基于海调实测资料的中尺度冷涡的会聚区声传播特征诊断

海洋中尺度涡能够使声能空间分布不均,进而对水声设备、水下兵器使用和潜艇战造成重大影响。本文基于2014年西太平洋海调中尺度涡观测资料,首先对该涡旋的三维结构特征进行研究,得出此为黑潮延伸体海域典型的气旋式冷涡。然后利用抛物方程水声数值模型仿真研究该中尺度涡对声传播损失的影响。研究表明:中尺度涡引发的海洋声速场水平扰动对水声场空间分布特征造成巨大影响,冷涡使得会聚区的位置前移,宽度减小,增益效能增强;声在中尺度涡边传播时,涡边会聚区较涡心会聚区的位置后退,宽度加大,增益效能减弱。     

海洋中尺度涡建模及其在水声传播影响研究中的应用

针对海洋中尺度涡对水声传播的影响,利用中尺度涡区的历史水文实测数据提取涡旋强度,空间尺度等中尺度涡特征参数,建立了海洋中尺度涡理论计算模型。运用MMPE水下声场模型仿真试验研究了涡旋性质、强度和位置、声源频率和置放深度对声传播特性的影响。结果表明:暖涡使得会聚区的位置后退,会聚区宽度增加;冷涡使得会聚区的位置前移,会聚区宽度减小。涡旋的强度越大,前移或后退的效应越显著。     

海洋中尺度涡建模及其在水声传播影响研究中的应用

针对海洋中尺度涡对水声传播的影响,利用中尺度涡区的历史水文实测数据提取涡旋强度,空间尺度等中尺度涡特征参数,建立了海洋中尺度涡理论计算模型。运用MMPE水下声场模型仿真试验研究了涡旋性质、强度和位置、声源频率和置放深度对声传播特性的影响。结果表明：暖涡使得会聚区的位置“后退”,会聚区宽度增加;冷涡使得会聚区的位置“前移”,会聚区宽度减小。涡旋的强度越大,“前移”或“回退”的效应越显著。     

中尺度涡条件下的深海声场效应研究

通过构建中尺度涡的数学模型,利用射线-简正波-抛物方程(RMPE)声学模型进行传播损失计算,进而分析在深海声道、深海会聚区、海底反射3种传播模式下,中尺度涡对深海声效应的影响。数值仿真结果显示,暖涡对深海声道、会聚区产生下压效果,使会聚区水平距离变大,深海声道深度方向上变宽;冷涡使会聚区上抬,距离变短,对声场散射现象明显。研究结果表明,涡旋环境条件下,声场特征会产生显著变化。试验结果揭示了中尺度涡对深海声场效应的影响,对指导海上运用中尺度涡现象开展的科学研究、工程实践、军事运用具有积极的指导意义。     

北太平洋中尺度涡温度垂直结构区域差别分析

利用在北太平洋海域(120°E~100°W,10°~60°N;)19a间(1993—2011年)识别追踪出的中尺度涡,结合该区域内的Argo浮标资料,初步探索了北太平洋不同区域之间涡旋垂直温度结构的差异性。通过对比北太平洋4个小区域(副热带逆流区域、黑潮延伸体区域、亲潮区域、东部加利福尼亚沿岸区域)内的涡旋发现:每个区域内气旋涡和反气旋涡的垂直温度结构具有很大的相似性,但不同区域之间则略有差异。其中黑潮延伸体区域跟其它区域的中尺度涡垂直温度结构有较大差别,该区域内中尺度涡温度异常值明显大于其它区域,冷暖核的深度比其它区域要深,并且从100~600 m的深度上都有较大的温度异常。     

黑潮流套脱落反气旋涡对声传播的影响研究

黑潮在冬季常以流套的方式入侵南海,并多伴随着反气旋涡的脱落,脱落的反气旋涡将黑潮高温、高盐水带入南海,影响南海东北部水文要素和声速场的空间分布,目前尚未有对黑潮流套脱落反气旋涡声学效应的研究。利用2009～2020年卫星高度计数据和再分析数据,在南海东北部选取了6个冬季黑潮流套脱落反气旋涡,研究了其水文和声场结构,并应用Bellhop高斯射线模型仿真给出了其对声传播的影响。结果表明:(1)6个黑潮脱落反气旋涡平均半径为110～135km,垂向深度可达1 000～1 200 m,最大旋转速度为0.4～0.6 m/s。反气旋涡中心暖水下沉,温度异常均为正异常,暖核位置位于100～250 m处,最大正异常达到2.5°C。中心盐度异常呈现负-正-负的三核结构。反气旋涡在100～900 m深度声速为正异常,最大正异常超过8 m/s,出现在400 m左右。(2)声波从涡外穿过涡旋和从涡内向外传播,当地形不会影响声线的反转时,会聚区的位置发生后移,后移的距离在5～10 km;当地形阻碍声线的反转时,声线与地形接触的位置不同,会聚区可能出现前移或后移,后移最大为29km,前移最大可达23km。(3)当...     

