基于WOA18 数据的北极地区声速剖面特征分析∗

高 扬

（1.东部战区政治工作部 南京 210000）（2.国防大学联合作战学院 石家庄 050084）

1 引言

北极地区包括整个北冰洋及其岛屿、北美洲、亚洲以及欧洲大陆的北部边缘海、边缘陆地，是全球气候变化最为剧烈的地区之一，拥有丰富的自然资源和重要的战略地位。随着全球变暖造成的北极冰盖加速融化［1］，北极航道的通航潜力不断提升，北极军事战略地位日益突出，进一步成为美俄等军事大国博弈的焦点［2～5］。

随着新时代我海外国家利益的全域拓展，北极地区在我国发展战略中的重要性也日益提高。但受研究起步时间、科考保障能力等因素限制，相较美俄等军事大国，我国对北极地区的科学认识还存在一定差距，对与军事行动关系密切的水声环境方面的研究还停留在探索的阶段［6］，这将在一定程度上影响我们向北极地区的拓展。同时，声波作为水下信息的主要载体，其传播特征主要受声速剖面特征影响，因此准确掌握水声环境信息，特别是声速剖面特征对于军事应用而言十分重要［7～8］。针对上述问题及需求，本文利用WOA18海洋数据，以北极地区两个典型断面上的站位为代表，对其声速剖面特征进行了分析。

2 研究海区与使用数据

2.1 白令海和楚科奇海

白令海和楚科奇海作为北极地区的代表海域，是北太平洋与北冰洋之间的过渡区域，通过白令海峡相连，拥有着丰富的矿产和渔业资源，同时也在影响全球气候波动的物理过程中起着关键作用，其中白令海地处50°N～65°N、160°E～155°W，属于太平洋北端的边缘海；楚科奇海位于北极区的南端，地处65°N-75°N、175°E-155°W，是由太平洋进入北冰洋的唯一通道［9］。

本文参考中国第十次北极科学考察中的观测站位位置，分别以BR 断面及R 断面上的站位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）为代表，分析北极海区声速剖面特征，其中BR 断面位于白令海东部，是我国在第十次北极科考中首次开展观测的断面；R 断面从南向北贯穿楚科奇海，是我国在北冰洋的传统观测断面［10］。观测站位位置示意图如图1 所示。黑色实线代表R 断面，R1、R2、R3代表R 断面的站位；黑色虚线代表BR 断面，BR1、BR2、BR3代表BR断面的站位。

图1 观测站位位置示意图

2.2 使用数据

World Ocean Atlas（WOA）是美国国家海洋数据中心（NOAA）发布的全球海洋数据产品，它根据世界海洋数据库（WOD）的剖面数据，经过质量控制得到包括温度、盐度及深度在内的海洋环境数据，可以用来为各种海洋模型创建边界及初始条件、验证海洋的数值模拟、证实卫星数据等，具有较高的可信度，其中WOA18 是WOA 数据的最新版本。本文使用的WOA18 数据的空间分辨率为0.25°×0.25°，时间分辨率为季节平均，水平范围覆盖全球，垂向范围覆盖0～5500m的水层。

3 结果

首先验证WOA18 数据的准确性，图2 给出了基于WOA18数据的BR断面夏季温度及盐度剖面，结果表明：BR 断面夏季温度跃层整体呈现南深北浅的特点，其中最南端BR3 处的温跃层深度位于40m 左右，最北端BR1 处的温跃层深度位于20m 左右；盐度剖面整体呈现南高北低的特点，上述结果与文献［8］中第十次北极科考的观测结果相类似，说明WOA18 数据对于BR 断面夏季温度及盐度剖面的特征描述有较高的准确性。

图2 基于WOA18的BR断面夏季温度剖面和夏季盐度剖面

基于WOA18 数据的R 断面夏季温度及盐度剖面结果（图3）进一步表明：R 断面夏季整体表现为表层温度高且盐度低、深层温度低且盐度高的特点，其中R 断面中间站位R2 处20m 以深南、北两侧温度存在显著差别，北侧的R3 站位温度低于0℃，南侧的R1 站位温度高于3℃，上述结果也与文献［8］中第十次北极科考的观测结果相类似，进一步说明本文使用的WOA18数据对于北极地区环境特征的描述是基本准确的。

图3 基于WOA18的R断面夏季温度剖面和夏季盐度剖面

因此本文基于WOA18 提供的温度、盐度及深度数据，根据Matlab 的Gibbs SeaWater（GSW）工具包计算了声速，进而得出了声速剖面。图4 给出了两个断面各站位在四个季节对应的声速剖面情况，对于BR 断面三个站位而言，其声速剖面主要呈现出以下特征：1）同一站位的夏季声速均高于冬季声速，三个站位的最大声速约1480m/s，最小声速约为1435m/s；2）在同一季节条件下，高纬度站位（BR01、BR02）的表层声速低于低纬度站位（BR03）的表层声速；3）高纬度站位（BR01、BR02）的声速最大值均出现在表层，低纬度站位（BR03）声速最小值对应的深度呈现出夏季深、冬季浅的特征，其中夏季声速最小值对应的深度大约在60m 附近。R断面声速剖面特征整体上与BR断面声速剖面特征类似，同时R断面平均声速低于BR断面平均声速，且R 断面的高纬度站位R03 声速剖面季节变化较小，表层声速与深层声速相近。

4 结语

本文基于WOA18 海洋数据，分析了北极地区两个典型断面：白令海BR 断面及楚科奇海R 断面的声速剖面特征。通过与中国第十次北极科考观测结果进行比较，验证了WOA18 数据在北极地区的准确性；基于WOA18 的温度、盐度、深度计算了声速剖面，结果表明：北极地区夏季声速高、冬季声速低；高纬度地区的表层声速低、低纬度地区的表层声速高；高纬度地区的声速最大值在表层，低纬度地区声速最小值对应的深度呈现出夏季深、冬季浅的特征等。

本文使用的是季节平均、空间分辨率为百公里级的WOA18 数据，得出的是北极地区声速剖面低频变化特征，具有一定的参考价值，但无法体现出中小尺度物理过程引起的声速剖面高频变化特征，因此未来可通过分析日平均、空间分辨率更高的海洋资料，进一步提高对北极地区水声环境变化特征的认识。