第21卷第4期
2003年10月海 洋 科 学 进 展ADVANCES IN MARIN E SCIENCE Vol.21 No.4October ,2003
东海PN 断面黑潮区域
Ξ吕连港1,2，乔方利1,2，杨永增1,2，赵宇鹏1,2(1.海洋环境科学和数值模拟国家海洋局重点实验室，山东青岛266061;
2.国家海洋局第一海洋研究所，山东青岛266061)摘 要：利用2001年3月东海PN 断面“973”调查获得的CTD 数据，用数值模拟方法研究了PN 断面黑潮区域海底 起伏对声传播的影响。由深水区向浅水区传播，随着海底的抬升声线的海底反射和海面反射次数增加，声强衰减 更快，限制声传播距离。由浅水区向深水区传播，随着海底降低声线上反转点深度增加，传播一定距离后部分声线
不能到达上层水体，于是声强衰减也增快。
关键词：海底起伏；声传播；传播损失;PN 断面；黑潮
中图分类号:P733.21 文献标识码:A 文章编号:167126647(2003)0420432205
图1 PN 断面的位置
Fig.1 Location of PN section
浅海声学以声波同时与海底和海面的多次相碰为特征[1],
因此海底对声波的传播有重要的影响：一方面是海底的声速、
首都圈密度和声衰减等声学特性对声传播的影响，另一方面是海底起
伏即水深变化对声传播的影响。海底声学特性研究得到广泛
重视[2～4]，而研究海底起伏对声传播的影响的工作较少。我国
广阔的陆架海区外缘是坡度很大的大陆坡，海底起伏很大，研
究海底起伏对声传播的影响具有现实意义。
黑潮起源于菲律宾以东海域，在台湾以东进入东海，沿东
海大陆架外缘向东北流动。在东海黑潮的调查研究中,PN 断
面是观测最系统、观测时间最长的一个断面，其位置如图1。
PN 断面黑潮区域水深变化很大，是本文研究的区域。本文利
用PN 断面的CTD 调查数据，从射线声学角度，研究比较平底
声传播和考虑海底起伏的声传播的声线路径和传播损失，得到
一些有意义的结论。1 模式及计算条件
本文研究利用B ELL HOP 声学模式[5]。B ELL HOP 模式
与传统射线模式不同之处在于使用高斯束追踪代替几何束追踪，高斯束方法将射线作为有高斯强度的波束联合起来，从而使结果更加精确。由于海面空气的介质阻抗远小于海水的介质阻抗，海面的边界条件取绝对软边界[6]，在一般海况条件下假设海面为平面。将海底设定为声学弹性半空间[6]，根据海
底底质类型[7]给
Ξ收稿日期:2003209203
blt基金项目：国家自然科学基金项目———河口、海湾海浪谱反演模型及波谱对颗粒物的搅拌作用(40206003)和国家重点基础研究发展规
划项目———中国近海环流形成变异机理、数值预测方法及对环境影响的研究(G 1999043811)
作者简介：吕连港(19742)，男，河北吴桥人，博士，主要从事声学海洋学研究。
(责任编辑 武建平)
出海底的声速，密度和吸收率[2]。数值模拟中的声波频率为1kHz 。
2 平底声传播
本研究使用的声速剖面由2001年3月东海PN 断面A09站位CTD 数据计算得到(图2)。声速随深度的分布主要呈现为负梯度，声线弯向海底。表层100m 的垂向分布为正梯度，形成弱的表面声道，是有利的传播条件。底层海水声速随深度的变化比较小,800m 以下声速随深度的分布为很弱的正梯度。
假设海底为平底，深度采用A09站位的水深950m 。传播距离为2001年3月东海PN 断面水文调查A09,A08,A07三个CTD 站位的水平距离(约37km )。声源深度50m 。
在用BE LLHOP 模式计算的声线中，选择出射角分别为±3°和0°
的声线，其传播路径如图3。出射角0°的声线没有经过海底而弯向海面，一直在表层弱声道中传播，经
牦牛骨
6次海面反射到达37km 处，下反转点深度为50m 。出射角分别为±3°的声线经3次海底反射和3次海面反射到达37km 处，声线2次触底的间距约13km 。
图2 声速剖面
Fig.2 S ound speed profile 图3 平底声传播出射角±3°和0°的声线Fig.3 Rays of ±3°and 0°angle of takeoff
in the flat 2bottom case
图4 深水区向浅水区传播出射角±3°和0°的声线Fig.4 Rays of ±3°and 0°angle of takeoff in the case travelling from deep water area to shallow water area
3 由深水区向浅水区传播
海底用A09,A08,A07三个CTD 站位的实际水深
(A08水深770m ,A07水深223m )，忽略小的海底变
化而把2个站位间近似为单一斜坡。为了研究海底起
伏对声传播的影响，不考虑声速的水平变化，仍然采用图2的声速剖面。传播距离同上。
声源置于深水区A09站位50m 水深，由深水区
向浅水区A07站位传播。图4是海底变化情况下，出
射角±3°和0°的声线路径。出射角0°的声线路径与
平底传播相同，仍然在海表声道中传播，不受海底变化
的影响。出射角±3°的声线，随海底的抬升，触底间
距变小，海底和海面反射次数明显增加，在0～30km
范围内海底反射次数为5次，而在30～37km 范围内3344期 吕连港，等：东海PN 断面黑潮区域海底起伏对声传播的影响
海底反射次数为8次。
图5是考虑海底起伏后的传播损失与海底为平底时的传播损失的比较，以50m 和150m 深度的传播损失为例。在0～3km 范围内由深水区向浅水区传播和平底传播的传播损失都比较一致，这是因为在这
段元星一小范围内声线的路径变化不大。在3～30km 范围内，由深水区向浅水区传播50m 水深的传播损失略大于平底传播的情况,150m 深2种传播情况的传播损失有差别但趋势不明显。在30km 以远，考虑海底起伏后声强衰减更快，特别是150m 深的传播损失在37km 处两种传播情况差别约60dB 。声强衰减更快的原因是声线多次海底反射和海面反射，声波能量被损耗。在海表声道中传播的声线不受海底的影响，因此考虑海底起伏后50m 深度的传播损失变化远小于150m 深度的传播损失变化
