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海洋中尺度现象下的声传播研究

刘清宇  
【摘要】: 海洋中尺度现象,是引起实际海洋环境空间分布变化的主要因素,它直接影响到声速剖面结构特征,并进一步影响海区的声传播特性。在我国近海大陆架以及台湾周边海域,海洋中尺度现象高发,对有关的声传播特性进行研究,总结其中的声传播典型规律,并逐步应用到水声装备研制和战术使用当中,具有重要的理论意义和实际应用价值。 论文首先对我国周边海域中尺度涡旋、海洋锋面、内波等典型中尺度现象的分布活动情况进行了总结,在对它们的典型参数描述基础上,建立起相应的声速场空间分布结构模型。然后,考虑到海洋中尺度现象的水平非均匀性甚至三维的结构特性,采用FOR3D抛物近似算法模型来进行有关的声场数值计算。抛物近似作为一种纯数值计算方法,尤其适合复杂海洋环境中的声场计算。最后,以一些典型的海洋环境模型为例,就中尺度现象对声传播特性的影响进行了数值比较计算和分析,包括中尺度涡旋和锋面对深海表面声道效应和会聚区特性的影响、陆架浅海地区锋面结构和冷热水团引起的声传播条件显著变化、内波引起的声场非均匀性分布和时间变化特性等。 论文研究内容主要包括: (1)根据现有的文献资料数据,对我国周边海域的中尺度涡旋、海洋锋面、内波等典型中尺度现象的分布活动情况进行了分析总结。中尺度涡旋是一种大的相干旋转水体,在水平平面上具有“封闭”的结构特征,直径在几十到上百公里量级。海洋锋面是不同性质水体交汇形成的,表现为一定水平距离范围内温度的显著变化,具有“线状”的结构特征,实际海洋中锋区宽度一般在几十公里左右。内波是分层海洋内部的一种界面波动形式,包括线性和非线性两种成份,深海以线性内波为主,浅海则以非线性内波为主。相比较而言,内波具有较小的空间尺度,但时间和空间变化特性明显。 (2)结合对中尺度现象的典型参数描述,进行了相应的声速场结构影响分析和建模。采用“不同深度上的椭圆形水平截面”来模拟涡旋的结构,具体参数包括涡中心位置、水平空间尺度、涡中心和边缘温度、深度分布范围等。采用锋区水平宽度、温度水平变化梯度、深度分布范围等参数来描述海洋锋面结构,对于锋区声速剖面的插值,可以采用声速等值线的线性插值方式。内波采用等密度线或者等温度线的位移函数来描述,对于线性内波,可以根据GM谱模型来进行建模,对于非线性内波,目前研究最多的就是孤立子波(以及波群),描述孤立子内波的参数主要包括特征宽度、幅度、运动速度或者观测时刻的位置等。 (3)详细介绍了所采用的FOR3D抛物近似算法模型,利用部分标准检验模型和算法程序进行了数值比较计算和检验。同其它抛物近似算法模型相比,FOR3D在三维声场分析方面更具有优势,它采用有限差分技术来对控制方程进行数值求解,具有无条件的稳定性和垂直深度上的宽角计算能力。 (4)研究了中尺度涡旋和海洋锋面结构对深海表面声道和会聚区效应的影响。深海特殊的声速剖面分布形式,为远距离的声传输提供了两个可以利用的条件:表面声道和深海声道。中尺度涡旋和海洋锋面引起声速剖面的水平非均匀性变化,并进一步引起会聚区结构特性的改变和表面声道效应的出现或者消失。中尺度涡旋和海洋锋面主要存在于表层范围内,对表面声道的影响更明显,而对深海会聚区效应影响相对较小。 (5)研究了陆架浅海地区中尺度现象引起的声场空间结构显著变化。在陆架浅海地区,一方面,外海水和沿岸水的对峙,形成明显的分界线,划分出显著不同的两种声传播环境,引起传播特性的显著变化。另一方面,外海水以水团形式朝沿岸水体的侵入,能够形成特殊的声传输条件,包括内部声道的出现。声场空间分布结构的变化,也是一些接收深度上出现异常传播损失的重要成因。 (6)研究了浅海内波引起的声传输起伏和声场的水平非均匀性分布。同涡旋和锋面相比,内波具有较小的空间尺度和明显的时空变化特性,被认为是引起海洋声传输起伏的主要因素。在声纳作用距离范围内,内波对声传播特性的影响更为重要。内波能够影响跃层结构特性,对跃层上下之间的声能交换带来影响,使得跃层同侧和异侧的声传播损失分布发生变化。孤立子内波作为一种典型的非线性内波,是近年来关注较多的研究对象。在孤立子波包之间,由于声速的显著差异,能够出现声传输的“通道”效应,而穿过内波的那些方位上,声能传输会受到阻挡。内波的运动或者时变特性,在引起声传输的空间分布变化同时,也带来相应的时间变化,形成声起伏,并且这种声起伏特性与频率、内波特性、发射和接收的空间相对位置密切有关。


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