部分海冰覆盖下楚科奇海台双声道声传播特性：等效界面近似与三维Bellhop评估

《Journal of Marine Science and Engineering》：Double-Duct Acoustic Propagation Characteristics over the Chukchi Plateau Under Partial Sea-Ice Cover

　　

本研究评估楚科奇海台部分海冰覆盖下双声道声传播的上边界表征。将弹性冰反射、冰脊散射、海冰密集度（sea-ice concentration）和风浪粗糙度纳入三维Bellhop框架。采用密集度加权等效反射系数（equivalent reflection coefficient），将基于反射能量的幅度与假定的代表相位相结合。将预测结果与2018年中国国家北极研究考察期间4个站位、500–2000 Hz范围内7个频率的测量结果进行比较。平面弹性冰层模型在1.25和1.6 kHz下的平均绝对误差（mean absolute error, MAE）低于Burke–Twersky（BT）模型，而在2.0 kHz下二者MAE仅相差0.004 dB。在28个站位–频率比较中，自由表面（free-surface）、冰覆盖（ice-covered）和等效界面（equivalent interface）模型的总体MAE分别为4.189、2.905和2.802 dB。等效界面模型的合并MAE最低，尽管冰覆盖模型在S₂₁和S₂₂表现更好。风浪系数（wind–wave coefficient）利用S₁₁/S₁₂在1 kHz下校准，并在S₂₁/S₂₂验证前固定。风浪校正后的一致性随频率和传播路径而变化。这些结果支持在所采样的楚科奇海台条件下使用等效界面近似，其性能在站位间存在变化。

研究背景方面，自1979年以来北极变暖速率接近全球平均的四倍，海冰覆盖向以一年冰为主的状态转变，促使研究人员关注演变中的北极水下声环境。楚科奇海台北部监测点已报道海冰减少、向一年冰主导转变以及晚夏和秋季表层水变暖，这构成冰覆盖与开阔水边界共存条件下传播研究的区域背景。北极大部分区域向上折射使声反复接触上边界；西北极冷太平洋冬季水位于较暖太平洋夏季水与大西洋水之间形成Beaufort声道，可捕获部分声能并减少与上边界作用，使海冰影响依赖声速结构和源位置。已有双声道传播研究确立了垂向陷获、噪声分布、环境变率、模态相互作用及边界条件的作用，但对楚科奇海台条件下密集度加权等效反射系数能否重现部分海冰覆盖下实测传输损失（transmission loss, TL），及其与自由表面和冰覆盖边界模型相比表现如何，仍待确定。研究人员因此构建三维Bellhop框架，纳入平面弹性冰层反射、BT冰脊散射、海冰密集度和风浪粗糙度，并以2018年第九次中国北极科学考察四站七频测量进行评估。结论表明等效界面模型总体MAE最低，但较冰覆盖模型的优势很小且站间排序变化，支持其作为采样条件下近似；意义在于为区域部分海冰覆盖上边界表征提供可评估的紧凑近似，并明确其频率、路径和站位依赖。

关键技术方法概括（不超过250字）：研究人员采用三维Bellhop几何波束声场模型，结合平面弹性冰层传递矩阵反射模型与Burke–Twersky（BT）冰脊散射模型，构建基于反射能量幅值和代表相位的密集度加权等效反射系数；引入Kirchhoff近似风浪粗糙度修正并校准经验系数，海水吸收采用Francois–Garrison模型后处理。样本来自2018年第九次中国北极科学考察楚科奇海台四站S₁₁/S₁₂/S₂₁/S₂₂，使用500–2000 Hz七个三分之一倍频程测量；环境输入包括CMEMS温盐、NSIDC海冰密集度和ERA5风与有效波高。

