海洋研究▏李启虎等：北极水声学研究的新进展和新动向

李启虎等溪流之海洋人生 2021-10-08

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早在1947年，美国海军研究室（OUR）就开始在阿拉斯加的巴罗附近建造了北极研究实验室（后来被命名为海军北极研究实验室）。当美国海军鹦鹉螺号于1958年第一次进行了冰下穿越北极的行动之后，北冰洋便具有了显著的战略意义，而随着美国和俄罗斯（苏联）核潜艇在北极的常规穿越和部署则标志着人们对北极水声学兴趣的开始（见图1）。

北极水声学的研究指的是北冰洋地区及其毗邻海域的海洋声学、水声学的研究工作，实际上高纬度地区的水声学研究都可以看作是极地声学的一部分。但是，由于南极冰盖下是大陆。同时，地球上的绝大多数国家在北半球，人们对北极航道的关注，远远大于对南极海域的关注。所以一般人们提“极地声学”，实际上仍把目光集中在北极。

美国关于北极水声学的出版物最早出现在20世纪60年代初由国防研究人员出版的科学文献中，俄罗斯对北极水声学的研究的公开资料相当少，但从有关文献中推断其研究也是相当深入的。早期北极水声学的研究依靠在漂流的冰面上建立的冰上观测站进行，主要动机是了解北冰洋盆地的声学，以支持其核潜艇活动。

北冰洋的水声学与其它海洋相比具有独特的性质，由于冰盖的存在，声音是北冰洋地区唯一可用于远程通信和监测的媒介。冰盖在声学上具有重要意义，它充当边界，保护海洋免受风、波浪和湍流的影响。该边界还起到使海洋与太阳辐射隔离的作用，使得冰下水体结构稳定，使声音传输更加稳定，并因此传播更远的距离。冰盖的存在还可以改变水体的性质，北极冰下水体中，上表面主要是新鲜寒冷的海水，而不是温暖而盐度较高的海水，因此北冰洋的声学环境具有强烈的向上折射的声速剖面。冰盖的存在及其时空变异性引起了独特的环境噪声，其粗糙度和厚度的变化带来高反射系数，产生了强烈的混响。

一、北极水声环境的新变化

在2000年以后，由于气候变化，北冰洋正在经历着巨大的变化，最明显的是夏季冰盖的范围和厚度迅速减少，如图2，北极地区多年冰的比例大大下降只占北冰洋冰的30％，初年冰的比例上升。海冰的年龄对冰冠的特征有很大的影响，特别是冰的厚度和粗糙度，初年冰在冰下的剖面更光滑，而多年冰更厚。冰脊的形成过程是北极地区重要的噪声来源，这一现象在多年冰中发生的比例更高，而多年冰盐分含量较低，相对脆弱，容易开裂，因而产生的噪声较大。冰层的减少，使得覆冰区和无冰海洋区之间的过渡带冰缘区（MIZ）的面积比以往更大，冰缘区是一个动态区域，在那里，一些大气和海洋现象和过程，如极地低压、表面波、锋面、涡和其它中尺度海流现象对冰盖有很大的影响。在风和海流的影响下，冰团的相互移动产生噪声，可使噪声水平增加4～12dB。开阔水域的扩大，促进了航运的增加和地质勘探的开展，在加拿大海盆区域，地震测量可以使自然环境中的背景噪声增加2～8dB。以上现象使得北极的水声环境正经历着前所未有的环境噪声来源与组成成分的变化。

另外一个明显的变化是来自太平洋和大西洋的底层水团的变化，这一变化影响冰下水体的温盐结构，改变了海洋声波导环境，从而影响声波在北冰洋中的传播（见图3）。

在ONR于2014进行的边缘冰区研究中，中心频率为900Hz的导航信号的传输范围大大超出了预期，超过400km。说明了由于气候变化带来的北冰洋海域最佳传播频率范围的改变，在不同的距离尺度上，北冰洋海域水声最佳传播频率上限频率都可以提高，由此使得应用于通信、导航以及海洋环境监测的声学系统规模变小、费用降低、布放也更容易，并使得新型、长生存周期的水下无人平台在北极观测网中占据更重要的位置。