南海西部中尺度暖涡环境下汇聚区声传播效应分析

应用高斯束射线模型对南海西部中尺度暖涡环境下的汇聚区声传播效应进行了分析.结果表明,暖涡引起的声速场环境变化和海底地形变化的双重效应使汇聚区声道出现了复杂的变异.当水深大于临界深度时,涡引起的环境变化起主要作用.对于暖涡结构,涡中心产生的汇聚区距离最远;声波从涡中心向外侧传播时,汇聚区距离逐渐变小;声波从涡外侧向中心传播时,汇聚区距离逐渐变大.当水深小于临界深度时,海底地形变化起主要作用,地形变浅使汇聚区声道出现"截断效应",声道中的能量迅速衰减.在暖涡西侧,声速场的水平非均匀性与陆坡式的地形对声传播起着相反的效应.与声速结构不随距离变化的情况相比,暖涡环境使陆坡地形临界深度附近的汇聚区声道结构发生了明显的变异.     

黑潮延伸区的海平面异常和中尺度涡的统计分析

利用1993～2004年卫星高度计TP/Jason-1和 ERS/ENVISAT提供的海平面异常(SLA)融合数据,分析了黑潮延伸区12年来的平均海平面异常的变化特征及中尺度涡的分布规律.研究表明,在黑潮延伸区海平面异常(SLA)呈递增趋势,年平均上升率为8.89mm/a,显著性周期是1年、0.5年和6年;黑潮延伸区的海平面异常和海表面温度异常的低频分量与Nino3指数具有较高的相关性.这说明,黑潮延伸区的海平面变化和海表面温度与厄尔尼诺事件密切相关,都受到黑潮变化的密切影响.在日本东部的黑潮延伸区,中尺度涡自东向西移动,寿命约为1年,移动速度大约是10经度/年.气旋涡和反气旋涡的面积呈现几乎同步增减的规律,均呈年周期变化,上半年少,下半年多.在1997～1998年,黑潮延伸区内中尺度涡的面积显著减小,并且正好对应于Nino3指数极大值出现的年份.因此,黑潮延伸区内中尺度涡的数量和强度也与厄尔尼诺事件密切相关.     

冬季台湾西南海域一对冷、暖中尺度涡的同化模拟研究

基于改进的1/30°分辨率的南海业务化预报系统,利用集合最优插值(En OI)同化方法对南海北部中尺度涡进行了同化模拟研究。模拟结果准确再现了2013年冬季发生在台湾岛西南海域的一对冷、暖中尺度涡的生成及传播过程。分析暖涡和冷涡成熟时期的垂向结构发现:暖涡中心温跃层深度超过200 m,而冷涡中心温跃层深度小于150 m;暖涡和冷涡经向和纬向流速均存在不对称性,相邻一侧流场强度明显偏强,对应较强的水平流速切变。上述特征与同时期南海中尺度涡观测实验结果基本一致。对暖涡和冷涡生成机制的分析印证了暖涡是由黑潮流套脱离生成的观点,同时指出冷涡是暖涡北侧较强的气旋式流速切变及西南向海流产生的离岸输运共同作用产生的。     

一个西太平洋冷涡影响下的会聚区声传播变异特征分析

以Argo资料给出的一个典型西太平洋冬季冷涡为环境背景,应用BELLHOP高斯束射线模型计算声场,通过比较环境水平不变与环境水平变化声场的差异性,得出了涡旋环境和地形变化共同影响下会聚区声场出现的一些变异特征。分析结果表明,涡西侧声场在深海平坦地形条件下会聚区保持完整,从涡外向涡内传播时会聚区距离逐渐变小,反之距离变大,同时,涡中心附近的冷水上涌破坏了近表层的表面声道,使声传播损失突然增大。涡东侧的海山地形阻碍了会聚区反转,使声场出现了复杂的变异特征,如会聚区的截断、上反转点的抬升或下降、声线的多途传播以及增益位置的不规则变化等。这些声场变异特征是由西太平洋的背景环境、涡中的水文非均匀分布以及地形变化共同引起的。当地形变化不影响会聚区反转时,声场变化主要受涡锋面两侧水文环境差异的影响,典型特征是会聚区的偏移和表面声道的生消;当地形变化对会聚区反转产生明显的干扰时,地形条件对于声场能量分布具有主导作用,非均匀水文环境的影响弱化,但仍起到重要的调制作用。     

