中尺度涡在大洋中普遍存在, 对大洋环流、水体交换、能量平衡、物质输送等具有重要意义(Dong et al, 2014; Zhang et al, 2014)。中尺度涡空间尺度上为几十到几百公里, 时间尺度上为十几天到上百天, 根据旋转方向的不同, 又分为气旋涡和反气旋涡(Chelton et al, 2007)。南海东北部尤其是台湾西南部海域是中尺度涡的高发区域。黑潮源于北赤道流, 是太平洋一支强劲的西边界流, 具有高温、高盐、流量大和流速快等特点, 黑潮通过吕宋海峡入侵南海(图 1a和图 1b), 对南海的水文特征、环流结构以及涡旋的生成起到至关重要的作用(Wang et al, 2012; Nan et al, 2015)。黑潮入侵南海的路径主要有三种, 分别为黑潮流套(looping path)、黑潮南海分支(leaking path)以及黑潮跨越路径(leaping path)(Nan et al, 2011)。黑潮流套路径指黑潮水通过吕宋海峡以大弯曲的形式入侵南海, 在台湾西南部形成反气旋式环流, 然后折回到黑潮主轴, 如图 1b所示。在季风和地形等其他因素的影响下, 有反气旋涡脱离黑潮主干(Zhang et al, 2017)。黑潮流套的脱落涡旋是黑潮入侵南海的一种重要方式, 有诸多研究报道了反气旋涡从黑潮中脱落的案例(李立等, 1989; Jia et al, 2004; Wang et al, 2008; Qiu et al, 2019)。反气旋涡多在119.5°~120°E之间脱落, 随后沿南海北部陆坡向西南方向移动(郭景松等, 2007; 王鼎琦等, 2017)。黑潮入侵南海具有显著季节性变化, 冬季入侵比夏季强(李云等, 2014)。黑潮以脱落涡旋的形式入侵南海一年四季都会存在, 但多数集中在冬季(Yuan et al, 2006; Nan et al, 2015)。

自20世纪中期, 中尺度涡对声传播的影响一直广受关注。声速剖面随深度的变化而导致的声场会聚区效应是深海一个重要的水声环境特性, 利用深海声道会聚区效应可以实现远程探测和通信。Hale (1961)在深海实验中首次观察到会聚区, 并验证了会聚区内的声强明显高于其他位于球面下膨胀辐射声场的声强。涡旋的存在造成了声速结构的空间非均匀性, 对声传播有着明显的影响, 如会聚区的偏移、传播损失的改变和水平折射等(Robinson et al, 1994), 因此研究中尺度涡对声传播的影响具有重要的意义(张鹏等, 2019)。近年来中尺度涡对声传播的影响研究越来越多。Rousseau等(1982)通过海洋锋模型研究了短距离声传播与锋区特征的关系。李佳讯等(2011)通过建立理论海洋中尺度涡模型得出结论, 暖涡使得会聚区后移, 宽度增加; 冷涡使得会聚区前移, 宽度减小。还有些研究根据海洋中的真实环境, 通过实测数据分析了中尺度现象的声学效应。张旭等(2011)通过实测数据对南海西部反气旋涡环境下的声传播效应进行了分析, 发现涡中心声速结构对应的会聚区距离最大, 涡外侧的会聚区距离最小, 且涡结构引起的会聚区位置的偏差约为2~3 km。鲍森亮等(2016)根据实测资料研究了黑潮延伸体区域的气旋涡使得会聚区的位置前移, 宽度减小, 其中涡心相较于涡边缘会聚区前移的距离可以达到3~5 km。朱凤芹等(2021)利用现场观测数据, 分析了南海东北部陆架浅水区中尺度暖涡对声传播的影响, 并给出暖涡引起的传播损失在有涡和无涡时可以达到30 dB以上。Chen等(2022)通过水文和声学同步观测实验在南海中部研究了暖涡和地形对会聚区的影响, 发现地形使得会聚区前移了11.4 km, 暖涡使其后移了1.7 km。Wu等(2023)同样通过深水声传播实验和实测水文数据, 分析了南海反气旋涡会使得声传播的能量实现再分配, 从而会聚区和声影区的位置都发生了改变。Liu等(2023)利用MITgcm模型和Bellhop高斯射线模型, 分析了南海东北部气旋涡和潮汐对声传播的影响, 得出结论, 气旋涡会使得会聚区前移5 km以上, 而存在潮汐的情况下会使前移的距离进一步增加2~5 km。