而Worcester认为，由于冰盖减少，更多的开放水域带来了能量交换窗口，增加了内波形成的概率，由此带来了声学体积散射的增加，同时，受气候变化影响而改变的北冰洋环境对低频传播带来了影响，使得北冰洋的低频噪声背景场发生了改变，从而需要对北冰洋海域内受海洋与冰共同约束的水声信号处理基本限进行研究。

二、国外极地声学研究的新进展

由于海冰的减少，北冰洋海域逐步开放，在北极地区的水声学研究显得更为引人注目，北极水声学的研究在能源与矿产、渔业资源与生态环境、旅游与交通运输、气候变化以及国防安全等方面的需求也曰益凸显。从公开文献中可以看出，对北极及其毗邻海域进行系统研究的主要是美国和前苏联（今俄罗斯），但以美国为主。

2007年，美国政府开始实施北极的重点政策。在名为“美国21世纪海权的合作战略” 的文件中，美国政府声称：“气候变化正在使北极的水域逐步开放，不仅是对新的资源开发，而且也是对新的航运路线”。这些年来的政策发展，通过美国海军北极战略目标（2010）、北极地区国家战略（2013）、美国海岸警卫队北极战略（2013）、国防部北极战略（2013）、北极地区国家战略实施计划（2014）和美国海军北极路线图2014～2030（2014），确定了进一步的指导方针，遵循以下3个策略：⑴推进美国的安全利益，确保美国拥有北极主权并借此提供国土防御保障；⑵追求负责任的北极地区管理，提供海军力量随时应对危机和突发事件，维护航行自由；⑶加强国际合作，并将北极宣布为新的海洋边界。

美国海军的潜艇部队致力于为科学研究做出贡献，并维持全球存在。从1993年起，美国海军与海洋研究界合作开展了一项名为冰上科学行动（SCICEX）的项目，该计划“旨在使用核动力潜艇绘制冰盖图并对其取样；获得海洋物理、化学和生物水特性；海底地形；北极海洋浅地层剖面”。SCICEX计划与冰上演习行动（Ice Exercise：ICEX）相结合，联合其它机构和水面力量，每两年举行一次， 2018年的SCICEX正在进行，预计未来该计划将继续下去。

目前北极水声学的研究主要侧重于环境噪声及其来源、混响及散射、传播以及声学海洋观测等4个方面，并开始将先前发展的声学技术应用于了解北极的海洋学和冰层。

⒈环境噪声及其来源

虽然北冰洋的冰盖消除了风和海浪在海面上相互作用产生的噪声，但同时也通过各种机制产生了自己独特的噪声，这方面的研究在上个世纪已经得到了比较全面的研究：冰下海洋噪声中低频噪声（≤1kHz）的主要来源是大规模的冰运动、冰脊的形成以及冰的裂解过程，并且表面波导与冰盖的相互作用也使得低频信号更多的保留下来。高频宽带噪声（1kHz～数十kHz）信号的特性与在开阔的水域环境中，雨和风所产生的众所周知的噪声类型相似，与风速高度相关。因此，可认为高频宽带噪声是由风吹过冰面和冰间水道引起的湍流以及风裹着颗粒物撞击冰面产生的，此外还有冰融化时冰内髙压气泡喷发带来的高频噪声。

以早期冰下噪声源特性研究成果为基础，目前许多研究利用布置在水下的水听器和布置在冰层中的检波器进行测量，目的是基于环境强迫机制来识别环境噪声，对冰的动态变化进行预测，并将冰层产生的噪声用作声学遥感工具来研究冰本身。使用分布式传感器来定位冰脊事件，并将其与噪声源级和卫星图像相关联，估计单位时间和冰区的噪声事件次数，使其与环境因素联系起来。极地中心冰区和冰边缘区的环境强迫存在着不同，冰边缘区的噪声特性和变化与大气和海洋的相互耦合是美国海军研究办公室目前的一个研究热点领域，在冰边缘区，噪声是由风驱动的海浪和浮冰相互作用产生的，由于石油和天然气工业的需要，地震测量带来了大量的低频噪声，引起了低频海洋噪声背景场成分的变化，对其进行的长期环境监测带来了大量的水下噪声数据，从而更好地了解了噪声的季节依赖性及其对冰盖面积和特征的依赖，还研究了海洋哺乳动物的季节性存在及其发声对环境噪声的影响。此外，还研究了未来北冰洋酸化条件下声信号和噪声的变化，将海洋酸化以及波弗特海双声道波导效应与噪声的增加联系起来，以预测北冰洋海域海洋环境的变化。

