利用淺海的聲傳播損失反演海面風(fēng)

劉洪寧，呂連港，楊光兵，姜 瑩，楊春梅，劉宗偉

(1．國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島266061；2．海洋環(huán)境科學(xué)和數(shù)值模擬國家海洋局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島266061)

利用淺海的聲傳播損失反演海面風(fēng)

劉洪寧1，2，呂連港1，2，楊光兵1，2，姜 瑩1，2，楊春梅1，2，劉宗偉1，2

(1．國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島266061；2．海洋環(huán)境科學(xué)和數(shù)值模擬國家海洋局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島266061)

聲信號(hào)在淺海環(huán)境傳播時(shí)，經(jīng)過海面風(fēng)浪的不斷散射，傳播損失會(huì)相應(yīng)改變。本文通過分析聲傳播損失計(jì)算海面波高，利用風(fēng)浪充分成長時(shí)波高與風(fēng)速的關(guān)系，對海面風(fēng)速進(jìn)行反演，并針對聲速剖面在有無躍層兩種情況下反演過程的異同進(jìn)行討論。利用模擬仿真與2013年黃海聲傳播實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對其進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明此方法是有效的。

聲學(xué)反演；傳播損失；風(fēng)速

風(fēng)速變化直接影響到人類生活的各個(gè)方面。陸地環(huán)境的風(fēng)場監(jiān)測一般是利用固定氣象站來進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，而在海洋中很難建立固定氣象站。我國有廣闊的海洋國土，對海洋風(fēng)場進(jìn)行長期監(jiān)測對于研究某區(qū)域風(fēng)場變化規(guī)律有十分重要的意義[1]。

到目前為止，國內(nèi)外海面風(fēng)場的監(jiān)測方法主要有現(xiàn)場觀測、衛(wèi)星高度計(jì)反演[2]、海洋環(huán)境噪聲反演[3]等?，F(xiàn)場觀測海洋局地風(fēng)速是十分困難的，一般借助船只、浮標(biāo)和石油平臺(tái)上的風(fēng)速儀記錄風(fēng)速，但是受到地域、時(shí)間等限制、記錄風(fēng)速數(shù)據(jù)有限；衛(wèi)星高度計(jì)反演風(fēng)速方法主要提供時(shí)間、空間上的平均參數(shù)；利用海洋環(huán)境噪聲反演風(fēng)速方法開始于20世紀(jì)70年代末，起初是在外海深水區(qū)進(jìn)行[4-5]，后來發(fā)展到水深較淺的大陸架海域[3,6]，這種方法采用被動(dòng)聲學(xué)測量，其難點(diǎn)是需要排除噪聲干擾。

海面風(fēng)場是影響海洋特性的重要因素，其強(qiáng)度變化會(huì)直接影響到波浪場。聲信號(hào)在淺海波導(dǎo)中傳播，經(jīng)過起伏海面的散射，其傳播損失會(huì)有變化[7]?？紤]到風(fēng)場、波浪、聲傳播損失之間的關(guān)系，本文提出一種利用聲傳播損失反演海面風(fēng)速的方法。該方法基于主動(dòng)聲傳播，可以有效排除噪聲干擾。文中利用數(shù)值模擬仿真以及2013年黃海聲傳播實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，驗(yàn)證了該方法的有效性。

1 反演方法

1.1 傳播損失與風(fēng)浪的關(guān)系

聲信號(hào)在淺海波導(dǎo)中傳播會(huì)不斷與海面、海底作用，海面、海底的不平整性會(huì)引起傳播能量衰減增強(qiáng)。尤其是當(dāng)海況較差，風(fēng)浪較大時(shí)，海面作用是十分強(qiáng)烈的，不可簡單地假設(shè)成鏡面。

在淺海中，簡正波為

(1)

式中，un為簡正波模態(tài)函數(shù)；r為傳播距離；zs為聲源深度；z為接收深度；ρ為介質(zhì)密度；γn為介質(zhì)波數(shù)，亦稱為特征值。

