中國海南島東部海域內波特性觀測分析?

楊 剛， 陳 標， 張本濤， 李惟羽

(海軍潛艇學院, 山東 青島 266071)

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中國海南島東部海域內波特性觀測分析?

楊 剛， 陳 標， 張本濤， 李惟羽

(海軍潛艇學院, 山東 青島 266071)

在海南島東部海域內波生成區和傳播區，采用CTD與溫度鏈實測數據，結合潮流資料，從發生周期、時間與振幅等方面分析了海南島東部海域內波的特性，發現此處內波與潮汐間存在較強的對應關系，周期表現為不規則全日潮周期，內波多發于高潮時后1～4h內，占總發生次數的75%。2009年觀測得到的內波周期范圍主要集中在10～29min之間，約占總數的70%，振幅主要集中在6～15m，約占總數的80%；2010年觀測得到的內波周期主要集中在10～45min之間，約占總數66.8%，振幅集中在10～29m，約占總數75%。海南島東部海域潮致內波的周期與振幅的差異性可能是由海水深度與上升流的影響導致的。

內波； 潮汐； 溫度鏈數據； CTD數據

海洋內波是發生在海洋內部的海洋現象，其對水下潛體的安全性有很大影響，是海洋動力學、海洋生態學等領域重要的研究對象[1]。潮汐與地形的相互作用是內波的一種主要生成機制，南海東北部是海洋內波的頻發地帶，以往的研究發現南海北部凹陷型內波多起源于呂宋海峽的海底山脊，并由此向西傳播至南海北部大陸架[2-3]。1998年5—6月的南海季風實驗(SCSMEX)海上觀測期間，中國科學院南海海洋研究所于東沙群島南緣觀測到一系列的內波事件，得出5月14—16日觀測點內潮波強度最大，與全日潮大潮時間同步的結論[4]。2001年亞洲海國際聲學實驗(ASIAEX)對南海北部海域的潮汐和內波進行了觀測，采用多條溫度鏈，得到了海深800～70m的過渡海區非線性內波的傳播、演變情況[5-6]。2004年6月29—30日，中國科學院聲學研究所于海南三亞外海進行了內波觀測，得出觀測點內波為不正規全日潮周期，且與潮汐有著強烈對應關系[7]。近年來隨著技術發展，利用衛星遙感觀測內波得以實現，許多學者通過衛星遙感圖像對南海北部海洋內波的空間分布特性進行了統計，得到了南海內波一些有意義的時空分布特性[8-10]。然而，迄今為止，海南島以東海域內波長時間定點觀測資料依舊是有限而珍貴的，人們對該地內波的特性以及與潮汐之間的關系也缺乏深入的了解。本文通過選取海軍潛艇學院軍事衛星遙感應用研究所南海實驗的2次觀測數據，統計分析了海南島東部海域潮致內波的振幅、周期以及發生時間等參數，為深入了解海南島東部海域的內波特性提供了一定的支撐。

1 海南島東部海域內波觀測概述

此次海南島東部海域2次實驗時間分別為2009年6月9—14日與2010年6月29日—7月6日。

2009年海上觀測期間，實驗船錨定于海南島以東水深約為121m，底質為硬沙泥底的大陸坡架處(111°48′E，19°30′N)(見圖1)，實驗儀器為溫度鏈，6月9日15時左右開始布設溫度鏈，由于海況原因，正式測量于21點30分左右開始。

2010年實驗船錨定于海南島以東的水深約為113m，底質為硬沙泥底的大陸坡架處(111°12′E，19°30′N)(見圖1)，實驗儀器為溫度鏈與CTD。溫度鏈測量開始于6月29日23時左右；CTD測量起始于6月30日4時，測量過程中利用實驗船側邊小吊勾吊CTD入水測取垂向溫度、鹽度、密度剖面，每次觀測從海面到海底附近，這種時間采樣設定可以獲得較長時間資料，同時觀測到大振幅內波影響的溫度變化。

