中國(guó)海南島東部海域內(nèi)波特性觀測(cè)分析?

楊 剛， 陳 標(biāo)， 張本濤， 李惟羽

(海軍潛艇學(xué)院, 山東 青島 266071)

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中國(guó)海南島東部海域內(nèi)波特性觀測(cè)分析?

楊 剛， 陳 標(biāo)， 張本濤， 李惟羽

(海軍潛艇學(xué)院, 山東 青島 266071)

在海南島東部海域內(nèi)波生成區(qū)和傳播區(qū)，采用CTD與溫度鏈實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合潮流資料，從發(fā)生周期、時(shí)間與振幅等方面分析了海南島東部海域內(nèi)波的特性，發(fā)現(xiàn)此處內(nèi)波與潮汐間存在較強(qiáng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，周期表現(xiàn)為不規(guī)則全日潮周期，內(nèi)波多發(fā)于高潮時(shí)后1～4h內(nèi)，占總發(fā)生次數(shù)的75%。2009年觀測(cè)得到的內(nèi)波周期范圍主要集中在10～29min之間，約占總數(shù)的70%，振幅主要集中在6～15m，約占總數(shù)的80%；2010年觀測(cè)得到的內(nèi)波周期主要集中在10～45min之間，約占總數(shù)66.8%，振幅集中在10～29m，約占總數(shù)75%。海南島東部海域潮致內(nèi)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(dǎo)致的。

內(nèi)波； 潮汐； 溫度鏈數(shù)據(jù)； CTD數(shù)據(jù)

海洋內(nèi)波是發(fā)生在海洋內(nèi)部的海洋現(xiàn)象，其對(duì)水下潛體的安全性有很大影響，是海洋動(dòng)力學(xué)、海洋生態(tài)學(xué)等領(lǐng)域重要的研究對(duì)象[1]。潮汐與地形的相互作用是內(nèi)波的一種主要生成機(jī)制，南海東北部是海洋內(nèi)波的頻發(fā)地帶，以往的研究發(fā)現(xiàn)南海北部凹陷型內(nèi)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(fēng)實(shí)驗(yàn)(SCSMEX)海上觀測(cè)期間，中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所于東沙群島南緣觀測(cè)到一系列的內(nèi)波事件，得出5月14—16日觀測(cè)點(diǎn)內(nèi)潮波強(qiáng)度最大，與全日潮大潮時(shí)間同步的結(jié)論[4]。2001年亞洲海國(guó)際聲學(xué)實(shí)驗(yàn)(ASIAEX)對(duì)南海北部海域的潮汐和內(nèi)波進(jìn)行了觀測(cè)，采用多條溫度鏈，得到了海深800～70m的過(guò)渡海區(qū)非線性內(nèi)波的傳播、演變情況[5-6]。2004年6月29—30日，中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所于海南三亞外海進(jìn)行了內(nèi)波觀測(cè)，得出觀測(cè)點(diǎn)內(nèi)波為不正規(guī)全日潮周期，且與潮汐有著強(qiáng)烈對(duì)應(yīng)關(guān)系[7]。近年來(lái)隨著技術(shù)發(fā)展，利用衛(wèi)星遙感觀測(cè)內(nèi)波得以實(shí)現(xiàn)，許多學(xué)者通過(guò)衛(wèi)星遙感圖像對(duì)南海北部海洋內(nèi)波的空間分布特性進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，得到了南海內(nèi)波一些有意義的時(shí)空分布特性[8-10]。然而，迄今為止，海南島以東海域內(nèi)波長(zhǎng)時(shí)間定點(diǎn)觀測(cè)資料依舊是有限而珍貴的，人們對(duì)該地內(nèi)波的特性以及與潮汐之間的關(guān)系也缺乏深入的了解。本文通過(guò)選取海軍潛艇學(xué)院軍事衛(wèi)星遙感應(yīng)用研究所南海實(shí)驗(yàn)的2次觀測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析了海南島東部海域潮致內(nèi)波的振幅、周期以及發(fā)生時(shí)間等參數(shù)，為深入了解海南島東部海域的內(nèi)波特性提供了一定的支撐。

