海洋锋信息产品制作方法研究

方长芳，陈瑞旺，钟建，张晓娟

（1.91001部队，北京 100161；2.91197部队，山东 青岛 266405）

1 引言

1.1 海洋锋定义

海洋锋是海洋中物理、化学、生物和运动学特征等参数梯度明显增大的两种或几种水体之间的水平混合狭窄过渡带[1]。海洋锋水平空间尺度从几米到上千公里，影响深度一般从几米到几千米，时间尺度从几天到几年。海洋锋根据要素可以分为温度锋、盐度锋、密度锋、声速锋和叶绿素锋等。中国近海海洋锋根据形成机制可以分为浅水陆架锋、河口羽状锋、沿岸流锋、上升流锋和强西边界流海洋锋[2]。

海洋锋一般存在于海洋沿岸、性质不同水团交界处、冷暖海流交界处、河流入海口和海洋涡旋的边界处。海洋锋带中存在较强的水平辐合（辐散）、垂直运动和湍流混合交换等中小尺度运动。大气锋面移动很快，但是海洋锋位置移动十分缓慢或者几乎不动，主要是随季节变化而缓慢移动和强弱变化。

1.2 海洋锋的影响

海洋锋对海洋渔业、海洋生态环境、声传播和水下作战等都具有重要影响。海洋锋区附近常伴随海水辐合、上升流和垂向湍流混合等小尺度海水运动，营养盐丰富，海洋浮游生物和鱼类较多，因此多为重要渔场，例如舟山渔场和闽南渔场。在海洋环境保护方面，海洋锋区常伴有海水的辐合，能将浮游碎屑、油污和重金属等物质聚集在锋带附近[3]。

海洋锋两侧的声道轴深度、声学层深度、温度和密度等差异较大；穿过锋区时，声波会产生不同程度的折射和反射，能量损失增大，导致声纳作用距离减小和观测方位产生偏差。海洋锋附近的生物活动较多，一般环境噪声和体积混响较强。

1.3 海洋锋信息产品制作的发展现状

美国从20世纪70年代开展海洋锋及其对声传播影响研究。Cheney等[4]总结分析了全球43个海洋锋，根据海洋锋两侧的声速变化、声学层深度变化、锋面影响深度和持续时间进行综合分级，分为弱、中、强三级，并总结了海洋锋两侧的水声环境变化。随着海洋卫星遥感的发展，国内外学者基于卫星遥感海面温度资料对海面温度锋进行了大量研究[5]。在近岸海洋锋、黑潮、黑潮延伸体和湾流等强锋区，基于有限海洋调查观测资料，部分学者开展了海洋锋垂直结构研究[5]。

随着海洋观测和海洋数值预报技术的发展，海洋锋预报技术逐渐成熟。研究人员基于美国1/16°的分层海洋环流模式、1/16°的HYCOM（HYbrid Coordinate Ocean Model）模 式、PROFS（Princeton Regional Ocean Forecast System）模式和法国麦卡托海洋预报中心（Mercator Ocean）海洋模式等开展了湾流海洋锋和墨西哥涡旋锋面的实时预报和预报试验研究[6-10]。现在，美国国家大气和海洋管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）每天发布美国海军制作的北大西洋湾流附近温度锋和涡旋实况分析产品（网址：https://ocean.weather.gov/gulf_stream.php）。我国台湾海洋水文部门资料展示平台每天发布基于美国卫星遥感温度（1/20°）和法国哥白尼数据中心的高度计（1/8°）数据制作的海洋锋和涡旋分析产品，区域范围是105°～135°E，2°～35°N（网址：https://odbgo.oc.ntu.edu.tw/odbargo/）。

相比大气锋面，国际和国内都没有统一的海洋锋诊断标准、强度分级和显示标准。国内面向业务化应用的海洋锋强度分级和海洋锋信息产品制作方法研究较少。本文开展了基于MODAS（Modular Ocean Data Assimilation System）准实时分析数据的海洋锋诊断和强度分级研究，并制作了海洋锋特征信息产品和声传播损失信息产品。

