安達曼海內波在線監測預警系統設計

馬力 孫健翔 李志成

（天津航海儀器研究所 天津市 300131）

海洋內波是一種重力波，發生于密度層結穩定的海水內部，其振幅可達數百米，波高和波長明顯大于海面波浪，其活動隱匿于水中，傳播能量大，破壞性強，素有“水下魔鬼”之稱。海水穩定的密度分層以及擾動源是內波產生兩個必要條件，從擾動源所致成因上可將內波分為三類：由正壓潮與地形相互作用所產生的潮成內波，由風的慣性振蕩所引起的慣性內波，由水下運動物體或局部擾動源所形成的源致內波。內波在傳播過程中引起海面強烈輻聚和突發性強流，能夠轉移大尺度運動能量，在海洋生態方面，可以將海洋深處較冷的海水及其所含營養鹽輸送至較暖的淺層，促進海水內部營養物質循環，有利于海洋生物的生長，但在人類活動方面，內波會引起聲傳播損失的劇烈變化，使聲波傳播路徑發生改變，從而制約聲納探測性能，使聲納無法正常探測和穩定跟蹤水下目標。速度超過1.5m/s 的內波流破壞力極大，會對海上石油鉆井作業、海底石油管道鋪設、潛艇隱蔽航行等造成沖擊和嚴重威脅。1963年，美國長尾鯊號核潛艇在美國東部沿海進行300 米常規巡航試水試驗時，遭遇強烈內波沖擊擠壓而破碎。1980年，安達曼海某石油鉆井平臺被內波通過后，平臺整體扭轉約90°，位置移動超過30 米。

在內波監測預警技術和相關保障系統研發領域，美國英特俄辛公司為保障加拿大戴維斯海峽深水區的石油鉆探平臺安全作業，專門為其研發了內波預警系統。中國海洋大學依托南海內波潛標觀測網自主研發了南海內波預測預警系統，能夠預測未來30 天的內波發生時間、發生位置、傳播速度和振幅等關鍵特征參數，并于2014年實現了業務化運行，自然資源部第一海洋研究所開展了“南海北部內波流監測、預報、預警系統研究及應用”專項科研任務，中國石油集團在南海半潛式鉆井平臺周圍布設了由1 套潛標和2 套浮標組成的監測系統，首次將內波監測預警技術應用于保障海洋油氣工程作業安全，但這些研究和成果都集中在南海北部，保障能力還未觸及領海之外。安達曼海屬于世界內波高發海域，是內波研究的天然實驗場，自然資源部第二海洋所于2016年在安達曼海中部布設了一套潛標，分析了內波生產機制和波源位置，其他學者對安達曼海內波的研究局限于遙感手段，處理圖像數據繁瑣，應用于監測預警難度較大，國內學者在安達曼海內波監測預警方面缺乏長期的環境監測數據和系統級保障技術研究。

安達曼海連接馬六甲海峽和北印度洋，是世界最為繁忙的石油貨運海域之一，中國海洋石油總公司在該海域擁有1萬平方公里的深水區塊開采權，因此，安達曼海是我國重要的海上交通線，對“一帶一路”建設具有戰略意義。隨著國內海洋環境觀測設備和技術手段的進步，以及北斗三代短報文通信能力達到1000 漢字/次的顯著性提升，為開展固定式與機動式相結合的內波實時監測體系建設奠定了基礎。本文提出了由潛標、浮標和水下滑翔機組成的內波監測方案，構建固定式與機動式相結合的監測能力，綜合利用北斗三代短報文通信與內波流識別等技術，設計了安達曼海內波在線監測預警系統，旨在及時發現內波，分析內波傳播特征，為海上施工及活動決策人員提供預警信息，降低安達曼海海域內波影響下的人類活動損失。

