海面气象现象对海洋环境噪声的影响_张行之

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1、2013年第1期声学与电子工程总第109期海面气象现象对海洋环境噪声的影响12张行之杨华（1.中国海洋大学海洋环境学院，青岛，266100；2.海军装备研究院，北京，100161)摘要介绍风和雨两种海面气象现象产生的海洋环境噪声，综述相关理论原理和实验结果，扼要归纳利用环境噪声数据反演估计风速与降雨技术，为进一步深入开展利用海洋环境噪声估计海面相关气象参数提供物理依据和技术基础。关键词海面风速；降雨；海洋环境噪声；反演海洋环境噪声是海洋里的固有背景声场。一洋环境噪声海上测量数据，获得以海况或风力作方面，它是水声信道中的

2、干扰背景场，任何声呐参数的著名的Knudson谱。此后人们发现，风速系统的性能都要受海洋环境噪声的影响；另一方和海洋环境噪声谱级的相关性比海况更好。1962[16]面，它本身含有所在海域的海水介质、海面和海年，美国海军电子所Wenz在大量统计资料的基底的特征信息，利用海洋环境噪声可估计与海洋础上，给出了人们经常采用的海洋环境噪声Wenz有关的参数，如海面的风速、降雨、海浪、海底谱级曲线，指出噪声和风速的依赖关系在1～10[17]反射临界角、海底声速等参数。kHz范围内均相似，如图1所示。1964年Piggot海洋中的环

3、境噪声源很多，不同频段、不同海指出，在浅海（深40m以内），噪声谱级与风速域环境噪声源有很大的差异，一般来说，20Hz~1对数间呈简易的线性关系，1972年Crouch和[18]kHz频段，远处行船是引起噪声的主要原因；500Bur将此结果推广到5000m深海。1973年Hz~20kHz频段，噪声主要来源是测量点附近的海Rossby提出，通过海洋环境噪声测量可提供开阔[1]面风关噪声；而100kHz以上，主要是海水分子运海域海面风速和风应力的无偏估计。同年，Show动产生的热噪声。这些噪声源的所在频段往往有部在北大西洋

4、西部海域利用逆回声测声仪装置分重叠，并不是严格地分段，例如在几百赫到1（IES）给出了在开阔海域的海面风速和风应力的kHz的低频段，航船与海面风关噪声是该频段的主一种无偏估计。要噪声源。此外，还包括一些间歇声源和局部噪声源，例如生物噪声、雨噪声、冰下噪声及冰雹噪声等，它们的频谱一般是宽带的。几十赫兹以下的低频噪声则是由地震湍流等引起的。风关噪声、雨噪声及冰雹噪声等合称为气象噪声。特别是风关噪声是各海域的重要噪声源，[1-14]利用风关和降雨噪声反演海况和降雨级别，可实现海洋中气象参数全天候自动测定，对海洋开发、天气预报

5、、大洋气象学的研究以及国防军事都有很重要的作用。1风关海洋环境噪声和风速（海况）的关系1.1风速（海况）对环境噪声的影响在开阔海域，海洋环境噪声级与海面风速具有高度相关的特点。如能准确地给出海洋环境噪声级和风速的关系，就可以通过海洋环境噪声实测数据来全天候实时监测海面风速。[15]图1Wenz谱曲线1948年，Knudsen总结了二次大战期间海44张行之等：海面气象现象对海洋环境噪声的影响Knudsen谱给出在深海条件下不同风速海洋环境噪声的预报曲线。之后人们发现大约在数百赫兹至20kHz的频段，谱曲线以约−17dB/

6、10oct的规律下降。[2]1984年DavidLEvans等以及DavidD[3]Lemon等分别著文，给出了英国海气互作用研究组（JASIN）1970年代末和1980年代初在英国哥伦布大陆架某些位置观测风关海洋噪声、利用海洋环境噪声数据来反演估计海面风速的结果。前者归纳了在14.5kHz频率处由Wenz及JASIN等图4东海某海域风关海洋环境噪声谱级获得的海洋环境噪声谱级与风速的对数之间构成图5（a）是某海域在1kHz频率处环境噪声几种线性关系（图2）。谱级和风速对数的对应关系。纵坐标是风速（m/s）的对数，横坐标

7、是谱级（参考级是1μPa）。图5（b）是东海某海域1kHz频率处谱级和风速对数的对应关系。可以看出：在中等风速情况下，海洋环境噪声谱级和对数风速呈线性关系。应该指出，在不同频率处的谱级和风速的对数大致都构成线性关系，但线性程度有所差别。图214.5kHz处海洋环境噪声谱级与风速的关系(W-Wenz等,1962年);S-Shaw等,1978年;J-JASIN,1980年;P-DavidL等,1981年,太平洋实测；A-DavidL等,1981年大西洋实测)1987年，美海军水下系统中心David(a)黄海（b）东海Sho

8、nting[4]等在Aeguidneck岛浅海，用布设于海深图5海域环境噪声谱级（1kHz）和对数风速的对应关系约10m的海底处的水听器实验研究了风关海洋环1.2不同深度下海洋环境噪声的变化境噪声谱。结果表明，在4～15m/s的风速范围大量实验数据和数值计算表明，不同深度下内，风关环境噪声的声压谱级和风速高度相关。接收到的环境噪声