淺海中聲傳播能量損耗包括海面海底的散射與吸收，考慮這些因素，簡正波特征值可以表示為γn=kn+iαn,其中kn表示簡正波水平波數(shù)，αn為包含上述各種能量損耗的衰減系數(shù)。當(dāng)頻率較低時(shí)，可以不考慮海底界面的散射損耗。關(guān)于海底、水體引起的吸收衰減參見Jensen等[8]的研究。

Kuperman和Ingenito[9]在1977年發(fā)表文章中給出的衰減系數(shù)計(jì)算式為

(2)

其中，

式中，ρ1為海水密度，ρ2為海底密度。

(3)

1.2 均方根波高與海面風(fēng)速的關(guān)系

波浪與風(fēng)之間有直接關(guān)系，一般情況是風(fēng)速越大，波高越高。當(dāng)然波浪的發(fā)展不僅取決于風(fēng)速，也與風(fēng)時(shí)、水深等有關(guān)。這個(gè)過程是復(fù)雜的，相關(guān)研究[10-12]也很多。

在淺海中，若風(fēng)浪處于充分成長狀態(tài)，則消去風(fēng)時(shí)等因素，此時(shí)決定波高的要素為風(fēng)速和水深。Ржеплинский等利用統(tǒng)計(jì)處理與因次分析[13]，得到淺海中風(fēng)速與平均波高的關(guān)系為

(4)

由式(4)，若已知水深與平均波高，則風(fēng)速為

(5)

而且均方根波高與平均波高差距不大，可以認(rèn)為二者相等。

由前述可知，通過假設(shè)不同的波高對聲傳播損失進(jìn)行模擬，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測量的聲源級求得模擬聲信號(hào)強(qiáng)度。利用模擬得到聲強(qiáng)級與實(shí)際接收信號(hào)聲強(qiáng)級進(jìn)行匹配(當(dāng)模擬的信號(hào)強(qiáng)度與實(shí)際接收信號(hào)強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差最小時(shí)得到波高)，求出最佳波高，再利用式(5)反演風(fēng)速。

2 仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

本節(jié)對淺海聲速剖面無躍層以及在有躍層時(shí)聲源位于躍層上方與下方3種情況的風(fēng)速反演過程進(jìn)行數(shù)值仿真。模擬聲速剖面如圖1所示。由kraken模型仿真聲傳播，假設(shè)不同波高，計(jì)算獲得聲壓信號(hào)。

圖1 模擬有無躍層兩種情況的聲速剖面Fig.1 Sound speed profiles of simulations with and without thermocline

在聲速剖面有躍層、躍層深度為5～10 m時(shí)，首先假設(shè)聲源在躍層之下、深度為15 m，兩個(gè)接收水聽器的深度分別為1和20 m。仿真聲源信號(hào)為中心頻率為460 Hz、帶寬100 Hz的M序列，傳播距離為10 km，模擬傳播損失如圖2與圖3所示，在深度20 m處，能量較高的低號(hào)簡正波受到躍層的約束，主要在躍層以下傳播，受海面影響小，傳播損失對波高的變化不敏感。而在深度1 m處，傳播損失受海面波浪影響較大。另外，假設(shè)聲源位于躍層上方，發(fā)射深度為3 m，接收深度、發(fā)射信號(hào)和傳播距離與之前相同，模擬傳播損失如圖4與圖5所示，由于聲源位于躍層之上，只能激發(fā)高號(hào)簡正波，且所有激發(fā)的簡正波都與海面接觸，受到海面波浪的影響。

在聲速剖面無躍層時(shí)，假設(shè)發(fā)射深度為15 m，接收深度、發(fā)射信號(hào)和傳播距離亦與上面假設(shè)相同，各號(hào)簡正波都與海面接觸，傳播損失也均受海面波浪影響(圖6，圖7)。

圖2 模擬水深20 m處不同波高條件下信號(hào)的傳播損失(有躍層，聲源深度15 m)Fig.2 Transmission loss of signal at 20 m with different wave heights (with thermocline, depth of sound source is 15 m)

圖3 模擬水深1 m處不同波高條件下信號(hào)的傳播損失(有躍層，聲源深度15 m)Fig.3 Transmission loss of signal at 1 m with different wave heights (with thermocline, the depth of sound source is 15 m)