2 数据

本文使用的数据是MODAS模块化海洋数据同化系统准实时分析数据[10]。MODAS使用海洋垂向投影反演技术，同化准实时海洋卫星遥感高度计资料、卫星遥感海面温度、实测温盐垂直剖面数据、GTSPP（Global Temperature and Salinity Profile Program）数据和ARGO（Array for Realtime Geostrophic Oceanography）等形成海洋温盐密声准实时分析场。MODAS数据产品的水平范围是：99°～150°E，10°S～52°N；水平分辨率是1/8°；垂直分为51层（1 000 m以上有26层）。

MODAS数据同化系统的特点是：运行速度快，一般5～10 min就可运行完毕；对硬件要求不高，普通电脑和笔记本即可。MODAS可快速为海洋业务预报、海洋环境态势分析和辅助决策等提供信息支撑。美国自2002年已经开展了基于MODAS的海洋声场环境评估[10]。

3 海洋锋诊断阈值标准和强度分级

目前还没有海洋锋诊断阈值和强度分级方面的国家标准或行业标准。前人对中国近海海洋温度锋和声速锋的诊断阈值研究主要基于分海区的诊断研究[11-12]。分海区海洋锋诊断研究对不同海区使用不同的诊断阈值，强锋区使用较高海洋锋诊断阈值，弱锋区使用较低海洋锋诊断阈值。分海区海洋锋诊断研究方法优点是：适用于海洋锋气候背景特征规律研究，对局部海洋锋特征规律可进行细致研究。分海区海洋锋诊断研究方法缺点是：不适用于海洋锋实时和预报场的诊断。由于不同海区使用不同的海洋锋诊断阈值，无法比较不同区域的海洋锋区域范围大小，强锋区和弱锋区的锋区范围大小可能一样，容易造成混淆和误导。如果一条海洋锋跨多个分区，海洋锋不同部分的诊断标准不同，诊断出来的海洋锋锋区和位置可能产生变形和移位。

鉴于海洋锋对海洋生态环境和声传播等的影响，海洋锋强度越强，一般对海洋生态环境和声传播等的影响就越大，因此本文研究制定的海洋锋诊断阈值不再分海区，甚至西北太平洋所有海区使用同一海洋锋诊断阈值和强度分级标准。本文采用的海洋锋诊断阈值比较低，可以诊断出较弱海洋锋，不会遗漏弱锋区的海洋锋。弱锋区的海洋锋范围小、强度弱，强锋区的海洋锋范围广、强度强。相比分海区海洋锋诊断研究方法，本文采用的同一海洋锋诊断阈值方法更加科学合理。

3.1 要素水平梯度和海洋锋强度区间格点比率

对于网格化格点数据（例如MODAS和数值预报数据产品等），海洋要素水平梯度的计算公式为：

式中，v代表海水要素变量，例如温度、盐度、密度、声速和流速等；grad v代表变量v的水平梯度；x和y分别代表东西和南北方向的坐标。

3.2 海洋锋诊断阈值

要素梯度大于海洋锋诊断阈值的区域定义为海洋锋。基于要素水平梯度，使用海洋锋诊断阈值诊断海洋锋，其计算准确度和效率都较高。使用1 a的MODAS三维准实时分析数据（2019年1月—2020年1月），分析了海洋锋时空特征规律，研究制定了海洋锋诊断阈值，确定了海洋要素梯度极大值。根据实际业务需求和海洋锋时空特征规律，分别选择3℃/hkm和10 m/（s·hkm）作为海洋温度锋和声速锋诊断标准阈值，hkm（one hundred kilometer）代表100 km。本文使用的海洋温度锋和声速锋诊断阈值比较低，可以诊断出较弱海洋温度锋和声速锋。

