为显著；随着深度增加，声速剖面沿距离方向变化逐渐减弱。浅海区域声速变化更为敏感，与温度、盐度等环境场的空间分布相关。

图8 2012年1月1日251.77 m 层声速场水平分布图Fig.8 Spatial distribution of sound speed field at a depth of 251.77 meters on Jan 1，2012

图9 2012年1月1日120°E 附近经向切面声速场垂直分布图Fig.9 Vertical distribution of sound speed field in longitudinal section near 120 °E on January 1，2012

3.2 声传播分析

海洋声场的计算是水声科学的基础问题，声场计算结果可以为解决通信、探测、定位、跟踪等具体水声工程问题提供直接指导。在获得声速场等环境参数后，利用声传播模型可进一步开展声场计算，进行声传播规律与特征的分析。声传播模型以数值手段定量计算海洋声传播特性，是声场计算的核心。根据环境与需求的不同，实际应用可选取适合的声传播模型进行计算。

本文关注的区域中的环境场具有时空变化特性，是典型的距离依赖（Range Dependent）环境。在各类声传播模型中，抛物方程模型对原始声波动方程采用抛物方程近似，将原边值问题转换为初值问题，能将随距离变化的环境参数直接嵌入步进求解过程中，是声场计算中最适合求解距离依赖问题的模型之一[24]。本文使用抛物方程模型 RAM（Range-dependent Acoustic Model）计算声传播损失，该模型基于分裂步进Padé 法，对抛物方程中的有关算子做有理近似，能有效求解距离依赖场景下的声传播问题[25]。

选取典型海底斜坡区域（图8 中蓝色点线所示区域）计算各个时刻声传播损失，部分结果如图10所示。计算设置的声源频率为500 Hz，声源深度为700 m，并分别在同一区域设置由深海向浅海传播（上坡）及由浅海向深海传播（下坡）2 种场景。上坡场景中，在距离较近处的声传播规律与平坦海底情形类似，但随着传播距离增加，上坡海底会改变声线传播路径和会聚区位置；下坡场景中，距离较近处水深较浅，向下折射的声线在下坡地形上产生反射，声线与海底多次接触后进入声道轴，主要能量被限制在相应深度范围内，保持围绕声道轴深度向远距离传播。另一方面，取不同时刻环境场计算得到不同时刻的声传播损失进行对比。由图可见，其他条件相同时，不同时刻声线传播路径与会聚区位置存在差异。各子图中以红色五角星记号标记表示出会聚区下沿能量中心估计位置，该估计位置在不同时刻时具有较明显的差异，其中上坡情形取距离声源20 km 左右处的会聚区，而下坡情形因近距离处声线与海底大量接触，故取距离声源55 km 左右处的会聚区。以上差异体现了声传播规律与特征受环境时空变化影响的复杂性。

图10 典型声传播损失图Fig.10 Typical sound propagation loss

4 结束语

本文基于LLC4320 再分析数据开展了关于吕宋海峡及其周边海域的动力环境场特征和声学特征分析，发现研究区域的温度和盐度基本符合正相关关系。但在2012年1月中旬由于黑潮入侵南海流量的增加导致高温水团积累，而黑潮流量大时形变弯曲程度小，盐度值较低，使得吕宋海峡区域出现温度升高、盐度降低的异常现象。同时，发现海水表层温度由于受太阳辐射的影响较大日变化较明显，而盐度的日变化特征趋于温度。不同深度的跃层分布与海洋中水团的分布有关，海水温盐特性不同跃层深度也会不同。混合层深度的变化也会影响温盐特征分布，深度增加会使盐度升高，深度减小会使上层水体更易受太阳辐射或其他水团影响而温度升高。

声速场的变化与温度、盐度等环境场特征变化相关，当温盐场在2012年1月中旬出现异常现象，该区域的声速剖面也发生相对较大的变化。由于吕宋海峡东西部温盐场特征存在较大差异，同一深度不同水平位置之间的声速差异也较大，整体上东部声速值与西部相比较大。在由深海向浅海传播和由浅海向深海传播两种场景中做的声传播损失实验中，声线传播路径和会聚区位置存在差异，体现了声传播规律与特征受环境时空变化影响的复杂性。

近年来，利用高分辨率的海洋数值模式研究海洋中的声学特征和动力学过程等备受关注，本文基于LLC4320 再分析数据的研究结果展现了吕宋海峡及其周边海域的动力环境特征和声学特征，为高分辨率的海洋数值模拟在海洋声学特征研究中的应用提供参考。未来可以进一步深入探索该区域的多尺度动力学过程包括涡旋及各种水团运动等，以加深对海洋环境场特征的理解，为未来的数值模拟和声学研究提供更准确的基础。同时，可以深入研究海洋中的声信号传播建模，改进声传播损失的模型，以更准确地模拟声信号在不同环境条件下的传播，为海洋声学通信、声呐技术等领域的应用提供更可靠的理论支持。