全球氣候變化對(duì)海洋聲吸收系數(shù)的影響研究

劉宗偉,鮑 穎,呂連港,喬方利,宋振亞

(1.國(guó)家海洋局第一海洋研究所,山東青島266061; 2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室區(qū)域海洋動(dòng)力學(xué)與數(shù)值模擬功能實(shí)驗(yàn)室,山東青島266071; 3.海洋環(huán)境科學(xué)與數(shù)值模擬國(guó)家海洋局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島266061)

全球氣候變化對(duì)海洋聲吸收系數(shù)的影響研究

劉宗偉1,2,3,鮑 穎1,2,3,呂連港1,2,3,喬方利1,2,3,宋振亞1,2,3

(1.國(guó)家海洋局第一海洋研究所,山東青島266061; 2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室區(qū)域海洋動(dòng)力學(xué)與數(shù)值模擬功能實(shí)驗(yàn)室,山東青島266071; 3.海洋環(huán)境科學(xué)與數(shù)值模擬國(guó)家海洋局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島266061)

基于地球系統(tǒng)模式FIO-ESM(The First Institute of Oceanography-Earth System Model),研究了在最高排放RCP8.5情景下1851—2100年海水溫度、鹽度和酸度的變化規(guī)律,綜合考慮三者得到了聲吸收系數(shù)的變化規(guī)律。FIO-ESM模式輸出結(jié)果表明,1851—2100年間大部分區(qū)域的海水溫度出現(xiàn)不同程度地上升,海洋酸化現(xiàn)象明顯,北極地區(qū)附近的海水鹽度出現(xiàn)較大程度的下降。利用Francaais-Garriso經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算海洋聲吸收系數(shù)發(fā)現(xiàn),如果只考慮酸度對(duì)聲吸收系數(shù)的影響,聲吸收系數(shù)的預(yù)報(bào)誤差將達(dá)到40%以上。綜合計(jì)算結(jié)果表明,隨著全球氣候變化的演進(jìn),全球海洋聲吸收系數(shù)出現(xiàn)不同程度的下降,最大可達(dá)70%,即未來的海洋對(duì)于聲波更加“透明”。

全球氣候變化;聲吸收系數(shù);地球系統(tǒng)模式

除了幾何擴(kuò)展損失和底質(zhì)吸收損失外,海水中的聲能衰減主要由海水介質(zhì)的聲吸收引起。聲吸收系數(shù)大小對(duì)聲吶的設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有重要的參考意義,同時(shí)也會(huì)對(duì)海洋中依靠聲波交流和捕食的哺乳動(dòng)物的行為產(chǎn)生影響。

海水對(duì)聲波的吸收主要由2個(gè)因素引起,一是海水的切變黏滯效應(yīng),另一個(gè)是海水中的硫酸鎂和硼酸化學(xué)共振效應(yīng)。這2種效應(yīng)對(duì)聲吸收的貢獻(xiàn)由海水的溫度、鹽度和p H值決定。全球變化引起的海水溫度升高、p H值降低已被觀測(cè)證實(shí)[1-2]。全球變化導(dǎo)致的海水溫度、鹽度、p H值變化都會(huì)影響海水對(duì)聲波的吸收。Hester等人首先從全球氣候視角研究了海洋酸化對(duì)聲吸收系數(shù)的影響[3],其研究結(jié)果表明由于CO2溫室氣體的排放導(dǎo)致的海洋酸化,會(huì)使海水對(duì)10 k Hz以下的聲波吸收明顯降低。通過計(jì)算工業(yè)革命前至20世紀(jì)90年代海洋酸度變化,以及對(duì)應(yīng)的海洋聲吸收系數(shù)的變化,發(fā)現(xiàn)部分海域低頻聲系數(shù)降低了大約15%。隨后,Ilyina借助全球氣候模式研究了1800—2300年全球海洋酸度的變化情況[4],并計(jì)算了對(duì)應(yīng)的聲吸收系數(shù),結(jié)果表明,到2100年,在某些高緯度地區(qū)和深海區(qū)域,p H降低可達(dá)到0.6單位,100 Hz～10 k Hz的聲吸收系數(shù)降低達(dá)到60%。Joseph計(jì)算了海洋噪聲級(jí)對(duì)海洋酸化的敏感度[5],計(jì)算結(jié)果表明由于海洋酸化的影響,在特定的海域,其噪聲級(jí)變化不會(huì)超過0.21 d B,即認(rèn)為環(huán)境噪聲級(jí)對(duì)海洋酸化并不敏感。Rouseff在隨后的研究中指出,由于內(nèi)波的存在,導(dǎo)致海洋酸化對(duì)環(huán)境噪聲級(jí)的影響較預(yù)期的要大,原因在于內(nèi)波重新分配了聲能在各條傳播路徑中的比例,使得聲波在水體中傳播的分量增加[6]。