3.3 海洋锋强度分级

海洋锋强度定义为超过海洋锋诊断阈值的海洋要素梯度值（见表1和表2）。基于MODAS数据，分析得到海洋锋强度极大值区域特征：中国近岸温度锋最大强度大约是10℃/hkm，声速锋最大强度大约是40 m/（s·hkm）（在冬季长江入海口附近和台湾海峡南部）；黑潮附近的温度锋最大强度大约是14℃/hkm，声速锋最大强度大约是40 m/（s·hkm）；日本以东黑潮延伸体附近，温度锋最大强度大约是14℃/hkm，声速锋最大强度大约是50 m/（s·hkm）。黑潮延伸体附近实际海洋调查数据分析结果显示，温度锋最大强度可达8℃/10 km（即80℃/hkm），声速锋最大强度可达300 m/（s·hkm）。一般在近海和部分远海区域海洋锋强度最强。在日本以南和黑潮延伸体附近的部分海域，最大海洋锋强度一般位于次表层。

表1 海洋温度锋强度分级及建议配色

表2 海洋声速锋强度分级及建议配色

海洋锋强度区间格点比率定义是：在四维时空范围内，超过海洋锋诊断阈值的处于某梯度区间的格点数除以所有超过海洋锋诊断阈值的格点数。例如，在365 d的逐日MODAS数据中，所有温度梯度大于3℃/hkm（海洋锋诊断阈值）的格点数是n0，要素梯度区间处于［3 5）的格点数是n1，那么温度锋强度区间［3 5）的格点数比率是n1/n0×100%。基于1 a逐日的MODAS数据，统计了超过海洋锋诊断阈值的强度区间格点比率（见图1）。

根据实际业务需求、海洋锋区域特征、强度极值特征、强度区间格点比率及其对声传播的影响等，对海洋锋进行了强度分级（见图1和表1）。海洋温度锋强度等级是：［3 5）是弱，［5 8）是中，［8 14）是强，≥14是超强；温度锋各个强度等级的要素格点比率分别是61%、27%、10%和2%。海洋声速锋强度等级是：［10 20）是弱，［20 30）是中，［30 50）是强，≥50是超强；声速锋各个强度等级的要素格点比率分别是71%、19%、8%和2%。弱、中、强等级的区间是半闭半开区间。海洋锋4个强度等级建议分别使用淡蓝色、绿色、红色和黑红色进行涂色，色差清晰直观，可直接根据颜色判断海洋锋强度等级。基于该海洋锋强度分级及建议配色制作的海洋锋信息产品，能够简洁、直观和科学地展现海洋锋位置强度和区域特征规律。

图1 西北太平洋海洋锋强度分级及区间比率

4 海洋锋特征信息产品制作

海洋锋特征信息产品制作注意事项主要包括：特征信息定义科学合理、信息要素齐全、显示清晰直观和重点信息突出。使用海洋三维要素场、海洋锋诊断阈值和强度分级标准，可以制作海洋锋二维和三维特征信息产品。海洋锋二维和三维特征信息产品各有优缺点，可共同使用且互相补充。海洋锋特征信息产品准确度取决于所用要素数据产品的准确度。

4.1 海洋锋特征信息定义

海洋锋各个特征信息的定义见表3。

表3 海洋锋特征信息定义表

4.2 海洋锋二维特征信息产品

海洋锋逐层二维特征信息产品可用于查询指定深度的海洋要素、海洋锋位置和强度等信息。中国近海海区受季风、潮流、上升流和入海径流等影响，易生成近岸海洋锋；近岸海洋锋季节变化特征明显，一般冬季春季强，夏季秋季弱。我们研究了2020年3月东海温度锋逐层二维特征信息,得到以下结论：东海海洋温度锋主要分布于浙江福建广东沿岸、台湾海峡、黑潮和黑潮分支流入东海黄海附近海域，其中台湾海峡和黑潮附近温度锋最强；近岸海洋锋影响深度一般从海面到海底，最大强度深度位于海面，黑潮附近温度锋最大强度深度位于水下100～200 m。

