海洋鋒信息產(chǎn)品制作方法研究

方長芳，陳瑞旺，鐘建，張曉娟

（1.91001部隊，北京 100161；2.91197部隊，山東 青島 266405）

1 引言

1.1 海洋鋒定義

海洋鋒是海洋中物理、化學、生物和運動學特征等參數(shù)梯度明顯增大的兩種或幾種水體之間的水平混合狹窄過渡帶[1]。海洋鋒水平空間尺度從幾米到上千公里，影響深度一般從幾米到幾千米，時間尺度從幾天到幾年。海洋鋒根據(jù)要素可以分為溫度鋒、鹽度鋒、密度鋒、聲速鋒和葉綠素鋒等。中國近海海洋鋒根據(jù)形成機制可以分為淺水陸架鋒、河口羽狀鋒、沿岸流鋒、上升流鋒和強西邊界流海洋鋒[2]。

海洋鋒一般存在于海洋沿岸、性質(zhì)不同水團交界處、冷暖海流交界處、河流入?？诤秃Ｑ鬁u旋的邊界處。海洋鋒帶中存在較強的水平輻合（輻散）、垂直運動和湍流混合交換等中小尺度運動。大氣鋒面移動很快，但是海洋鋒位置移動十分緩慢或者幾乎不動，主要是隨季節(jié)變化而緩慢移動和強弱變化。

1.2 海洋鋒的影響

海洋鋒對海洋漁業(yè)、海洋生態(tài)環(huán)境、聲傳播和水下作戰(zhàn)等都具有重要影響。海洋鋒區(qū)附近常伴隨海水輻合、上升流和垂向湍流混合等小尺度海水運動，營養(yǎng)鹽豐富，海洋浮游生物和魚類較多，因此多為重要漁場，例如舟山漁場和閩南漁場。在海洋環(huán)境保護方面，海洋鋒區(qū)常伴有海水的輻合，能將浮游碎屑、油污和重金屬等物質(zhì)聚集在鋒帶附近[3]。

海洋鋒兩側(cè)的聲道軸深度、聲學層深度、溫度和密度等差異較大；穿過鋒區(qū)時，聲波會產(chǎn)生不同程度的折射和反射，能量損失增大，導致聲納作用距離減小和觀測方位產(chǎn)生偏差。海洋鋒附近的生物活動較多，一般環(huán)境噪聲和體積混響較強。

1.3 海洋鋒信息產(chǎn)品制作的發(fā)展現(xiàn)狀

美國從20世紀70年代開展海洋鋒及其對聲傳播影響研究。Cheney等[4]總結(jié)分析了全球43個海洋鋒，根據(jù)海洋鋒兩側(cè)的聲速變化、聲學層深度變化、鋒面影響深度和持續(xù)時間進行綜合分級，分為弱、中、強三級，并總結(jié)了海洋鋒兩側(cè)的水聲環(huán)境變化。隨著海洋衛(wèi)星遙感的發(fā)展，國內(nèi)外學者基于衛(wèi)星遙感海面溫度資料對海面溫度鋒進行了大量研究[5]。在近岸海洋鋒、黑潮、黑潮延伸體和灣流等強鋒區(qū)，基于有限海洋調(diào)查觀測資料，部分學者開展了海洋鋒垂直結(jié)構(gòu)研究[5]。

隨著海洋觀測和海洋數(shù)值預報技術(shù)的發(fā)展，海洋鋒預報技術(shù)逐漸成熟。研究人員基于美國1/16°的分層海洋環(huán)流模式、1/16°的HYCOM（HYbrid Coordinate Ocean Model）模 式、PROFS（Princeton Regional Ocean Forecast System）模式和法國麥卡托海洋預報中心（Mercator Ocean）海洋模式等開展了灣流海洋鋒和墨西哥渦旋鋒面的實時預報和預報試驗研究[6-10]?，F(xiàn)在，美國國家大氣和海洋管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）每天發(fā)布美國海軍制作的北大西洋灣流附近溫度鋒和渦旋實況分析產(chǎn)品（網(wǎng)址：https://ocean.weather.gov/gulf_stream.php）。我國臺灣海洋水文部門資料展示平臺每天發(fā)布基于美國衛(wèi)星遙感溫度（1/20°）和法國哥白尼數(shù)據(jù)中心的高度計（1/8°）數(shù)據(jù)制作的海洋鋒和渦旋分析產(chǎn)品，區(qū)域范圍是105°～135°E，2°～35°N（網(wǎng)址：https://odbgo.oc.ntu.edu.tw/odbargo/）。