南海具有重要的战略地位, 前人对南海不同区域的中尺度涡的声传播效应大量研究。但通常只针对一个涡进行分析研究, 结论不具有代表性, 也很难得出中尺度涡的声传播规律。南海东北部反气旋涡从黑潮脱落是南海东北部重要的海洋现象之一, 脱落反气旋涡携带西太平洋的高温高盐水, 影响了温度和盐度的变化, 进而对声场的结构以及声传播的损失都发生了改变, 但其对声传播的影响目前尚未见报道。

本文研究了2009~2020年6个冬季黑潮流套脱落的反气旋涡(图 1c), 揭示了其水文特征, 并利用Bellhop高斯射线模型, 仿真给出了反气旋涡对声传播及其损失的影响。通过探讨这一类中尺度涡对声传播的影响, 能够提供更具体和普遍的结果, 具有一定的代表性, 有助于揭示更普遍的中尺度涡对声传播的影响规律。研究成果对南海东北部深海通信、远程探测、舰艇侦察与反侦察等具有重要意义。

1 数据及方法 1.1 卫星高度计数据

本文选用卫星高度计数据对冬季黑潮流套中脱落的反气旋涡进行统计和分析, 该数据包括海表绝对动力高度(absolute dynamic topography, ADT)、海表高度异常(sea level anomaly, SLA)、地转流速(u, v)和地转流速异常(u', v'), 空间分辨率为0.25°×0.25°, 时间分辨率为1 d。本文选取的区域范围是16°~24°N, 116°~124°E, 时间范围是2009年1月至2020年12月。

1.2 再分析数据

脱落反气旋涡的垂向结构特征由欧洲哥白尼中心再分析数据给出, 该数据来源于(https://resources.marine.copernicus.eu/product-detail/MULTIOBS_GLO_PHY_S_SURFACE_MYNRT_015_013/INFORMATION), 包含温度、盐度、海面动力高度和地转流速, 其垂向深度从0 m到5 500 m共50层。时间分辨率为1周, 空间分辨率为0.25°×0.25°, 选取的区域和时间跨度皆与卫星高度计资料相同。由于该数据集同化了卫星高度计资料和历史温盐剖面观测数据, 能够较好地刻画南海东北部中尺度涡三维结构特征(赵伟乔等, 2023)。

1.3 海底地形数据

海底地形数据来自于美国国家海洋大气局(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)提供的ETOPO2v2g数据, 空间分辨率为2′ (数据网址为: https://www.ngdc.noaa.g-ov/mgg/global/relief/ETOPO2/ETOPO2-v2-2006/ETOPO2v2g/)。

1.4 声速计算

由再分析数据提供的温度(T)、盐度(S)和深度, 结合Chen-Millero-Li声速经验公式得到声速值, 公式有较多项且复杂, 文中不再列出(周丰年等, 2001)。公式使用温度范围0~40 ℃, 盐度范围0~40, 深度范围0~10 000 m, 因此该海域符合声速计算要求(吴碧等, 2013)。

1.5 声传播模型

声传播仿真模型采用Bellhop高斯射线模型(Porter et al, 1987)。Bellhop模型采用高斯波束跟踪的方法来计算水平非均匀环境中的声场, 解决了传统的射线模型受到高频近似的限制不能很好地计算影区和焦散线的传播损失等问题, 并且可以清晰准确地显示出会聚区的高声能分布, 相比于传统的射线模型有着明显的改进(韦强强等, 2017)。Bellhop模型由三个部分组成, 输入环境文件、主程序和输出文件。输入文件主要提供环境参数的设置, 由声源的深度、频率、声线数量和掠射角、声速剖面和海底底质等参数构成, 可以输出声传播过程中的声速分布情况以及二维的声传播损失等信息。近年来, Bellhop模型在南海和其他海域声传播研究中得到了广泛应用(张旭等, 2011, 2015)。