觀測地點潮汐均屬于不規則全日潮。

2 實測數據處理

由于觀測過程受到一定外界因素的干擾，存在少量異常數據，因此本文首先對異常數據進行了剔除，處理方法如下：首先，去除由于測量開始時2個探頭未工作造成的測量不完整的數據部分，截取完整連續的測量數據；其次，判斷數據中的異常數據，對儀器布設與打撈時的測量數據，不予采用，對數據中的奇異值進行剔除，并用上下測量數據插值代替；最后，對CTD數據進行了低通濾波處理，慮除了數據中的高頻(快速變化)噪聲干擾，消除數據時間滯后效應，達到零相位偏移。

圖1 實驗位置

經過上述處理后本文使用的數據特點如下：2009年為溫度鏈數據，溫度鏈共16個探頭，其中2個深度探頭，14個溫度探頭，采樣頻率為1min，從海表至海底14個溫度探頭對應深度為8、10、18、23、28、33、38、43、48、53、58、63、68和73m。具體數據時間段為2009年6月9日21點30分—14日22點34分，去除不完整與異常的測量數據，實際有效時間段為6月10日00點20分—14日11點03分。2010年為溫度鏈數據與CTD數據，溫度鏈共18個探頭，其中2個深度探頭，16個溫度探頭，采樣頻率為1min，從海表至海底16個溫度探頭對應深度為10、18、20.5、23、28、33、38、43、48、53、58、63、68、73、75.5、81和89m。具體數據時間段為2010年6月29日23點00分—7月6日22點26分，去除不完整與異常的測量數據，實際有效時間段為6月30日9點00分—7月6日21點00分。CTD測量時間短為6月30日4時—7月6日13時，數據采樣間隔為1m，采樣頻率為1h。

3 數據統計與分析

3.1 海南島東部海域內波與潮汐的對應性

數據分析前，本文首先判斷所得到的水體波動是由內波引起還是因其他水體入侵引起，判斷依據為Fang和You[11]使用過的比對等溫線與等密線的方法，若等溫線與等密線同時上凸或下凹，則說明引起水體波動為內波，反之則為入侵水體。如圖2所示，其中圖2(a)為由CTD觀測的2010年密度數據，圖2(b)為CTD觀測得到的溫度數據，經過對比，所測得波動為內波引起。

本文通過對比2009年6月10日00點20分—14日11點03分溫度鏈數據繪制的等溫線圖(見圖3)和與之對應時間的潮汐圖(見圖4)，發現等溫線波動是在一個整體低頻波動上疊加了一些高頻的波動，可以看出這個低頻的波動與潮汐波動有很高的一致性。

圖2 2010年6月30日4點—7月6日13點等溫線與等密線對比

進一步取溫度鏈數據中振幅最大深度的等溫線做頻譜分析，得到圖5。從圖5中得到幅值最大處對應的頻率約為0.0007min-1，即周期為1428.6min，約為23.8h，對應于不規則全日潮，2010年數據也有類似結論(圖略)，故可初步認為海南島東部海域觀測的內波為潮致內波。

3.2 海南島東部海域潮成內波的特征分析

2次實驗觀測的樣本較多，故可以通過統計分析來研究該區域潮成的內波的特性。由于內波的非周期性，本文對觀測時間范圍內的內波波動進行逐個分析，獲得內波列中顯著波動的振幅與周期。由于數據量較大，在此以2010年一次明顯的內波過程為個例進行提取和統計。

圖3 2009年6月10日00點20分-14日11點03分溫度數據

圖4 2009年潮汐圖

圖5 振幅最大深度處波動的頻譜圖

圖6為2010年7月2日4-11點的溫度等值線圖，從圖中可以清晰的看到5個波動的存在，是一個典型的內波波包。按圖中從左至右的順序給5個波動1～5編號，提取這5個波動的振幅與周期可得表1。從表1中可以看出，此內波波包持續時間約315min，振幅隨時間逐漸減小，周期逐漸縮短，是一個內波能量逐漸衰減的過程。