相比大氣鋒面，國際和國內(nèi)都沒有統(tǒng)一的海洋鋒診斷標準、強度分級和顯示標準。國內(nèi)面向業(yè)務(wù)化應(yīng)用的海洋鋒強度分級和海洋鋒信息產(chǎn)品制作方法研究較少。本文開展了基于MODAS（Modular Ocean Data Assimilation System）準實時分析數(shù)據(jù)的海洋鋒診斷和強度分級研究，并制作了海洋鋒特征信息產(chǎn)品和聲傳播損失信息產(chǎn)品。

2 數(shù)據(jù)

本文使用的數(shù)據(jù)是MODAS模塊化海洋數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)準實時分析數(shù)據(jù)[10]。MODAS使用海洋垂向投影反演技術(shù)，同化準實時海洋衛(wèi)星遙感高度計資料、衛(wèi)星遙感海面溫度、實測溫鹽垂直剖面數(shù)據(jù)、GTSPP（Global Temperature and Salinity Profile Program）數(shù)據(jù)和ARGO（Array for Realtime Geostrophic Oceanography）等形成海洋溫鹽密聲準實時分析場。MODAS數(shù)據(jù)產(chǎn)品的水平范圍是：99°～150°E，10°S～52°N；水平分辨率是1/8°；垂直分為51層（1 000 m以上有26層）。

MODAS數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)的特點是：運行速度快，一般5～10 min就可運行完畢；對硬件要求不高，普通電腦和筆記本即可。MODAS可快速為海洋業(yè)務(wù)預報、海洋環(huán)境態(tài)勢分析和輔助決策等提供信息支撐。美國自2002年已經(jīng)開展了基于MODAS的海洋聲場環(huán)境評估[10]。

3 海洋鋒診斷閾值標準和強度分級

目前還沒有海洋鋒診斷閾值和強度分級方面的國家標準或行業(yè)標準。前人對中國近海海洋溫度鋒和聲速鋒的診斷閾值研究主要基于分海區(qū)的診斷研究[11-12]。分海區(qū)海洋鋒診斷研究對不同海區(qū)使用不同的診斷閾值，強鋒區(qū)使用較高海洋鋒診斷閾值，弱鋒區(qū)使用較低海洋鋒診斷閾值。分海區(qū)海洋鋒診斷研究方法優(yōu)點是：適用于海洋鋒氣候背景特征規(guī)律研究，對局部海洋鋒特征規(guī)律可進行細致研究。分海區(qū)海洋鋒診斷研究方法缺點是：不適用于海洋鋒實時和預報場的診斷。由于不同海區(qū)使用不同的海洋鋒診斷閾值，無法比較不同區(qū)域的海洋鋒區(qū)域范圍大小，強鋒區(qū)和弱鋒區(qū)的鋒區(qū)范圍大小可能一樣，容易造成混淆和誤導。如果一條海洋鋒跨多個分區(qū)，海洋鋒不同部分的診斷標準不同，診斷出來的海洋鋒鋒區(qū)和位置可能產(chǎn)生變形和移位。

鑒于海洋鋒對海洋生態(tài)環(huán)境和聲傳播等的影響，海洋鋒強度越強，一般對海洋生態(tài)環(huán)境和聲傳播等的影響就越大，因此本文研究制定的海洋鋒診斷閾值不再分海區(qū)，甚至西北太平洋所有海區(qū)使用同一海洋鋒診斷閾值和強度分級標準。本文采用的海洋鋒診斷閾值比較低，可以診斷出較弱海洋鋒，不會遺漏弱鋒區(qū)的海洋鋒。弱鋒區(qū)的海洋鋒范圍小、強度弱，強鋒區(qū)的海洋鋒范圍廣、強度強。相比分海區(qū)海洋鋒診斷研究方法，本文采用的同一海洋鋒診斷閾值方法更加科學合理。

