台风激发海底地声信号建模及潜在应用研究

Typhoon disasters seriously threaten the economic development, people’s life and social security of coastal areas. Therefore, it is necessary to improve the understanding of typhoon process and enhance monitoring capabilities for disaster prevention and mitigation. The underwater acoustic signal generated by typhoon carries the important physical information of the source areas of typhoon, and it makes monitoring of typhoon with ocean acoustic method possible. Based on the major requirements of coastal provinces for typhoon prevention and mitigation, and considering serious lack of marine observation data in traditional researches and prediction of typhoons which limit typhoon forecast level, underwater acoustics and seismology crossover study was conducted; the mechanism and spread rule of underwater acoustic signals activated by typhoon were discussed; typhoon wind speed inversion and typhoon center positioning method based on the observation of acoustic signal were explored. The main research contents are as follows: (1) under the typical marine environment, underwater acoustic field model activated by typhoon was established, and its mechanism and spread characteristics were analyzed through numerical simulation theory; (2) typhoon wind speed inversion and typhoon center positioning method based on the underwater acoustic observation were explored; (3) by using existing data accumulation and new offshore experiments, the theory model was tested; The project lays theory foundation for new principle and technology of marine natural disaster monitoring and early warning based on underwater acoustic observation

台风灾害严重威胁沿海地区经济建设、人民生命和社会安全，提高对台风过程的认识和监测能力，是防灾减灾的重大需求。台风激发海底地声信号携带了台风源区的重要物理信息，为利用海洋声学方法监测台风提供了可能。本项目立足沿海各省市防台抗台的重大需求，针对传统台风研究和预报中所遇到因现场海洋观测资料严重缺失而限制台风预报水平之情况，通过开展水声学与地声学的交叉研究，探讨台风激发海底地声信号的机理及建模方法，在此基础上探索基于地声信号观测的台风风速反演和台风中心定位方法。主要研究内容包括：（1）典型海洋环境下，台风激发海底地声场建模，并通过数值模拟理论分析其激发机理与传播特性；（2）基于地声观测的台风风速反演和中心测向方法探索；（3）借助已有数据积累和新开展海上实验，检验理论模型。本项目的开展，将为建立基于海底地声观测的海洋自然灾害早期监测、预警的新原理、新技术研发提供新思路。

台风灾害严重威胁沿海地区经济建设、人民生命和社会安全，提高对台风过程的认识和监测能力，是防灾减灾的重大需求。已有海上实测数据已证明，海上台风过境时将会在海底分界面激发起可远程传播的甚低频段地声信号——地脉动，其携带了台风源区的重要物理信息，为利用海洋声学方法监测台风提供了可能。本项目立足沿海各省市防台抗台的重大需求，针对传统台风研究和预报中所遇到因现场海洋观测资料严重缺失而限制台风预报水平之情况，通过开展水声学与地声学的交叉研究，探讨台风激发海底地声信号的机理及建模方法，在此基础上探索基于地声信号观测的台风监测方法。经过项目组3年的研究，主要完成的研究内容和成果包括：（1）典型海洋环境下，结合波动理论完成了台风激发海底地声信号的传播模型的建立，通过数值模拟理论分析了其激发海底地声信号的机理与传播特性，总结了台风风场参数对其所激发地声信号的影响规律，并尝试了将其应用于浅海地声参数的反演研究中；（2）在以上研究海底地声信号激发及传播特性的基础上，考虑在大尺度范围下对台风信号的监测需求，研究了一种基于海底纵波（P波）走时的地震台阵聚束技术（Seismic Array Beam Forming，SABF），实现了根据地震台阵记录的台风激发起海底地声信号中P波的理论走时对台风激发的海底地声信号的源区位置的准确反演；（3）应用水池缩比实验、海上实验等实验测量数据对上述理论研究成果进行了验证，实验结果表明：台风过境时确实将激发起海底地声信号，且与理论建模研究结果一致，台风过境时将激发起具有明显频散特性的海底地声信号，可将其应用于海底地声参数的反演研究中；对2009年台风Lupit地声信号数据的结果表明应用项目组所研究的P波源区定位方法可实现对台风激发海底地声信号源区的有效监测。. 本项目的研究成果将为建立基于海底地声观测的海洋自然灾害早期监测、预警的新原理、新技术研发提供新思路，在水中目标探测、水雷引信设计和海洋动力学监测等国防、民生领域均具有很重要的应用前景。