在北冰洋以外的其它海域，Wenz曲线一直是估算特定风浪和船舶环境条件下噪声级的可靠方法，在有关文献中，给出了南极平整冰和北极堆积冰下获得的海洋环境噪声与Wenz曲线的比较，可以作为研究参考。由于风和冰的复杂相互作用，以及冰产生的噪声机制，北极观测到的环境噪声变化很大。在北冰洋的中心区域，存在非常安静的时段，30Hz噪声级降至40dB，300Hz附近降至30dB，而在数小时之内，噪声变化可高达20～30dB。通常，冰缘区噪声级高于北冰洋的中心水域。例如，波弗特海区域观测到的噪声季节变化测量数据在频率32Hz从未低于60～65dB，或在1000Hz不低于35dB。季节变化也比其它海域大的多（平均月频谱水平从最低到最高范围可达30dB 以上）；有专家认为，到目前为止还没有建立起一个准确的北极环境噪声预测模型。

⒉混响及散射

了解冰－水界面的声反射和散射特性是建立北极水声传播损失模型的基础，北极冰下的混响及散射与其它海域的区别主要有两点：来自水体的低体积散射和来自冰水界面的变化剧烈的界面散射。

Birch的研究结果表明，北冰洋的体积散射与本地区日照水平和浮游生物量有很大的相关性，与温带海域观察到的超过1000米深度的深散射层不同，北冰洋的体积散射层有两层，主要集中在200m以上，一层在50m深度，另外一层具有从200m迁移到20m的深度的特性，并且与开放海洋深散射层的昼夜迁移特性不同，北冰洋体积散射层显示与北极日光模式相对应的季节变化和日变化。界面散射强度与冰的类型和冰粗糙度有很强的相关性。Brown和Milne等人的早期测量实验表明，在20Hz～10kHZ频率范围内，不同冰盖条件下的混响有很大的差异，其一般特征是散射强度随频率和掠射角的增加而增大，特别是在1.28～10kHZ之间；与不规则的多年冰脊相比，平坦的浮冰的散射要弱得多，但其引起的反射损失不容忽视。

北冰洋中心区冰层下的散射模型的建模工作相对成熟， Burke-Twersky模型将冰下散射体建模为自由或刚性基准平面上的椭圆半圆柱凸起的随机分布冰的粗糖度参数可使用微扰法估计。通过这些模型计算的不同频率的前向散射强度、后向散射强度和掠射角的关系，在不同的试验中得到了验证。因此目前研究的热点之一是利用模型反演，从散射声中确定海冰结构。此外，由于冰水界面在空间尺度上的异常复杂和可变性，使得远距离，尤其是跨越冰缘区的远距离混响预测模型的发展并不令人满意。冰面下深度变化（即粗糙度）的统计对模拟散射损失是至关重要的，目前正在发展利用飞机、卫星进行大范围冰层表面高度测量，计算冰的厚度剖面与统计特性，进而估计冰下反射损失的研究也是研究热点之一。

低频信号的混响及散射对于北冰洋的远距离声传播和水下目标探测具有实际意义，而高频信号的冰下混响及散射对于利用潜艇上视声呐进行冰厚测量以及冰下主动声自导鱼雷的使用至关重要。利用潜艇的上视声呐进行的冰下深度剖面的直接测量，能给出更详细更准确的结果，可被用来估计低频散射强度和混响的一致性；从深度剖面中估算出冰反射系数，对有冰和无冰覆盖的不同射线路径的传播损失进行比较，可以估计冰散射损失；而10kHZ至100kHZ频段的混响对主动声自导鱼雷的性能具有直接影响，但这方面国外的公开资料较少。

⒊传播

北冰洋的表面声道，具有稳定的向上折射声速剖面和粗糙的极地冰上边界，形成了一个有利于低频传播的波导条件，该波导传播的特点之一是它类似一个带通滤波器。髙频和低频成分衰减很快，前者是由冰层的反射损失所引起，后者是因为低于10HZ的频率的声波不能有效限制在波导内，优势传播频段为10～50HZ，该频段也与船舶噪声的“叶片频段”和“宽带峰值频段”基本重合。因此，北冰洋的波导传播特性有利于对船舶目标的检测。第七次北极科考中在北冰洋冰下接收到的航船噪声就证明了这一点，如图4所示。