4.3 海洋锋三维特征信息产品

海洋锋三维特征信息产品可用于查询海洋锋整体三维结构特征。特征信息包括海洋锋的上界深度、下界深度、影响深度、厚度、垂直最大强度、垂直最大强度深度和垂直平均强度等。海洋锋强度方面的特征信息均使用本文研究制定的强度等级和色标标准（见表1和表2）。海洋锋深度方面的特征信息建议均使用统一的深度色标，深度色标间隔不大于20 m。可以使用同样的方法基于其他数据资料（海面卫星遥感数据、气候统计数据和数值预报产品）制作海洋锋二维、三维特征信息产品。

基于MODAS实时分析数据，我们研究了西北太平洋冬季和夏季的海洋温度锋和声速锋的三维特征信息。西北太平洋海洋锋冬季和春季最强，夏季和秋季较弱。中高纬度海洋锋覆盖范围广且强度较强，低纬度海洋锋覆盖范围少且强度较弱。由于声速主要受温度影响，除长江入海口以外，西北太平洋海洋温度锋和声速锋的季节和区域特征规律几乎一致。

在日本以南（黑潮流轴）和以东海域（30°～45°N，黑潮亲潮交汇区）涡旋较多较强，海洋锋强度最强、覆盖范围广且全年存在，海洋锋影响深度从海表或几十米到几百米，垂直最大强度深度一般位于50～600 m。日本以南以东海洋锋呈斜压结构，随着纬度增加，海洋锋上界深度、下界深度和最大强度深度都变浅。海洋锋下界深度，在30°～37°N大约是300～800 m，在40°～45°N大约是20～400 m。部分强涡旋的边界处存在海洋锋，形成环状海洋锋（“涡旋锋面”）[5]，例如，2019年2月5日涡旋中心点位于144°E，32°N和137°E，37°N，涡旋边界处存在明显的涡旋锋面。日本海全年存在海洋锋，海洋锋强度较强，冬季海洋锋强于夏季；日本海40°N以南海域的海洋锋强度强、出现频次高且影响深度深。受海底地形、海流弯曲和涡旋等的影响，日本海海洋锋形状凌乱。

4.4 MODAS海洋锋特征信息产品准确度简介

海洋锋信息产品制作方法的本质是基于海洋要素数据场进行海洋锋及其特征信息的诊断。海洋锋信息产品的准确度取决于使用的海洋要素数据场的准确度。通过对比MODAS海洋锋产品（1/8°）、我国台湾发布的海洋锋产品（1/20°）和海洋实际调查数据，得到以下结论：（1）海面温度锋锋区位置基本一致，弯曲走向大体一致；（2）MODAS有水下各层海洋锋信息和三维海洋锋特征信息产品，但是我国台湾发布的海洋锋信息产品是基于卫星遥感海面温度数据（1/20°）制作的，没有水下海洋锋信息；（3）由于受产品分辨率和准确率的影响，MODAS海洋锋信息产品宽度偏宽，强度偏弱。实际海洋调查资料诊断的海洋锋和我国台湾发布的海洋锋（1/20°）宽度更窄，强度更强。

5 海洋锋声传播信息产品制作

5.1 海洋声学基本概念

（1）深海声道轴

在海洋上混合层，温度不变，受压力增大影响，海水声速缓慢增加到声学层深度（见图2）；混合层以下，海水温度降低，主要受海水温度降低的影响，声速随深度增加而降低；到了深海等温层，主要受海水压力增加的影响，声速随深度增加而增加。声速极小值所在深度称为深海声道轴[13-14]，如果声源信号位于深海声道轴，声传播损失较少，声信号可以传播几百甚至几千公里。

图2 典型的深海声速剖面结构示意图

（2）深度余量

临界深度是在深海声道轴以下，海水声速值等于声学层深度声速值的深度。临界深度以下到海底的深度距离称为深度余量[13-14]。

（3）深海汇聚区

在深海远距离传播中，不同途径的声线汇聚（局部聚焦）所形成的声强度高值区称为深海汇聚区[13-14]。

（4）表面声道

在声学层，海水声速随深度的增加而增大，呈正声速梯度分布，海面附近声源发射出来的声线在传播过程中向海面折射，声能大部分被限制在海水表层内，形成表面声道（又称海面波导）[13-14]。

