基于實測資料海洋內孤立波診斷模型設計

鄧冰，陳鳳貴，肖義國，徐振華

(1.北京應用氣象研究所，北京100029;2.中科院海洋研究所，山東青島266071)

海洋內波是發生在海洋內部的重力慣性波，具有水下魔鬼之稱。長期以來，對海洋內波的研究一直是海洋科技工作者努力鉆研的前沿課題。海洋內波是重要的海洋中尺度現象，由于內波發生機制的復雜性以及時間空間特征的隨機性而成為海洋領域研究的難點。海洋內波的研究不僅在整個海洋動力學的理論研究中占有重要的地位，而且對海洋環境與資源開發和保護、軍事應用及推動其他相關學科的深入研究和發展都具有重要的價值。我國近海區域是海洋內波的多發區。海洋內波對潛艇、聲納、魚雷等水下武器裝備作戰運用有著非常重要的影響［1—2］。由于海洋內波是發生在海洋內部，因此對內波特征要素的了解目前不能通過直接測量得到，需要通過對流場、密度場的診斷得到內波的特征信息。筆者利用CTD溫鹽資料和ADCP流場資料設計了提取內波振幅、周期、流速和流向的診斷方案。

1 海洋資料處理

內波是一種寬頻振動，其頻率范圍在當地慣性頻率到浮力頻率之間。常見的波長為幾十米至幾十千米，周期為幾分鐘至幾十小時，振幅一般為幾米至幾十米，最大振幅可達一二百米［3］。中國?；久總€季節都有著明顯的海水層化現象［4］，為內波的發生和傳播提供了介質，而周圍復雜且不穩定的流場特征又給內波的發生提供了擾動源。因此該海域內波頻發，其中最為普遍的內波是內孤立波和內潮波。內孤立波具有強非線性，常常由強內潮裂變生成。

內波的振幅通常以等密度線的起伏來衡量，但因直接測量海水密度非常困難，通常用等溫線或等鹽線的起伏來代替［5］。在海洋中能引起等溫線振動的因素主要有:潮汐、太陽輻射、內波、風、浪等。潮汐使海水等溫線發生周期性的起伏，但其升降幅度等于同天文潮引起的海面的升降幅度，也就幾米的量級。太陽輻射也會使海水溫度增高，使等溫線出現日周期的變化，但這些變化主要集中在海水表層，不會波及整個水體。因此當海水中層或者溫躍層附近的等溫線出現了大的起伏時，一般可以認定發生了內波［6］。一般情況下強度弱的內波對水下平臺和武器裝備不會造成大的影響，基于內波實際保障的需求，文中僅考慮當海水中層或溫躍層附近的等溫線出現超過10 m振幅時，認定發生了內波。

由于現場觀測的海洋環境資料具有不同的格式，需對搜集到的CTD資料和ADCP資料進行預處理，進行校對檢驗和格式編排，使資料的數據集(物理要素測量值的集合)和元信息(如測量的時間、地點、方式、質量控制等)在準確性、規范性方面滿足完整性要求和一定的規格指標。為方便讀取和自動化處理，對數據格式制定了標準，其中對溫鹽流數據要求為一整天的多層觀測資料，數據的時間間隔要求為1 min，垂向深度間隔為1 m，現場觀測數據如果不滿足要求需先進行插值處理。文中利用Akima插值方法［7］，邊界資料采用線性差值。在插值過程中規定連續缺少3層以上按缺測處理。

Akima方法規定，在2個實測點之間進行內插，除了要用到這2個點的實測值以外，還用到與這2個點相鄰的4個點上的實測值，也就是說在2個點之間內插需要用到6個實測點。設用i(i=1，2，…，6)表示這6個實測資料的序號，其坐標為(xi，yi)，插值點(x，y)位于第3和第4個實測點之間，即x3＜x＜x4，則插值點y可用式(1)計算:

其中:

式(2)中，t3和t4分別是第3和第4號實測點要素的斜率，分別用1，2，3，4，5和2，3，4，5，6號點上的實測值表示，在一般的情況下，t3和t4可用式(3)計算:

