南海內波研究前沿與熱點

鄭全安，陳 亮，熊學軍*，胡筱敏，楊光兵

（1.馬里蘭大學 大氣海洋科學系，美國馬里蘭州 學院市 20742；2.自然資源部 第一海洋研究所，山東 青島 266061；3.青島海洋科學與技術試點國家實驗室 區域海洋動力學與數值模擬功能實驗室，山東 青島 266237；4.自然資源部 海洋環境科學與數值模擬重點實驗室，山東 青島 266061）

本文主題關鍵詞“內波”系指發生在層結海洋內部、以約化重力為恢復力的亞中尺度波動，其特征尺度為：波鋒線水平尺度O（10～200）km，波長尺度O（0.5～5.0）km，時間尺度O（ 3×102～8.64×104）s，速度尺度O（0.5）m/s，以波長為水平長度尺度，20°N 為特征緯度時，羅斯貝數則為2～10。內波廣泛分布于全球海洋，尤以陸架淺海和邊緣海最集中[1-2]。內波研究的意義概括為3 方面：①物理海洋學研究。內波的時間尺度處于亞中尺度過程最底端，是海洋能量級串研究不可逾越的重要環節。內波引起的湍流混合研究，對更好地理解上層海洋動力學和海洋內部熱結構具有重要意義。內波通過向下熱量輸送，對維持大尺度、深層環流發揮重要作用。內波高度非線性演化為非線性流體力學和孤立波理論提供獨特應用領域。②跨學科研究。內波引起的海水垂直運動將富含溶解氧和二氧化碳的表層水輸送到深水層，同時將富含營養鹽的深層水輸送到真光層，有助于提高海洋生物生產力和固碳作用。內波一方面引起海洋沉積物再懸浮，另一方面孤立內波具備物質水平輸運功能，從而對陸架生態環境產生影響。由此可見，內波與海洋生物學、沉積學、生物地球化學以及生態環境研究等密切相關。③應用研究。內波的傳播直接破壞海水物理場的連續性，擾亂水下聲波傳播，從而導致聲吶信號紊亂、水下聲導航運動物體偏航甚至失聯等嚴重后果。特別是超強孤立內波,在10～20 min 很短時間內可將海水等密度面下壓100～200 m，其巨大能量和動量沖量對所有海洋工程設施和水下航行載體都是災難性的存在[3]。因此，大力開展海洋內波研究、提供局地實時精準內波預報服務，是所有海洋產業開發、保障水下航行活動安全必須重視的課題。

南海是全球海洋中內波最活躍的海區之一。如圖1 所示，南海內波集中分布在北部大陸架和大陸坡（以下簡稱陸架）。究其原因可歸結為：①陸架寬廣、邊緣海底地形陡變為內波生成與演化提供了有利條件；②季風氣候條件下，海區層結得以季節性強化；③海區東部和東北部分別與呂宋海峽和臺灣海峽相連，發源于兩海峽的內潮波直接傳入海區，在海底地形與海水層結分布作用下，演化成超強孤立內波波包，最近布放在呂宋海峽西口的錨系觀測發現，孤立內波振幅高達240 m，為世界之最[4]。

見之于報道的南海內波觀測發端于衛星遙感圖像。Fett 和Rabe[5]最早利用衛星可見光圖像觀測了內波在南海北部東沙環礁附近發生的反射現象。通過衛星圖像，可以準確確定內波發生的位置和時刻，反演估算內波振幅、波速、波向、半波寬度以及流速等信息[6-7]，研究內波生成的動力學機制[8]。近年來，衛星圖像被廣泛用于研究南海內波時空分布統計特征和傳播特征[9-14]。Wang 等[15]從南海2 500 張多源遙感衛星圖像中提取了3 500 個內波，系統分析了南海內波的分布和傳播方向特征（圖1）。Zheng 等[8]采用擾動Korteweg-deVries（PKdV）方程分析1995 年至2001 年的合成孔徑雷達（SAR）圖像，證明趨淺溫躍層為南海東北部內孤立波波包的產生和增強提供有利條件。

