聲納探測北極海冰吃水深度規(guī)律的仿真分析

周康穎，李倩倩，李宏琳，史 娟

（1. 山東科技大學(xué) 測繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590）

近年來全球氣候變暖已引起冰川、凍土、積雪和海冰等冰凍圈要素的加速退縮，自1979年有衛(wèi)星觀測記錄以來，北極海冰面積特別是秋季海冰面積呈明顯的下降趨勢[1]，進(jìn)而對區(qū)域水資源、生態(tài)環(huán)境、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人類福祉產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響[2]。目前我國在南極設(shè)立了長城、昆侖、中山、泰山4 個科學(xué)考察站；而北極的科學(xué)考察站只有2004年在挪威斯匹次卑爾根群島新奧爾松建立的黃河站，以及去年與冰島聯(lián)合建立的位于冰島北部的中-冰北極科學(xué)考察站，由此可見，我國對于北極的研究開始得比較晚，落后于美國等其他國家。隨著全球變暖，北極冰雪開始融化變薄，北極日益成為世界的焦點(diǎn)。北極冰雪消融一方面會使海平面上升，導(dǎo)致部分國家可用土地的減少；另一方面，促進(jìn)了北極東北航道與西北航道的開辟，為周邊國家?guī)砹瞬豢啥嗟玫臋C(jī)遇。與西北航道相比，東北航道沿途擁有更完善的通航基礎(chǔ)設(shè)施和更適航的地形條件[3]。2013 年8 月，我國中遠(yuǎn)集團(tuán)的“永盛”號貨輪首次穿越東北航道，歷經(jīng)27 天的航行，于當(dāng)?shù)貢r間 2013 年 9 月 10 日 15 時停靠在荷蘭鹿特丹港，成為經(jīng)過北極東北航道，完成亞歐航行的第一艘中國商船。相較于之前的航道，節(jié)省十幾天。國內(nèi)外學(xué)者均認(rèn)為與北極海冰有關(guān)的因素是制約北極通航的關(guān)鍵[4]，因此對北極海冰吃水深度變化規(guī)律的研究變得迫在眉睫。20 世紀(jì)90 年代我國首次組織北極考察隊，2019 年是第十次進(jìn)行北極考察活動，20 年來獲取了眾多寶貴資料。然而，我國科考皆是乘坐破冰船在浮冰上進(jìn)行考察活動，對海冰的測量多采用建立測站觀察下方浮標(biāo)的方法。本文則以一個新的角度去了解北極，即采用通過潛艇搭載仰視聲吶從海冰下面探測北極地區(qū)海冰的方法，通過潛艇不斷變換航道，對北極海冰進(jìn)行整體充分的測量，從更加宏觀的角度測量北極海冰的吃水深度狀況，以期為未來我國的北極戰(zhàn)略提供一個研究方向。

1 研究方法與基本算法

本文在研究北極海冰吃水與時間、空間的變化關(guān)系的同時[5]，研究了海冰吃水深度的年代際變化規(guī)律[6]。首先采用采樣的研究方法在北極地區(qū)選取10 個測區(qū)（同緯度和同經(jīng)度各5個測區(qū)），再通過對比不同測區(qū)間海冰吃水深度分析同緯度或同經(jīng)度的分布、變化規(guī)律，最后對測區(qū)內(nèi)包含的各年份海冰吃水情況進(jìn)行統(tǒng)計分析。均值計算公式為：

泊松分布計算公式為：

式中， λ 為單位時間（或單位面積）內(nèi)隨機(jī)事件的平均發(fā)生次數(shù)，泊松分布的期望和方差均為λ。

2 數(shù)據(jù)來源與方法分析

本文研究數(shù)據(jù)來源于美國冰雪數(shù)據(jù)中心（https://nsidc.org/data/g01360），數(shù)據(jù)皆為開源免費(fèi)下載，包括潛艇在北冰洋收集的仰視聲吶海冰吃水?dāng)?shù)據(jù)，由美國海軍與皇家潛艇部隊聯(lián)合共同測得。潛艇的歷年航線軌跡如圖1 所示，包括1960—2005 年21 個勘測年份，共計2 270 個航道，其中仰視聲吶累積航線長度為6.59萬km，每隔2~3 m采樣一次，共采樣4 145.5萬個海冰吃水深度，遍布整個北冰洋。數(shù)據(jù)格式與內(nèi)容如圖2 所示，包括潛艇的航行時間、航行速度、航行深度、始末經(jīng)緯度、航線長度、采點(diǎn)個數(shù)、每個點(diǎn)距離起始位置距離和該點(diǎn)海冰吃水深度。

圖1 潛艇航行軌跡圖

以兩種方式對潛艇航道軌跡進(jìn)行采樣，即在同緯度地區(qū)和同經(jīng)度地區(qū)分別取樣。對樣區(qū)內(nèi)測得的海冰吃水深度進(jìn)行統(tǒng)計，以0.05 m 為一個吃水深度間隔，畫出海冰吃水深度頻率分布圖；再對頻率分布圖進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，得到更加直觀的圖像；最后統(tǒng)計各測區(qū)內(nèi)各年份的海冰吃水深度平均值，研究其變化規(guī)律。