3.1 要素水平梯度和海洋鋒強度區(qū)間格點比率

對于網(wǎng)格化格點數(shù)據(jù)（例如MODAS和數(shù)值預報數(shù)據(jù)產(chǎn)品等），海洋要素水平梯度的計算公式為：

式中，v代表海水要素變量，例如溫度、鹽度、密度、聲速和流速等；grad v代表變量v的水平梯度；x和y分別代表東西和南北方向的坐標。

3.2 海洋鋒診斷閾值

要素梯度大于海洋鋒診斷閾值的區(qū)域定義為海洋鋒?；谝厮教荻?，使用海洋鋒診斷閾值診斷海洋鋒，其計算準確度和效率都較高。使用1 a的MODAS三維準實時分析數(shù)據(jù)（2019年1月—2020年1月），分析了海洋鋒時空特征規(guī)律，研究制定了海洋鋒診斷閾值，確定了海洋要素梯度極大值。根據(jù)實際業(yè)務(wù)需求和海洋鋒時空特征規(guī)律，分別選擇3℃/hkm和10 m/（s·hkm）作為海洋溫度鋒和聲速鋒診斷標準閾值，hkm（one hundred kilometer）代表100 km。本文使用的海洋溫度鋒和聲速鋒診斷閾值比較低，可以診斷出較弱海洋溫度鋒和聲速鋒。

3.3 海洋鋒強度分級

海洋鋒強度定義為超過海洋鋒診斷閾值的海洋要素梯度值（見表1和表2）?；贛ODAS數(shù)據(jù)，分析得到海洋鋒強度極大值區(qū)域特征：中國近岸溫度鋒最大強度大約是10℃/hkm，聲速鋒最大強度大約是40 m/（s·hkm）（在冬季長江入?？诟浇团_灣海峽南部）；黑潮附近的溫度鋒最大強度大約是14℃/hkm，聲速鋒最大強度大約是40 m/（s·hkm）；日本以東黑潮延伸體附近，溫度鋒最大強度大約是14℃/hkm，聲速鋒最大強度大約是50 m/（s·hkm）。黑潮延伸體附近實際海洋調(diào)查數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，溫度鋒最大強度可達8℃/10 km（即80℃/hkm），聲速鋒最大強度可達300 m/（s·hkm）。一般在近海和部分遠海區(qū)域海洋鋒強度最強。在日本以南和黑潮延伸體附近的部分海域，最大海洋鋒強度一般位于次表層。

表1 海洋溫度鋒強度分級及建議配色

表2 海洋聲速鋒強度分級及建議配色

海洋鋒強度區(qū)間格點比率定義是：在四維時空范圍內(nèi)，超過海洋鋒診斷閾值的處于某梯度區(qū)間的格點數(shù)除以所有超過海洋鋒診斷閾值的格點數(shù)。例如，在365 d的逐日MODAS數(shù)據(jù)中，所有溫度梯度大于3℃/hkm（海洋鋒診斷閾值）的格點數(shù)是n0，要素梯度區(qū)間處于［3 5）的格點數(shù)是n1，那么溫度鋒強度區(qū)間［3 5）的格點數(shù)比率是n1/n0×100%?；? a逐日的MODAS數(shù)據(jù)，統(tǒng)計了超過海洋鋒診斷閾值的強度區(qū)間格點比率（見圖1）。

根據(jù)實際業(yè)務(wù)需求、海洋鋒區(qū)域特征、強度極值特征、強度區(qū)間格點比率及其對聲傳播的影響等，對海洋鋒進行了強度分級（見圖1和表1）。海洋溫度鋒強度等級是：［3 5）是弱，［5 8）是中，［8 14）是強，≥14是超強；溫度鋒各個強度等級的要素格點比率分別是61%、27%、10%和2%。海洋聲速鋒強度等級是：［10 20）是弱，［20 30）是中，［30 50）是強，≥50是超強；聲速鋒各個強度等級的要素格點比率分別是71%、19%、8%和2%。弱、中、強等級的區(qū)間是半閉半開區(qū)間。海洋鋒4個強度等級建議分別使用淡藍色、綠色、紅色和黑紅色進行涂色，色差清晰直觀，可直接根據(jù)顏色判斷海洋鋒強度等級?；谠摵Ｑ箐h強度分級及建議配色制作的海洋鋒信息產(chǎn)品，能夠簡潔、直觀和科學地展現(xiàn)海洋鋒位置強度和區(qū)域特征規(guī)律。

