基于声速分类与B样条曲面拟合的涡旋诱导水下声场重建与计算研究

这篇研究创新性地结合无监督学习与B样条曲面拟合技术，提出了一种不依赖轴对称假设的极地冰缘涡旋（negative-SSAE）三维结构重建方法。通过声速异常（SSA）阈值（-3 m/s）界定涡旋边界，重建精度达74%，并集成有限元法（FEM）模拟涡旋诱导水下声场，计算效率提升30%以上，传输损失误差仅1.2 dB/20 km，为极地冰盖下海洋现象研究提供了声学传感与数值模拟的高效解决方案。

　　

1 引言

弗拉姆海峡作为北冰洋与大西洋水交换的主要通道，其独特的西斯匹次卑尔根暖流（WSC）和东格陵兰寒流（EGC）系统孕育了大量中尺度涡旋。这些涡旋通过热盐结构差异显著影响水下声学传播特性，尤其在北极冰形成期（AIFP），海冰覆盖导致传统涡旋检测方法失效。研究团队以ACOBAR项目观测的冰缘涡旋为例，首次从声学视角提出基于声速异常（SSA）的三维涡旋重建方法，突破了轴对称假设的局限性。

2 数据与方法

2.1 ACOBAR项目数据

ACOBAR声学层析实验在2010年9月检测到具有显著负声速异常（SSA<-3 m/s）的冰缘涡旋，其上层350米声速剖面（SSP）呈现与纬度常规认知相反的异常现象。

2.2 HYCOM模型辅助分析

采用1/12°分辨率的混合坐标海洋模型（HYCOM）同化数据，通过Mackenzie九项经验公式计算声速场，并提取8-10月气候态背景场以获取SSA（Sp′′=Sp?Sp_cli）。

2.3 无监督学习策略

基于Spearman相关系数（cor=1?6∑d_i²/[n(n²?1)]）划分垂直水团，结合Ward层次聚类（最小化SSE增量I_AB=√[SSE_AB?(SSE_A+SSE_B)]²）识别水平SSA核心区。

2.4 B样条曲面重建

采用准均匀三次B样条曲面（p=3，m=n=11），通过最小二乘法拟合涡旋边界，交叉验证确定最优频率组合，相对误差7.33%。

3 结果

3.1 垂直SSA核心区

50-300米水层呈现强负SSA聚集（偏度>1.5，峰度>5），与表层（0-30米）和深层（>300米）水团声学特性显著差异。

3.2 水平SSA核心区

聚类结果显示涡旋呈"碗状"西南倾斜结构，水平范围随深度收缩，在100米层发现亚中尺度"峰状"结构（图12c），该特征在温度异常场中保留但被盐度异常场稀释。

3.3 三维结构重建

重建涡旋捕获双核结构（4°E剖面），边界内水温异常中位数降低1.6°C，盐度异常降低0.3，与外部水团形成鲜明对比。

4 讨论

4.1 重建效果验证

以SSA=-3 m/s为阈值时，74%的负异常被成功纳入重建边界（h2=74%），涡旋内外水团温度-盐度联合分布呈现显著分离（图11）。

4.2 声学优势

相比温盐聚类，SSA聚类更好保留亚中尺度结构（图13），因其非线性公式（c=1448.96+4.591T?5.304×10^?2T²）放大了温度主导信号。

5 应用

将重建涡旋边界应用于COMSOL多物理场仿真，内外区域分别采用λ/5和λ/4网格密度，使计算时间减少31.7%，单元总数降低33.5%，同时保持1.2 dB/20 km的平均传输损失误差（图15）。

6 结论

该研究构建了极地涡旋声学检测-三维重建-声场模拟的全流程方法体系，未来将拓展至多涡旋共存场景的极地声学环境模拟研究。