。
图5 深水区向浅水区传播与平底传播的传播损失
Fig.5 Transmission loss for the case travelling from the deep water area to shallow water area and the flat 2bottom case 图6 浅水区向深水区传播出射角±3°和0°的声线Fig.6 Rays of ±3°and 0°angle of takeoff in the case travelling from shallow water area to dee p water area
4 由浅水区向深水区传播
这里仍然采用图2的声速剖面，传播距离同上。
声源置于浅水区A07站位50m 水深，向深水区传播。鼻咽
图6中出射角0°的声线路径也与平底传播相同,
仍然在海表声道中传播，不受海底变化的影响。出射
角±3°的声线，随海底的降低不再有海面反射，并且
其上反转点深度也随水深增加而增加。声线到达37
km 处的海底反射次数分别是5次和6次，多于平底情
况下的海底反射次数，但是明显少于由深水区向浅水
区传播的海底反射次数。图6声线路径还表明，不仅
海表层的声波能量由于表面声道而比较集中，声强高,
海水底层的声波能量也比较集中，因此在一定范围内434海 洋 科 学 进 展 21卷
增加接收器深度能够改善接收效果。
图7表明考虑海底起伏后，在0～7km 范围内50m 和150m 的声强略大于平底传播的声强。这是因为0～7km 水浅，声波能量由海底反射到上层海水对声强传播有利。随着海底的降低，有些声线不能由海底反射到上层海水，于是在7～15km 范围内考虑海底起伏后的传播损失和平底传播的传播损失差别减小。在15～37km 范围内，考虑海底起伏后，声强明显降低，这是因为随海底降低上反转点深度增加，更多声线不经过上层海水。但是这一降低的程度小于由深水区向浅水区传播的情况，原因是海底反射次数少于深水区向浅水区传播的海底反射次数，声波能量损失少
。
狼和小羊教学设计
图7 浅水区向深水区传播与平底传播的传播损失
Fig.7 Transmission loss for the case travelling from shallow water area to dee p water area and the flat bottom case
5 结 论
本文利用东海PN 断面的CTD 数据，数值模拟了平底声传播，由深水区向浅水区的声传播和由浅水区向深水区的声传播，研究了海底起伏对声传播的影响，得到以下结论:
(1)由深水区向浅水区传播，随着海底的抬升声线的海底和海面反射次数增加，声强衰减更快，这会大大限制声传播的距离。在表面声道中传播的声线不受海底影响因此表面声道内的声强受海底抬升的影响较小。
(2)由浅水区向深水区传播，声线随海底降低而降低，传播一定距离后部分声线不能到达上层水体，于是上层海水声强衰减也增快，在一定程度上影响传播距离，但是这种影响小于由深水区向浅水区传播的情况。在一定范围内增加接收深度会改善接收效果。
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E ffect of Sea2bottom U ndulation on Sound Propagation on
PN Section in the E ast China Sea K uroshio Area
LαLian2gang1,2,Q IAO Fang2li1,2,YAN G Y ong2zeng1,2,ZHAO Yu2peng1,2
(1.Key L ab of M arine Science and N umerical Modeling,S OA,Qingdao266061,China;
2.First Institute of Oceanography,S OA,Qingdao266061,China)
Abstract:Based on the CTD data collected on PN section in the East China Sea during March of2001,the nu2 merical simulation method is used to study the effect of sea2bottom undulation on sound propagation on PN sec2 tion in the Kuroshio area.In the case travelling from deep water area
to shallow water area,the increasing sea bottom and surface reflection times of sound ray and the rapid sound intensity attenuation with the rising sea bot2 tom restrict the sound propagation distance.In the case travelling from shallow water area to deep water area, the upper turning point depth of sound ray increases with the descending sea bottom,and a part of sound rays can not reach the upper water after travelling a certain distance so as to speed up the sound intensity attenuation. K ey w ords:sea2bottom undulation;sound propagation;transmission loss;PN section;Kuroshio
R eceived:September3,2003
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