圖1 南海略圖、內波波鋒線分布及本文評述相關的觀測概位Fig.1 Outline chart of the South China Sea,internal wave crest line distribution and positions approximate of study areas

現場觀測是研究海洋內波最直接和最有效的手段。南海內波現場觀測直到20 世紀90 年代初才起步。Ebbesmeyer 等[16]通過分析布放在廣東陸豐近海的聲學多普勒海流剖面儀（Acoustic Doppler Current Profile，ADCP）測得的現場數據和衛星圖像，推斷陸豐近海的內孤立波可能起源于呂宋海峽潮汐強迫。特別值得一提的是，2000 年至2001 年期間實施的“亞洲海國際聲學實驗”（Asian Seas International Acoustic Experiment,ASIEX）項目，在南海北部內波研究上取得一系列的突破性成果。例如，Ramp 等[17]發現了重現周期分別為24 h 和25 h 的2 種內孤立波，并將其分別命名為a 波和b 波；Yang 等[18]首次在南海北部發現了第二模態內波[17,19-20]等。該項目推動南海成為內波研究熱點海區，至今熱度不減[21-29]。中國海洋大學2010 年至2014 年期間在呂宋海峽以西海域開展了 “南海內波實驗（SCS Internal Wave Experiment，SIWE）”，通過陣列錨系觀測得到總計4 771 個內波波包，建立了迄今為止南海內波最大實測數據庫，并不斷有分析成果問世[4]。自然資源部第一海洋研究所于2016 年至2017 年期間，在南海北部東沙環礁西側陸坡海域開展錨系內波觀測,填補了當地內波實測數據空缺，發現了重現周期為23 h 的新型內波[30-31]。

近年來，數值模擬方法廣泛應用于南海內波的生成、傳播和演變過程研究[32]。Liu 等[33]采用KdV（Kortweg-deVries）方程數值模型，研究中國東海和南海的內孤立波在陸坡上的傳播與演變過程，數值計算結果與衛星SAR 圖像數據一致。Cai 等[34]利用改進eKdV 方程，建立內孤立波規范化長波傳播方程兩層模式（Regularized Long Wave,RLW）模擬南海陸坡處的內孤立波，發現耗散作用和海底地形對傳播過程有顯著影響。Kadomtsev-Petviashvili（KP）方程也被用來研究南海東北部內孤立波的非線性相互作用[35-36]。

前人對南海內波研究進展多有評述[37]。本文旨在以2015 年為時間節點，評述2015 年以來南海內波研究發展前沿和研究熱點，著重介紹現場錨系觀測獲得的新發現和高新技術應用成果，以期為讀者洞察該研究領域發展狀況打開一扇窗。

1 南海內波研究新發現

南海略圖如圖1 所示。紅色線條代表由多種衛星歷史圖像提取的內波波鋒線分布[15]。由圖1 可見，南海內波集中分布在北部陸架、陸坡以及西部陸坡，南部和西南部陸坡有稀疏分布。由于衛星圖像僅對海面信息敏感，而海洋深層擾動的海面信息可能較弱，不利于衛星成像，因此該圖并不代表深水區不存在內波。圖中白色五角星代表新發現和新進展觀測概位，本文將以發表年限為序逐一概略評述。例如，五角星HQ代表將在1.5 節評述的深海內波觀測實例錨系站概位。

1.1 振幅240 m 超強內孤立波

南海以超強內波聞名于世。以觀測到的內孤立波最大振幅為指標，全球海洋可對標實例為：地中海西部直布羅陀海峽以東，測得內孤立波最大振幅為50～100 m[38]；爪哇海東南部龍目海峽以北，由回聲探測儀測得線性內波波峰至波谷振幅達100 m[39]。在南海，Ramp 等[17]在2001 年5 月9 日ASIEX 項目錨系觀測期間，于東沙環礁東北陸坡（117°17′E，21°37′N）水深350 m 處測得內孤立波最大振幅為142 m。這曾引起廣泛關注。Chang 等[40]2006 年6 月利用錨系觀測，在東沙環礁東北陸坡（117°20′45″E，21°04′48″N）水深600 m 處測得內孤立波最大振幅為130 m。Lien 等[41]2011 年6 月4 日利用錨系觀測，在東沙環礁東北陸坡（117°13′12.6″E，21°04′14.4″N）水深450 m 處測得內孤立波最大振幅為173 m。