基于Argo数据的吕宋海峡东部海域的会聚区特征分析

利用2010-2013年的Argo浮标观测资料,对吕宋海峡东部海域(19°~23°N,123~127°E)的会聚区特征进行综合分析。研究结果如下:(1)吕宋海峡东部海域4个季节表面的声速从大至小依次为夏季、秋季、春季和冬季,夏季最大为1 543.5m/s,冬季最小为1 533.4m/s;混合层深度从大到小依次为冬季、秋季、春季和夏季;(2)采用WOA13气候态数据对声速剖面进行深海延拓,获得全海深的声速剖面,分析4个季节的声道特征。声道轴深度和声速较为稳定,声道轴深度在1 000~1 040m之间,声道轴处的声速为1 482m/s,4个季节的平均声道厚度都超过4 500m,利于会聚区形成;(3)研究区较易发生会聚现象,发生会聚现象概率高于50%的占70.6%;会聚现象的发生概率季节变化明显,春季、冬季极易发生声场的会聚现象,夏季最小;(4)运用RAMGeo声场模型对研究区4个季节的声传播损失进行仿真,分析会聚区的季节变化特征。当声源深度100m,接收深度10m时,第一会聚区,离声源的距离在61~64km左右,夏季离声源最近,春、冬季较远;会聚区宽度上,夏季最宽为10km,春季最窄为4.6km;会聚区增益分布特点与会聚区宽度刚好相反,春季最大为14.6dB,夏季最小为8.5dB。     

中尺度涡控制悬浮体的分布——以帕里西维拉海盆区为例

为研究帕里西维拉海盆区上层水体中悬浮体分布特征,对2003年冬季在该海区现场测得的上层水体悬浮体质量浓度数据进行详细分析。结果表明,调查期间研究区悬浮体质量浓度在水平上表现出西高东低的特征,垂向上的差异较小。现场大面站调查和同期卫星高度计数据显示,调查期间在研究区海域同时存在冷涡和暖涡活动,其中冷涡活动区位于研究区西部,暖涡活动区位于东部。分层分析表明,调查区中尺度涡活动对悬浮体分布有明显的控制效应:在冷涡活动区内,深层的富营养盐水体上涌,使冷涡内部的浮游生物量增多,导致冷涡活动区内的悬浮体质量浓度明显高于周围;在暖涡活动区内,因上层的寡营养盐水体下沉,使暖涡区的浮游生物量减少,导致悬浮体质量浓度明显低于周围。受洋流和中尺度涡活动的影响,调查海区西北部岛礁的物质供应也是导致研究区悬浮体分布呈现西高东低格局的重要因素。     

黑潮延伸体邻近海区中尺度涡三维合成结构分析

文章基于卫星高度计资料和Argo浮标资料,采用合成方法,构建了黑潮延伸体邻近海区中尺度涡的温盐三维结构。合成结果表明,表层至1×107 Pa,合成气旋涡（反气旋涡）呈现较为一致的位温负（正）异常,气旋（反气旋）涡内呈现较为一致的位温负（正）异常,混合层至约7×106 Pa深度,气旋（反气旋）涡存在位温负（正）异常的冷核（暖）核结构。气旋（反气旋）涡的平均盐度在垂向上呈现“负—正”（“正—负”）上下相反的异常结构。     

季节因素对大西洋声传播的影响分析

以分析季节对大西洋声传播的影响为研究目的,应用WOA13季节平均数据和Mackenzie声速经验公式,分析了大西洋声道轴和表层声速值的四季分布情况,再利用BELLHOP水声学数值模型,在设定的声源频率1 000 Hz和掠射角15°～-15°情况下,仿真计算选用位置点5 m深度声源的四季声传播情况,研究结果表明:按照实际的季节,大西洋会聚区波导的反转深度,冬季最小,春季增大,夏季最大,秋季再减小.在中低纬度的典型声速剖面下,夏季会聚区跨度最大,秋季和冬季递减,春季最小,第一会聚区的四季跨度差在1 km内.在高纬度的正梯度声速剖面下,夏季声传播距离最远,秋季减小,冬季最近,春季增大,且传播距离的差别较大.各变化规律均以四季循环更替的形式出现.     

南海中尺度涡的季节和年际变化特征分析

以11a(1993—2003年)TOPEX/Poseidon、Jason和ERS1/2高度计的融合资料为基础,统计了南海中尺度涡的时空分布,分析了南海中尺度涡的季节和年际变化,并结合QuikSCAT、ERS1/2风场资料初步探讨了南海中尺度涡形成的可能机制。研究结果表明,南海中尺度涡存在明显的季节和年际变化,而季风强迫是这种变化的主要驱动因素。冬季冷涡(气旋涡)主要分布在吕宋岛西北和越南东南海域,而暖涡(反气旋涡)主要在18°N以北出现。春季暖涡在南海中部开始出现并得到充分发展。夏季暖涡明显多于冷涡,暖涡主要分布在越南东南和吕宋岛西北海域,而冷涡分布于越南以东和南海东北部。秋季冷涡主要分布在越南沿岸,暖涡则分布在南海东北部;11a海面高度异常均方根的时空分布变化也显示了南海中尺度涡存在较强的年际变化。     