1 海南島東部海域內(nèi)波觀測(cè)概述

此次海南島東部海域2次實(shí)驗(yàn)時(shí)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(cè)期間，實(shí)驗(yàn)船錨定于海南島以東水深約為121m，底質(zhì)為硬沙泥底的大陸坡架處(111°48′E，19°30′N(xiāo))(見(jiàn)圖1)，實(shí)驗(yàn)儀器為溫度鏈，6月9日15時(shí)左右開(kāi)始布設(shè)溫度鏈，由于海況原因，正式測(cè)量于21點(diǎn)30分左右開(kāi)始。

2010年實(shí)驗(yàn)船錨定于海南島以東的水深約為113m，底質(zhì)為硬沙泥底的大陸坡架處(111°12′E，19°30′N(xiāo))(見(jiàn)圖1)，實(shí)驗(yàn)儀器為溫度鏈與CTD。溫度鏈測(cè)量開(kāi)始于6月29日23時(shí)左右；CTD測(cè)量起始于6月30日4時(shí)，測(cè)量過(guò)程中利用實(shí)驗(yàn)船側(cè)邊小吊勾吊CTD入水測(cè)取垂向溫度、鹽度、密度剖面，每次觀測(cè)從海面到海底附近，這種時(shí)間采樣設(shè)定可以獲得較長(zhǎng)時(shí)間資料，同時(shí)觀測(cè)到大振幅內(nèi)波影響的溫度變化。

觀測(cè)地點(diǎn)潮汐均屬于不規(guī)則全日潮。

2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理

由于觀測(cè)過(guò)程受到一定外界因素的干擾，存在少量異常數(shù)據(jù)，因此本文首先對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行了剔除，處理方法如下：首先，去除由于測(cè)量開(kāi)始時(shí)2個(gè)探頭未工作造成的測(cè)量不完整的數(shù)據(jù)部分，截取完整連續(xù)的測(cè)量數(shù)據(jù)；其次，判斷數(shù)據(jù)中的異常數(shù)據(jù)，對(duì)儀器布設(shè)與打撈時(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)，不予采用，對(duì)數(shù)據(jù)中的奇異值進(jìn)行剔除，并用上下測(cè)量數(shù)據(jù)插值代替；最后，對(duì)CTD數(shù)據(jù)進(jìn)行了低通濾波處理，慮除了數(shù)據(jù)中的高頻(快速變化)噪聲干擾，消除數(shù)據(jù)時(shí)間滯后效應(yīng)，達(dá)到零相位偏移。

圖1 實(shí)驗(yàn)位置

經(jīng)過(guò)上述處理后本文使用的數(shù)據(jù)特點(diǎn)如下：2009年為溫度鏈數(shù)據(jù)，溫度鏈共16個(gè)探頭，其中2個(gè)深度探頭，14個(gè)溫度探頭，采樣頻率為1min，從海表至海底14個(gè)溫度探頭對(duì)應(yīng)深度為8、10、18、23、28、33、38、43、48、53、58、63、68和73m。具體數(shù)據(jù)時(shí)間段為2009年6月9日21點(diǎn)30分—14日22點(diǎn)34分，去除不完整與異常的測(cè)量數(shù)據(jù)，實(shí)際有效時(shí)間段為6月10日00點(diǎn)20分—14日11點(diǎn)03分。2010年為溫度鏈數(shù)據(jù)與CTD數(shù)據(jù)，溫度鏈共18個(gè)探頭，其中2個(gè)深度探頭，16個(gè)溫度探頭，采樣頻率為1min，從海表至海底16個(gè)溫度探頭對(duì)應(yīng)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(shù)據(jù)時(shí)間段為2010年6月29日23點(diǎn)00分—7月6日22點(diǎn)26分，去除不完整與異常的測(cè)量數(shù)據(jù)，實(shí)際有效時(shí)間段為6月30日9點(diǎn)00分—7月6日21點(diǎn)00分。CTD測(cè)量時(shí)間短為6月30日4時(shí)—7月6日13時(shí)，數(shù)據(jù)采樣間隔為1m，采樣頻率為1h。