黑潮脱落反气旋涡中心平均水深为3 000 m左右, 属于不完整声道(即海表面的声速大于海底声速), 如果声源深度的选择过浅, 声线的反转会受到临界深度(与声源声速值相等的声速所在的深度)的制约, 使得声线与海底发生碰触, 无法形成完整的会聚区声道。根据地形环境的需求, Bellhop模型中声源深度选取为300 m, 且此深度与常规潜艇下潜深度也较匹配。声源频率的设定为1 000 Hz, 掠射角的选取范围为−90°~90°, 声线的间隔为0.5°。为模拟声传播的过程, 使用多个声速剖面, 剖面间距为0.25°。根据Hamilton (1980)对海底地质类型的分类, 研究海区主要为深海黏土型底质, 结合给出的地质声学经验参数表, 将底质参数设置为: 密度1.422 g/m³, 压缩波声速1 521 m/s, 衰减系数0.079 dB/m。

1.6 主动声呐优质因数

由于会聚区声能较强且传播过程中的衰减较少, 可以利用深海会聚区来实现远程探测, 当声呐位于会聚区内时, 易接收到声波的信号, 以此可判断水下目标的位置。通常声呐优质因数(figure of merit, FOM)为80~90 dB (李训诰等, 2006; 朱辉庆, 2021), 本文我们选取声呐优质因数为85 dB。当FOM (单程最大允许传播损失)的值大于传播损失(transmission loss, TL)时, 声呐便可检测到声信号, 然后在一定的条件下, 利用会聚区所在的位置和宽度, 可以计算目标的距离。

2 结果与讨论 2.1 反气旋涡水文和声速特征

黑潮流套脱落反气旋涡多发生在冬季(Yuan et al, 2006; Nan et al, 2015), 通常对应正的海面高度异常。根据反气旋涡脱落区的逐月ADT时间变化, 本文选取了2009~2020年冬季6次反气旋涡从黑潮中脱落事件, 如图 1c中倒三角形所示。通过涡旋海表面动力高度1.1 m的最外层闭合等值线, 计算出6个反气旋涡半径在110~135 km之间, 且涡中心基本都位于(21°N, 119°E)附近(图 2)。通过分析涡的垂向结构, 6个反气旋涡垂向深度可达1 000~1 200 m。利用Bellhop模型对6个涡旋分别模拟了声传播穿过涡旋和从涡内向外的仿真实验。由于篇幅有限, 本文以AE6涡旋为例给出了其水文和声速结构特征, 以及仿真实验过程。

为研究AE6的水文和声速特征, 利用再分析数据给出涡的垂向结构如图 3和图 4所示。AE6反气旋涡中心水体辐聚下沉, 因此温度等值线、盐度等值线、声速等值线呈现出一致的下凹(图 3)。其中在100~900 m的深度上, 涡中心的温度要比周围高, 在150 m深度温度正异常最高可达2.5 ℃ (图 4a)。温度异常的计算方法为选定区域某一层深度上2000~2020年所有温度值逐月取平均值, 每一层温度值减去相应月份的月平均值即为温度异常, 盐度异常、密度异常以及声速异常同理。盐度的最大值主要在次表层100~300 m的深度, 超过了34.75, 垂向盐度异常呈现负-正-负的结构, 其中正异常核心位于350 m (0.13), 两个负异常核心分别位于100和900 m深度左右(图 4b)。图 4c为穿过涡心的21°N断面流速分布, 最大旋转流速超过了0.6 m/s。密度异常呈现出与温度类似的异常结构, 100~900 m密度比周围低, 且在150 m的深度上最小(图 4c)。

由于声速变化受到温度和盐度的影响, 声速的正异常结构出现在100~900 m的深度上, 其中在400 m的最大正异常值超过了8 m/s (图 4d)。图 5给出了涡中心O点的声速剖面和声速梯度与无涡环境下的对比情况, 其中无涡环境下的声速取自2000~ 2020年逐月平均声速。100 m以浅的深度上, 有涡与无涡环境下皆出现了较小的声速负梯度。深度100~ 1 100 m呈现出正声速梯度结构, 声速梯度极大值的位置为声速主跃层。由于反气旋涡上层暖水的下沉, 使得涡心的主跃层要比无涡环境下深90 m (图 5b), 同时在500 m的深度上又出现了一个梯度较小的跃层。超过1 100 m, 两个环境下的声速梯度差别较小。虽具体量值不同, AE1~AE5温盐密、流速和声速及其异常也有类似水文和声速分布特征, 就不一一列举。