圖4 模擬水深20 m處不同波高條件下信號(hào)的傳播損失(有躍層，聲源深度3 m)Fig.4 Transmission loss of signal at 1 m with different wave heights (with thermocline, depth of sound source is 3 m)

圖5 模擬水深1 m處不同波高條件下信號(hào)的傳播損失(有躍層，聲源深度3 m)Fig.5 Transmission loss of signal at 1 m with different wave heights (with thermocline, depth of sound source is 3 m)

圖6 模擬水深20 m處不同波高條件下信號(hào)的傳播損失(無躍層，聲源深度15 m)Fig.6 Transmission loss of signal at 20 m with different wave heights (without thermocline, depth of sound source is 15 m)

圖7 模擬水深1 m處不同波高條件下信號(hào)的傳播損失(無躍層，聲源深度15 m)Fig.7 Transmission loss of signal at 1 m with different wave heights (without thermocline, depth of sound source is 15 m)

假設(shè)風(fēng)速為8 m/s，由式(5)求出此時(shí)波高為1.1 m，聲源信號(hào)為含有高斯白噪聲的與上文相同的聲信號(hào)，信噪比12 dB。在以上兩種聲速剖面條件下，進(jìn)行風(fēng)速反演。反演結(jié)果如圖8，圖9和圖10所示。

在有躍層的情況，當(dāng)聲源在躍層之下時(shí)，躍層以上接收信號(hào)的反演結(jié)果為7.59 m/s，與仿真風(fēng)速僅相差0.41 m/s；而躍層以下的反演結(jié)果為13.8 m/s，由于不同波高對傳播損失影響較小，反演結(jié)果存在很大偶然性，本反演方法不適用。當(dāng)聲源在躍層以上時(shí)，躍層上方與下方反演結(jié)果分別為7.15與7.59 m/s。無躍層的情況，水層上下反演結(jié)果都為7.59 m/s，所以當(dāng)聲源位于躍層上方或者無躍層存在時(shí)，利用任何深度接收信號(hào)的反演結(jié)果都是有效的。而聲源位于躍層下方時(shí)，僅躍層以上深度接收信號(hào)的結(jié)果是有效的。

圖8 不同深度情況下接收信號(hào)實(shí)測與模擬傳播損失的標(biāo)準(zhǔn)差(有躍層，聲源深度15 m)Fig.8 Standard deviation of sound transmission loss between field measurements and numerical simulations at different depths (with thermocline, depth of sound source is 15 m)

圖9 不同深度情況下接收信號(hào)實(shí)測與模擬傳播損失的標(biāo)準(zhǔn)差(有躍層，聲源深度3 m)Fig.9 Standard deviation of sound transmission loss between field measurements and numerical simulations at different depths (with thermocline, depth of sound source is 3 m)

圖10 不同深度情況下接收信號(hào)實(shí)測與模擬傳播損失的標(biāo)準(zhǔn)差(無躍層)Fig.10 Standard deviation of sound transmission loss between field measurements and numerical simulations at different depths (without thermocline)

圖11 風(fēng)速反演流程圖Fig.11 Flow chart of the wind speed inversion

由以上理論分析與仿真模擬可知，當(dāng)淺海聲速剖面有躍層存在時(shí)，若聲源位于躍層下方，聲傳播過程中能量較高的低號(hào)簡正波主要在躍層下面?zhèn)鞑?，根?jù)射線理論，這些在躍層下傳播的聲信號(hào)不與海面作用，不受海面波浪影響，傳播損失對波高變化不敏感，反演過程引起的誤差比較大；在躍層以上的聲信號(hào)受海面波浪影響較大，接收信號(hào)傳播損失對波高的變化敏感，反演誤差小。所以此條件下只能用躍層以上的接收信號(hào)進(jìn)行風(fēng)速反演。當(dāng)聲源位于躍層上方或者無躍層時(shí)，各號(hào)簡正波都受海面波浪影響，躍層上下接收信號(hào)傳播損失對波高的變化都較敏感，均可用于反演。針對所有情況的具體反演方法的流程見圖11。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖12 實(shí)驗(yàn)海區(qū)聲速剖面Fig.12 The sound speed profile of the experiment sea area