2010 年至2014 年，中國海洋大學在呂宋海峽以西海域開展“南海內波實驗”，建立了迄今為止南海內波最大實測數據庫。其中包括2013 年12 月4 日在呂宋海峽西側M10（圖1 中HX1）潛標站（120°13′12″E，20°34′12″N）水深3 847 m 處，測得內孤立波最大西向峰值流速2.55 m/s、最大振幅240 m，這是迄今為止見于報道的全球海洋觀測到的內孤立波最大振幅值，如圖2 所示[42]。由垂直溫度剖面可見，該孤立波為下壓型（depression wave）。當18:36 UTC 孤立波前沿到達測站前，12 °C 水溫等溫線位于300 m 水深；而當19:04 UTC 孤立波波峰通過測站時該等溫線下壓至540 m，即在28 min 時間內等溫線下壓了240 m。該孤立波的擾動達水深1 000 m 以下，在900 m 水深處振幅仍達110 m，200～1 000 m 水深的平均振幅高達173 m，與此前Lien 等[41]在東沙環礁東北陸坡測得的內孤立波最大振幅持平。對布設在巴坦島附近的潛標同步觀測數據分析揭示，這一超強內孤立波的產生似與呂宋海峽超強半日內潮相聯系。對數模產品分析表明，由黑潮增強引起的呂宋海峽層結強化對超強內孤立波生成也有貢獻[42]。這一新發現不僅對南海內波動力學和區域海洋學研究具有重要意義，而且對沿海水等密面航行的水下潛航器規避滅頂之災獨具特殊意義。

圖2 全球海洋最大振幅內孤立波水溫和流速剖面分布Fig.2 The greatest amplitude internal solitary wave in the global ocean

1.2 中尺度渦對內波的調制

Huang 等[43]利用2013 年11 月至2014 年1 月南海呂宋海峽以西（圖1 中HX2）潛標陣列數據（圖3a）和同步衛星高度計海面高度異常（Sea Level Anomaly,SLA）圖像（圖3b），分析氣旋-反氣旋渦對高頻內波的調制作用，得出內波振幅、傳播速度和傳播方向的調制量。這是迄今為止有關南海中尺度渦與內波相互作用研究最完整、詳盡的研究成果。

由圖3c 可見，深水區內波向下平均振幅可達100 m（圖3 中用負值表示），淺水區為20 m。振幅明顯受渦旋調制。反氣旋渦過境時，各潛標站位均顯示內波平均振幅減小，減小幅度為14%～67%；氣旋渦過境時減小幅度為14%～40%。圖3d 為在2 種極性中尺度渦控制下溫躍層和內波振幅一維斷面分布?？梢?，反氣旋渦過境時，溫躍層平均深度由230 m 下壓至300 m，并呈由深水至淺水加深的反常分布。內波振幅則跟隨溫躍層厚度變化。而氣旋渦的影響不顯著。圖3e 顯示，傳入反氣旋渦核心區的內波波向由西向（270°）轉向西北向（310°），最大北偏達40°，而在氣旋渦核心區內則南偏可達20°。圖3f 示出中尺度渦對內波傳播速度調制過程實測結果?？傮w規律是反氣旋渦過境時，波速增大，深水區最大增幅可達30%以上，即由3 m/s 增大至4 m/s，淺水區增幅略小，約10%～25%；而氣旋渦過境時，深水區最大增幅約10%，淺水區增幅不顯著。上述依據潛標-衛星聯合觀測數據分析得出的研究成果，為認識南海深海盆內波動力學特征，特別是認識中尺度渦對內波的調制與能量級串過程，具有重要意義。