2.2 声仿真实验分析 2.2.1 声传播穿过涡旋仿真模拟分析

利用Bellhop模型计算了存在AE6涡旋和无涡环境下的声速分布和传播损失图(图 6)。声源置于涡外A点, 声源深度为300 m, 由西向东穿过涡传播, 传播路径为图 2f中A向B所示, 声传播距离为310 km, 涡存在的水平范围为20~280 km, 地形为基于ETOPO2v2g数据的海洋环境中接近真实地形。在涡影响的范围内, 声速的分布相较于无涡环境下出现了明显的差异(图 6a), 上层1 000 m以浅的深度, 声速整体出现下凹的趋势, 尤其是靠近涡心处, 下凹深度较为明显。

从图 6c和6d可以看出有涡环境和无涡环境下, 在310 km的距离范围内, 皆出现了6个的会聚区结构。在0~200 km的范围内, 海底有多处山丘出现, 但对声线的反转影响较小。在250~300 km穿过吕宋海峡处水深较浅, 且出现了一个较高的山体, 阻碍了声线的正常反转。在涡旋和地形的影响下, 两组会聚区结构出现了明显的差异。如图 6c中所示, 受到涡旋的影响, 前5个会聚区出现了明显的后移, 以第5会聚区为例, 有涡旋的背景下, 第5会聚区大约在243.7 km处, 而无涡旋的背景下, 第5会聚区大约在237.8 km处, 后移了5.9 km左右。由于涡旋的存在, 改变了声速的分布情况, 尤其是声速主跃层的深度变深, 对声线在中层水和深层的偏折作用越强, 因此使得声线进入深海等温层时的入射角越大, 会聚区相对较远(张旭等, 2011; 王磊等, 2014)。在250~ 300 km处出现较高的山体, 有涡环境下声线碰触到了山体的顶部, 被反射到上层, 声线在海面聚集, 大约在278.4 km处形成了第6会聚区(图 6c), 而无涡环境下声线主要集中在山体上坡的一侧, 被阻挡住无法正常完成反转, 在穿过山体之后, 声线掠射角较大的一部分因能量发散无法形成会聚, 声线掠射角较小的一部分再次形成了会聚, 大约在268.1 km处形成了第6会聚区, 相比于有涡环境下前移了10.3 km。

由于会聚区能量较强, 处于会聚区内的水声设备易于接收到声波的信号, 可以实现对目标声源的远距离定位和追踪。图 7为与图 6相对应的声传播过程损失曲线, 蓝色虚线代表FOM的值(85 dB), 声传播损失小于85 dB可以接收到声信号。分别选取了300和800 m的接收深度, 来比较有涡和无涡环境下会聚区位置和中层水层位置处的声传播损失。当接收深度为300 m时, 有涡环境下的传播损失相比于无涡环境下较大, 尤其在水平距离150 km处相差15 dB左右, 此处对应着AE6的涡心。若声呐位于有涡环境下的会聚区时, 只能在前两个会聚区内探测到声信号, 而无涡环境下可以在前四个会聚区内探测到声信号(图 7a)。当接收深度为800 m时, 两种环境下都只能在前两个会聚区内探测到声信号, 原因是800 m的深度距离会聚区能量增益最强的区域已经较深。而在第6会聚区, 无涡环境下更多的声线与山体碰触发生反射, 使得声能衰减比有涡环境下要大10 dB (图 7b)。涡旋的存在使得会聚区内的声传播损失增大, 从第2会聚区之后便无法被探测到, 提高了水下航行器的隐蔽能力, 增大了敌方侦查的难度。

2.2.2 声传播由涡内向涡外仿真模拟分析

图 8为声波从AE6涡旋内部在真实地形下向外传播的声速分布和声传播损失图, 声源置于涡心处(图 2f的O点位置), 向涡东侧进行传播, 即图 2f的O-F所示轨迹。其中水平距离为200 km, 涡的水平距离为0~150 km。图 8b和8d为相同位置处无涡环境下的参照对比。通过对比两种环境下的声速分布, 在1 000 m以浅的水层, 有涡环境下从涡心到涡边缘声速逐渐呈现抬升的趋势, 而无涡环境下的声速分布较为平缓, 变化不大(图 8a和8b)。有涡环境和无涡环境下都产生了4个会聚区。