1 安達曼海環境概況

安達曼海是一個位于印度洋東北部的邊緣海，由馬來半島、尼克巴群島、安達曼群島和蘇門答臘島環繞，西通孟加拉灣，東鄰中南半島，面積約65 萬平方公里。如圖1，安達曼海底地形復雜，水深分布不均勻，中部和西部水深較深，在西側存在一系列由火山形成的島嶼和島鏈，因而地形變化快，水深范圍在1000～3500 米，北部和東部為廣闊陸架，地形趨于平緩。氣候上處于南亞季風區，屬熱帶氣候，冬季濕度低，少雨或徑流輸入，故表層海水鹽度較高，但夏季在季風影響下，陸上徑流輸入顯著增加，且淡水輸入量超過蒸發量，使得海水上層鹽度普遍較低，尤其是在北部海域，海水分層明顯。

圖1 ：安達曼海地形（a）及水深分布圖（b）

2 安達曼海內波特征分析

安達曼海特殊的地形特征和穩定的海水分層狀態，使其在受到外界擾動時，內波現象能夠頻繁發生，是世界上觀測到內波最多的海域之一。在內波波源方面，國內學者根據徹體力理論和射線追蹤法，得出了安達曼?？赡芫哂? 個內波激發源，除1 個位于安達曼海北部大陸架外，其余6 個均排列在“普雷帕里斯海峽-安達曼群島-尼科巴群島-蘇門達臘島”的沿線或附近海域。在空間分布上，如圖1，安達曼海的主體海域根據內波活動分布可分為三個區域：蘇門答臘島以北海域（Ⅰ區）、安達曼海中部海域（Ⅱ區）和安達曼海以北海域（Ⅲ區），其中前Ⅰ區、Ⅱ區內波最為活躍，且空間尺度最大。在傳播方向上，Ⅰ區內波主要由蘇門達臘島西北海峽向東北方向和東南方向傳播，Ⅱ區由尼科巴群島中部海槽向東往馬來半島傳播，Ⅲ區一部分主要由科科海峽向東或東北傳播，遇到地形劇烈變化后，產生向西南方向的強烈反射波，另一部分由北部水深小于50 米的陸架向東北方向傳播。在時間分布上，2月至4月遙感觀測到內波發生最多，占全年內波總數的58%，7月最少，占比低于1%。安達曼海內波最大振幅可達100m，最大流速超過2m/s。

3 監測方案與系統結構設計

3.1 監測方案

為實現對內波的立體、長期、連續監測，綜合考慮觀測方式靈活性，根據安達曼海環境特征、歷史內波多發區域、內波波源以及傳播方向等的分析，綜合利用固定式與機動式結合的觀測技術，沿安達曼海內波傳播的“東北、正東、東南”三個主要方向設計了由錨系潛標、錨系浮標、水下滑翔機組成的監測布局，如圖2，在安達曼海以北海域（Ⅲ區），為監測北部出?？诤吞剿鞣瓷洳C制，沿內波傳播的東北方向部署3 套潛標、1 套浮標以及1 個水下滑翔機觀測斷面，在安達曼海中部海域（Ⅱ區），為兼顧保障在海域腹地作業的平臺安全，沿接近正東方向部署3 套潛標、1 套浮標以及1 個水下滑翔機觀測斷面，在蘇門答臘島以北海域（Ⅰ區），為監測內波對東南方向要道的威脅，沿東南方向部署3 套潛標、1 套浮標以及1 個水下滑翔機觀測斷面。各觀測設備傳感器等配置主要組成如表1、表2 和表3，通過潛標和水下滑翔機獲取全海深的海水溫度、鹽度、海流等水文要素數據，推算內波三維動力學結構，通過浮標獲取海面氣象要素信息及淺層海流的異動，并捕捉海面擾動的影響，基于北斗三代顯著提升的短報文通信能力完成監測數據回傳。其中，水下滑翔機具備接收岸基指令機動調整航線的能力，能夠執行中性精確懸?；蚰繕藚^域的機動性斷面監測。