圖3 南海呂宋海峽以西2013 年11 月至2014 年1 月觀測得出的氣旋-反氣旋渦對對高頻內波的調制作用Fig.3 Modulation of cyclonic-anticyclonic eddy pair to high frequency internal waves observed in west of the Luzon Strait of the South China Sea from November 2013 to January 2014

1.3 重現周期23 h 內孤立波

自然資源部第一海洋研究所2016 年至2017 年在南海北部東沙環礁西側陸坡海域（115°30′00″E，20°31′12″N）（圖1 中CL 站，水深約397 m）開展錨系內波觀測,建立了局地內波實測數據庫。通過數據分析，獲得對局地內波動力特征重要新認識，其中最突出的是發現了重現周期為23 h 的新型內孤立波[30-31]。

Ramp 等[17]根據南海北部陸坡海域內孤立波重現周期，將其分成a 波和b 波兩種類型。a 波以每天同一時刻出現在觀測站位，即重現周期為24 h 為特征；而b 波每天推遲1 h 出現在觀測站位，即重現周期為25 h。Ramp 等[25]確定2 種內波在深水區和陸坡海域的統計傳播速度分別為（3.23±0.31）m/s 和（2.22±0.18）m/s。Huang 等[44]將在呂宋海峽西側海域觀測到的137 個內孤立波分成了81 個a 波和56 個b 波，并發現在大多數情況下，a 波產生的內波水平流速要比b 波的大。

Chen 等[30]通過分析溫鹽鏈逐日觀測到的水溫剖面圖，分析內孤立波重復出現規律。如圖4a 和圖4b 所示，2016 年9 月2 日至4 日，每天當地時間上午8:00 均出現了一個內孤立波，即重現周期約為24 h，此系a 波內孤立波。2017 年7 月14 日至16 日，逐日推遲約1 h 出現一個內孤立波，即重現周期約為25 h，此系b 波內孤立波。除這2 種內孤立波外，圖4c 則示出一種新型內孤立波。從2017 年7 月10 日至12 日，逐日提前1 h 左右出現一個內孤立波，即重現周期約為23 h。這種新發現的重現周期約為23 h 的內孤立波定義為c 波（Type-c ISW）。

圖4 南海北部東沙環礁西側陸坡海域潛標溫度鏈觀測到的3 種重現周期內孤立波溫度剖面分布Fig.4 Water temperature profiles of internal solitary waves with three types of re-appearance periods observed by mooring thermal chain deployed on continental slope west of Dongsha Atoll in the northern South China Sea

觀測期間共發現了8 組c 波，共包括30 個內孤立波。平均重現周期為（23.04 ± 0.29）h，即每天提前約1 h 出現在觀測站位。平均振幅為（45 ± 17）m，最大振幅為91 m，其平均振幅與a 波（平均重現周期為（24.20 ±0.14）h）的平均振幅（44 ± 8）m 接近，但比b 波（平均重現周期為（25.08 ± 0.49）h）的平均振幅（54 ± 19）m 小。這些內孤立波均可以單波或波包形式出現。關于a 波和b 波的生成機制，Zhao 和Alford[45]以及Ramp 等[17]提出，呂宋海峽潮汐強迫變化是主要因素，即a 波產生于潮汐日不等現象較強時，而b 波則產生于較弱時。對c 波的生成機制迄今無定論。

1.4 內孤立波裂變現象

Bai 等[46]2011 年7 月在南海東北部臺灣海峽南口陸架海域開展了水文CTD 斷面和潛標ADCP 觀測，潛標站位為（118°10′12″E，22°22′51.6″N）（圖1 中BX，水深60 m）。其中7 月13 日至14 日的測量數據（圖5）顯示，在15 h 測量期間高頻內波連續出現，與通常的潮汐激發機制不一致。為解釋這一現象，作者提出連續出現的高頻內波是由內孤立波在變淺海底地形擾動下發生裂變（fission）而生成的假說。理論分析和數值模擬結果均證明該假說是合理的。該項研究的意義在于，以現場實測實例證明，內波的孤立波動力學性質，對認識內波波包的形成與演化、內波不均勻地理分布以及內波在海洋混合與能量級串中的作用至關重要。