上述的研究中只考慮了海洋酸度變化對(duì)聲吸收系數(shù)的影響,但是全球氣候變化導(dǎo)致的海水升溫和鹽度變化同樣會(huì)對(duì)聲吸收系數(shù)產(chǎn)生影響。我們將綜合考慮全球氣候變化中海水溫度、鹽度和酸度對(duì)聲吸收的影響,研究未來一段時(shí)間內(nèi)聲吸收系數(shù)的變化規(guī)律。

(王 燕 編輯)

1 理論模型

1.1 聲吸收系數(shù)計(jì)算方法

由于海水介質(zhì)導(dǎo)致的聲強(qiáng)衰減是比較復(fù)雜的物理、化學(xué)過程,因此直到目前仍然沒有理論公式和實(shí)際測(cè)量結(jié)果吻合的較好。實(shí)際應(yīng)用中常采用經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算聲吸收系數(shù)。在Francaais-Garriso經(jīng)驗(yàn)公式[7]中,總吸收系數(shù)=硼酸貢獻(xiàn)+硫酸鎂貢獻(xiàn)+純水貢獻(xiàn),即

式中,α為聲吸收系數(shù),單位為d B/km;f為聲波頻率,單位為k Hz。

硼酸貢獻(xiàn)對(duì)應(yīng)的系數(shù)為

式中,c為聲速(m/s),可由式c=1 412+3.21t+1.19S+0.016 7D近似給出,其中t表示溫度(℃),T=273+t, S表示鹽度,D表示深度(m)。

硫酸鎂貢獻(xiàn)對(duì)應(yīng)的系數(shù)為

純水貢獻(xiàn)對(duì)應(yīng)的系數(shù)為

該經(jīng)驗(yàn)公式的適用范圍為聲波頻率200 Hz～1 MHz,海水深度5 000 m以內(nèi)。在此范圍內(nèi)準(zhǔn)確度可達(dá)到5%以內(nèi),范圍外的準(zhǔn)確度為10%以內(nèi)。此準(zhǔn)確度對(duì)實(shí)際的應(yīng)用以及本工作的分析是足夠的。

1.2 地球系統(tǒng)模式FIO-ESM

國(guó)家海洋局第一海洋研究所地球系統(tǒng)模式FIO-ESM(The First Institute of Oceanography-Earth System Model)v1.0[8],是首個(gè)耦合海浪模式的地球系統(tǒng)模式,并參加了第5次全球氣候模式比較計(jì)劃CMIP5(Coupled Model Inter-comparison Project Phase 5)。FIO-ESM采用NCAR發(fā)展的耦合器Coupler 6將大氣模式(CAM3)、陸面模式(CLM3.5)、海冰模式(CICE4)、海洋模式(POP2.0)以及海浪模式(MASNUM)封裝起來;通過非破碎波致混合理論[9-10]實(shí)現(xiàn)海浪模式與氣候系統(tǒng)的耦合。FIO-ESM還耦合了全球碳循環(huán)過程,包括陸地碳循環(huán)(CASA)、海洋碳循環(huán)(OCMIP-2)以及CO2在大氣中輸運(yùn)過程;大氣CO2濃度受陸-氣CO2通量、海氣CO2通量以及人為CO2排放的共同影響,實(shí)現(xiàn)完整的全球碳循環(huán)過程。氣候物理過程與全球碳循環(huán)過程相互作用,共同影響全球氣候變化。FIO-ESM的大氣模式水平分辨率為T42,約為2.875°,垂向分為26層;陸面模式的水平分辨率與大氣相同;海洋模式的水平分辨率經(jīng)向?yàn)?.1°,緯向?yàn)?.3°～0.5°,垂向分為40層;海冰模式的水平分辨率與海洋相同;海浪模式的水平分辨率為2°×2°,波向分辨率為30°。

