基于WOA18 數(shù)據(jù)的北極地區(qū)聲速剖面特征分析?

高 揚(yáng)

（1.東部戰(zhàn)區(qū)政治工作部 南京 210000）（2.國(guó)防大學(xué)聯(lián)合作戰(zhàn)學(xué)院 石家莊 050084）

1 引言

北極地區(qū)包括整個(gè)北冰洋及其島嶼、北美洲、亞洲以及歐洲大陸的北部邊緣海、邊緣陸地，是全球氣候變化最為劇烈的地區(qū)之一，擁有豐富的自然資源和重要的戰(zhàn)略地位。隨著全球變暖造成的北極冰蓋加速融化［1］，北極航道的通航潛力不斷提升，北極軍事戰(zhàn)略地位日益突出，進(jìn)一步成為美俄等軍事大國(guó)博弈的焦點(diǎn)［2～5］。

隨著新時(shí)代我海外國(guó)家利益的全域拓展，北極地區(qū)在我國(guó)發(fā)展戰(zhàn)略中的重要性也日益提高。但受研究起步時(shí)間、科考保障能力等因素限制，相較美俄等軍事大國(guó)，我國(guó)對(duì)北極地區(qū)的科學(xué)認(rèn)識(shí)還存在一定差距，對(duì)與軍事行動(dòng)關(guān)系密切的水聲環(huán)境方面的研究還停留在探索的階段［6］，這將在一定程度上影響我們向北極地區(qū)的拓展。同時(shí)，聲波作為水下信息的主要載體，其傳播特征主要受聲速剖面特征影響，因此準(zhǔn)確掌握水聲環(huán)境信息，特別是聲速剖面特征對(duì)于軍事應(yīng)用而言十分重要［7～8］。針對(duì)上述問(wèn)題及需求，本文利用WOA18海洋數(shù)據(jù)，以北極地區(qū)兩個(gè)典型斷面上的站位為代表，對(duì)其聲速剖面特征進(jìn)行了分析。

2 研究海區(qū)與使用數(shù)據(jù)

2.1 白令海和楚科奇海

白令海和楚科奇海作為北極地區(qū)的代表海域，是北太平洋與北冰洋之間的過(guò)渡區(qū)域，通過(guò)白令海峽相連，擁有著豐富的礦產(chǎn)和漁業(yè)資源，同時(shí)也在影響全球氣候波動(dòng)的物理過(guò)程中起著關(guān)鍵作用，其中白令海地處50°N～65°N、160°E～155°W，屬于太平洋北端的邊緣海；楚科奇海位于北極區(qū)的南端，地處65°N-75°N、175°E-155°W，是由太平洋進(jìn)入北冰洋的唯一通道［9］。

本文參考中國(guó)第十次北極科學(xué)考察中的觀測(cè)站位位置，分別以BR 斷面及R 斷面上的站位BR1（64.0°N、167.5°W）、BR2（60.5°N、171.5°W）、BR3（57.0°N、174.5°W）及R1（66.0°N、169.0°W）、R2（69.5°N、169.0°W）、R3（73.0°N、169.0°W）為代表，分析北極海區(qū)聲速剖面特征，其中BR 斷面位于白令海東部，是我國(guó)在第十次北極科考中首次開(kāi)展觀測(cè)的斷面；R 斷面從南向北貫穿楚科奇海，是我國(guó)在北冰洋的傳統(tǒng)觀測(cè)斷面［10］。觀測(cè)站位位置示意圖如圖1 所示。黑色實(shí)線代表R 斷面，R1、R2、R3代表R 斷面的站位；黑色虛線代表BR 斷面，BR1、BR2、BR3代表BR斷面的站位。

圖1 觀測(cè)站位位置示意圖

2.2 使用數(shù)據(jù)

World Ocean Atlas（WOA）是美國(guó)國(guó)家海洋數(shù)據(jù)中心（NOAA）發(fā)布的全球海洋數(shù)據(jù)產(chǎn)品，它根據(jù)世界海洋數(shù)據(jù)庫(kù)（WOD）的剖面數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)質(zhì)量控制得到包括溫度、鹽度及深度在內(nèi)的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)，可以用來(lái)為各種海洋模型創(chuàng)建邊界及初始條件、驗(yàn)證海洋的數(shù)值模擬、證實(shí)衛(wèi)星數(shù)據(jù)等，具有較高的可信度，其中WOA18 是WOA 數(shù)據(jù)的最新版本。本文使用的WOA18 數(shù)據(jù)的空間分辨率為0.25°×0.25°，時(shí)間分辨率為季節(jié)平均，水平范圍覆蓋全球，垂向范圍覆蓋0～5500m的水層。