2013-08在黃海開展聲傳播實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)前幾天海面風(fēng)速變化不大，可認(rèn)為風(fēng)浪得到充分成長。實(shí)驗(yàn)海區(qū)平均水深28 m，聲速剖面如圖12所示。海底為粉砂底質(zhì)[14]，此底質(zhì)的地聲模型[15]參數(shù)如表1所示。實(shí)驗(yàn)采用發(fā)射、接收雙船作業(yè)，包括1個(gè)接收站位和5個(gè)不同距離的發(fā)射站位(記為A,B,C,D,E站位)。接收船在接收站位拋錨布放20元水聽器垂直陣，并在船上架設(shè)船舶氣象儀，實(shí)時(shí)記錄風(fēng)速、氣溫、濕度等數(shù)據(jù)，發(fā)射船在各發(fā)射站位分別發(fā)射中心頻率為460 Hz與820 Hz的M序列信號(hào)(以下簡稱為sig1與sig2)，信號(hào)帶寬都為100 Hz，并在每站進(jìn)行CTD測量與聲源級測量。

表1 實(shí)驗(yàn)海區(qū)地聲模型

注：“-”處表示無數(shù)據(jù)

由反演流程圖11可知，此時(shí)應(yīng)取躍層以上水聽器接收信號(hào)進(jìn)行風(fēng)速反演。首先分析sig1信號(hào)，文中取接收站位深度在3.5 m附近的水聽器接收信號(hào)進(jìn)行處理，求出聲強(qiáng)級，再假設(shè)不同的海面粗糙度統(tǒng)計(jì)量[8]，利用聲傳播數(shù)值計(jì)算模型[16]模擬各站點(diǎn)聲強(qiáng)級(圖13)，求出所有站位的模擬聲強(qiáng)級與實(shí)測聲強(qiáng)級標(biāo)準(zhǔn)差之和，如圖14。波高從低到高變化時(shí)，海面散射逐漸增強(qiáng)，造成傳播損失增大。海面波高為0.7 m時(shí)，模擬傳播損失與真實(shí)測量傳播損失最為接近，標(biāo)準(zhǔn)差最小，此時(shí)對應(yīng)的海面粗糙度統(tǒng)計(jì)量為海面的均方根波高。利用公式(7)，取g為9.8 m/s2，平均水深是28 m，求得海面風(fēng)速為4.57 m/s。利用同樣的方法取躍層以上所有水聽器的接收信號(hào)分別進(jìn)行風(fēng)速反演，各水聽器接收信號(hào)反演的風(fēng)速平均值為5.12 m/s。再對sig2信號(hào)進(jìn)行分析，躍層以上各水聽器反演風(fēng)速平均值為4.58 m/s。

為驗(yàn)證反演結(jié)果的正確性，對實(shí)驗(yàn)過程中風(fēng)速儀記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析(圖15)。實(shí)驗(yàn)當(dāng)天的平均風(fēng)速是5.09 m/s。sig1與sig2反演風(fēng)速與實(shí)際平均風(fēng)速分別僅相差0.03和0.51 m/s。而且由布列霍夫斯基[17]研究可知，在海面不平整性比聲波波長小的情況下，這兩種頻率的聲信號(hào)傳播損失會(huì)受到波高0.7 m海浪的影響，以上分析證明在淺海環(huán)境中利用傳播損失來反演海面風(fēng)速的方法是有效的。由于試驗(yàn)次數(shù)限制，不同頻率的聲信號(hào)反演結(jié)果的微小差異不代表對風(fēng)速的反演精度的差異。

圖13 取不同波高時(shí)各站位模擬聲強(qiáng)級與實(shí)測聲強(qiáng)級Fig.13 Sound intensity level of field measurement and numerical simulation with different wave heights

圖14 sig1模擬聲強(qiáng)級與實(shí)測值標(biāo)準(zhǔn)差Fig.14 Standard deviation of sound intensity level of sig1 between field measurement and numerical simulation

圖15 試驗(yàn)海區(qū)實(shí)時(shí)風(fēng)速Fig.15 Wind speed of the experiment sea area