圖5 2011 年7 月13 至14 日南海東北部臺灣海峽南口陸架海域高頻內波潛標觀測結果Fig.5 Mooring-observed high frequency internal waves on the continental shelf of southern outlet of Taiwan Strait in the northeastern South China Sea on 13-14 July 2011

1.5 深海盆內波及動能級串

迄今為止，南海內波的研究區域集中在呂宋海峽以西和南海北部陸架和陸坡海域。南海中部深海盆和南部陸架海域內波研究幾乎為空白。Hu 等[47]2015 年至2016 年在南海海盆中部中沙群島海域（118°01′E,15°16′N）（圖1 中HQ，水深3 790 m）布設潛標觀測底層環流變化以及動能級串，其中包括對時長1 a 的內波信息提取及分析。這是南海內波研究的標志性進展。

Hu 等[47]的觀測方案設計和部分成果如圖6 所示。其中高頻內波譜段（High Frequency Internal Wave，HFIW）（＞1.3f）動能隨時間變化如圖6h 所示。由圖6h 中曲線可見，高頻內波動能（High Frequency internal wave Kinetic Energy,HFKE）對中尺度渦過境響應十分強烈。以圖中紅線所示的3 790 m 測量結果為例，2015年11 月28 日至12 月3 日反氣旋渦過境期間（圖6d），HFKE 最大值異常高達2.56 J/m3，約是正常平均值（0.07 J/m3）的37 倍。觀測結果顯示，HFKE 陡增脈沖與近慣性動能（Near Inertial Kinetic Energy,NIKE）陡增脈沖同步發生。這說明二者都是中尺度渦與海底地形碰撞后，能量向亞中尺度運動級串而發生。

圖6 南海深海盆底層環流觀測方案和部分成果Fig.6 Observation design and part of results of bottom layer circulation in the South China Sea deep basin

2 南海內波研究高新技術應用

2.1 衛星海面高度平面波分解技術

衛星高度計沿軌海面高度場（Sea Surface Height,SSH）二維（2D）平面波分解技術是2010 年以來開發的衛星高度計海面高度數據信息提取新技術。Zhao[22]利用該技術成功提取了呂宋海峽2D 內潮輻射圖，直觀顯示出內波與內潮輻射的依存關系，成為南海北部內波動力機制和起源研究節點性成果。

Zhao[48]利用該技術提取了臺灣海峽（圖1 中ZZ）南向內潮2D 輻射圖，填補了信息空白。圖7 示出源自呂宋海峽和臺灣海峽的內潮主分量M2內潮2D 輻射場與內波波鋒線分布復合圖[48]。圖7 中紅藍相間粗條帶代表以SSH 為特征量的M2內潮波峰-波谷水平分布，綠細線代表由衛星圖像提取的內波波鋒線水平分布。從圖7 可直接提取2 項重要動力學信息：①關于內潮。南海M2內潮場由源自呂宋海峽和臺灣海峽2 束獨立近線性2D 平面波輻射共同組成。兩輻射共同特征為波長相同，均約140 km，以及輻射強度（SSH）隨輻射距離平方衰減。差異是呂宋海峽波束強度是臺灣海峽的3 倍（60∶20）；呂宋海峽波束僅有單向西傳波束；而臺灣海峽波束具有南、北雙向傳播波束，其中南傳波束強，北傳波束弱，圖7 中未顯示，但現場觀測確認其存在[49]。②關于內波。按水平2D 分布特征看，南海北部內波可以劃分為南（圖7a 中大紅框）、北（圖7b中小紅框）兩部分。南部內波依存于呂宋海峽M2內潮波束[22]，總體來看向西傳播，數量約為海區總量的80%。其中以1 000 m 等深線為界，以東深水區為單體強孤立波分布區，以西則為在陸坡地形擾動下強孤立波分裂生成的波包密集分布區。北部內波依存于臺灣海峽M2內潮北向波束，總體向北傳播，數量約為海區總量的20%。由于海底地形陡然變淺，內潮波迅速裂變耗散，形成細碎內波密集分布。南向內潮波束沿水深變深（相應溫躍層也變深）方向傳播，不存在內潮波非線性裂變、演化成內孤立波的動力條件[8]。因而，除圖7b 中小紅框示出的臺灣海峽南口海域之外，臺灣海峽M2內潮南向波束對南海內波的生成與演化幾無影響。上述成果表明，衛星海面高度平面波分解技術應用推動了南海內潮和內波研究產生突破進展。對長期爭論不休的南海內波產生機制和原生地問題給出了確切答案。同時為研究更細節動力學問題以及開發局地內波預報模式奠定了基礎。