图4 我国第七次北极科考接收到的北冰洋冰下航船噪声

在北极中央冰区，低频（10～100HZ）信号传播损失的幅度比大多数自由表面散射理论所预测的要大的多，这种高损耗主要是通过在冰盖上的散射引起的。得益于对冰层散射特性的了解与混响建模的进展，北极冰下低频传播仿真建模的研究取得了较大的进展。利用新的理论损失参数与简正波传播模型相结合，提高了预报北极传播特性的能力，现在可以对这个额外的传播损失进行比较准确的预测。

对于北极及其毗邻海域，若海底的地形和声波波长约束共同构成浅海条件，声波与海底的相互作用将会使声波传输特性变得更加复杂，需要研究北极区域的声场的高精度预报以及最佳工作频带选择问题。

另一个值得关注的现象是双声道波导现象，在有关文献中，利用W00ds Hole海洋研究所2013年布放的冰基漂流浮标获取的数据，确定了所谓的“波弗特海透镜”现象的存在，该现象存在于波弗特海域水下约100m以浅的深度，是由于从白令海峡北上的太平洋暖水层引起的，它使声速剖面存在局部极大值，形成了一个双声道的声学环境，被称为“声学高速通道”，这些双声道波导现象的研究可以追溯到2004年，目前其效应已经扩展到整个波弗特海域，预计波导内的声源和接收器在100km范围内的传输损耗将降低10dB，对声学传感器网络、通信与导航在北极地区的应用带来了明显的影响。

通过2015的夏天在加拿大盆地进行的声传播实验（CANAPE）获得的观测数据，对双声道波导现象进行了研究和分析。证明了下表面波导存在约120m的轴线上，在100～200m之间形成了一个可以在更宽的频率范围内，传播损失较低，传播距离更远的波导环境（见图5）。

图5 2015年多国联合的北极“加拿大盆地” 声学传播实验及所使用的DLVA阵

⒋声学海洋观测

随着对全球变暖、北极海冰融化的关注，除了国家战略和军事需求支持的北极研究项目外，石油和天然气行业的跨国公司，为了满足其开发利用北极的需求，也投入资金对北冰洋地区的环境噪声的变化及特性进行了相关的研究，此外还有来自相关政府机构的资助对北冰洋进行持续观测以研究气候变化。ACOUS项目是美国和俄罗斯双边合作项目，1994年进行的国际“跨北极声传播（TAP）”实验进行了横跨北极的声学传播试验，首次证实了北冰洋的声学测温能力。在_此基础上，1998年10月至1999年12月开展了用于气候观测的ACOUS试验，美国方面在Lincoln海布放了一组由水听器和Micro CTD组成的5180m自主垂直接收阵，俄罗斯方面在弗朗茨约瑟夫岛西北200km处部署了低频声源（20.5Hz，195dB/1μPa＠1m），每4天发射20min信号。通过这些试验数据以及SICEX 1995～2000的温度测量数据，进行了北冰洋热容量分析，给出了与北冰洋气候变化一致的结论；同时通过对传播的声信号的分析，对极地冰层厚度的季节性变化进行了观测；此外也分析了利用ACOUS试验设备进行声学遥感的可行性。通过ACOUS项目的一系列声传播试验数据分析，美俄科学家也得到了北冰洋的声场分布的详细数据。声信号传播时间测量表明沿声信号传播路径北极水温平均升高了0.4°，这是首次海盆尺度海水变暖的测量。1998年10月进行的破冰船和潜艇的直接测量证实了这一变化，测量结果同样表明北极中层水变暖约0.4℃～0.5℃，这与TAP试验的测量结果相一致。

由于依赖科考船的传统海洋观测大多在夏季进行，并且沿着固定路线进行，无法在时间和空间上获得足够多的采样，因此从上个世纪末开始依托声学导航、定位、通信能力，在北极地区建立无人观测网以实现北极系统特征的长期观测。