3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

3.1 海南島東部海域內(nèi)波與潮汐的對(duì)應(yīng)性

數(shù)據(jù)分析前，本文首先判斷所得到的水體波動(dòng)是由內(nèi)波引起還是因其他水體入侵引起，判斷依據(jù)為Fang和You[11]使用過(guò)的比對(duì)等溫線與等密線的方法，若等溫線與等密線同時(shí)上凸或下凹，則說(shuō)明引起水體波動(dòng)為內(nèi)波，反之則為入侵水體。如圖2所示，其中圖2(a)為由CTD觀測(cè)的2010年密度數(shù)據(jù)，圖2(b)為CTD觀測(cè)得到的溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)對(duì)比，所測(cè)得波動(dòng)為內(nèi)波引起。

本文通過(guò)對(duì)比2009年6月10日00點(diǎn)20分—14日11點(diǎn)03分溫度鏈數(shù)據(jù)繪制的等溫線圖(見(jiàn)圖3)和與之對(duì)應(yīng)時(shí)間的潮汐圖(見(jiàn)圖4)，發(fā)現(xiàn)等溫線波動(dòng)是在一個(gè)整體低頻波動(dòng)上疊加了一些高頻的波動(dòng)，可以看出這個(gè)低頻的波動(dòng)與潮汐波動(dòng)有很高的一致性。

圖2 2010年6月30日4點(diǎn)—7月6日13點(diǎn)等溫線與等密線對(duì)比

進(jìn)一步取溫度鏈數(shù)據(jù)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(duì)應(yīng)的頻率約為0.0007min-1，即周期為1428.6min，約為23.8h，對(duì)應(yīng)于不規(guī)則全日潮，2010年數(shù)據(jù)也有類(lèi)似結(jié)論(圖略)，故可初步認(rèn)為海南島東部海域觀測(cè)的內(nèi)波為潮致內(nèi)波。

3.2 海南島東部海域潮成內(nèi)波的特征分析

2次實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的樣本較多，故可以通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析來(lái)研究該區(qū)域潮成的內(nèi)波的特性。由于內(nèi)波的非周期性，本文對(duì)觀測(cè)時(shí)間范圍內(nèi)的內(nèi)波波動(dòng)進(jìn)行逐個(gè)分析，獲得內(nèi)波列中顯著波動(dòng)的振幅與周期。由于數(shù)據(jù)量較大，在此以2010年一次明顯的內(nèi)波過(guò)程為個(gè)例進(jìn)行提取和統(tǒng)計(jì)。

圖3 2009年6月10日00點(diǎn)20分-14日11點(diǎn)03分溫度數(shù)據(jù)

圖4 2009年潮汐圖

圖5 振幅最大深度處波動(dòng)的頻譜圖

圖6為2010年7月2日4-11點(diǎn)的溫度等值線圖，從圖中可以清晰的看到5個(gè)波動(dòng)的存在，是一個(gè)典型的內(nèi)波波包。按圖中從左至右的順序給5個(gè)波動(dòng)1～5編號(hào)，提取這5個(gè)波動(dòng)的振幅與周期可得表1。從表1中可以看出，此內(nèi)波波包持續(xù)時(shí)間約315min，振幅隨時(shí)間逐漸減小，周期逐漸縮短，是一個(gè)內(nèi)波能量逐漸衰減的過(guò)程。

表1 波包中內(nèi)波信息統(tǒng)計(jì)表Table 1 Internal waves statistics

Note： ①Amplitude； ②Cycle

2009與2010年觀測(cè)的10d中每天都存在強(qiáng)弱不一的內(nèi)波現(xiàn)象，按照上述個(gè)例中的方法，本文對(duì)所有觀測(cè)時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了同樣的處理并進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，分別得到了2009和2010年2次實(shí)驗(yàn)點(diǎn)潮成內(nèi)波的周期范圍(見(jiàn)圖7、8)、振幅范圍(見(jiàn)圖9、10)以及周期與振幅的關(guān)系(見(jiàn)圖11、12)。

從圖11與12看出，2009和2010年的潮成內(nèi)波周期與振幅之間無(wú)明顯規(guī)律，無(wú)法用一個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)進(jìn)行擬合，但是可以從統(tǒng)計(jì)結(jié)果中看出2次測(cè)量點(diǎn)處內(nèi)波的周期與振幅的集中范圍。圖7中2009年4d觀測(cè)到明顯內(nèi)波波動(dòng)總數(shù)為39次，其中周期集中在10～29min之間的為28次，約占總數(shù)的70%，從圖9中可以看出，振幅主要集中在6～15m，約占總數(shù)的80%； 2010年7天觀測(cè)到明顯內(nèi)波波動(dòng)總數(shù)為48次，其中周期集中在10～49min 之間的為31次，約占總數(shù)66.8%(見(jiàn)圖8)，振幅集中在10～29m間，約占總數(shù)75%(見(jiàn)圖10)。

