基于内波、涡旋的海洋模型与水声传播模型耦合建模研究

Coupled modeling research combining ocean models and underwater acoustic propagation models is at the cutting edge of ocean research. Hydrological conditions, especially mesoscale phenomena play an important role in underwater acoustic propagation. The northern South China Sea is rich in solitary internal waves and mesoscale eddies. This project is based on the study in the past over 10 years on the experimental data acquired during the ASIAEX2001 experiment conducted in the northern South China Sea in 2001. By employing ocean models in combination with satellite ocean data, ocean mooring array observation data, and buoy observation data to construct the sound-speed field which can simulate the internal waves and eddies in the northern South China Sea. This way the sound speed profiles necessary for sound propagation models can be obtained. Thus we can simulate and study the effects of internal waves and eddies on underwater sound propagation. This research would be able to provide guidance on how to enhance underwater instruments, and also predict their performance. It can also provide technical support for assessment and scene-playback of naval vessels and submarines. This research is very important as a foundation for the national South-China-Sea strategy.

海洋声学与物理海洋学耦合研究是海洋领域的前沿问题。水文环境对声场有着关键性影响，特别是中尺度海洋运动。南中国海北部有丰富的孤子内波和中尺度涡旋。本项目基于过去十多年来对南海北部ASIAEX2001国际海洋学—水声学实验数据研究，以海洋动力学—声学耦合建模为理论指导，引入海洋动力学模型，根据水声学界成熟的水声传播模型的边界条件参数需求，同化、融合卫星海洋数据、海洋锚系观测数据和漂流浮标观测数据等多种海洋数据源，构建适合南海北部海域内波、涡旋等中尺度海洋动态产生和发展过程中的声速剖面场，产生水声传播模型初始设置所需要的输入变量，并分析模拟内波和涡旋对水声传播的影响。在深化过去模拟内波环境下的三维声场特性的研究基础上，对应地开拓涡旋动态环境下的声场特性研究。该研究可为在南海北部海域使用的水声设备的性能预报和使用能力提升做出更符合实际海洋场景的理论指导,该研究也是南海国家海洋战略的基础研究需要。

本项目主要研究基于内波、涡旋的海洋模型与水声传播模型耦合建模问题。经过项目组全体成员四年的工作，取得了丰富的成果。共发表标注本项目资助的高水平学术研究论文12篇，申请专利2项。所得部分结果发表在Chinese Physics Letters，物理学报，Journal of Marine Science and Engineering，声学学报，应用声学和声学技术等学术期刊。.本项目拟定了三个问题：一、选择并建立适合南中国海北部海域内波、涡旋环境下二维和三维声场计算的海洋声学与海洋动力学模型；二、围绕南中国海北部海域内波、涡旋环境下的声场计算和声场特征分析，进行该海域历史的和实时的多源数据同化与融合方法研究；三、南中国海北部海域内波、涡旋环境下三维声场特性的规律研究。.针对问题一，我们主要研究了现代化的高性能计算技术来加速优化抛物方程模型的计算效率，然后结合MITgcm模型对海洋内波环境的仿真，验证水声传播的特性，最后提供了海洋声学耦合工具包加速端到端的研究。此外，我们开发了专门用于计算水下声传播的有限元模型，该模型精度高、适用范围广，可以计算复杂环境中的声场。.针对问题二，我们首先比较了不同序贯估计滤波器的追踪效果，然后分别基于脉观测量对海洋环境参数和声源-接收距离进行了反演，并对基于舰船噪声的盲解卷积方法进行了进一步讨论。.针对问题三，我们基于积分变换提出了一个高效的三维耦合简正波模型，首先研究了声源的位置、声源频率以及孤子内波参数的变化对三维声传播的影响，然后研究了海坎和孤子内波同时存在时对声传播的影响，最后用MITgcm模型来模拟非线性比较大的孤子内波，更接近于真实的孤子内波..此外，我们进行了相关的研究：(1)二维复杂声传播问题的有限元模型；(2)浅海环境中起伏海底对声传播的影响；(3)鲁棒自适应波束形成方法。虽然不在项目拟研究的问题中，但也是水下声传播方面的一个应用。.综上所述，本项目所研究的基于内波、涡旋的海洋模型与水声传播模型耦合建模问题取得了很好的成果，同时也丰富发展了水下声传播的理论与实践，为进一步研究海洋声学的应用打下了坚实的基础。