黑潮延伸体上游中尺度涡场的年代际振荡及其相关机制

黑潮延伸体上游区域的中尺度涡场的涡动能和涡特征尺度存在显著地年代际振荡,和黑潮延伸体路径的年代际变化有很好的相关性。当黑潮延伸体路径比较稳定时,其上游区域涡动能比较高,涡特征尺度比较大,反之相反。通过对黑潮延伸体上游区域的中尺度涡场进行集合分析发现:当黑潮延伸体处于稳定状态时,上游涡场几乎是各向均匀地,有轻微的径向伸长;而当黑潮延伸体处于不稳定状态时,上游的中尺度涡场有显著地纬向伸长。对与中尺度涡场的产生相关的线性斜压不稳定和正压不稳定进行了计算分析,结果显示,线性斜压不稳定不是控制中尺度涡场年代际变化的机制,而正压不稳定对中尺度涡场的年代际变化有积极的贡献。不稳定产生的中尺度涡之间存在非线性涡-涡相互作用。     

2003年冬季帕里西维拉海盆区上层水体中尺度涡的温盐特征

利用2003年冬季"科学一号"考察船在帕里西维拉海盆获得的CTD调查资料,结合同一时间西北太平洋海区的卫星高度计观测结果,分析讨论了该海区上层水体的温盐特征及其受中尺度涡活动的影响等。结果表明:在调查期间,研究区海域曾同时出现冷、暖涡活动过程,其影响深度均大于200m;冷涡活动区位于研究区内136°—138°E之间的海域,沿北东方向延伸;冷涡水体的盐度在100m以浅高于周围水体,在150m以深则低于周围水体;暖涡活动区出现在138.5°—139°E之间,暖涡活动特征在50m以浅水体中表现并不明显,其水体盐度在100m以深起初表现为低盐中心,在150m以深逐渐转化为高盐中心;研究区200m以浅水体可以大致分为三层,80m以浅为高温低盐的表层水,80—140m之间为受中尺度涡影响的温盐性质复杂的混合层水,140—200m之间为低温高盐的次表层水。     

黑潮延伸体区域叶绿素季节变化以及中尺度涡对其影响机制研究

中尺度涡是影响西北太黑潮延伸体南北海域叶绿素分布的重要因子。通过对2012—2018年NOAA遥感水色卫星数据和法国COPERNICUS流场资料的统计分析,发现中尺度涡对表层叶绿素浓度的影响具有明显的季节性特征。在春季有17%的气旋涡导致中心叶绿素高值结构且多数向西传播,而其余季节对叶绿素浓度影响较弱。反气旋涡导致环状叶绿素高值结构,在春、秋两季常有发生,在冬夏出现频次少。中尺度涡影响叶绿素能力的季节差异可能与营养盐背景场、光限制、等密线等季节性变化有关,不能只考虑风和流场的垂向输运机制。叶绿素浓度在一定程度上反映浮游植物生物量,对黑潮延伸体海域有重要生态意义。因此,该区域服务渔业的中尺度涡研究应该考虑这种季节特征。     

基于WOA13数据的南大西洋声波导诊断分析

应用WOA13季节平均数据和BELLHOP模型,在季节、声源频率等因素确定的情况下,在分析南大西洋1—3月声速场,划分声速剖面类型和海区的基础上,研究5 m深度声源的声波导情况。声速剖面类型Ⅰ和类型Ⅱ均可形成汇聚区声波导,首先应考虑表层声速值的影响,其次应考虑声道轴深度的影响,且总体上,汇聚区声波导跨度由低纬度向高纬度递减,并根据表层声速值和反转深度的不同,给出了汇聚区的跨度范围。声速剖面类型Ⅲ的声传播形式则为表面声波导。同时,分析了不同声速剖面类型在传播损失上的异同。     

中尺度涡对南海北部全日内潮传播影响的数值模拟研究

基于潮汐-环流耦合的FVCOM数值模式,本文以南海北部全日内潮为例探究了中尺度涡对内潮传播的影响。分析结果表明,暖涡和冷涡分别导致全日内潮向西北和西南方向折射,能通量方向最大变化可达40°;全日内潮能通量大小在子午向呈现反相位变化,在暖涡南部(冷涡北部)边缘显著减小,而在暖涡北部(冷涡南部)边缘明显增大,最大变化幅度达25%;在暖涡南部和冷涡北部,西向背景流导致全日内潮传播相速度分别加快0.7和0.3 m/s,进而引起内潮波峰线向西凸起弯曲。本研究结果对深化理解多尺度背景下的南海北部内波和深海混合时空变化特征具有重要意义。