海洋环境噪声在台风风速反演中的应用研究

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海洋环境噪声是海洋中普遍存在的声场,包含了水体及海底海面的环境信息,且具有宽频带和长期存在的特性,通过分析海洋环境噪声,可以低成本地获取相关的海洋环境参数。  风成噪声是海洋环境噪声的一种,风成海洋环境噪声场是海面噪声源激发的声场经由海洋声波导的传播,在接收点处叠加形成的声场。海面噪声源强度与对应点的海表面风速相关,声场传播损失与声源、接收点位置以及海洋环境参数相关。若能建立合理的风成噪声场模型,明确接收噪声场强度与海表面风速的关系,可以实现由海洋环境噪声场的数据反演海表面风速。  西北太平洋是台风活动最为频繁的海区,该海域平均每年生成热带风暴和台风26~28个,其中2/3能达到台风强度。我国位于西北太平洋和南海沿岸,地理位置特殊,每年约9~10个台风(包括热带低压)袭击我国,是世界上受台风危害最为严重的国家之一。加强对台风全面、有效的监测和预警,能够有效降低台风带来的人员伤亡和经济损失。目前远海台风的监测主要依赖于气象卫星,借助卫星云图分析技术,能够掌握台风的实时定位信息、未来动态和降雨信息。但由于缺少实地测量的温度、湿度和气压等信息,卫星观测在台风风速分布的预报中依然存在准确性不足的问题,因此进一步改进海面风速的观测手段,提高台风预报能力,具有重要的实际意义。  本文提出了一种应用水声学的手段反演台风风速的新方法,并结合实验数据验证了方法的有效性。  首先,本文基于实验数据分析了台风对海洋环境噪声的影响,结果表明海洋环境噪声强度随台风中心的靠近而增大,且根据台风路径相对接收点距离的不同,海洋环境噪声随时间的变化曲线呈现出不同的峰值结构。接着分析了环境噪声强度随风速和频率的变化规律,结果表明噪声强度近似与风速的对数成正比,比例系数近似等于3;噪声强度随频率的增大而减小,但不同频段上的衰减速率不同,其中500-2000 Hz的频段上,噪声强度的衰减近似与fp成比例。其次,针对台风激发的海表面噪声源强度随空间位置变化的情况,推导了水下噪声场的传播模型,并分析了该模型应用于两种台风路径时的不同表达形式。结合Wilson风成噪声源级模型,建立了水下噪声强度与海表面风速的函数关系。最后,利用矩阵变换和最小二乘法推导了台风激发水下噪声场模型中未知参数的表达式,并结合两次实测台风噪声数据,得到了参数的常数解。将参数的解代入台风激发的水下噪声场模型,利用台风经过期间海洋环境噪声的实测值,反演接收点上方的海表面风速,并将反演结果与气象预报数据对比,从而验证了反演方法的有效性。  应用水声学的方法反演台风风速,其准确性还需要更广泛的验证,但这不失为一种台风预报的新思路,能够弥补卫星观测在台风强度预报中的局限性。
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