3 結(jié)果

首先驗(yàn)證WOA18 數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，圖2 給出了基于WOA18數(shù)據(jù)的BR斷面夏季溫度及鹽度剖面，結(jié)果表明：BR 斷面夏季溫度躍層整體呈現(xiàn)南深北淺的特點(diǎn)，其中最南端BR3 處的溫躍層深度位于40m 左右，最北端BR1 處的溫躍層深度位于20m 左右；鹽度剖面整體呈現(xiàn)南高北低的特點(diǎn)，上述結(jié)果與文獻(xiàn)［8］中第十次北極科考的觀測(cè)結(jié)果相類(lèi)似，說(shuō)明WOA18 數(shù)據(jù)對(duì)于BR 斷面夏季溫度及鹽度剖面的特征描述有較高的準(zhǔn)確性。

圖2 基于WOA18的BR斷面夏季溫度剖面和夏季鹽度剖面

基于WOA18 數(shù)據(jù)的R 斷面夏季溫度及鹽度剖面結(jié)果（圖3）進(jìn)一步表明：R 斷面夏季整體表現(xiàn)為表層溫度高且鹽度低、深層溫度低且鹽度高的特點(diǎn)，其中R 斷面中間站位R2 處20m 以深南、北兩側(cè)溫度存在顯著差別，北側(cè)的R3 站位溫度低于0℃，南側(cè)的R1 站位溫度高于3℃，上述結(jié)果也與文獻(xiàn)［8］中第十次北極科考的觀測(cè)結(jié)果相類(lèi)似，進(jìn)一步說(shuō)明本文使用的WOA18數(shù)據(jù)對(duì)于北極地區(qū)環(huán)境特征的描述是基本準(zhǔn)確的。

圖3 基于WOA18的R斷面夏季溫度剖面和夏季鹽度剖面

因此本文基于WOA18 提供的溫度、鹽度及深度數(shù)據(jù)，根據(jù)Matlab 的Gibbs SeaWater（GSW）工具包計(jì)算了聲速，進(jìn)而得出了聲速剖面。圖4 給出了兩個(gè)斷面各站位在四個(gè)季節(jié)對(duì)應(yīng)的聲速剖面情況，對(duì)于BR 斷面三個(gè)站位而言，其聲速剖面主要呈現(xiàn)出以下特征：1）同一站位的夏季聲速均高于冬季聲速，三個(gè)站位的最大聲速約1480m/s，最小聲速約為1435m/s；2）在同一季節(jié)條件下，高緯度站位（BR01、BR02）的表層聲速低于低緯度站位（BR03）的表層聲速；3）高緯度站位（BR01、BR02）的聲速最大值均出現(xiàn)在表層，低緯度站位（BR03）聲速最小值對(duì)應(yīng)的深度呈現(xiàn)出夏季深、冬季淺的特征，其中夏季聲速最小值對(duì)應(yīng)的深度大約在60m 附近。R斷面聲速剖面特征整體上與BR斷面聲速剖面特征類(lèi)似，同時(shí)R斷面平均聲速低于BR斷面平均聲速，且R 斷面的高緯度站位R03 聲速剖面季節(jié)變化較小，表層聲速與深層聲速相近。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于WOA18 海洋數(shù)據(jù)，分析了北極地區(qū)兩個(gè)典型斷面：白令海BR 斷面及楚科奇海R 斷面的聲速剖面特征。通過(guò)與中國(guó)第十次北極科考觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了WOA18 數(shù)據(jù)在北極地區(qū)的準(zhǔn)確性；基于WOA18 的溫度、鹽度、深度計(jì)算了聲速剖面，結(jié)果表明：北極地區(qū)夏季聲速高、冬季聲速低；高緯度地區(qū)的表層聲速低、低緯度地區(qū)的表層聲速高；高緯度地區(qū)的聲速最大值在表層，低緯度地區(qū)聲速最小值對(duì)應(yīng)的深度呈現(xiàn)出夏季深、冬季淺的特征等。

本文使用的是季節(jié)平均、空間分辨率為百公里級(jí)的WOA18 數(shù)據(jù)，得出的是北極地區(qū)聲速剖面低頻變化特征，具有一定的參考價(jià)值，但無(wú)法體現(xiàn)出中小尺度物理過(guò)程引起的聲速剖面高頻變化特征，因此未來(lái)可通過(guò)分析日平均、空間分辨率更高的海洋資料，進(jìn)一步提高對(duì)北極地區(qū)水聲環(huán)境變化特征的認(rèn)識(shí)。