南海东北部低频海洋环境噪声长期观测及统计特性研究

Ocean ambient noise is important acoustic characteristic of the ocean and interfering ambient field of underwater sound channel. Investigating the long-term statistics and generative mechanisms of ocean ambient noise are of great importance for scientific significance and application. The northeast South China Sea is important shipping lanes and there are many ocean and atmospheric dynamic processes in this area. This area is also an important area for underwater target activity. The exiting ocean ambient noise observation time in the northeast South China Sea is short and discontinuous and there are also very few collaborative observation of ocean ambient noise and dynamic process in this area. This proposal will implement long-term collaborative observation (2 years) of ocean ambient noise and dynamic process in the northeast South China Sea. The long-term statistics of ocean ambient noise (50-2000Hz) such as diurnal variation, monthly variation, seasonal variation and depth dependence are analyzed based on the observation data. The impacts of wind, wave and ship on the ocean ambient noise are investigated and the statistic model of ocean ambient noise is established. The impacts of internal wave on ocean ambient noise are studied based on both theoretical analysis and experimental observation.

海洋环境噪声是海洋重要的声学特性，是水声信道的干扰背景场，深入研究海洋环境噪声的生成机制、分布规律以及长期统计特征，具有重大的科学意义及军事应用价值。南海东北部海域是重要的航运通道，蕴含着丰富的海洋与大气动力过程，也是水下目标活动的重要区域。本项目针对现有南海东北部海洋环境噪声观测短时、间断以及缺少与海洋动力过程长期协同观测的缺点，依托中国海洋大学构建的“南海潜标观测网”，开展海洋环境噪声与动力过程长期协同观测，获取噪声及海洋动力环境同步观测资料（2年）。基于长期观测资料，深入研究南海东北部低频海洋环境噪声（50-2000Hz）日变化、月变化、季节变化以及深度变化等统计特征，分析海面风速、波浪以及航船等对海洋环境噪声的影响规律，建立低频海洋环境噪声统计模型。同时，通过理论分析及实验观测的方法，揭示内波对海洋环境噪声的影响机制，分析内波影响下海洋环境噪声的变化规律。

南海东北部海域是重要的航运通道，也是很多水下目标的重要活动区域。该海域环境噪声复杂多变，海洋与大气动力过程极其活跃。针对现有南海东北部海域低频海洋环境噪声观测短时、间断以及缺少与海洋动力过程协同观测的问题，项目组在南海东北部海域开展了海洋环境噪声与动力过程长期协同观测实验，于2021年和2022年分别搭载自然基金委共享航次完成了声学长期观测设备的布放与回收，已获取海洋环境噪声与动力环境长期同步观测资料（2年），每年获取海洋环境噪声及动力环境长期同步观测资料超过10TB。基于海洋环境噪声与物理海洋同步观测资料，深入研究了南海东北部海域低频海洋环境噪声（50-2000Hz）日变化、月变化、季节变化以及深度变化等统计特征。本研究发现在500Hz-2000Hz频段，海洋环境噪声呈现明显的季节性变化规律，1000Hz的海洋环境噪声谱级在冬季比夏季高6-10dB左右，风速的季节性变化是导致这个频段海洋环境噪声季节性变化的主要原因。在观测站位处海洋环境噪声昼夜变化不大，最大差异小于1.6dB。同时，还深入分析了该区域海洋环境噪声长期统计特性，包括均值、标准差、偏度和峰度等。此外本项目结合物理海洋观测资料，研究了三种内波噪声。第一种是海面内波噪声，根据2019年南海声学实验数据，分析了内波经过水听器不同时期的海面噪声谱级，并且对比了各频点上的噪声谱级包络。第二种是由涡激振动引发的低频流噪声，利用2016年南海内波长期观测实验数据，对比分析了内波经过潜标时的温度、流速和噪声谱，以及不同接收深度的噪声谱特征，同时指出了低频流噪声的频谱特性，揭示了该噪声的形成原理和应用方式。第三种是内波沉积噪声，基于内波沉积理论阐释了内波沉积噪声的形成原理，并与国外文献中的中大西洋湾浅海实测内波沉积噪声进行了对比分析，对内波对海洋环境噪声变化的影响机制进行了揭示。南海东北部海洋环境噪声的长期观测和统计特性研究不仅具有重大科学意义，在海洋生态保护和军事用途中具有重大应用价值。