圖1 西北太平洋海洋鋒強度分級及區(qū)間比率

4 海洋鋒特征信息產(chǎn)品制作

海洋鋒特征信息產(chǎn)品制作注意事項主要包括：特征信息定義科學合理、信息要素齊全、顯示清晰直觀和重點信息突出。使用海洋三維要素場、海洋鋒診斷閾值和強度分級標準，可以制作海洋鋒二維和三維特征信息產(chǎn)品。海洋鋒二維和三維特征信息產(chǎn)品各有優(yōu)缺點，可共同使用且互相補充。海洋鋒特征信息產(chǎn)品準確度取決于所用要素數(shù)據(jù)產(chǎn)品的準確度。

4.1 海洋鋒特征信息定義

海洋鋒各個特征信息的定義見表3。

表3 海洋鋒特征信息定義表

4.2 海洋鋒二維特征信息產(chǎn)品

海洋鋒逐層二維特征信息產(chǎn)品可用于查詢指定深度的海洋要素、海洋鋒位置和強度等信息。中國近海海區(qū)受季風、潮流、上升流和入海徑流等影響，易生成近岸海洋鋒；近岸海洋鋒季節(jié)變化特征明顯，一般冬季春季強，夏季秋季弱。我們研究了2020年3月東海溫度鋒逐層二維特征信息,得到以下結(jié)論：東海海洋溫度鋒主要分布于浙江福建廣東沿岸、臺灣海峽、黑潮和黑潮分支流入東海黃海附近海域，其中臺灣海峽和黑潮附近溫度鋒最強；近岸海洋鋒影響深度一般從海面到海底，最大強度深度位于海面，黑潮附近溫度鋒最大強度深度位于水下100～200 m。

4.3 海洋鋒三維特征信息產(chǎn)品

海洋鋒三維特征信息產(chǎn)品可用于查詢海洋鋒整體三維結(jié)構(gòu)特征。特征信息包括海洋鋒的上界深度、下界深度、影響深度、厚度、垂直最大強度、垂直最大強度深度和垂直平均強度等。海洋鋒強度方面的特征信息均使用本文研究制定的強度等級和色標標準（見表1和表2）。海洋鋒深度方面的特征信息建議均使用統(tǒng)一的深度色標，深度色標間隔不大于20 m。可以使用同樣的方法基于其他數(shù)據(jù)資料（海面衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、氣候統(tǒng)計數(shù)據(jù)和數(shù)值預報產(chǎn)品）制作海洋鋒二維、三維特征信息產(chǎn)品。

基于MODAS實時分析數(shù)據(jù)，我們研究了西北太平洋冬季和夏季的海洋溫度鋒和聲速鋒的三維特征信息。西北太平洋海洋鋒冬季和春季最強，夏季和秋季較弱。中高緯度海洋鋒覆蓋范圍廣且強度較強，低緯度海洋鋒覆蓋范圍少且強度較弱。由于聲速主要受溫度影響，除長江入?？谝酝?，西北太平洋海洋溫度鋒和聲速鋒的季節(jié)和區(qū)域特征規(guī)律幾乎一致。