圖7 南海北部由衛星高度計沿軌海面高度場2D 平面波分解技術得出的M2 內潮2D 輻射場（紅藍條帶）與衛星觀測內波波鋒線（綠細線）分布復合圖Fig.7 Composite images of satellite observed internal wave crest lines（green lines）and 2D M2 internal tide radiation beams（red and blue bands）in the northern South China Sea derived from satellite altimeter along track sea level fields by 2D plane wave decomposition techniques

2.2 人工智能技術

巨量的海洋內波衛星圖像積累和分辨率越來越高的海洋動力環境數據產品全球共享，為開發人工智能（AI）技術對重要海區內波開展分析和建立預報模式提供了基礎資源。AI 技術已經成功應用于南海周邊邊緣海內波研究中，例如蘇祿海（Sulu Sea）、蘇拉威西海（Celebes Sea）[50]以及安達曼海（Andaman Sea）[51]。尚未見到南海內波AI 應用成果問世。本節評述Zhang 等[51]應用AI 技術建立安達曼海內波預報模式成果，以資借鑒。

安達曼海系東北印度洋邊緣海，周邊與海底地形復雜，在強潮汐作用下，成為內波多發海域。衛星圖像顯示，該海域內波場呈多源激發、多向傳播（甚至背向傳播）以及多波交叉等特點，信息豐富。為預報安達曼海內波傳播，Zhang 等[51]基于后向傳播神經網絡（back-propagation neural network）發展了一種機器學習模式。利用從安達曼海2015 年至2019 年間123 幅中分辨率成像光譜輻射計（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometers，MODIS）和33 幅海洋陸地水色儀衛星圖像中提取的1 189 個內波樣本（包括波峰線長度和峰-峰距離）以及與之對應的海洋環境參數作為模式訓練樣本，在此基礎上建立內波傳播預報模式。預報操作時，以衛星圖象實時觀測到的內波波包先導波波鋒線位置為輸入信息，再輸入預報時刻，模式自動輸出預報時刻的內波將出現的位置。對多次預報結果統計分析表明，模式預報的一個潮周期之后內波波峰線位置與后續衛星圖像上顯示的位置之間的平均相關系數達95%，平均距離均方根差為3.21 km。這些結果遠遠優于KdV 方程能夠達到的預報水平。圖8 示出8 次預報實例。

圖8 安達曼海內波傳播人工智能預報模式應用實例Fig.8 Cases of AI prediction model application to internal wave propagation in the Andaman Sea

2.3 快速深潛剖面浮標技術

水下潛航剖面浮標測量技術是自21 世紀發展起來的海洋觀測高新技術。該項技術已廣泛應用于全球大洋，推動大洋環流研究不斷取得突破性進展[52]。但是，現有的水下潛航剖面浮標產品，例如Argo 浮標，技術指標有兩點關鍵局限性。一是水深測量范圍為海面至2 000 m，即該項技術不能用于測量深海環流。而深海環流研究對認識全球氣候變化機制等重大科學問題至關重要，必將成為全球海洋界研究重點。二是重復測量周期為10 d。這使得該項技術對觀測海洋環流高頻分量，例如近慣性振蕩、內潮和內波等亞中尺度過程，效果不彰。而亞中尺度過程是陸架淺海和邊緣海研究重要課題。正是科學研究的迫切需要，催生快速深潛剖面浮標（Rapid-Sampling Deep Profiling Floats，RDPF）技術發展。