4 結(jié) 論

本文分析了聲傳播損失、波高和風(fēng)速三者之間的關(guān)系，給出了一種在淺海風(fēng)浪充分成長的條件下，利用聲傳播損失反演海面風(fēng)速的方法。數(shù)值仿真研究表明當(dāng)有躍層時(shí)，若聲源位于躍層下方，則需取躍層上方的接收信號(hào)進(jìn)行風(fēng)速反演；當(dāng)聲源位于躍層上方或者無躍層時(shí)，各深度接收信號(hào)均可用于反演。利用海上聲傳播實(shí)驗(yàn)獲取的聲傳播損失數(shù)據(jù)反演了實(shí)驗(yàn)海區(qū)平均風(fēng)速，反演結(jié)果與實(shí)測風(fēng)速數(shù)據(jù)基本一致。

需要指出的是本文提出的方法是建立在淺海風(fēng)浪充分成長的條件下；同時(shí)波高與聲信號(hào)應(yīng)滿足kσ?1[17]，其中k為聲波波數(shù)，σ為海浪有效波高；存在躍層且聲源在躍層之下時(shí)，要求用躍層以上的接收信號(hào)進(jìn)行反演；反演的是一定時(shí)間內(nèi)的平均風(fēng)速，需要更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)予以驗(yàn)證。此方法采用主動(dòng)聲學(xué)測量，相較于利用海洋噪聲反演風(fēng)速方法更易于排除環(huán)境噪聲干擾。此方法可利用水聽器潛標(biāo)與聲源潛標(biāo)相配合對海面風(fēng)速進(jìn)行長期觀測，也可與坐底式聲學(xué)測波法[18]相配合，增加采集數(shù)據(jù)的可靠性。

[1] WANG Q, GAO H W. Study on wind stress and air-sea exchange over coastal waters of Qingdao[J].Advances in Marine Science, 2003, 21(1): 12-20.王強(qiáng), 高會(huì)旺. 青島沿海風(fēng)應(yīng)力和海氣交換研究[J].海洋科學(xué)進(jìn)展, 2003, 21(1): 12-20.

[2] CHEN G. On retrieving sea surface wind speed from satellite altimeters: Model functions and an application case[J].Journal of Remote Sensing, 1999, 3(4): 305-311.陳戈. 衛(wèi)星高度計(jì)反演海面風(fēng)速: 模式函數(shù)與應(yīng)用實(shí)例[J].遙感學(xué)報(bào), 1999, 3(4): 305-311.

[3] LIN J H, JIANG G J, YUAN Q L, et al. A modified method evaluating wind speed by ocean ambient noise[J].Acta Acustica, 2006, 31(3): 276-280.林建恒, 蔣國健, 苑泉樂, 等. 一種海洋環(huán)境噪聲估計(jì)風(fēng)速的修正法[J].聲學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 31(3): 276-280.

[4] SHAW P T, WATTS D R, ROSSBY H T. On the estimation of oceanic wind speed and stress from ambient noise measurements[J].Deep Sea Research, 1978, 25(12): 1225-1233.

[5] EVANS D L, WATTS D R, HALPERN D, et al. Oceanic winds measured from the seafloor[J].Journal of Geophysical Research: Oceans (1978-2012), 1984, 89(C3): 3457-3461.

[6] LIN J H , CHANG D Q, MA L, et al. Estimation of surface wind speed by ocean ambient noise[J].Acta Acustica, 2001, 26(3): 217-221.林建恒, 常道慶，馬力, 等. 海洋環(huán)境噪聲反演估計(jì)海面風(fēng)速[J].聲學(xué)學(xué)報(bào), 2001, 26(3): 217-221.

[7] WANG X H, PENG Z H, LI Z L. Effects of wave fluctuation on sound propagation[J].Technical Acoustics, 2007, 26(4): 551-556.王先華, 彭朝暉, 李整林. 海面波浪起伏對聲傳播的影響[J].聲學(xué)技術(shù), 2007, 26(4): 551-556.

[8] JENSEN F B, KUPERMAN W A, PORTER M B, et al. Computational ocean acoustics[M].New York: Springer, 2011.