本文采用的數(shù)據(jù)來自FIO-ESM歷史(1851—2005年)和未來(2006—2100年)高排放情景RCP8.5的CMIP5全球碳循環(huán)實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)見Taylor等[11]。Qiao等[8]表明,FIO-ESM全球碳循環(huán)模式能較好地再現(xiàn)歷史時(shí)期的大氣CO2濃度增長(zhǎng)、氣溫升高等變化特征。本文采用的海水溫度、鹽度數(shù)據(jù)為FIOESM海洋模式輸出結(jié)果;p H值數(shù)據(jù)是由FIO-ESM海洋分量模式輸出的溫度、鹽度、堿度、溶解無機(jī)碳、磷酸鹽等變量利用海洋碳酸鹽系統(tǒng)模塊mocsy2.0[12]通過模擬海水的碳酸鹽化學(xué)過程而計(jì)算得出。

2 仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

2.1 聲吸收系數(shù)與水體參數(shù)之間的關(guān)系

利用1.1節(jié)給出的Francaais-Garriso經(jīng)驗(yàn)公式,可以得到聲吸收系數(shù)隨海水溫度、鹽度和酸度變化情況。為了便于比較各個(gè)參數(shù)對(duì)聲吸收系數(shù)的影響情況,設(shè)定參考海水的溫度為12℃,鹽度為35,p H值為8.1,深度為0 m。圖1a給出了不同溫度變化情況下聲吸收系數(shù)變化百分比。其中,縱坐標(biāo)為聲吸收系數(shù)相對(duì)參考海水的差異百分比。4條曲線分別代表升溫Δt為1,2,3和4℃。從圖中可以看出,在80 k Hz以下,隨著溫度的升高,聲吸收系數(shù)基本呈下降趨勢(shì)。在2.5 k Hz附近,聲吸收系數(shù)對(duì)溫度的變化不敏感。在100 Hz和20 k Hz附近,聲吸收系數(shù)隨溫度升高而減弱最顯著;當(dāng)溫度升高4℃時(shí),聲吸收系數(shù)降低了12%以上。80～700 k Hz聲吸收系數(shù)隨溫度的升高而增大,最敏感的頻點(diǎn)在200 k Hz附近。

圖1b給出了不同鹽度變化情況下聲吸收系數(shù)變化百分比。其中縱坐標(biāo)的定義與圖1a一致。由圖可見,1 k Hz是一個(gè)明顯的分界點(diǎn)。在1 k Hz以下,鹽度降低,聲吸收系數(shù)增加;在1 k Hz以上,聲吸收系數(shù)隨著鹽度的降低而降低。在20 k Hz附近,鹽度降低4個(gè)單位,聲吸收系數(shù)降低接近12%。

圖1 不同溫度、鹽度、p H值變化情況下聲吸收系數(shù)變化百分比Fig.1 Variation of percentage in sound absorptivity in seawater under different temperatures,salinities and p Hs

Hester等[1]已經(jīng)研究了聲吸收系數(shù)隨p H值變化規(guī)律。為了便于對(duì)比,這里仍然給出其變化曲線,其變化曲線如圖1c所示。其中縱坐標(biāo)的定義與圖1a一致。由圖可以看出,在30 k Hz以下,隨著p H值的降低,聲吸收系數(shù)也降低,特別是1 k Hz以下,p H值降低0.6個(gè)單位時(shí),聲吸收系數(shù)降低了60%。30 k Hz以上聲吸收系數(shù)對(duì)p H值變化不敏感。

2.2 全球氣候變化中的溫度、鹽度和酸度變化情況

圖2給出了FIO-ESM模擬的1851年和2100年全球海表面及1 000 m水深處的溫度分布,以及溫度變化分布。由圖中可知,1851—2100年表層海水存在一個(gè)明顯的溫升效應(yīng),在南北半球的中緯度30°～60°范圍內(nèi)大部分海區(qū)升溫達(dá)到5℃以上。1 000 m水深處海水溫度總體變化較小,北大西洋地區(qū)的海水升溫最為明顯,其原因?yàn)榇笱蠓D(zhuǎn)環(huán)流在此處下沉,將表層高溫度的海水帶到了深水區(qū)。

圖2 溫度分布Fig.2 Changes in the seawater temperature

圖3給出了1851年和2100年全球海表面及1 000 m水深處的鹽度分布,以及鹽度變化分布。從圖中可以看到,相較于1851年、2100年的北極地區(qū)表層海水存在一個(gè)明顯鹽度降低現(xiàn)象。此變化主要由海冰融化所致。

