基于WOA18数据的北极地区声速剖面特征分析.pdf

总第350期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25。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78。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 50N65N、160E155W，属于太收稿日期：2023年2月7日，修回日期：2023年3月10日作者简介：高扬，男，硕士研究生，研究方向：军事指挥。基于 WOA18 数据的北极地区声速剖面特征分析高扬1，2（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）摘要论文基于WOA18海洋数据，分析了北极地区声速剖面特征。结果表明：北极地区的夏季声速高、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。关键词WOA18；北极地区；声速剖面中图分类号O422.1DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2023.08.039Analysis of the Characteristics of the Sound Velocity Profile in theArctic Region Based on WOA18 DataGAO Yang1，2（1.Eastern Theater Political Work Department，Nanjing210000）（2.Joint Operations Institute，National Defense University，Shijiazhuang050084）AbstractBased on the WOA18 data，this paper analyzes the characteristics of the sound velocity profile in the Arctic region.The results show that the sound speed in the arctic region is high in summer and low in winter.The surface sound velocity is low inhigh latitude areas and high in low latitude ares.The maximum sound speed in high latitudes is at the surface，and the depth corresponding to the minimum sound speed in low latitudes is deep in summer and shallow in winter，etc.Key WordsWOA18 data，Arctic region，sound velocity profileClass NumberO422.1舰 船 电 子 工 程Ship Electronic Engineering总第 350 期2023 年第 8 期Vol.43 No.8200舰 船 电 子 工 程2023 年第 8 期平洋北端的边缘海；楚科奇海位于北极区的南端，地处 65N-75N、175E-155W，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（64.0N、167.5W）、BR2（60.5N、171.5W）、BR3（57.0N、174.5W）及 R1（66.0N、169.0W）、R2（69.5N、169.0W）、R3（73.0N、169.0W）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。68 NR2R372 N64 N60 N56 N176 E176 W168 W160 W152 WBR2BR1R1BR3白令海美国俄罗斯楚科奇海图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0.250.25，时间分辨率为季节平均，水平范围覆盖全球，垂向范围覆盖05500m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。BR1BR2深度/m98765432020406080100120140160180200（a）基于WOA18的BR断面夏季温度剖面BR1BR2深度/m0204060801001201401601802003332.832.632.432.23231.831.631.431.231（b）基于WOA18的BR断面夏季盐度剖面图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。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）201总第350期的表层声速；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。图3基于WOA18的R断面夏季温度剖面和夏季盐度剖面图4基于WOA18的BR断面站位声速剖面（上）和R断面站位声速剖面（下）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（a）基于WOA18的R断面夏季温度剖面（b）基于WOA18的R断面夏季盐度剖面R1R2R3深度/m01020304050607080901006543210-1-2R1R2R3深度/m01020304050607080901003332.53231.53130.529.529143014401450146014701480声速/（m/s）0510152025深度/m143014401450146014701480声速/（m/s）1455 1460 1465 1470 1475 1480 1485声速/（m/s）143014401450146014701480声速/（m/s）143014401450146014701480声速/（m/s）143014401450146014701480声速/（m/s）01020304050深度/m01020304050深度/m010203040506070深度/m0102030405060708090深度/m050100150200250300350400深度/m春季夏季秋季冬季BR01BR02BR03R01R02R03高扬：基于WOA18数据的北极地区声速剖面特征分析202舰 船 电 子 工 程2023 年第 8 期的认识。参 考 文 献1 Stephenson S R，Smith L C，Agnew J A.Divergentlong-term trajectories of human access to the ArcticJ.Nature Climate Change，2011，1（3）：156-160.2李启虎，王宁，赵进平，等.北极水声学：一门引人关注的新型学科 J.应用声学，2014，33（06）：471-483.3岳鹏，陈慧文.美俄北极军事竞争及影响 J.唯实，2021（10）：89-92.4Meier W，Stroeve J.An Updated Assessment of the Changing Arctic Sea Ice Cover J.Oceanography，2022.5Metzger E J，Smedstad O M，Thoppil P，et al.US NavyOperational Global Ocean and Arctic Ice Prediction Systems J.Oceanography，2014，27（3）：32-43.6李启虎，黄海宁，尹力，等.北极水声学研究的新进展和新动向 J.声学学报，2018，43（04）：420-431.7过武宏，笪良龙，赵建昕.动态水声环境不确定性的估计与分析 J.应用声学，2013，32（06）：464-472.8过武宏，笪良龙.环境的不确定性对声纳作用距离预报的影响 J.装备环境工程，2008（02）：25-27.9汤毓祥，矫玉田，邹娥梅.白令海和楚科奇海水文特征和水团结构的初步分析 J.极地研究，2001（01）：57-68.10陈红霞，魏泽勋，何琰，等.中国第十次北极物理海洋学科学考察综述J.海洋科学进展，2021，39（03）：327-338.6结语针对航空兵部队航空装备管理过程中工作项目庞杂多样导致反映装备管理工作进展情况的检查指标繁复众多的问题，为使前期构建的“航空装备管理工作检查指标体系”更加科学合理，构建了基于主成分分析法的航空装备管理工作检查信息筛选模型，利用SPSS软件，选取指标体系中某二级指标下的多个工作检查指标的评估数据进行仿真分析，验证了优化工作检查指标的信息筛选模型有效性。参 考 文 献1付顶梁，杨波，杨春辉，等.舰船装备动态检查综合评价研究 J.兵器装备工程学报，2021，42（06）：106-112.2肖丁，陈进军，苏兴，等.装备保障能力评估指标体系研究 J.装备指挥技术学院学报，2011，22（03）：42-45.3冯仁斌，张劲平，靳志刚.外军战时装备管理内容研究J.黑龙江科技信息，2007（06）：18.4王健，张琦，严骏，等.工程装备管理效率评判指标体系与模型 J.解放军理工大学学报（自然科学版），2003（02）：63-66.5张林灵，郑焜.基于PCA算法和K-means聚类算法的医用耗材库存分类管理研究 J.中国医疗设备，2022，37（01）：5-8，19.6郭璐，刘晓东，魏东涛，等.基于改进PCA的导弹装备健康表征参数提取方法 J.系统工程与电子技术，2022，18（35）：1-11.7艾伦，艾霁野.主成分分析在教育装备管理评价指标体系建立中的应用 J.中国教育技术装备，2008（18）：3-4.8刘照德，詹秋泉，田国梁.因子分析综合评价研究综述J.统计与决策，2019，35（19）：68-73.9迟国泰，曹婷婷，张昆.基于相关-主成分分析的人的全面发展评价指标体系构建 J.系统工程理论与实践，2012，32（01）：111-119.10谢艳，任贵华.浅析信息筛选的原则和方法 J.长沙铁道学院学报（社会科学版），2012，13（04）：267-268.11刘连翔，章光裕，张一之.基于大数据平台快速定义指标的方法 J.电工技术，2021（23）：194-197.12赵演松.绩效指标计分的一个新方法：整合型线性插值法 J.经济师，2022（01）：56-57，59.（上接第190页）203