[发明专利]一种并行的耦合海洋声学预报系统及运行方法

说明书

本发明涉及一种并行的耦合海洋声学预报系统及运行方法，属于物理海洋与水下声场建模融合领域，所述系统包括海洋环境预报模块、海洋‑声学耦合模块以及海洋声学传播解决模块；海洋环境预报模块为系统提供初始化环境输入；海洋‑声学耦合模块的功能包括为参数初始化、地形提取以及海洋环境参数剖面提取，通过将海洋模块的包括温度、盐度、海面粗糙度输出在内的参数转化为声学模型的输入，将海洋模型和声学模型结合在一起；海洋声学传播解决模块的作用为海洋声场的计算、海洋声场及声纳作用距离在内的结果的输出。该系统实现了水下声场的实时预报，可移植到任意高性能计算机系统上，快速实现三维声场的精确计算以及对全球海域声纳作用距离的估计。

技术领域

本发明属于物理海洋与水下声场建模融合领域，涉及一种并行的耦合海洋声学预报系统及运行方法。

背景技术

目前，国内外已经建立了各种各样的声传播模型，按照对波动方程数值解法的不同，可以将各种模型大致分为简正波模型、射线模型、抛物方程模型以及一些联合模型。声场模型单独在计算方面已经发展得比较成熟。但是，现有的大多数声场领域的计算都是串行的，针对并行算法的研究相对比较少。处理较小规模的二维声传播问题时，现有的声场计算模型可以满足实际的需求。然而近年来，随着对三维声传播问题、大时间、大区域声场计算的需求，现有声场计算效率已经难以满足实际的科研需求。

在海洋学方面，自然资源部第一海洋研究所前期由乔方利研究员利用浪致混合理论，率团队建立了全球高分辨率海浪-潮流-环流耦合模式FIO-COM，克服了海洋环流模式夏季模拟SST偏高、次表层温度偏低以及混合层偏浅等的共性难题，将次表层海洋温度的模拟偏差减小了约90%，对于海洋数值模式具有通用性。该海洋模型能够提供较为精确的温度、盐度、海面粗糙度等水文环境参数。

到目前为止，无论在海洋学，还是在水声学方面，各自研究领域均有了不菲的理论与实践的积累。但是，针对海洋学和声学的交叉研究仍然较少。现有的声场模型只有仿真计算功能，没有进行水下声场预报的功能。而且，现阶段已有研究成果的计算规模小，国际国内还没有适用于全球海洋声场的大时间跨度的预报系统。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种并行的耦合海洋声学预报系统及运行方法，本发明系统采用动态海洋模型与水下声学传播模型协同运作的方式，海洋模型生成声学模型预报所需要的初始化环境变量，以便针对各种变化多端的海洋现象给出周边声场、声纳作用距离等的及时预报。

本发明是通过如下技术方案来实现的：

一种并行的耦合海洋声学预报系统，所述系统包括海洋环境预报模块、海洋-声学耦合模块以及海洋声学传播解决模块；海洋环境预报模块在整个系统中的作用是为系统提供初始化环境输入；海洋-声学耦合模块的功能包括为参数初始化、地形提取以及海洋环境参数剖面提取，通过将海洋模块的包括温度、盐度、海面粗糙度输出在内的参数转化为声学模型的输入，将海洋模型和声学模型结合在一起；海洋声学传播解决模块的作用为海洋声场的计算、海洋声场及声纳作用距离在内的结果的输出。

进一步，所述的海洋模式使用海浪-潮流-环流耦合数值模型，

进一步，所述的声场模型使用全局矩阵耦合简正波模型，在耦合简正波理论中，对于一个水平变化波导，将水平变化波导分成若干段，在直角坐标系（x，y，z）下，第j段的声场可以表示为N个简正波的总和：

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其中，和是归一化的距离解：

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