天气过程中底层水温变化对浅表层底质影响的观测研究

Seafloor is an important boundary of the shallow sea acoustic waveguide. In former studies, seafloor properties were usually believed to be stable or only the seasonal variations were considered, overlooking the sediment property change in weather process. Our recent observation studies show that the bottom water temperature increased significantly in frontal area under intense weather process, such as typhoon and cold surge. The simulation results suggest that the intense bottom water temperature increase will warm the sediment and change the sediment sound speed, which has an important effect on acoustic field. However, the observation and analysis about the change of shallow sediment temperature and sound speed in weather process was rarely reported at home and abroad. In this project, we will conduct shallow sediment temperature and sound speed observation in shallow sea during weather process, the observation results will be applied to study the effect of weather process-induced sediment change on shallow sea acoustic field.

海底是浅海声波导的重要边界，之前的研究通常认为海底声学性质是稳定的或仅仅关注其季节变化，忽视了浅表层海底底质在天气过程中可能发生的变化。本项目申请人在最近的观测研究中注意到，在台风和寒潮等剧变天气过程作用下，受海洋锋面等的影响，底层水温在几天内剧烈上升，仿真计算结果显示底层水温上升会加热海底底质，使得浅表层海底底质升温并导致底质声速等声学性质的变化，进而对海洋声场产生显著影响。然而，针对上述天气过程中浅表层底质温度和底质声速变化现象的观测和分析结果在国内外均鲜有报道。因此，本项目将开展针对天气过程中，浅海浅表层底质温度和底质声速的连续观测，根据观测数据分析天气过程中底质变化对浅海声场的影响。

根据前期开展的现场水文和声传播观测，我们发现在台风等天气过程驱动下，浅海底层水温可能在几天时间内即发生显著变化，仿真表明底层水温的快速变化可能通过热传递等过程造成海底沉积物温度和声学性质发生改变并进一步影响浅海声场，这一过程被认为是天气过程影响浅海声场的第二种途径（第一种途径是直接影响水体性质）。然而，上述结论仅基于模拟结果，并且由于此前对这方面研究的忽视，导致没有现成可用于捕捉沉积物天气过程中所发生变化的观测装备。为此，在本研究中，我们首先开发了“海底浅表层底质温度剖面和声速连续观测系统”，并先后于2019年8月和2020年1月在青岛附近海域开展了为期1个月的连续观测和8个站位的大面站观测。相关观测结果一方面验证了该系统是一种有效的海底沉积物长期时变特征观测手段，改变了此前针对海底沉积物温度和声学等性质通常仅能开展大面站观测的现状；另一方面，所获取的第一手观测资料直接证明了海底沉积物在天气过程中所能产生的快速而又深刻的变化，揭示了海底热通量机制在其中的重要作用。此外，还围绕天气过程对海洋声场影响这一问题，开展了寒潮对浅海声场影响的观测研究以及海洋中的天气过程——中尺度涡漩——对水文和声场潜在影响的研究。这些结果为今后开展进一步的海底热通量和海洋声场预报研究奠定了基础。