表1 波包中內波信息統計表Table 1 Internal waves statistics

Note： ①Amplitude； ②Cycle

2009與2010年觀測的10d中每天都存在強弱不一的內波現象，按照上述個例中的方法，本文對所有觀測時間內的數據進行了同樣的處理并進行了統計，分別得到了2009和2010年2次實驗點潮成內波的周期范圍(見圖7、8)、振幅范圍(見圖9、10)以及周期與振幅的關系(見圖11、12)。

從圖11與12看出，2009和2010年的潮成內波周期與振幅之間無明顯規律，無法用一個簡單的函數進行擬合，但是可以從統計結果中看出2次測量點處內波的周期與振幅的集中范圍。圖7中2009年4d觀測到明顯內波波動總數為39次，其中周期集中在10～29min之間的為28次，約占總數的70%，從圖9中可以看出，振幅主要集中在6～15m，約占總數的80%； 2010年7天觀測到明顯內波波動總數為48次，其中周期集中在10～49min 之間的為31次，約占總數66.8%(見圖8)，振幅集中在10～29m間，約占總數75%(見圖10)。

圖6 2010年7月2日4—11點溫度等值線圖

圖7 2009年內波周期統計圖

圖8 2010年內波周期統計圖

圖9 2009年內波振幅統計圖

圖10 2010年內波振幅統計圖

圖11 2009年內波周期與振幅對應關系

圖12 2010年內波周期與振幅對應關系

從以上分析可以看出，本文中2次觀測到的內波與1998年SCSMEX海上觀測數據(116°50.6′E，20°21.3′N)處以及2004年中科院聲學所在海南島三亞外海域(109°24.08141′E，17°42.04777′N)觀測到的內波同屬潮致內波，且具有不規則全日潮周期。雖然前人這2次觀測與本文的2次觀測點相距比較近，但內波的振幅、周期卻具有較明顯的差異，這主要可能是受海水深度的影響。通過查閱航海資料可以知道這幾次觀測地點實際的海深相差還是比較大的，深度從110～600m不等，相應的密度分布就會產生差異，從而導致所觀測到得內波的周期和振幅有所不同，可見，由于海南島東部海域海水深度的差異使其內波具有一定的復雜性，需要更多的資料和不同時空的觀測進行多方位的研究。

此外，從振幅、周期的統計的結果可以看到，2010年7月初(見圖10)觀測的內波的振幅和持續時間上都比2009年6月初(見圖9)觀測得到的內波大，2次觀測的海水深度相近，可以忽略海水深度對觀測的影響，而觀測點實際水平距離相差并不大，都受到瓊東上升流的影響。通過分析發現，出現這種情況的原因可能為上升流的影響。瓊東上升流在6～7月份其強度是增強的[12]，這就導致了觀測點7月份海水中層水溫相較于6月份低2～4℃(從圖2與3中可以看出)，使得2010年躍層處海水溫度梯度總體較2009年要大，從而導致內波強度增大。

3.3 海南島東部海域內波發生時間與高潮時的關系

為了進一步研究這2次觀測的海南島東部海域內波發生時間與潮汐之間到底存在怎樣的關系，本文對2009與2010年內波序列起始時間與當天該測量點高潮時進行對比和統計(見表2)。從統計中可以看出，內波序列多發于高潮時后1～4h內，其占總發生次數的75%。

表2 2009年、2010年內波信息統計表

Note：①High tide time；②Low tide time；③Internal wave sequence starting time；④Compared with high tide time；⑤Duration of internal wave sequence；⑥The maximum amplitude of the wave sequence.

4 結論

本文分析了2009、2010年2次海南島東海域實測資料的分析，從周期、振幅、內波發生時間等方面，結合潮汐情況，給出了以下結論：

(1)觀測點的海洋波動為內波引起的，與潮汐間存在較強的對應關系，其為不規則全日潮周期。

(2)2009年觀測得到的內波周期范圍主要集中在10～29min之間，約占總數的70%，振幅主要集中在6～15m，約占總數的80%，2010年觀測得到的內波周期主要集中在10～45min之間，約占總數66.8%，振幅集中在10～29m間，約占總數75%。

(3)海南島東部海域潮致內波的周期與振幅的差異性可能是由海水深度與上升流的影響導致的。

(4)觀測點處內波多發于高潮時后1～4h內，其占總發生次數的75%。

由于實驗時間有限，測量時間較短，且測量地點較為單一，所得數據量較小，統計所得結果難免存在偏差，下一步將進行進一步實驗觀測，在規定海域內選取多個測量點，加大實驗力度，同時對于已測量數據進行更加深入的分析。

[1] 方欣華， 杜濤. 海洋內波基礎和中國海內波[M]. 青島： 中國海洋大學出版社， 2005.