圖3 鹽度分布Fig.3 Changes in the seawater salinity

圖4 給出了1851年和2100年全球海表面及1 000 m水深處p H值分布,以及p H值變化的分布。從圖中可以看到,相較于1851年,2100年全球存在一個(gè)明顯的酸化過程,部分海域表層海水的p H值最大可降低0.6個(gè)單位。1 000 m水深處的p H值變化較小。

圖4 p H值分布Fig.4 Changes in the seawater p H

2.3 全球氣候變化中的聲吸收系數(shù)變化情況

根據(jù)FIO-ESM地球系統(tǒng)模式的溫度、鹽度以及p H值結(jié)果,利用Francaais-Garriso經(jīng)驗(yàn)公式,經(jīng)過計(jì)算可以得到,1851—2100年間海水聲吸收系數(shù)變化情況。本文選取200 Hz,3 k Hz和30 k Hz作為典型頻率計(jì)算海洋聲吸收變化趨勢(shì)。其中,200 Hz屬于主要的航運(yùn)噪聲分布頻段,主動(dòng)聲吶和哺乳動(dòng)物交流等聲波頻率在3 k Hz附近,哺乳動(dòng)物捕食信號(hào)則使用更高頻率的30 k Hz來代表。聲波頻率200 Hz時(shí),表層海水聲吸收系數(shù)變化百分比的分布見圖5a。從圖中可以看到,相對(duì)1851年、2100年由于表層海水溫度升高、p H值降低,全球范圍內(nèi)的表層海水聲吸收系數(shù)均出現(xiàn)不同程度的降低,最大可達(dá)70%。北半球的中高緯度海域和南半球的中緯度海域聲吸收系數(shù)降低程度較大,南極大陸周圍聲吸收系數(shù)降低程度較小。通過對(duì)比2.2節(jié)中的圖2～圖4可知,聲波頻率200 Hz時(shí),聲吸收系數(shù)降低程度分布特征主要由p H值變化控制。圖5b給出了聲波頻率3 k Hz時(shí),表層海水聲吸收系數(shù)變化取值分布。從圖中可以看出,中低緯度海域的聲吸收系數(shù)降低程度較大,這是由溫度、鹽度和p H值變化綜合作用的結(jié)果。圖5c給出了聲波頻率30 k Hz時(shí),表層海水聲吸收系數(shù)降低取值分布。由圖可知,相較于200 Hz和3 k Hz,大部分海域聲吸收系數(shù)降低得較小。

圖5 頻率為200 Hz,3 k Hz和30 k Hz時(shí)表層海水聲吸收系數(shù)變化百分比Fig.5 The percentage of reduction in sound absorption at 200 Hz,3 k Hz and 30 k Hz in the surface

如果不考慮全球變化導(dǎo)致的海水溫度、鹽度變化對(duì)聲吸收系數(shù)的影響,而只考慮p H值變化導(dǎo)致的聲吸收系數(shù)變化,將會(huì)帶來計(jì)算誤差,這里定量給出其誤差分布。圖6給出了頻率為200 Hz,3 k Hz和30 k Hz時(shí)表層海水只考慮p H值變化帶來的計(jì)算誤差。由圖6a可以看出,頻率為200 Hz時(shí),最大計(jì)算誤差可達(dá)到50%,誤差較大的區(qū)域分布在南北半球的中緯度。通過對(duì)比2.2節(jié)中的結(jié)果可知,導(dǎo)致誤差的主要原因?yàn)闆]有考慮溫度因素。頻率為3 k Hz和30 k Hz時(shí),誤差較大的區(qū)域位于北極附近,該誤差主要由沒有考慮鹽度的影響引起。

圖6 頻率為200 Hz,3 k Hz和30 k Hz時(shí)只考慮p H值變化導(dǎo)致的表層海水聲吸收系數(shù)計(jì)算誤差(%)Fig.6 Computational error of the percentage of reduction in sound absorption at 200 Hz,3 k Hz and 30 k Hz at the surface by the change in p H only

由2.2節(jié)分析可知,水深1 000 m處,溫度、鹽度和p H值變化較表層小,因此聲吸收系數(shù)的變化也比表層小。圖7給出了頻率為200 Hz,3 k Hz和30 k Hz時(shí)1 000 m水深處海水的聲吸收系數(shù)變化程度分布。由圖可知,相比于表層海水,聲吸收系數(shù)降低整體偏小;但是在某些具體海域,例如北大西洋區(qū)域和南半球中緯度海域等,聲吸收系數(shù)降低仍然可以到30%～40%。