ACOBAR是欧盟支持的北冰洋中部观测项目，开始于2008年，目前已经进行了第二期。其主要目标是发展一个集声层析、水下平台数据传输、冰基漂流浮标和滑翔机通信与导航为一体的北冰洋中部海洋环境监测和预报系统，图6左图为ACOBAR期望实现的覆盖北冰洋区域的系泊网格。ACOBAR实现和测试了两种不同类型的海洋观测系统：一种是以海底系泊节点为主体的声层析系统，另一种是合并了冰基漂流浮标和滑翔机的可以随浮冰漂流的冰上系泊声学平台（AITP）。

2008至2010年，ACOBAR项目在Fram海峡布置了包含3个发射声源（ABC三角顶点）和一接收阵（三角中点D）的声层析系统（如图6右所示），其中各个系泊节点之间的距离为130km至300km。除了可以通过声层析短时间精确测量收发节点之间水平平均温度和声速场，该系统的发射声源可以为水下滑翔机提供导航信息，其接收阵可以收集低频环境噪声和监测海洋哺乳动物。

AITP观测系统（如图7所示）是由传感器节点，漂流浮标以及滑翔机组成的可以随浮冰漂流进行移动测量的系统，可利用层析成像阵列发出的信号进行导航和冰下海洋学调查，声引导水下滑翔机可获得高空间分辨率的海洋学数据，这是对来自层析成像阵列的低空间分辨率但高时间分辨率的数据补充。

从2012年起，为了改善北冰洋海洋物理环境预报和预测能力，美国海军研究办公室制定了北极科学计划（ASP），该计划是其北极和全球预报计划的重要部分。ASP计划聚焦3个领域：第一、根据对实地和遥感观测的数据处理，发展具有足够分辨率的完全耦合海洋—波浪冰大气模型；第二、完善对北冰洋环境的基本认识，实现数值模型中对关键物理过程的更精确表述；第三、开发传感器、平台和通信能力，发展一套可以提供长期监视、远期科学认识的持续观测系统。

ASP研究涵盖多个课题，覆盖海冰、水文、大气等方面，除了前述的加拿大盆地声传播试验（CANAPE），MIZ项目和AWSS项目也是其中两个初始项目。其中，MIZ项目的执行时间为2012年至2016年，主要研究夏季融冰期在冰缘区出现的各种物理现象。

其观测系统如图8所示，是一套包含冰上系泊设备、测量浮标、水下滑翔机、导航声源的自动测量传感器系统，通过漂流的方式测量冰缘区的冰量、波浪、海流、温度、剖面等环境数据。其中，系泊在冰面的至少8个导航声源和安装在水下滑翔机上的两个移动声源为工作在冰下的测量浮标和滑翔机提供声导航网络。

AWSS项目的执行时间为2013年至2017年，主要研究北冰洋区域空－海相互作用对波浪的影响，以及波浪和海冰之间的相互作用和传播影响。该计划期望通过改善对北冰洋这一复杂区域的海洋－波浪－冰大气的认知和建模，提升对北冰洋可操作环境的预报能力。该项目在2014年完成了对新型基于无人平台的自主观测系统和技术测试，在2015年通过新的UNOLS北极科考船和自主观测系统的结合完成项目的主要观测任务（见图9）。

AWSS的自主观测系统现场方案是专门为了解动态变化的海洋状态（即表面波活动的增加）对秋季冰层恢复的影响而设计的，用于北冰洋现场实验的海洋状态和边界层物理的仪器平台包括无人飞行器（UAV）、自主水下航行器（AUV）、自动气象站（AWS）、声学海流计（AWAC）和水下滑翔机。

此外值得注意的是，近10年来，北极水声学的研究还有几个新的动向。第一是更多的国家进行联合实验，第二是更加注重理论模型和实际北极海域科考的验证，第三是声学领域的各类国际学术会议更多地设立专门的分会场。

2017年至少有3个声学方面的专业会议，设立了“极地声学”或“冰盖下声传播”等专题，它们是2017年8月份在维也纳举行的理论计算声学ICTCA’2017，9月份在希腊Skiathos举行的国际水声会议UACE’2017和6月份在美国Boston举行的第174次美国声学会议。

三、我国的极地声学研究

我国于2013年成为北极理事会正式观察员国。2018 年1月26日发布的“中国政府的北极政策”白皮书，明确中国是近北极国家，是北极地区的利益攸关方，愿和有关国家共建“冰上丝绸之路”。