表1 ：潛標主要配置組成設計

表2 ：浮標主要配置組成設計

表3 ：水下滑翔機主要配置組成設計

圖2 ：監測體系布局設計

3.2 系統結構

安達曼海內波在線監測預警系統整體結構設計如圖3，主要分為海洋環境監測設備、北斗短報文通信設備、內波監測預警服務器三大部分，海洋環境監測設備的主體由錨系潛標、錨系浮標和水下滑翔機組成，實時采集內波波源附近和傳播途徑上的水文氣象數據，并將原始數據傳輸至北斗衛星通信網關，北斗短報文通信設備一方面完成原始數據的實時接收并傳遞給內波監測預警服務器，另一方面可以將系統用戶的遠程指令傳遞到監測設備端，實現對設備監測參數或運動方式的遠程控制，內波監測預警服務器部署數據接收端管理軟件和內波監測預警端軟件，軟件均采用B/S 架構設計，并與互聯網Web 服務器連接，主要完成對水文氣象實測數據的質控、存儲、管理，對內波數據的提取、統計和分析，并根據內波流運動特征和用戶位置進行內波的預測預警和信息推送。

圖3 ：系統結構

4 系統功能設計

4.1 內波監測數據獲取與管理

數據接收管理端軟件將按照預先制定的北斗短報文協議，對實時接收的安達曼海水文氣象監測數據文件進行元數據和要素數據的提取、解析和質量控制，元數據為設備ID、設備狀態、時間、位置（含精度、緯度、南北緯表示、東西經標識）、要素實測數據（如監測深度、海水溫度、鹽度、海流流速流向、海面風速風向、海面氣壓、濕度）等，要素數據為經過質量控制后的要素實測數據。元數據與要素數據按關聯關系保存至內波監測預警服務器上的內波數據庫中，便于對歷史元數據進行追索。數據接收管理端向內波監測預警端提供數據庫訪問接口，支持對數據的查詢、修改、刪除、人工導入和導出。

4.2 內波監測數據統計與可視化

內波數據統計通過選擇某一編號的監測設備，以列表形式顯示該設備所采集的所有內波相關數據，并支持按照年、月、日、時等尺度對數據進行統計，給出最大值、最小值和平均值，以柱狀圖、折線圖等方式展示統計結果。內波數據可視化主要在實時更新的基礎上，以時間序列圖對海流、海面風、海面氣壓等要素要素進行可視化，便于用戶把握上述要素隨時間的變化趨勢和異常海面擾動，以垂直剖面圖對海流、海水溫度、鹽度等進行可視化，便于用戶把握上述要素隨深度的變化情況和內波流結構形態，針對水下滑翔機對海水溫鹽的機動監測數據，以斷面圖顯示溫鹽要素隨運動距離、深度的變化情況。

4.3 地理信息服務

內波監測預警端基于成熟的地理信息服務平臺開發，平臺具備安達曼海海圖資源、衛星影像資源和水深地形等三種地圖資源，能夠將監測設備位置、內波數據統計與可視化結果、內波預測預警范圍、未來5-10 天風場和海流流場的預報數據矢量動畫圖等疊加顯示在上述地圖上，平臺支持測距、定位、截圖、多邊形邊框繪制、符號標記等工具功能，輔助用戶在地圖資源和預報產品的基礎上開展險情分析，制定水下滑翔機機動監測方案和應急計劃，并形成對應文檔，支持即時生成文檔的在線發布。

4.4 內波預測預警

內波預測預警是本系統的核心，主要功能為內波分析識別，內波流計算與報警、內波信息提取與推送。內波分析識別主要基于實時水文氣象數據的具體分析實現，分析水深變化、流速變化以及標體偏移等指標，判斷內波現象的發生。確定內波發生后，系統基于實測流和背景流的流速、流向計算內波流，再根據內波流的發生時間、坐標、速度、振幅，以及工程位置，判斷預警等級，若達到1 級藍色預警（0.6m/s

5 結束語

本文以安達曼海域海洋工程活動對內波的監測預警保障需求為牽引，以安達曼海的海洋環境和內波典型特征為依據，沿“東北、正東、東南”三個主要傳播方向構思了由潛標、浮標、水下滑翔機組成的監測體系，利用北斗三代短報文顯著提升的通信能力，設計了安達曼海內波在線監測預警系統，為海洋工程作業人員提供內波的實時監測和預測預警，并將內波信息實時匯總，推送至互聯網的Web 服務器，供航行和海上作業用戶在線訪問。