基于實(shí)測(cè)資料海洋內(nèi)孤立波診斷模型設(shè)計(jì)

鄧冰，陳鳳貴，肖義國(guó)，徐振華

(1.北京應(yīng)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(nèi)波是發(fā)生在海洋內(nèi)部的重力慣性波，具有水下魔鬼之稱。長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)海洋內(nèi)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(nèi)波是重要的海洋中尺度現(xiàn)象，由于內(nèi)波發(fā)生機(jī)制的復(fù)雜性以及時(shí)間空間特征的隨機(jī)性而成為海洋領(lǐng)域研究的難點(diǎn)。海洋內(nèi)波的研究不僅在整個(gè)海洋動(dòng)力學(xué)的理論研究中占有重要的地位，而且對(duì)海洋環(huán)境與資源開(kāi)發(fā)和保護(hù)、軍事應(yīng)用及推動(dòng)其他相關(guān)學(xué)科的深入研究和發(fā)展都具有重要的價(jià)值。我國(guó)近海區(qū)域是海洋內(nèi)波的多發(fā)區(qū)。海洋內(nèi)波對(duì)潛艇、聲納、魚雷等水下武器裝備作戰(zhàn)運(yùn)用有著非常重要的影響［1—2］。由于海洋內(nèi)波是發(fā)生在海洋內(nèi)部，因此對(duì)內(nèi)波特征要素的了解目前不能通過(guò)直接測(cè)量得到，需要通過(guò)對(duì)流場(chǎng)、密度場(chǎng)的診斷得到內(nèi)波的特征信息。筆者利用CTD溫鹽資料和ADCP流場(chǎng)資料設(shè)計(jì)了提取內(nèi)波振幅、周期、流速和流向的診斷方案。

1 海洋資料處理

內(nèi)波是一種寬頻振動(dòng)，其頻率范圍在當(dāng)?shù)貞T性頻率到浮力頻率之間。常見(jiàn)的波長(zhǎng)為幾十米至幾十千米，周期為幾分鐘至幾十小時(shí)，振幅一般為幾米至幾十米，最大振幅可達(dá)一二百米［3］。中國(guó)?；久總€(gè)季節(jié)都有著明顯的海水層化現(xiàn)象［4］，為內(nèi)波的發(fā)生和傳播提供了介質(zhì)，而周圍復(fù)雜且不穩(wěn)定的流場(chǎng)特征又給內(nèi)波的發(fā)生提供了擾動(dòng)源。因此該海域內(nèi)波頻發(fā)，其中最為普遍的內(nèi)波是內(nèi)孤立波和內(nèi)潮波。內(nèi)孤立波具有強(qiáng)非線性，常常由強(qiáng)內(nèi)潮裂變生成。

內(nèi)波的振幅通常以等密度線的起伏來(lái)衡量，但因直接測(cè)量海水密度非常困難，通常用等溫線或等鹽線的起伏來(lái)代替［5］。在海洋中能引起等溫線振動(dòng)的因素主要有:潮汐、太陽(yáng)輻射、內(nèi)波、風(fēng)、浪等。潮汐使海水等溫線發(fā)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(jí)。太陽(yáng)輻射也會(huì)使海水溫度增高，使等溫線出現(xiàn)日周期的變化，但這些變化主要集中在海水表層，不會(huì)波及整個(gè)水體。因此當(dāng)海水中層或者溫躍層附近的等溫線出現(xiàn)了大的起伏時(shí)，一般可以認(rèn)定發(fā)生了內(nèi)波［6］。一般情況下強(qiáng)度弱的內(nèi)波對(duì)水下平臺(tái)和武器裝備不會(huì)造成大的影響，基于內(nèi)波實(shí)際保障的需求，文中僅考慮當(dāng)海水中層或溫躍層附近的等溫線出現(xiàn)超過(guò)10 m振幅時(shí)，認(rèn)定發(fā)生了內(nèi)波。

由于現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的海洋環(huán)境資料具有不同的格式，需對(duì)搜集到的CTD資料和ADCP資料進(jìn)行預(yù)處理，進(jìn)行校對(duì)檢驗(yàn)和格式編排，使資料的數(shù)據(jù)集(物理要素測(cè)量值的集合)和元信息(如測(cè)量的時(shí)間、地點(diǎn)、方式、質(zhì)量控制等)在準(zhǔn)確性、規(guī)范性方面滿足完整性要求和一定的規(guī)格指標(biāo)。為方便讀取和自動(dòng)化處理，對(duì)數(shù)據(jù)格式制定了標(biāo)準(zhǔn)，其中對(duì)溫鹽流數(shù)據(jù)要求為一整天的多層觀測(cè)資料，數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔要求為1 min，垂向深度間隔為1 m，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)如果不滿足要求需先進(jìn)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(guò)程中規(guī)定連續(xù)缺少3層以上按缺測(cè)處理。

Akima方法規(guī)定，在2個(gè)實(shí)測(cè)點(diǎn)之間進(jìn)行內(nèi)插，除了要用到這2個(gè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值以外，還用到與這2個(gè)點(diǎn)相鄰的4個(gè)點(diǎn)上的實(shí)測(cè)值，也就是說(shuō)在2個(gè)點(diǎn)之間內(nèi)插需要用到6個(gè)實(shí)測(cè)點(diǎn)。設(shè)用i(i=1，2，…，6)表示這6個(gè)實(shí)測(cè)資料的序號(hào)，其坐標(biāo)為(xi，yi)，插值點(diǎn)(x，y)位于第3和第4個(gè)實(shí)測(cè)點(diǎn)之間，即x3＜x＜x4，則插值點(diǎn)y可用式(1)計(jì)算:

其中:

式(2)中，t3和t4分別是第3和第4號(hào)實(shí)測(cè)點(diǎn)要素的斜率，分別用1，2，3，4，5和2，3，4，5，6號(hào)點(diǎn)上的實(shí)測(cè)值表示，在一般的情況下，t3和t4可用式(3)計(jì)算:

式中:mi為斜率，它用式(4)表示:

2 內(nèi)波信息提取

2.1 用CTD資料提取

由于孤立波的非線性較強(qiáng)，其波形一般并不對(duì)稱，因此通過(guò)計(jì)算其半波寬度的方法提取內(nèi)波振幅和周期，選取內(nèi)波到來(lái)前和波峰到達(dá)時(shí)刻的等溫線所在深度的差值即為內(nèi)波的振幅，二者時(shí)間差的2倍即為內(nèi)波的周期［8］。海洋內(nèi)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(nèi)波振幅，z=H2-ζ。

圖1 海洋內(nèi)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(nèi)波波致流和內(nèi)波傳播方向［9］。

將實(shí)測(cè)海流進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理獲得多個(gè)時(shí)間相應(yīng)、長(zhǎng)度相等的實(shí)測(cè)流的時(shí)間序列。采用梯形積分公式計(jì)算得到平均全流時(shí)間序列，再由諸實(shí)測(cè)流與平均全流時(shí)間序列之差，獲得各變差流的時(shí)間序列。

定點(diǎn)ADCP海流觀測(cè)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(dāng)躍層上下側(cè)平均變差流的相位差約180°+10°，同時(shí)對(duì)應(yīng)著一個(gè)持續(xù)時(shí)間為5～40 min的流速激增過(guò)程時(shí)，表示內(nèi)孤立波的發(fā)生過(guò)程。

根據(jù)內(nèi)波理論可知，如果內(nèi)波流的剪切層深度小于水深的一半，說(shuō)明該內(nèi)波為下凹型內(nèi)孤立波，由此對(duì)應(yīng)上層變差流方向即為內(nèi)波的傳播方向。反之說(shuō)明內(nèi)波為上凸型內(nèi)孤立波，對(duì)應(yīng)下層變差流方向即為內(nèi)波的傳播方向，同時(shí)上層和下層變差流的大小即為內(nèi)波流的振幅。內(nèi)波動(dòng)力診斷流程構(gòu)架如圖2所示。

圖2 海洋內(nèi)波動(dòng)力診斷流程Fig.2 Dynamic diagnosis process of internalwave

3 海洋內(nèi)波信息診斷個(gè)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(nèi)孤立波的振幅大小并不一致，南海東沙群島附近內(nèi)孤立波最大振幅可達(dá)170 m，而淺海大陸架區(qū)內(nèi)孤立波振幅一般為10～40 m左右。根據(jù)前面所述的辨識(shí)標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)東沙海域?qū)嵗M(jìn)行了分析。對(duì)溫度鏈資料處理后得到的等溫線隨時(shí)間的演變?nèi)鐖D3所示?？梢钥闯觯瑘D3中曲線為一個(gè)包含8個(gè)孤立子的下凹型內(nèi)孤立波列，經(jīng)計(jì)算選定孤立子的振幅18 m，周期為22.5 min。

選定時(shí)刻內(nèi)波流的矢量分布如圖4所示。可以看出，內(nèi)波傳播方向?yàn)槲鞅逼?，?nèi)波流最大可達(dá)0.5 m/s，剪切流最大可達(dá)0.75 m/s。星號(hào)所示位置明顯出現(xiàn)約20 min的流速增大過(guò)程，流速增大到0.4 m/s，明顯高于當(dāng)?shù)?.2 m/s的背景流，在45 m深處存在一個(gè)剪切界面，由此可認(rèn)為這是一個(gè)內(nèi)孤立波的過(guò)境過(guò)程。根據(jù)內(nèi)波理論可知，上層海流的方向?yàn)閮?nèi)波的傳播方向。

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

圖4 內(nèi)波流場(chǎng)診斷Fig.4 Diagnosis chart of internal flow field

4 結(jié)語(yǔ)

海洋內(nèi)波對(duì)海洋聲學(xué)、海洋資源開(kāi)發(fā)、海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)、海洋軍事和海洋工程等方面都具有重要影響，海洋內(nèi)波研究是一個(gè)國(guó)際性研究熱點(diǎn)。海洋內(nèi)波信息診斷分析技術(shù)是研究?jī)?nèi)波特性的基礎(chǔ)。根據(jù)海洋內(nèi)波動(dòng)力學(xué)理論與方法，建立提取海洋內(nèi)波特征的診斷模型，對(duì)實(shí)測(cè)的溫度鏈、潛標(biāo)、ADCP等連續(xù)觀測(cè)資料進(jìn)行動(dòng)力分析診斷，可以診斷出內(nèi)波周期、內(nèi)波振幅、變差流矢量時(shí)間序列及內(nèi)波波致流、內(nèi)波傳播方向等內(nèi)波特征要素。由于海洋內(nèi)波特性十分復(fù)雜，目前我國(guó)南海海域孤立波診斷算法還不能完全滿足自動(dòng)化工作的需求，內(nèi)波特征參數(shù)提取需要通過(guò)相關(guān)專業(yè)知識(shí)的修正，未來(lái)南海孤立波診斷技術(shù)將朝著業(yè)務(wù)自動(dòng)化方向發(fā)展。

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