在水平距离0~80 km出现了两处山丘, 由于涡旋对声道的下压作用, 使得有涡环境下会聚区的下反转深度相对无涡环境下较深, 因此第1会聚区的反转深度受到了影响, 从声源发出的声线大部分聚集在山体的上坡一侧, 声线反射到了上层在41.6 km左右形成了会聚区。而无涡环境下由于下反转深度相对较浅, 即使有山丘的存在, 但仍有充足的深度空间使得一些角度较小的声线完成反转, 大约在48.2 km处形成了第1会聚区, 相比有涡环境下的会聚区后移了约6.6 km。对于75 km处的第2处山丘, 其高度相对较小, 使得有涡环境下的部分声线也可以顺利反转, 而对无涡环境下的反转深度基本上没有影响。在反气旋涡的影响下, 二者会聚区水平距离的差距在逐渐缩小, 从第1会聚区前移了6.6 km, 到第3会聚区只前移了0.6 km。由于在水平距离140~180 km处存在一较高的山体, 使得水深不足2 500 m, 有涡环境下的声线碰触到了山体的顶部, 在172.2 km处形成了第4会聚区。无涡环境下的声线主要集中在山体下坡的一侧, 对声线的反转影响较小, 大部分声线都可以达到自身的反转深度, 因此对会聚区的影响不大, 在182.9 km处形成了第4会聚区, 有涡环境下的会聚区前移了10.7 km。结果表明, 当地形影响较小时, 部分声线仍然可以正常反转形成会聚区, 此时, 会聚区主要受到涡旋的影响, 发生了后移。而当声线被地形阻碍无法正常反转时, 涡旋的影响被掩盖, 地形使得声线集中反射到上层, 会聚区的位置反而发生了前移。

图 9为对应图 8传播过程中声传播损失对比。当接收深度为300 m时, 前3个会聚区有涡环境下的传播损失明显要高于无涡环境, 但随着距离声源越远, 二者之间的差距逐渐减小, 因此有涡和无涡环境都可在前3个会聚区内探测到声信号。此外, 第4会聚区无涡环境下的传播损失要远大于有涡环境, 其主要原因是无涡环境下, 声线与地形的反射作用, 使得声能衰减较多, 因此无涡环境下会聚区增益区域的传播损失要比有涡环境下高出10~15 dB, 此时反而有涡环境下更容易探测。当接收深度为800 m时, 整体的损失衰减要比接收深度为300 m要大, 但仍然有涡环境下会聚区内的声衰减较大, 只能在第1会聚区探测到声信号, 而无涡环境可以在前两个会聚区内探测到声信号。因此, 涡旋对声传播过程中衰减的增大, 会直接影响声呐的探测距离。

2.2.3 会聚区偏移距离统计分析

为了明确黑潮流套脱落下的反气旋涡对会聚区的影响, 类似于AE6, 我们对AE1~AE5进行了仿真。图 10为以6个反气旋涡为有涡背景, 声波在真实地形下沿不同方向传播时会聚区偏移距离统计。其中图 10a~10d为声波穿过涡旋传播(传播方向分别为A向B, B向A, C向D和D向C); 图 10e、10f为声波从涡中心向涡外传播(传播方向分别为O向F和O向E)。受到涡旋和地形的共同影响, 会聚区的变化较为复杂。当地形对声线的反转影响较小时, 在涡旋的影响下, 会聚区后移, 后移的距离均在10 km以内。当地形阻碍到声线的反转时, 与山体接触位置的不同, 会聚区后移可以达到29 km (图 10b), 前移达到23 km (图 10d), 远超过涡旋影响下会聚区的偏移距离。结果表明, 声线的反转与地形密切相关, 对比无涡环境, 在涡的影响下, 声线与山体的接触位置发生了变化。当声线碰触山体上坡一侧时, 使得声线大量汇集, 无法正常完成反转, 声线被反射到上层形成会聚区, 相比于正常反转下形成的会聚区水平位置发生了前移。当声线碰触到山体下坡一侧时, 声线变的相对发散, 其中部分掠射角较小的声线受到的影响较小, 可以正常反转形成会聚区。在地形的作用下, 涡对会聚区后移的影响被弱化, 但仍然起到调控的作用, 这种情况下地形成为改变会聚区偏移程度的一个主要因素。