[2] Liu A K, Chang Y S, Hsu M K, et al. Evolution of nonlinear internal waves in China Seas[J]. J Geophys Res, 1998, 103(C4): 7995-8008.

[3] 李群， 孫麗， 徐肇廷. 呂宋海峽內波傳播演化的數值模擬[J]. 海洋通報， 2008, 27(4)： 12-18.

[4] 曲紹厚, 胡非, 李亞秋. 1998年SCSMEX期間南海夏季風海氣交換的主要特征[J]. 氣候與環境研究, 2000, 5(4): 434-446.

[5] Timothy, Duda E, James E, et al. Internal tide and nonlinear internal wave behavior at the continental slope in the northern south China Sea [J]. IEEE J Oceanic Eng, 2004, 29(4): 1105-1129.

[6] 王少強, 吳立新, 王慧文, 等. 2001南中國海實驗溫度場與聲傳播起伏及內潮(波)特征反演[J]. 自然科學進展, 2004, 14(6): 635-641.

[7] 胡濤, 馬力, 張云鵬. 海南島南部海區非線性內波特征分析[J]. 海洋湖沼通報, 2008(2): 8-15.

[8] Hsu M K, Liu A K, Liu C. A study of internal waves in the China Seas and Yellow Sea using SAR [J]. Continental Shelf Research, 2000, 20(4/5): 389-410.

[9] Zhao Z, Klemas V, Zheng Q, et al. Remote sensing evidence for baroclinic tide origin of internal solitary waves in the northeastern South China Sea[J]. Geophysical Research Letters, 2004, 31(6): 1-4.

[10] G Xi-Lin, H Wei-Gen, Y Jing-Song, et al. The study of spatial and temporal distribution characteristics of internal waves in the South China Sea from multi-satellite data[J]. Remote Sensing Technology and Application, 2007, 22(2): 242-246.

[11] F Xin-Hua, Y Yu-Zhu. The vertical characteristics of internal waves in shallow region of the east china sea analysed from ctd data [J]. Acta Oceanologica Sinica, 1987(4): 112-116.

[12] 謝玲玲, 張書文, 趙輝. 瓊東上升流研究概述[J]. 熱帶海洋學報, 2012(4): 35-41.

責任編輯 龐 旻

Analysis of Internal Wave in East of Hainan Island in China

YANG Gang, CHEN Biao， ZHANG Ben-Tao, LI Wei-Yu

(Navy Submarine Academy, Qingdao 266071， China)

By using the temperature chain data，the CTD data and the tidal data to analysis the characteristic of the internal wave and the generation mechanism of internal wave in internal wave generation and transmission area in the east of Hainan Island. The experiments show that there is a strong relationship between the internal wave and the tides and, the internal wave at the observation point occurs 1～4 h after the high tide, with 75% of the total proportion. The internal wave cycle is between 10～29m in 2009, 70% of the total proportion. The amplitude is between 6～15m with, 80% of the total proportion. The internal wave cycle is between 10～45m in 2010 with, 66.8% of the total proportion and the amplitude is between 10～29m, 75% of the total proportion.

internal waves; tide; temperature chain data; CTD data

國家自然科學基金項目(412F6008)資助

2014-11-07；

2015-04-01

楊 剛(1988-)，男，碩士，研究方向：海洋遙感及軍事應用。E-mail: ivanyanggang@126.com

P731.24

A

1672-5174(2015)09-015-06

10.16441/j.cnki.hdxb.20140202