随着近年来北极气候和海洋环境发生深刻变化，北极地区科研、经济价值日益突出。北极海洋环境恶劣，开展实验相对困难，大多数的水下探测都要借助声学设备进行分析。想要准确利用声学设备进行环境分析，就必须借助海洋声场分析模型。但是北极海域是受海洋环境严重影响的区域，海冰覆盖严重影响着声场分析计算。
近日，应用海洋学团队在国际主流期刊《Journal of Advances in Modeling Earth Systems》（SCI 1区IF 8.4685）上发表一篇题为“An Ocean Acoustic Modeling Based on the Physical Parameters Clustering of the Arctic Ice Floes: Applied to the Study of Acoustic Field Response as Ice Floes Thickness Varies”的研究论文。本文第一作者为天津大学海洋学院2020级硕士研究生鹿灿，通讯作者为海洋学院徐剑副教授。
高纬度地区覆冰是北极海域重要的环境特征。通常认为，覆冰环境中浮冰具有一般性结构和微观性结构。一般性结构参数描述了浮冰形态，如冰密集度和厚度。微观性结构参数描述浮冰内部声学特性，如冰内温度、密度和孔隙度。对于覆冰海域的声场建模，目前常见的方法有：（1）将海冰边界描述为随机分布的自由或刚性基底表面上的半椭圆形突起；（2）将海冰按照光滑的均质介质处理；（3）将海冰视为盐水非饱和多孔弹性介质等。这些方法虽然都可以实现了覆冰环境下的声场计算，但由于声场模型中缺少对海冰状态的准确描述，包括冰层的非均匀特征、冰面的粗糙散射、冰-水边界的耦合作用等使得依据这些常规声场计算模型得到的理论计算结果和试验数据之间存在巨大误差。
图1 冰芯实测参考数据：(左)单样本；(右)统计示意
针对现有方法的不足，本文融合浮冰的一般性和微观性结构参数，提出了一种基于浮冰参数聚类的有限元声场计算模型。
该方法解决的问题有：
（1）从实测数据出发，阐述了当前覆冰海域声场建模的重点；
（2）利用CryoSat-2、CFSv2等多源数据描述了浮冰的结构参数特性，并将动态浮冰划分为具有一般性的三种典型浮冰类型，为精细化建模提供了重要参考；
（3）将浮冰视为具有随机粗糙起伏且浮冰块尺寸满足一定分布特征的多层非均匀弹性介质，保持了浮冰材料声学属性的高度还原；
（4）利用流-固耦合边界建立了冰-水边界的相互作用，验证并捕捉到了冰下的散射特征；
（5）运用有限元将求解域离散，即将冰层离散成若干浮冰块，考虑开阔水域对模型的影响。文章所提出的新型声场计算模型与35km长的冰下实验结果高度吻合。
图2 模型及相关参数响应示意图
本文所提出的覆冰海域声场新思路，其研究的重要价值在于：（1）在覆冰海域中，以聚类方法提供区域一般性浮冰声学参数，为声场建模参数困惑性选取提供重要参考；（2）流-固耦合条件下的有限元算法，其时域解保证了较高的计算精度，可以更好的捕捉到冰下声场特征；（3）算法精度的提高，使得我们可以准确捕捉到多个到达波峰间的时延差异，总结出冰厚等参数变化时的声场响应规律，从而提供一种新的北极冰层探测方案。
近年来，应用海洋学团队致力于北极海洋环境与信息技术的相关研究，研究成果在JOURNAL OF ATMOSPHERIC AND OCEANIC TECHNOLOGY等国际高水平期刊发表，团队基于现有的成果，后续将继续开展AI算法结合的工作。团队毕业生主要前往中船系统工程研究院、国防单位、中国科学院、厦门大学等单位工作或继续深造。
图3 冰厚变化下的声场响应示意图