En forbedret modell av oseanografien til bruk i akustisk modellering - kombinasjon av klimatologi og havmodell

Abstract

Informasjon om lydhastighetsprofiler er essensielt i planlegging og gjennomføring av sonaroperasjoner. En riktig beskrivelse av hvordan lydhastigheten varierer med dybden er spesielt viktig i modellering av lydutbredelse i havet. Lydhastigheten i havet varierer både i tid og rom, og det er viktig å ha informasjon om både midlere lydhastighetsprofil og hvordan profilen varierer innenfor et operasjonsområde. Har man et representativt antall historiske lydhastighetsprofiler fra operasjonsområdet, kan man gi et mål på både middelprofil og forventet variasjon. I områder med få eller ingen historiske lydhastighetsprofiler tilgjengelig kan man benytte seg av klimatologiske databaser eller numeriske havmodeller. Klimatologiske databaser inneholder midlere lydhastighetsprofiler for hver måned og dekker store områder. En ulempe med slike klimatologiske databaser er at de ikke inneholder tilstrekkelig informasjon til å beskrive den forventede variasjonen til lydhastigheten i et område. Numeriske havmodeller kan gi informasjon om variasjonen hvis de er basert på simuleringer over flere år eller hvis samme havmodell er kjørt mange ganger med ulike startbetingelser. Erfaringer har vist at havmodeller ofte ikke representerer målte lydhastighetsprofiler godt nok for akustisk modellering og at klimatologi gir et riktigere bilde av målt lydhastighet. I denne rapporten er det presentert en metode for å kombinere lydhastighetsprofiler fra klimatologi med varians fra en havmodell. Resultatet av metoden er et nytt sett med lydhastighetsprofiler som har midlere lydhastighetsprofil fra klimatologi, men som også har med variansen fra havmodell. Metoden er testet på 21 områder i Norskehavet og Barentshavet. Resultatene viser at metoden gir en bedre representasjon av det modellerte akustiske feltet sammenlignet med målte lydhastighetsprofiler enn det lydhastighetsprofiler fra havmodell eller klimatologi alene gjør. Forbedringen varierer, men ligger i snitt på opp mot 3 dB når man sammenligner modellert transmisjonstap basert på havmodell og metoden presentert i rapporten. Metoden er forventet å gi operativ merverdi samenlignet med hva som benyttes i dag, og det anbefales derfor at metoden umiddelbart tas i bruk av Forsvaret. Dette kan gjøres i første omgang ved at resultater tas inn som en del av Environmental Briefing Docket som produseres og vedlikeholdes av KNMT/TAS/METOC og brukes i planlegging av operasjoner.

Information about sound speed profiles are essential when planning and conducting sonar operations. A realistic description of how sound speed varies with depth is especially important when modeling sound propagation in the ocean. The sound speed varies both spatially and temporally, and it is essential to have information on mean sound speed profile and its variability in an operational area. The expected mean sound speed profile and its variability in an area can be estimated using a group of historical sound speed profiles. In areas with few or no historical sound speed profiles, climatological databases or numerical ocean models can provide information about the ocean environment. Climatological databases usually provide mean and standard deviation of sound speed profiles for a given month. On the other hand they do not contain sufficient information to fully describe the variability of the sound speed profiles, since they do not have any information on correlation between different depth steps. Numerical ocean models can provide such information about variability. This requires that the ocean model is run over a several years simulation period or that the model is run several times with perturbed initial conditions. Previous experience has shown that ocean models do not necessarily represent measured sound speed profiles with sufficient accuracy for acoustic modeling. Climatology, on the other hand, gives a more correct representation of measured sound speed profiles. This report presents a method for combining mean sound speed profiles from climatology with variance from an ocean model. The result is a new set of sound speed profiles with the mean sound speed profile from climatology, including the variance from the ocean model. The method is tested in 21 areas in the Norwegian and Barents Seas. The results show that the acoustic field modeled with sound speed profiles from the proposed method is closer to the acoustic field calculated with observed sound speed profiles compared with acoustic fields calculated with sound speed profiles from ocean model or climatology. The method is expected to provide added value to operational planning compared to what is currently used. It is recommended that the method is immediately adopted by the Navy by implementing the method in Environmental Briefing Docket. Environmental Briefing Docket is produced and maintained by KNMT/TAS/METOC and is widely used in operational planning.