在日本以南（黑潮流軸）和以東海域（30°～45°N，黑潮親潮交匯區(qū)）渦旋較多較強，海洋鋒強度最強、覆蓋范圍廣且全年存在，海洋鋒影響深度從海表或幾十米到幾百米，垂直最大強度深度一般位于50～600 m。日本以南以東海洋鋒呈斜壓結(jié)構(gòu)，隨著緯度增加，海洋鋒上界深度、下界深度和最大強度深度都變淺。海洋鋒下界深度，在30°～37°N大約是300～800 m，在40°～45°N大約是20～400 m。部分強渦旋的邊界處存在海洋鋒，形成環(huán)狀海洋鋒（“渦旋鋒面”）[5]，例如，2019年2月5日渦旋中心點位于144°E，32°N和137°E，37°N，渦旋邊界處存在明顯的渦旋鋒面。日本海全年存在海洋鋒，海洋鋒強度較強，冬季海洋鋒強于夏季；日本海40°N以南海域的海洋鋒強度強、出現(xiàn)頻次高且影響深度深。受海底地形、海流彎曲和渦旋等的影響，日本海海洋鋒形狀凌亂。

4.4 MODAS海洋鋒特征信息產(chǎn)品準確度簡介

海洋鋒信息產(chǎn)品制作方法的本質(zhì)是基于海洋要素數(shù)據(jù)場進行海洋鋒及其特征信息的診斷。海洋鋒信息產(chǎn)品的準確度取決于使用的海洋要素數(shù)據(jù)場的準確度。通過對比MODAS海洋鋒產(chǎn)品（1/8°）、我國臺灣發(fā)布的海洋鋒產(chǎn)品（1/20°）和海洋實際調(diào)查數(shù)據(jù)，得到以下結(jié)論：（1）海面溫度鋒鋒區(qū)位置基本一致，彎曲走向大體一致；（2）MODAS有水下各層海洋鋒信息和三維海洋鋒特征信息產(chǎn)品，但是我國臺灣發(fā)布的海洋鋒信息產(chǎn)品是基于衛(wèi)星遙感海面溫度數(shù)據(jù)（1/20°）制作的，沒有水下海洋鋒信息；（3）由于受產(chǎn)品分辨率和準確率的影響，MODAS海洋鋒信息產(chǎn)品寬度偏寬，強度偏弱。實際海洋調(diào)查資料診斷的海洋鋒和我國臺灣發(fā)布的海洋鋒（1/20°）寬度更窄，強度更強。

5 海洋鋒聲傳播信息產(chǎn)品制作

5.1 海洋聲學基本概念

（1）深海聲道軸

在海洋上混合層，溫度不變，受壓力增大影響，海水聲速緩慢增加到聲學層深度（見圖2）；混合層以下，海水溫度降低，主要受海水溫度降低的影響，聲速隨深度增加而降低；到了深海等溫層，主要受海水壓力增加的影響，聲速隨深度增加而增加。聲速極小值所在深度稱為深海聲道軸[13-14]，如果聲源信號位于深海聲道軸，聲傳播損失較少，聲信號可以傳播幾百甚至幾千公里。

圖2 典型的深海聲速剖面結(jié)構(gòu)示意圖

（2）深度余量

臨界深度是在深海聲道軸以下，海水聲速值等于聲學層深度聲速值的深度。臨界深度以下到海底的深度距離稱為深度余量[13-14]。

（3）深海匯聚區(qū)

在深海遠距離傳播中，不同途徑的聲線匯聚（局部聚焦）所形成的聲強度高值區(qū)稱為深海匯聚區(qū)[13-14]。

（4）表面聲道

在聲學層，海水聲速隨深度的增加而增大，呈正聲速梯度分布，海面附近聲源發(fā)射出來的聲線在傳播過程中向海面折射，聲能大部分被限制在海水表層內(nèi)，形成表面聲道（又稱海面波導）[13-14]。

5.2 Bellhop模型聲傳播模型介紹

本程序基于聲速數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)等，使用Bellhop模型[15]制作海洋鋒聲傳播損失信息產(chǎn)品，使用Etopo1的1′海底地形數(shù)據(jù)，可用于計算沿任意斷面的聲傳播損失。Bellhop是一款高效的射線追蹤程序[15]。Bellhop模型輸出選項包括射線坐標、傳播時間、振幅、本征射線、聲壓或者傳播損失。

