[發明專利]一種并行的耦合海洋聲學預報系統及運行方法

有效

• 申請號: 202110769864.X
• 申請日: 2021-07-08
• 公開（公告）號: CN113259034B
• 公開（公告）日: 2021-09-28
• 發明（設計）人: 楊春梅;劉宗偉;姜瑩;呂連港;郭景松;王關鎖;尹訓強
• 申請（專利權）人: 自然資源部第一海洋研究所
• 主分類號: H04B17/391
• 分類號: H04B17/391;H04B11/00;H04B13/02;G06F17/11
• 代理公司: 北京科家知識產權代理事務所(普通合伙) 11427
• 代理人: 沈小明

本發明涉及一種并行的耦合海洋聲學預報系統及運行方法，屬于物理海洋與水下聲場建模融合領域，所述系統包括海洋環境預報模塊、海洋?聲學耦合模塊以及海洋聲學傳播解決模塊；海洋環境預報模塊為系統提供初始化環境輸入；海洋?聲學耦合模塊的功能包括為參數初始化、地形提取以及海洋環境參數剖面提取，通過將海洋模塊的包括溫度、鹽度、海面粗糙度輸出在內的參數轉化為聲學模型的輸入，將海洋模型和聲學模型結合在一起；海洋聲學傳播解決模塊的作用為海洋聲場的計算、海洋聲場及聲納作用距離在內的結果的輸出。該系統實現了水下聲場的實時預報，可移植到任意高性能計算機系統上，快速實現三維聲場的精確計算以及對全球海域聲納作用距離的估計。

技術領域

本發明屬于物理海洋與水下聲場建模融合領域，涉及一種并行的耦合海洋聲學預報系統及運行方法。

背景技術

目前，國內外已經建立了各種各樣的聲傳播模型，按照對波動方程數值解法的不同，可以將各種模型大致分為簡正波模型、射線模型、拋物方程模型以及一些聯合模型。聲場模型單獨在計算方面已經發展得比較成熟。但是，現有的大多數聲場領域的計算都是串行的，針對并行算法的研究相對比較少。處理較小規模的二維聲傳播問題時，現有的聲場計算模型可以滿足實際的需求。然而近年來，隨著對三維聲傳播問題、大時間、大區域聲場計算的需求，現有聲場計算效率已經難以滿足實際的科研需求。

在海洋學方面，自然資源部第一海洋研究所前期由喬方利研究員利用浪致混合理論，率團隊建立了全球高分辨率海浪-潮流-環流耦合模式FIO-COM，克服了海洋環流模式夏季模擬SST偏高、次表層溫度偏低以及混合層偏淺等的共性難題，將次表層海洋溫度的模擬偏差減小了約90%，對于海洋數值模式具有通用性。該海洋模型能夠提供較為精確的溫度、鹽度、海面粗糙度等水文環境參數。

到目前為止，無論在海洋學，還是在水聲學方面，各自研究領域均有了不菲的理論與實踐的積累。但是，針對海洋學和聲學的交叉研究仍然較少。現有的聲場模型只有仿真計算功能，沒有進行水下聲場預報的功能。而且，現階段已有研究成果的計算規模小，國際國內還沒有適用于全球海洋聲場的大時間跨度的預報系統。

發明內容

本發明要解決的技術問題在于提供一種并行的耦合海洋聲學預報系統及運行方法，本發明系統采用動態海洋模型與水下聲學傳播模型協同運作的方式，海洋模型生成聲學模型預報所需要的初始化環境變量，以便針對各種變化多端的海洋現象給出周邊聲場、聲納作用距離等的及時預報。

本發明是通過如下技術方案來實現的：

一種并行的耦合海洋聲學預報系統，所述系統包括海洋環境預報模塊、海洋-聲學耦合模塊以及海洋聲學傳播解決模塊；海洋環境預報模塊在整個系統中的作用是為系統提供初始化環境輸入；海洋-聲學耦合模塊的功能包括為參數初始化、地形提取以及海洋環境參數剖面提取，通過將海洋模塊的包括溫度、鹽度、海面粗糙度輸出在內的參數轉化為聲學模型的輸入，將海洋模型和聲學模型結合在一起；海洋聲學傳播解決模塊的作用為海洋聲場的計算、海洋聲場及聲納作用距離在內的結果的輸出。

進一步，所述的海洋模式使用海浪-潮流-環流耦合數值模型，

進一步，所述的聲場模型使用全局矩陣耦合簡正波模型，在耦合簡正波理論中，對于一個水平變化波導，將水平變化波導分成若干段，在直角坐標系（x，y，z）下，第j段的聲場可以表示為N個簡正波的總和：

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其中，和是歸一化的距離解：

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