中國海洋大學等單位已于2019 年成功設計制造了10 臺RDPF 樣機，最大工作水深為4 000 m，重復測量周期為1 d。樣機已在南海、菲律賓海、馬里亞納海溝和黑潮延伸區進行了投放試驗，RDPF 樣機工作正常，取得首批科學數據[53]。南海RDPF 樣機試驗投放位置為（114°58′48″E,18°06′00″N），居南海深海盆北部（圖1 中GZ），浮標潛航范圍為（114°58′12″～115°36″E,17°59′24″～18°54′00″N），水深3 500～4 000 m（圖9a）。投放時間為2019 年5 月11 日，結束時間為同年8 月11 日，共計完成122 測量循環周期。對測溫數據的分析結果表明，測溫傳感器靈敏度和精確度高，系統穩定性好。由南?？焖偕顫撈拭娓送斗旁囼灁祿嬎愕贸龅?.1～1.8 d 內波波段波動引起的水溫起伏幅度垂直分布如圖9b 所示?？梢?，該譜段對水溫的擾動總趨勢為隨水深增加而減弱，1 500 m 以上較強，3 000 m 以下微小，唯全日潮擾動直達海底。

圖9 南?？焖偕顫撈拭娓送斗旁囼濬ig.9 Deployment test of rapid-sampling deep profiling float in the South China Sea

2.4 高分辨水下聲成像技術

聲波在水中傳播具有很強的穿透能力，用于水下探測和信息傳遞歷史久遠，為海洋資源開發和航行特別是水下航行安全保障發揮了獨特作用。聲波傳播對水體物理性質變化反應敏感，例如溫度、鹽度、密度、懸浮物、葉綠素、溶解氧和光照等的空間分布變化會引起聲波散射。因此，從水下聲波儀器接收到的聲回波信號中，可以提取多種海洋信息[54-56]。為探測海洋內部精細結構而開發的高分辨水下聲成像技術，適用于海洋內波探測[19,57-58]。海洋多通道地震波成像技術（marine multichannel seismic imaging technique）是高分辨水下聲成像新技術，像元空間分辨率達O（10）m，已引入南海北部陸架內波研究[59-61]。

Feng 等[62]于2020 年7 月將100 kHz 回聲探測儀（Innomar SES2000 Light parametric sub-bottom profiler），用于探測南海北部陸架靠近珠江口（圖1 中FY）的淺水（20～50 m）內波。該儀器的圖像空間分辨率達10 cm，比上述地震波成像技術高2 個量級。圖10 中左列圖10a、圖10c、圖10e 和圖10g 示出該儀器測得的聲波后向散射圖像，右列圖10b、圖10d、圖10f 和圖10h 為解譯圖。圖像清楚顯示了4 個內孤立波波包ISW1-ISW4 的精細結構，從中可確定孤立波極性，測定波包內孤立波個數、間距和擾動深度等。特別是相當精確地測得了孤立波特征半寬度。例如，從圖10e 中測得ISW3 的特征半寬度為2 m。同時，圖像還顯示內波與環境相互作用信息，例如泡沫云形成與海底沉積物再懸浮等。這些信息是測溫鏈、CTD 和ADCP 等傳統內波測量技術難以達到的。圖10b～圖10h 解譯圖中給出了海水上下2 層厚度、內波傳播方向（向北或向岸）和利用KdV 方程孤立波解擬合得出的內孤立波振幅（6.5～13.3 m）。這些結果表明，高分辨率回聲探測儀是海洋內波探測技術中可探測參數最多、精度最高的一種高新技術，值得重視。