圖7 頻率為200 Hz,3 k Hz和30 k Hz時(shí)1000 m深處海水聲吸收系數(shù)變化百分比Fig.7 Computational error of the percentage of reduction in sound absorption at 200 Hz,3 k Hz and 30 k Hz at the depth of 1 000 m

選取6個(gè)具有代表性的位置點(diǎn),計(jì)算1851—2100年表層海水聲吸收系數(shù)的變化情況。這6個(gè)位置要么處在航道位置,要么處在全球氣候變化影響較大的地方,是未來需要關(guān)注的重點(diǎn)聲學(xué)區(qū)域。圖8給出了其計(jì)算結(jié)果。由圖可知,頻率為200 Hz和30 k Hz時(shí),溫度對(duì)聲吸收系數(shù)起決定性作用:北極和北太平洋區(qū)域的聲吸收系數(shù)明顯比其他位置大。在3 k Hz,溫度對(duì)聲吸收系數(shù)的影響不明顯,聲吸收系數(shù)主要由酸度和鹽度決定。

圖8 代表性區(qū)域聲吸收系數(shù)變化情況Fig.8 Temporal evolution of sound absorption coefficient in acoustic hotspots

3 結(jié) 語

本文首次綜合考慮了全球氣候變化中海水溫度、鹽度和酸度對(duì)聲吸收系數(shù)的影響。計(jì)算結(jié)果表明,如果只考慮海水p H值變化對(duì)聲吸收系數(shù)的影響,計(jì)算偏差將達(dá)到40%以上。利用FIO-ESM計(jì)算了1851—2100年間聲吸收系數(shù)的變化情況。結(jié)果表明,在感興趣的區(qū)域聲吸收系數(shù)均出現(xiàn)不同程度的下降,最大可達(dá)50%以上。聲吸收系數(shù)的降低將直接增加聲傳播距離,聲吶的作用距離理論上可以得到提高;但是,行船等產(chǎn)生的噪聲傳播距離也更遠(yuǎn),背景噪聲級(jí)有可能升高,最終得到的聲吶信噪比是提高還是降低,仍然需要進(jìn)一步研究。此外,隨著聲吸收系數(shù)降低,海洋哺乳動(dòng)物將更多地暴露在可能的人為噪聲中,依靠聲波來探測(cè)食物和交流的海洋哺乳動(dòng)物有可能得到更大的捕食距離和活動(dòng)范圍。這些海洋生物的適應(yīng)性也需要進(jìn)一步的研究。

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The Effect of Global Climate Change on Ocean Sound Absorption

LIU Zong-wei1,2,3,BAO Ying1,2,3,LüLian-gang1,2,3,QIAO Fang-li1,2,3,SONG Zhen-ya1,2,3(1.The First Institute of Oceanography,SOA,Qingdao 266061,China; 2.Laboratory for Regional Oceanography and Numerical Modeling,Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology,Qingdao 266071,China; 3.Key Lab of Marine Science and Numerical Modeling,SOA,Qingdao 266061,China)

The temperature,salinity and p H are the three key parameters that influence the sea water absorption of sound.The variations of these three parameters in the years 1851—2100 are studied based on the First Institute of Oceanography-Earth System Model(FIO-ESM)under the highest emission condition,RCP8.5.These three parameters are considered together to evaluate the evolvement of the oceanic sound absorption.The results from the FIO-ESM show that the temperates undergo increases in various degrees for the most parts of the ocean from 1851 to 2100.Ocean acidification is significant.The salinity near the Arctic is reduced dramatically.The simulation results show that there will be a 40%relative error in the prediction if only the effect of the acidity is considered.The results also show that the sound absorption of the global ocean is reduced in various degrees,with some area decreasing as much as 70%,as the global climate change develops.

global climate change;oceanic sound absorption;Earth System Model

May 10,2016

P733.2

A

1671-6647(2017)02-0210-11

10.3969/j.issn.1671-6647.2017.02.006

2016-05-10

國(guó)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(U1606405);中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目——區(qū)域海洋聲學(xué)預(yù)報(bào)中不確定性的傳遞與度量(2015G03)

劉宗偉(1986-),男,山東單縣人,助理研究員,博士,主要從事海洋聲學(xué)方面研究.E-mail:liuzongwei@fio.org.cn