国际有关研究机构历来对中国的北极政策及相关活动非常关注，瑞典斯德哥尔摩国际和平研究所（SIPRI）的中国和全球安全项目主任Linda Jackob-Son，在2012年11月发布了“中国对北极的期许”的政策文件，她说：“我认为，可以预期，在未来5～10年内，而且很可能是在5年内，中国会发布白皮书，阐述在北极总体上的思路”。Jackob-Son的预言精准度令人印象深刻。

我国科技界对北极地区的风云变幻始终非常关注，自1999年来已进行了有组织的8 次科考，获得了大量的宝贵数据，取得了一系列成果，这是我们继续开展北极环境研究的重要资料。从总体情况来看，20世纪初以来，有关北极水声学方面的研究只有一些零星探索，主要是和海洋环境有关的温、盐、深，声速剖面的测量，还没有系统地对北极及其毗邻海域的水声环境进行考察研究，更没有对有关水声传播、通讯、水下目标定位等的试验。

对北极地区及其毗邻海域的声学研究，中科院领导早在几年之前就已有所部署。他们以“率先行动”的前瞻性战略眼光制定了周密的计划，由重大任务局、教育前沿局、国际合作局统筹安排了一系列项目，并与国家海洋局签署了在海洋领域进行全面深入合作的战略合作框架协议。

从2014年起，在国家海洋局极地办公室和极地中心的支持下，在第6次北极科考中首次设立了水声学的研究内容，2016年，中国科学院声学所的科考人员，第一次搭乘雪龙号科考船赴北极进行了声学试验（见图10），取得了一批重要数据。2017年，继续设置了水声学的科考计划。

2017年3月，中科院重大任务局在北京组织国内涉海的10多家单位，举行了“北极科学研究暨北极水声学”专题研讨会。据不完全统计，国家自然科学基金委从1986～2013年共资助和极地科学有关的基金项目450项，并在2016年安排了冰下水声传播研究课题。

2018年初，哈尔滨工程大学和俄罗斯远东联邦大学、俄远东国立渔业技术大学就成立“北极海洋环境与声学技术联合实验室”达成框架协议。

国内其它单位也相继在该领域开展了工作。从公开发表的文献上看，我们的工作仅仅是开始，但已涉及北极水声学的诸多方面，如冰下水声信号的传播，散射等。

值得指出的是，北极水声学的研究受到一个很现实的条件限制，就是目前我国可以去北极做科学考察的船只有限，与其它水声学、海洋声学研究相比，实际能去北极做实验的机会比较少。我们可以转而采取一些补充措施，例如在商绎度地区的有冰季节进行模拟试验或寻求国际合作。但是某些情况下，模拟环境实验或理论建模不能取代在北极地区的实际测量。有一部分和科学测试有关的实验可以在模拟条件下进行，比如测量冰厚的仪器设备、某些声呐技术设备（水下滑翔器、AUV、UUV等）可以在一般冰下进行预研。

四、未来的展望

总的说来，北极水声学的发展是持续而且变化的，从早期的军事需求单一推动，对北冰洋海域的研究侧重于描述并预测它的声学特性；到目前在国防需求、工业需求以及科研需求的推动下，开始利用声学技术来帮助观测并理解北冰洋海域的物理环境。针对变化的北极地区对北极水声学带来的影响和需求，研究重点主要在以下几个方面：

⑴极地海洋环境综合观测及参数获取；

⑵极地海洋冰下声散射机理及应用；

⑶极地海洋冰下声传播特性及应用；

⑷极地海洋环境背景场特性及其应用；

⑸极地海洋水声波导效应及应用；

⑹极地环境下水声信号处理和声呐设备的适应性研究。

虽然我国在北极水声学方面的研究才刚刚起步，既缺乏在北极地区开展声学实验的经验，也缺乏常规观测系统，北冰洋的声学数据采样量严重不足，但我国涉海单位有关极地声学、北极声学的研究正迎来良好的发展机遇期。可以预言，在不久的将来一定可以为我国经略北冰洋，建设海洋强国的目标做出贡献。

【作者简介】文/李启虎黄海宁尹力卫翀华李宇薛山花栾经德，分别来自中国科学院声学研究所、中国科学院大学和海军研究院。本文来自《声学学报》（2018年4期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有。