南海的海洋漩涡如何影响水下声音传播？单、双涡旋影响有何不同？
中尺度涡旋不仅影响海水的温度和盐度分布，还会改变声音在水下的传播方式，进而对水下通信、声纳探测甚至海洋生物的生存产生深远影响，这些涡旋如何影响声传播呢？单旋涡和偶极旋涡影响又有何不同呢？
单旋涡对声环境的影响
在北半球，冷涡也就是气旋涡旋，逆时针旋转，核心水温较低，会使表层海水上升。暖涡也就是反气旋涡，顺时针旋转，核心水温较高，会使表层海水下沉。这些涡旋的形成通常与洋流的不稳定性、海底地形或风的作用有关。它们的核心区域与周围海水在温度、盐度和密度上存在明显差异，因此也会影响声波在水中的传播速度。
为了探究涡旋如何改变声波传播，2021年，中国哈尔滨工程大学的研究团队的一项研究，详细分析了中尺度涡旋如何影响声波的传播特性。他们通过实地观测、数值模拟和理论分析，揭示了涡旋如何影响声音传播，改变它的传播距离和汇聚位置。
2019年6月，研究团队在西太平洋黑潮附近进行了为期四天的声学实验，测量不同深度的温度、盐度和声速、水文数据，并记录声波在不同距离和深度的传播情况。现场实验发现，涡旋的存在会显著改变声波的传播损失，并在某些位置形成新的声能汇聚区。由于海洋环境复杂多变，仅靠实验数据难以全面理解涡旋的影响。因此，研究团队建立了高斯涡旋模型来描述冷涡和暖涡的声速结构，基于模型模拟声波传播，并计算不同情况下的声场分布。
研究发现，气旋涡旋使汇聚区向声源方向移动2.5公里，并使其宽度变窄，而反气旋涡使汇聚区远离声源3.3公里，并使其宽度增加。为什么会有这种差异呢？气旋涡旋的核心水温低，声速较慢，声波更容易向上折射，导致汇聚区更靠近声源；而反气旋涡的核心水温高，声速较快，声波向下折射，使汇聚区远离声源。
声音在传播过程中会分化为不同阶数的模态，低阶模态传播距离较远，适合远程通信；高阶模态能量衰减较快，通常只在近场显著。研究发现，气旋涡旋增强高阶模态的能量，使更多声波在近距离汇聚，而反气旋涡增强低阶模态的能量，使声波能传播得更远。
图：( a )气旋涡旋及( b )反气旋涡旋三维示意图
颜色深浅代表水柱温度高低，红色部分温度最高，蓝色部分温度最低，红色箭头代表北半球涡旋流向。
偶极涡旋对声传播的影响
在南海东北部，黑潮作为太平洋最强的西边界洋流，经常入侵并形成巨大的环形水流，当环形水流分离时可能会产生一个顺时针旋转的反气旋涡，同时在其东北侧伴随生成一个逆时针旋转的气旋涡，这一对涡旋就是偶极涡旋。最近，中国科学院海洋研究所的科研团队发表了一项重要研究，首次揭示了南海东北部偶极涡旋对水下声音传播的独特影响。
声速根据国际通用的Mackenzie公式计算，将温度、盐度和深度数据转化为声速剖面，该公式误差小于0.1 m/s，适用于全球大部分海域。
其中，c为声速（单位为米/秒），T为温度（单位为摄氏度），S为盐度[单位为实用盐度单位 (psu)]，D为深度（单位为米）。该公式适用于温度范围为 0 至 30 °C、盐度范围为 30 至 40 psu 和深度范围为 0 至 8000 米。
再通过声传播仿真模型Bellhop射线追踪模型，通过波束追踪预测海洋环境中的声压场，研究海洋声传播问题。研究设置声源深度300米，频率为1000 Hz，模拟5种不同声源位置（源位于偶极涡中间、声源在反气旋涡心向气旋涡传播、声源在气旋涡中心向反气旋涡传播、声源在反气旋涡外侧向气旋涡传播、声源在气旋涡外侧向反气旋涡传播），涵盖不同的场景。
研究发现，这些偶极涡对声传播的影响具有显著不对称性。反气旋涡更大更强，通常半径约95-108公里，中心下沉流使深层水温升高，声速增大，导致声波向下偏折，汇聚区向远离声源方向移动。而气旋涡影响较小，中心上升流使深层水温降低，声速减小，导致声波向上偏折，汇聚区向声源方向移动。
当声源位于偶极涡中间时，涡旋环境中由于涡旋的存在，聚焦区位置和能量传播路径发生了明显变化。反气旋涡使第一汇聚区后移2.5-3.2公里，反气旋涡可导致声传输损失增加5-10 dB；气旋涡使汇聚区前移1.8-2.5公里，气旋涡使声传输损失减少1-2 dB。
当声源在反气旋涡心向或者气旋涡中心传播时，在反气旋涡心汇聚区最大后移10-16公里，而在气旋涡中心最大前移距离为4.2-5.8公里。反气旋涡/气旋涡内部汇聚区的峰值声传输损失最大增加/减少了5至10 dB，从反气旋涡心到气旋涡传播过程中，声传输损失损失逐渐减小，反气旋涡心 内的声源可以在 200 公里外被检测到，而从气旋涡内部到反气旋涡传播，声传输损失逐渐增加，从气旋涡发出的声源信号在150公里以外无法被检测到。
当声源在反气旋涡外侧向气旋涡传播时，聚焦区先因反气旋涡后移2.5-4.2 km，后因气旋涡减弱至1-2.9 km，从反气旋涡心到气旋涡传播过程中，声传输损失开始增大，随后减小。在整个声传播过程中，100~180 km范围内声传输损失的增加是由反气旋涡引起的；在200~300 km区域，由于气旋涡的影响，声传输损失减小；而350 km以外声传输损失的增加是由于距离声源较远。
当声源在气旋涡外侧向反气旋涡传播时，聚焦区先因气旋涡前移2.1-2.7 km，后因反气旋涡减弱至1 km以下，声传输损失随着声传播距离的增加，声纳的有效探测范围为0 至200km，超过 200 km后，几乎无法探测到。
研究表明，偶极涡的联合作用使聚焦区偏移更显著，反气旋涡增加声传输损失，气旋涡减少声传输损失，这对声呐部署至关重要。
图：偶极涡旋对声传播影响的示意图
顶层表示声源的位置和声传播的路径 (A)。底层表示具有不同声传播路径的 CZ (BF)。
❓思考题：研究发现，反气旋涡AE对声音传播的影响是什么？
A.使声音传得更远
B.使声音汇聚区向声源方向移动
C.使声音汇聚区远离声源，且传输损失增加
D.对声音没有影响
参考答案：（点击查看）
C.
解析：反气旋涡的下沉流导致深层水温升高，声速变大，使得声波向下偏折，汇聚区向远离声源方向移动，同时传输损失增加5-10 dB；而气旋涡的作用相反。
该研究系统揭示了旋涡对声传播的复杂影响，为南海声学应用提供了重要依据。这项研究不仅对军事声纳、海洋探测有重要意义，还能帮助我们理解鲸类等海洋生物如何利用声音在复杂的水下环境中导航和生存。
参考文献：Effects of Dipole Eddies on Acoustic Propagation in the Northeastern South China Sea. Ocean-Land-Atmosphere Research，21 Mar 2025，Vol 4，Article ID: 0056，DOI: 10.34133/olar.0056