2.1 同緯度地區(qū)不同經(jīng)度范圍測區(qū)的對比分析

本文選取的緯度為88°~89°的5個分區(qū)的地理位置如圖3 所示，由左至右經(jīng)度范圍分別為80°~100°、120°~140°、160°~180°、220°~240°、300°~320°，即每個分區(qū)的范圍大小為1 個緯度20 個經(jīng)度。5 個測區(qū)內(nèi)包含的年份信息、每個年份內(nèi)海冰吃水深度的頻率分布信息以及海冰吃水深度隨時間的變化趨勢如圖4所示，可以看出，每個測區(qū)內(nèi)隨著年份的變化，海冰吃水深度均呈減小趨勢，且年份相差越遠(yuǎn)，圖形中顯示越明顯；若設(shè)定大于0.5 m 的為常年冰，則可發(fā)現(xiàn)常年冰的比值大小與年份同樣相關(guān)，年份遞進(jìn)的同時，常年冰所占比值呈下降趨勢，這一現(xiàn)象表明環(huán)境破壞導(dǎo)致的全球變暖對北極的影響正在逐年加深[7]，或許在不遠(yuǎn)的將來，北極將出現(xiàn)無冰的現(xiàn)象，其帶來的負(fù)面影響不可估計。

圖3 同緯度5個測區(qū)分布圖

圖4 同緯度5個測區(qū)海冰吃水深度頻率分布圖

由海冰吃水深度均值與年份間的變化關(guān)系圖可知，海冰吃水深度隨著年份的遞進(jìn)逐年減少，1960年后海冰吃水深度緩慢下降，在1985 年前后有所回升，在1988 年前后下降速度明顯加快，直至2000 年再次出現(xiàn)回升的跡象；與Science Letter中1989—1993年海冰急劇減少的結(jié)論相吻合[8]，而其分區(qū)內(nèi)對應(yīng)年份海冰吃水深度的方差與均值出現(xiàn)了類似的變化規(guī)律，方差在一定程度上反映了海冰下界面的粗糙度，說明海冰粗糙度亦有此規(guī)律。

2.2 同經(jīng)度地區(qū)不同緯度范圍測區(qū)的對比分析

本文選取的經(jīng)度范圍為180°~200°的5個分區(qū)的地理位置如圖5 所示，由下至上緯度范圍分別為80°~81°、82°~83°、84°~85°、86°~87°、88°~89°，即每個分區(qū)的大小為1個緯度20個經(jīng)度，但最下面測區(qū)所占面積要大得多。

圖5 同經(jīng)度5個測區(qū)分布圖

同經(jīng)度5 個測區(qū)的海冰吃水深度頻率分布如圖6所示，可以看出，隨著年份的遞進(jìn)，海冰吃水深度呈整體降低趨勢；當(dāng)測區(qū)緯度較低時，其最大頻率的吃水深度較小，且總體吃水深度比緯度高的測區(qū)小，表現(xiàn)為隨著測區(qū)緯度的降低整個圖形向左平移；而最大吃水深度出現(xiàn)在緯度為86°~87°的測區(qū)，并不是緯度最高的88°~89°測區(qū)，說明海冰吃水深度還與其他因素有關(guān)，如北極濤動的影響[9]。

圖6 同經(jīng)度5個測區(qū)海冰吃水深度頻率分布圖

由5 個測區(qū)海冰吃水深度均值與年份間的變化關(guān)系可知，海冰吃水深度出現(xiàn)了多次突發(fā)性變化[10]；1975—1985 年降低速度明顯提升，在1985 年前后出現(xiàn)回升，1988 年高緯度的a、b 測區(qū)與低緯度的c、d、e測區(qū)變化出現(xiàn)差異，低緯度測區(qū)海冰吃水深度再次急劇加速降低后又明顯回升，高緯度測區(qū)則較穩(wěn)定，至1992年前后低緯度測區(qū)海冰吃水深度再次明顯降低，在2000 年前后海冰吃水深度整體呈回升趨勢，表現(xiàn)為高緯度測區(qū)海冰吃水深度降低速度減緩，低緯度測區(qū)出現(xiàn)回升，說明這期間全球變暖或有減緩趨勢[11]，局部甚至有降溫的跡象[12]。

3 結(jié) 語

本文通過對搜集的仰視聲吶測得的北極海冰吃水深度數(shù)據(jù)進(jìn)行整理歸納、仿真分析，可以得出以下結(jié)論：①北極海冰吃水深度呈極明顯的下降趨勢；②北極海冰吃水深度不僅與緯度有關(guān)，還與其他因素相關(guān)；③北極整體海冰吃水深度正在降低，且與緯度相關(guān)，表現(xiàn)為高緯度地區(qū)降低得較緩慢，低緯度地區(qū)降低速度較快；④1980—1990年北極海冰吃水深度有兩次劇烈浮動，而2000—2005年北極海冰吃水深度有些許回升；⑤在同一經(jīng)度上，北極海冰高緯度地區(qū)下表面粗糙度較穩(wěn)定，低緯度地區(qū)粗糙度變化異常明顯，與海冰吃水深度均值變化規(guī)律相似。