5.3 海洋鋒對聲傳播影響

海洋鋒聲傳播信息產(chǎn)品對于海洋環(huán)境影響效能評估具有重要作用。選擇黑潮延伸體附近的海洋聲速鋒進行聲傳播影響信息產(chǎn)品制作示例。黑潮延伸體附近海洋鋒強度非常強，最大強度可達60 m/（s·hkm）。選擇AB斷面橫切海洋聲速鋒（A點：146°E，36.3°N；B點：147°E，37.6°N）。AB斷面的海水平均深度大約是5 500 m，無海溝和海脊。圖3是AB斷面聲速垂直剖面圖。

圖4a和4b為沿穿過海洋鋒的AB斷面的聲傳播損失，聲傳播方向存在聲速和地形的變化；聲源位于端點A，聲源深度50 m，聲源頻率50 Hz，聲信號沿AB斷面向端點B傳播。在AB斷面的0～20 km處，在0～100 m層海水聲速隨深度增加（見圖3），因此形成了表面波導（圖4a和4b）；AB斷面附近的深海聲道軸的深度大約是1 000 m（見圖3），海底存在聲速深度余量，因此形成了清晰顯著的深海匯聚區(qū)現(xiàn)象，第一匯聚區(qū)距離大約60 km，第二匯聚區(qū)距離大約120 km，和前人研究結(jié)論一致[16]。第二匯聚區(qū)比第一匯聚區(qū)聲傳播損失增大，匯聚區(qū)寬度變寬。

圖3 AB斷面聲速剖面（2019年6月6日）

圖4 穿過海洋鋒的AB斷面和無海洋鋒的聲傳播損失圖

圖4c和4d為假設(shè)無海洋鋒時的聲傳播損失，僅使用A點的聲速垂直剖面和海水深度，不考慮傳播方向上聲速和地形的變化時，聲源信號傳播同樣的距離，0～20 km處同樣存在海面波導，相比沿AB斷面?zhèn)鞑r，第一和第二匯聚區(qū)的傳播損失增大（見圖4），第二匯聚區(qū)寬度變窄。對比實驗說明，在黑潮延伸體附近海域，當海水聲速存在深度余量，聲信號從海洋鋒暖水一側(cè)向冷水一側(cè)傳播時，比不存在海洋鋒時，聲傳播損失減少[17]。

6 總結(jié)

海洋鋒是重要的海洋中尺度現(xiàn)象，影響海洋漁業(yè)、海洋生態(tài)環(huán)境和海洋聲傳播等。海洋鋒診斷、強度分級和預報暫時沒有行業(yè)標準和國家標準。隨著海洋觀測和海洋預報技術(shù)的發(fā)展進步，海上活動對海洋預報需求增多，要求提高，因此急需研究海洋鋒信息產(chǎn)品制作方法，并制定海洋鋒預報標準和顯示標準。

海洋鋒診斷閾值和強度分級需要綜合考慮實際業(yè)務(wù)保障需求和特征規(guī)律。本文基于準實時分析數(shù)據(jù)，統(tǒng)計了要素梯度格點比率，研究了海洋溫度鋒聲速鋒的診斷閾值和強度分級，制作了海洋鋒特征信息產(chǎn)品和聲傳播損失信息產(chǎn)品。本文介紹的海洋鋒信息產(chǎn)品制作方法同樣適用于數(shù)值預報海洋鋒信息產(chǎn)品制作。本文研究成果可為海洋鋒強度分級、海洋鋒預報標準制定、海洋鋒預報產(chǎn)品制作和海洋鋒聲傳播影響評估等提供研究基礎(chǔ)。

在近岸海洋鋒附近，海底地形變化復雜，躍層現(xiàn)象特征明顯，因此研究近岸海洋鋒對聲傳播的影響時，需要綜合考慮海洋鋒、海底地形和躍層等對聲傳播的影響[17-18]。水下觀測數(shù)據(jù)匱乏，直接影響制約了海洋鋒三維結(jié)構(gòu)特征研究和預報；建議全面整合使用調(diào)查觀測數(shù)據(jù)、海洋再分析數(shù)據(jù)、海洋氣候統(tǒng)計數(shù)據(jù)[19]和準實時分析數(shù)據(jù)產(chǎn)品等，開展海洋鋒三維結(jié)構(gòu)研究、信息產(chǎn)品制作和聲傳播影響評估。