[9] KUPERMAN W A, INGENITO F. Attenuation of the coherent component of sound propagating in shallow water with rough boundaries[J].Journal of the Acoustical Society of America, 1977, 61(5): 1178-1187.

[10] WU S P, YIN B S, HOU Y J, et al. Relationship between wave steepness and wave age in the course of wind wave growth[J].Chinese Journal of Oceanology and Limnology, 2004, 22(4): 340-343.

[11] BOTTEMA M, VAN VLEDDER G P. A ten-year data set for fetch-and depth-limited wave growth[J].Coastal Engineering, 2009, 56(7): 703-725.

[12] CHEN H X, HUA F, YUAN Y L. Seasonal characteristics and temporal variations of ocean wave in the Chinese offshore waters and adjacent sea areas[J].Advances in Marine Science, 2006, 24(4): 407-415.陳紅霞, 華鋒, 袁業(yè)立. 中國近海及臨近海域海浪的季節(jié)特征及其時(shí)間變化[J].海洋科學(xué)進(jìn)展, 2006, 24(4): 407-415.

[13] РЖЕПЛИНСКИЙ Г В. Исследование режима ветрового волнения океанов и расчеты параметров волн[J].Труды ГОИН, 1972,(111): 184.

[14] EDITORIAL BOARD FOR MARINE ATLAS. Marine atlas of the Bohai Sea, Yellow Sea and East China Sea(geology and geophysics )[M].Beijing: Ocean Press, 1990. 海洋圖集編輯委員會(huì).渤海黃海東海海洋圖集: 地質(zhì)地球物理[M].北京: 海洋出版社, 1990.

[15] HAMILTON E L. Geoacoustic modeling of the sea floor[J].Journal of the Acoustical Society of America, 1980, 68:1313.

[16] PORTER M, REISS E L. A numerical method for ocean-acoustic normal modes[J].Journal of the Acoustical Society of America (S0001-4966), 1984, 76(1): 244-252.

[17] BREKHOVSKIKH L. Marine acoustics[M]. Physics department, Shandong College of Oceanology & Underwater sound laboratory, Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences. Beijing: Science Press, 1983. 布列霍夫斯基. 海洋聲學(xué)[M].山東海洋學(xué)院物理系，中國科學(xué)院聲學(xué)研究所水聲研究室譯.北京: 科學(xué)出版社, 1983.

[18] ADCP WORKSHOP. Bottom based wave and current meter[J].Ocean Technology, 2001, 20(1): 88-92.ADCP課題組. 坐底式波流測量儀[J].海洋技術(shù), 2001, 20(1): 88-92.

Received: May 29, 2014

Sea Surface Wind Speed Inversion Based on Sound Transmission Loss in Shallow Water

LIU Hong-ning1,2, Lü Lian-gang1,2, YANG Guang-bing1,2, JIANG Ying1,2,YANG Chun-mei1,2, LIU Zong-wei1,2

(1.TheFirstInstituteofOceanography,SOA, Qingdao 266061, China;(2.KeyLaboratoryofMarineScienceandNumericalModeling,SOA, Qingdao 266061,China)

Surface waves can scatter acoustic signal in the ocean and thus cause a change in sound transmission loss. A new method of inversing wind speed is proposed, in which the wave height is calculated based on sound transmission loss and thus the wind speed is derived through the relationship between the full development of waves and wind speed. The differences in inversion processes with thermocline and without thermocline are also discussed. This method is further verified by numerical simulation and field measurements in the Yellow Sea in 2013 to be effective.

acoustic inversion; sound transmission loss; wind speed

2014-05-29

國家自然科學(xué)基金委員會(huì)-山東省人民政府聯(lián)合資助海洋科學(xué)研究中心項(xiàng)目——海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)和數(shù)值模擬(U1406404) 作者簡介：劉洪寧(1989-)，男，山東青島人，碩士研究生，主要從事聲學(xué)海洋學(xué)方面研究. E-mail：liuhn@fio.org.cn

(李 燕 編輯)

P733.2

A

1671-6647(2015)02-0164-09