式中:mi為斜率，它用式(4)表示:

2 內波信息提取

2.1 用CTD資料提取

由于孤立波的非線性較強，其波形一般并不對稱，因此通過計算其半波寬度的方法提取內波振幅和周期，選取內波到來前和波峰到達時刻的等溫線所在深度的差值即為內波的振幅，二者時間差的2倍即為內波的周期［8］。海洋內波示意如圖1所示，H2，H1分別表示上層水深和下層水深，ζ表示內波振幅，z=H2-ζ。

圖1 海洋內波示意Fig.1 Schematic diagram of ocean internal waves

2.2 用ADCP資料提取

利用ADCP資料可提取內波波致流和內波傳播方向［9］。

將實測海流進行標準化處理獲得多個時間相應、長度相等的實測流的時間序列。采用梯形積分公式計算得到平均全流時間序列，再由諸實測流與平均全流時間序列之差，獲得各變差流的時間序列。

定點ADCP海流觀測資料分解為北分量u(z，t)和東分量v(z，t)，以北分量為例:

由式(7)得到剩余流成分為:

其中:

考慮到背景余流等的影響，當躍層上下側平均變差流的相位差約180°+10°，同時對應著一個持續時間為5～40 min的流速激增過程時，表示內孤立波的發生過程。

根據內波理論可知，如果內波流的剪切層深度小于水深的一半，說明該內波為下凹型內孤立波，由此對應上層變差流方向即為內波的傳播方向。反之說明內波為上凸型內孤立波，對應下層變差流方向即為內波的傳播方向，同時上層和下層變差流的大小即為內波流的振幅。內波動力診斷流程構架如圖2所示。

圖2 海洋內波動力診斷流程Fig.2 Dynamic diagnosis process of internalwave

3 海洋內波信息診斷個例

本文利用2005年南海東沙群島附近海域溫度鏈資料和ADCP資料診斷南海孤立波的特征要素。由于不同海域背景的水文條件和天文潮流等不同，內孤立波的振幅大小并不一致，南海東沙群島附近內孤立波最大振幅可達170 m，而淺海大陸架區內孤立波振幅一般為10～40 m左右。根據前面所述的辨識標準，針對東沙海域實例進行了分析。對溫度鏈資料處理后得到的等溫線隨時間的演變如圖3所示?？梢钥闯?，圖3中曲線為一個包含8個孤立子的下凹型內孤立波列，經計算選定孤立子的振幅18 m，周期為22.5 min。

選定時刻內波流的矢量分布如圖4所示?？梢钥闯?，內波傳播方向為西北偏西，內波流最大可達0.5 m/s，剪切流最大可達0.75 m/s。星號所示位置明顯出現約20 min的流速增大過程，流速增大到0.4 m/s，明顯高于當地0.2 m/s的背景流，在45 m深處存在一個剪切界面，由此可認為這是一個內孤立波的過境過程。根據內波理論可知，上層海流的方向為內波的傳播方向。

圖3 28℃等溫線的分布Fig.3 Distribution of28℃ isotherm

圖4 內波流場診斷Fig.4 Diagnosis chart of internal flow field

4 結語

海洋內波對海洋聲學、海洋資源開發、海洋生態環境保護、海洋軍事和海洋工程等方面都具有重要影響，海洋內波研究是一個國際性研究熱點。海洋內波信息診斷分析技術是研究內波特性的基礎。根據海洋內波動力學理論與方法，建立提取海洋內波特征的診斷模型，對實測的溫度鏈、潛標、ADCP等連續觀測資料進行動力分析診斷，可以診斷出內波周期、內波振幅、變差流矢量時間序列及內波波致流、內波傳播方向等內波特征要素。由于海洋內波特性十分復雜，目前我國南海海域孤立波診斷算法還不能完全滿足自動化工作的需求，內波特征參數提取需要通過相關專業知識的修正，未來南海孤立波診斷技術將朝著業務自動化方向發展。

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