圖10 高頻回聲探測儀測得的南海北部陸架淺水聲波后向散射圖像和對應的解譯圖Fig.10 Acoustic backscattering images of continental shelf shallow waters in the northern South China Sea taken by Innomar SES2000 Light parametric sub-bottom profiler,including internal solitary wave packets

3 結語

本文以2015 年至2021 年間在國際知名學術期刊上發表的論文為依據，評述南海內波研究取得的新進展。對具有代表性的亮點成果稍作展開，以期為有興趣做進一步了解的讀者打開一扇窗。從評述的研究前沿和熱點來看，本文認為過去7 a 南海內波研究成果取得質的提升，表現在如下方面：

1）從水平2D 觀測研究發展為3D 立體觀測研究

南海內波觀測與研究，多年來主要依靠海面水平2D 衛星圖像為信息來源，分析內波時空分布統計特征、波包結構和傳播特征，通過線性波動理論和KdV 方程孤立波解提取部分動力參數。而從本文評述的2015 年至2021 年之間取得的5 項代表性新成果可以看出，百分之百亮點成果都是采用潛標或潛標陣列與衛星構成的3D 立體觀測體系取得的。實現了由衛星觀測為主要手段到以潛標現場觀測為主要手段的質的提升，在此前提下催生出振幅240 m 超強內孤立波（1.1 節）、中尺度渦對內波的調制作用（1.2 節）、重現周期23 h 內孤立波（1.3 節）、內孤立波裂變現象（1.4 節）以及深海盆內波及動能級串（1.5 節）等創新成果。

2）研究區開始呈現向南海中部深海盆擴展趨勢

南海內波觀測與研究的海區分布此前主要集中在呂宋海峽以西和北部陸架，近年來出現向中部深海盆擴展趨勢。例如，2015 年至2016 年間的南海深海盆底層環流觀測（1.5 節）和2019 年的快速深潛剖面浮標技術試驗（2.3 節）都是在中部深海盆進行的，取得填補空白的成果。南海作為一個整體，南部深海盆、西部和南部陸架內波觀測與研究尚待發展。

3）高新技術應用助推科學研究突破

海洋探測高新技術應用于南海內波觀測與研究，取得突破性成果。如本文第2 節所評述，由衛星高度計沿軌海面高度場2D 平面波分解技術得出的南海M2內潮輻射圖，解決了多年爭論不休的南海北部內波生成機制和生成源地問題。人工智能技術成功應用于建立南海鄰近的邊緣海內波傳播預報模式。模式預報的1 個潮周期之后內波波峰線位置與后續衛星圖像上顯示的位置之間的平均相關系數達95%，平均距離均方根差為3 km?？焖偕顫撈拭娓思夹g應用南海北部深海盆，得出0～3 500 m 全水深內波波段（0.1～1.8 d ）波動引起的水溫起伏幅度垂直分布。高分辨水下聲成像技術，包括人工地震技術和回聲探測儀，已成功應用于南海北部陸架內波觀測與研究。其中回聲探測儀圖像空間分辨率達10 cm，清楚顯示內孤立波波包精細結構，特別是精確測得水平尺度僅為2 m 的孤立波特征半寬度。這是此前內波測量技術難以達到的精度。

如前所述，內波研究的科學意義在于，內波的時間尺度處于亞中尺度過程最底端，是海洋能量級串研究不可逾越的重要環節。特別是內波引起的湍流混合對上層海洋動力學和海洋內部熱結構研究以及跨學科研究具有重要意義。但是，從能量譜角度來看，內波并不是對局地海洋環流具有重大影響的能量分量。而內波研究的重要性在于應用或工程領域。因為其巨大能量（恰當地說應為功率）和動量沖量對所有海洋工程設施和水下航行載體都是災難性的存在。因此，在積累大量科學研究成果基礎上，開發局地實時精準內波預報服務，是所有海洋產業開發、保障水下航行活動安全必須重視的課題。本文評述的采用人工智能技術建立內波傳播預報模式的成功實例，可供建立南海內波實時精準預報模式所借鑒。