5.2 Bellhop模型声传播模型介绍

本程序基于声速数据和地形数据等，使用Bellhop模型[15]制作海洋锋声传播损失信息产品，使用Etopo1的1′海底地形数据，可用于计算沿任意断面的声传播损失。Bellhop是一款高效的射线追踪程序[15]。Bellhop模型输出选项包括射线坐标、传播时间、振幅、本征射线、声压或者传播损失。

5.3 海洋锋对声传播影响

海洋锋声传播信息产品对于海洋环境影响效能评估具有重要作用。选择黑潮延伸体附近的海洋声速锋进行声传播影响信息产品制作示例。黑潮延伸体附近海洋锋强度非常强，最大强度可达60 m/（s·hkm）。选择AB断面横切海洋声速锋（A点：146°E，36.3°N；B点：147°E，37.6°N）。AB断面的海水平均深度大约是5 500 m，无海沟和海脊。图3是AB断面声速垂直剖面图。

图4a和4b为沿穿过海洋锋的AB断面的声传播损失，声传播方向存在声速和地形的变化；声源位于端点A，声源深度50 m，声源频率50 Hz，声信号沿AB断面向端点B传播。在AB断面的0～20 km处，在0～100 m层海水声速随深度增加（见图3），因此形成了表面波导（图4a和4b）；AB断面附近的深海声道轴的深度大约是1 000 m（见图3），海底存在声速深度余量，因此形成了清晰显著的深海汇聚区现象，第一汇聚区距离大约60 km，第二汇聚区距离大约120 km，和前人研究结论一致[16]。第二汇聚区比第一汇聚区声传播损失增大，汇聚区宽度变宽。

图3 AB断面声速剖面（2019年6月6日）

图4 穿过海洋锋的AB断面和无海洋锋的声传播损失图

图4c和4d为假设无海洋锋时的声传播损失，仅使用A点的声速垂直剖面和海水深度，不考虑传播方向上声速和地形的变化时，声源信号传播同样的距离，0～20 km处同样存在海面波导，相比沿AB断面传播时，第一和第二汇聚区的传播损失增大（见图4），第二汇聚区宽度变窄。对比实验说明，在黑潮延伸体附近海域，当海水声速存在深度余量，声信号从海洋锋暖水一侧向冷水一侧传播时，比不存在海洋锋时，声传播损失减少[17]。

6 总结

海洋锋是重要的海洋中尺度现象，影响海洋渔业、海洋生态环境和海洋声传播等。海洋锋诊断、强度分级和预报暂时没有行业标准和国家标准。随着海洋观测和海洋预报技术的发展进步，海上活动对海洋预报需求增多，要求提高，因此急需研究海洋锋信息产品制作方法，并制定海洋锋预报标准和显示标准。

海洋锋诊断阈值和强度分级需要综合考虑实际业务保障需求和特征规律。本文基于准实时分析数据，统计了要素梯度格点比率，研究了海洋温度锋声速锋的诊断阈值和强度分级，制作了海洋锋特征信息产品和声传播损失信息产品。本文介绍的海洋锋信息产品制作方法同样适用于数值预报海洋锋信息产品制作。本文研究成果可为海洋锋强度分级、海洋锋预报标准制定、海洋锋预报产品制作和海洋锋声传播影响评估等提供研究基础。

在近岸海洋锋附近，海底地形变化复杂，跃层现象特征明显，因此研究近岸海洋锋对声传播的影响时，需要综合考虑海洋锋、海底地形和跃层等对声传播的影响[17-18]。水下观测数据匮乏，直接影响制约了海洋锋三维结构特征研究和预报；建议全面整合使用调查观测数据、海洋再分析数据、海洋气候统计数据[19]和准实时分析数据产品等，开展海洋锋三维结构研究、信息产品制作和声传播影响评估。