研究结果如下。3.1 声射线路径（Acoustic Ray Paths）：通过不同源深和方位的三维射线路径模拟得出，10 m源主要占据近表层声道，100 m源部分射线围绕Beaufort声道轴振荡；方位和浅水地形改变边界接触频率，但射线数量与密度不量化能量贡献。3.2 参数对声传播特性的影响（Effects of Parameters on Sound Propagation Characteristics）：通过自由表面与弹性冰层边界下的声场、不同频率、方位及源接收深度模拟得出，冰覆盖在边界作用显著区产生更大TL，高频TL增大且低损耗区缩小；方位差异与表层声道东向西变浅一致，Beaufort声道保留能量，约500 m以下正声速梯度限制向下穿透；频率与边界模型同时变化时未分离单一贡献。3.3 等效界面模型评估（Evaluation of the Equivalent Interface Model）：先比较弹性层与BT在1.25、1.6和2.0 kHz的MAE，弹性层在1.25和1.6 kHz更低，2 kHz几乎相同；再用四站七频比较Sea、Ice、Eff，得出总体MAE分别为4.189、2.905、2.802 dB，Eff合并最低但在S₂₁/S₂₂低于Ice，在S₁₁/S₁₂最低；Eff较Sea降低约33.1%，较Ice降低3.5%，绝对差0.103 dB。3.4 风浪效应分析（Analysis of Wind–Wave Effects）：利用S₁₁/S₁₂在1 kHz下21个候选值校准风浪系数并在S₂₁/S₂₂验证前固定，校准残差为0.023和0.075 dB；Wind和Windeff合并MAE为3.671和3.477 dB，均高于Eff，S₁₁/S₁₂以Wind最低，S₂₁/S₂₂以Eff更低，风浪修正改善不一致。3.5 海冰密集度敏感性（Sensitivity to Sea Ice Concentration）：将路径平均密集度0.12扰动至0.07和0.17并保持其他设置，28个站频平均绝对TL变化为0.236和0.247 dB，最大绝对变化为0.901和0.893 dB，响应总体温和且随站频变化，不构成完整不确定度范围。

讨论部分总结：Sea、Ice、Eff、Wind、Windeff总体MAE分别为4.189、2.905、2.802、3.671和3.477 dB；Eff合并最低，但较Ice仅低0.103 dB，未确立统计显著性或普遍优越性，且Ice在S₂₁/S₂₂更好。一致性评估的是完整配置，不能独立识别反射幅度、代表相位和其他不确定参数的贡献；声速场、海底参数、时空平均环境输入、吸收近似、25 km卫星冰网格与路径平均密集度、冰厚度结构粗糙度、代表相位及未显式追踪非镜向散射能量等均可贡献模型–数据差异，测量与环境输入不确定度未联合传播。

研究结论部分翻译：本研究利用2018年考察观测评估楚科奇海台部分海冰覆盖下双声道声传播。将已建立的冰反射和表面粗糙度表征纳入三维Bellhop框架，并加入密集度加权等效反射系数。比较得出以下结论。对于采用的冰和冰脊参数，平面弹性冰层模型在1.25和1.6 kHz下的四站MAE低于BT，在2.0 kHz下二者MAE仅差0.004 dB；1.2–2.4 kHz范围是所选参数的波长–厚度特征估计，不是严格有效性边界；计算在2 kHz及以下用弹性层模型、2 kHz以上用BT，实验评估限于500–2000 Hz。观测声速场具有约10 m表层声道轴和约100–130 m Beaufort声道轴；模拟显示依赖源接收深度、频率和方位，表层声道路径在示例配置中更频繁与上边界作用，而Beaufort声道保留部分能量并减少边界接触。对28个站频值，Sea、Ice、Eff总体MAE为4.189、2.905、2.802 dB；Eff采用平均海冰分数0.12，合并MAE最低，而Ice在S₂₁和S₂₂误差更低；Eff与Ice的0.103 dB差异统计显著性未确立；结果支持等效处理作为采样频率、路径和环境条件下的近似。利用S₁₁/S₁₂在1 kHz下扫描21个值得到共同经验值（原文符号未显示），系数在S₂₁/S₂₂验证前固定；Wind和Windeff合并MAE分别为3.671和3.477 dB，包含校准点，其一致性随频率和站位变化，Wind在S₁₁/S₁₂有利，而Eff在S₂₁/S₂₂低于两种风浪处理；拟合系数和有利低频结果特定于评估配置。等效界面处理提供了在采样楚科奇海台条件下由模型–数据一致性支持的紧凑边界近似；进一步工作可评估独立观测、空间变化冰与波条件、替代相位假设以及非镜向散射能量传播，进一步量化和联合传播测量与环境输入不确定度有助于区分竞争边界表征之间的小差异。