2.2.4 平底地形下声传播仿真模拟分析

为进一步揭示涡旋对声传播的影响, 我们计算了理想地形情况下声传播特征。图 11为声波在平底地形下(3 500 m)的传播损失图, 图 11a和11c分别为穿过AE6涡旋和由涡心向外传播, 声源深度为300 m, 声传播路径与图 6和图 8中的路径相同。图 11b和11d为相同路径下无涡环境中的传播损失场。受到涡旋的影响, 两种声传播路径下的会聚区位置都发生了后移。穿过涡旋传播时会聚区最大偏移距离可达7 km; 而从涡心向外传播时, 会聚区的最大偏移距离为10.5 km。可以看出, 从涡内向外传播时会聚区的后移距离要大些。

图 12为以6个反气旋涡为有涡背景, 声波在平底地形下沿不同轨迹传播时会聚区偏移距离统计。声传播路径与图 10中的路径相同。6种声传播路径下, 有涡环境下的会聚区表现出一致的后移, 且距离声源越远, 后移的距离越大。当声波穿过涡旋传播时, 除AE5在东西向传播时会聚区后移达到了10.3 km, 其他会聚区后移的距离普遍在10 km以内。当声波从涡中心向涡外传播时, 同一涡旋后移的距离明显要大于穿过涡旋传播时的距离, 最大距离可以达到16 km。相比前人在南海西部反气旋涡影响下会聚区的后移距离要大的多(张旭等, 2011)。

3 结论

本文利用2009~2020年卫星高度计数据和哥白尼再分析数据研究了6个冬季黑潮流套脱落反气旋涡的水文和声速结构特征, 结合Bellhop高斯射线模型, 分别进行了穿过反气旋涡和从涡内向涡外的两类声传播仿真实验。具体结论如下:

(1) 6个反气旋涡皆脱落于南海东北部, 平均半径在110~135 km之间, 垂向深度可达1 000~1 200 m, 表层最大旋转速度可以达到0.4~0.6 m/s。AE6反气旋涡中心温度异常为正异常, 暖核位置位于100~250 m处, 最大正异常值为2.5 ℃。中心盐度异常呈现负-正-负的三核结构, 高盐异常的峰值可达0.13。由于声速变化受到温度和盐度的影响, 声速的正异常结构出现在100~900 m的深度上, 其中在400 m的最大正异常值超过了8 m/s。

(2) 当声波从涡外穿过涡旋和从涡心向外传播时, 在反气旋涡和地形的共同影响下, 会聚区的偏移呈现出较复杂的变化。当声线在地形影响下可以正常反转时, 涡旋成为影响会聚区偏移的主要因素, 会聚区发生后移, 后移的距离普遍在5~10 km。当声线受到地形的影响无法正常反转时, 与地形接触的位置不同, 会聚区偏移的距离也不同, 此时会聚区后移可以达到29 km, 前移达到23 km。

(3) 对比有涡无涡环境下的声传播损失, 有涡环境下的传播损失要大于无涡环境, 尤其是接收深度为300 m时, 最大可以相差10~15 dB; 接收深度为800 m时, 二者之间的传播损失相差较小, 约为5 dB, 原因是反气旋涡在800 m深度对声场的影响较小。此外, 声线与地形的反射作用会导致声传播损失增大, 达到5~10 dB。

本文选取的是南海东北部冬季黑潮流套脱落下反气旋涡为背景, 这样的水文环境既有明显的地域性特征, 又有鲜明的季节性特征, 同时对模型参数的配置也存在一定的依赖性。反气旋涡脱落后一般向西移动, 涡旋在西向移动过程中对声传播的影响并不清楚。反气旋涡脱落后通常在其东侧容易产生气旋涡, 组成气旋-反气旋涡对。南海东北部气旋-反气旋涡对以及多涡变化过程的声学效应, 将在下一步的工作中开展。