海洋涡旋环境下水下声速场实时重建的参数化模型及其在声学传播预测中的应用

本文提出了一种创新的参数化模型，通过融合卫星遥感（SLA）和Argo浮标数据，实现了海洋涡旋（eddy）诱发水下声速场（SSA）的秒级重建。该模型突破性地将涡旋结构区分为环境敏感区（environment-region）和涡核区（eddy-region），相较传统平均场模型（mean-field），声速重建精度提升6.7%，声传播损失计算准确率提高13.5%，为海洋声学作业（如声呐效能评估、水下目标探测）提供了高效可靠的环境重构方案。

　　

1 引言

预测水下声传播对海洋声学作业至关重要，而海洋涡旋作为持续性强、覆盖范围广的中尺度现象，会通过改变局部声速场显著影响声波传播路径（偏移≥1°）和能量传输（损失波动5%-15%）。传统数值模型和现场观测实验难以兼顾时空广度和实时性，本研究提出的参数化模型仅需涡旋表面特征（振幅amp₀、半径R₀等）作为输入，即可实现秒级声速场重建。

2 数据

研究聚焦黑潮延伸体（KE，140°E-180°E，30°N-40°N），整合多源数据：

• 卫星高度计：CMEMS提供的海面高度异常（SLA）数据（0.25°网格）

• 涡旋数据集：AVISO+的META3.2轨迹图谱（1993-2022年），含涡旋振幅、半径、极性等参数

• Argo剖面：1999-2023年KE区域10-900m深度温盐剖面（经三次样条插值预处理）

• 现场观测：2014年6月气旋涡实测数据（156°-160°E，30.33°-32°N）用于模型验证

3 方法

3.1 声速异常计算

采用Mackenzie九项式将实测温盐转换为声速剖面（SSP），并扣除SODA3.3.1气候态数据得到声速异常（SSA）：

c = 1448.96 + 4.591T - 5.304×10^-2T² + ... + 1.340(S-35)

3.2 涡旋检测

基于SLA的闭合等值线法识别涡旋，设定阈值：

• 气旋/反气旋涡SLA分别低于-10cm/高于10cm

• 振幅≥3cm，半径50-300km

3.3 声速场重建

创新性地将涡旋三维结构分解为：

1. 水平结构：通过标准化半径R=r/R₀和SSA_amp=SSA/amp₀建立

2. 垂直结构：基于核心深度z_max处的SSA归一化

3. 区域划分：

   • 环境区（0-161m）：受海表风应力等影响显著

   • 涡核区（161-900m）：保留涡旋固有声学特性

     通过肘部法则确定分界阈值（气旋涡：z_thres=141m，R_thres=0.68）

4 结果

4.1 涡旋特征统计

KE区域涡旋呈极性差异：

• 气旋涡平均振幅16.29cm（＞反气旋13.94cm）

• 反气旋涡平均半径73.65km（＞气旋67.23km）

4.2 复合结构分析

Argo数据揭示：

• 气旋涡核心SSA=-8.52m/s@314m

• 反气旋涡核心SSA=6.45m/s@383m

  环境区（R＞0.78）声速异常衰减速率显著高于涡核区

4.3 模型验证

对比2014年实测气旋涡：

• 环境因子模型重建误差2.7%，较平均模型（2.9%）提升6.7%

• Bellhop声传播模拟显示：

  • 声源315m处传播损失精度提升13.5%

  • 深层声源（950m）受涡旋影响可忽略

5 结论

该参数化模型通过耦合卫星遥感和现场观测，首次实现涡旋声速场的环境敏感性量化重建，为海洋声学装备性能评估、水下目标探测等任务提供分钟级环境数据支持。未来需进一步研究非对称涡旋结构的参数化表征。