圖6 2010年7月2日4—11點(diǎn)溫度等值線圖

圖7 2009年內(nèi)波周期統(tǒng)計(jì)圖

圖8 2010年內(nèi)波周期統(tǒng)計(jì)圖

圖9 2009年內(nèi)波振幅統(tǒng)計(jì)圖

圖10 2010年內(nèi)波振幅統(tǒng)計(jì)圖

圖11 2009年內(nèi)波周期與振幅對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖12 2010年內(nèi)波周期與振幅對(duì)應(yīng)關(guān)系

從以上分析可以看出，本文中2次觀測(cè)到的內(nèi)波與1998年SCSMEX海上觀測(cè)數(shù)據(jù)(116°50.6′E，20°21.3′N(xiāo))處以及2004年中科院聲學(xué)所在海南島三亞外海域(109°24.08141′E，17°42.04777′N(xiāo))觀測(cè)到的內(nèi)波同屬潮致內(nèi)波，且具有不規(guī)則全日潮周期。雖然前人這2次觀測(cè)與本文的2次觀測(cè)點(diǎn)相距比較近，但內(nèi)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(guò)查閱航海資料可以知道這幾次觀測(cè)地點(diǎn)實(shí)際的海深相差還是比較大的，深度從110～600m不等，相應(yīng)的密度分布就會(huì)產(chǎn)生差異，從而導(dǎo)致所觀測(cè)到得內(nèi)波的周期和振幅有所不同，可見(jiàn)，由于海南島東部海域海水深度的差異使其內(nèi)波具有一定的復(fù)雜性，需要更多的資料和不同時(shí)空的觀測(cè)進(jìn)行多方位的研究。

此外，從振幅、周期的統(tǒng)計(jì)的結(jié)果可以看到，2010年7月初(見(jiàn)圖10)觀測(cè)的內(nèi)波的振幅和持續(xù)時(shí)間上都比2009年6月初(見(jiàn)圖9)觀測(cè)得到的內(nèi)波大，2次觀測(cè)的海水深度相近，可以忽略海水深度對(duì)觀測(cè)的影響，而觀測(cè)點(diǎn)實(shí)際水平距離相差并不大，都受到瓊東上升流的影響。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)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(qiáng)度是增強(qiáng)的[12]，這就導(dǎo)致了觀測(cè)點(diǎn)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(dǎo)致內(nèi)波強(qiáng)度增大。

3.3 海南島東部海域內(nèi)波發(fā)生時(shí)間與高潮時(shí)的關(guān)系

為了進(jìn)一步研究這2次觀測(cè)的海南島東部海域內(nèi)波發(fā)生時(shí)間與潮汐之間到底存在怎樣的關(guān)系，本文對(duì)2009與2010年內(nèi)波序列起始時(shí)間與當(dāng)天該測(cè)量點(diǎn)高潮時(shí)進(jìn)行對(duì)比和統(tǒng)計(jì)(見(jiàn)表2)。從統(tǒng)計(jì)中可以看出，內(nèi)波序列多發(fā)于高潮時(shí)后1～4h內(nèi)，其占總發(fā)生次數(shù)的75%。

表2 2009年、2010年內(nèi)波信息統(tǒng)計(jì)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(jié)論

本文分析了2009、2010年2次海南島東海域?qū)崪y(cè)資料的分析，從周期、振幅、內(nèi)波發(fā)生時(shí)間等方面，結(jié)合潮汐情況，給出了以下結(jié)論：

(1)觀測(cè)點(diǎn)的海洋波動(dòng)為內(nèi)波引起的，與潮汐間存在較強(qiáng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，其為不規(guī)則全日潮周期。

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

(3)海南島東部海域潮致內(nèi)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(dǎo)致的。

(4)觀測(cè)點(diǎn)處內(nèi)波多發(fā)于高潮時(shí)后1～4h內(nèi)，其占總發(fā)生次數(shù)的75%。

由于實(shí)驗(yàn)時(shí)間有限，測(cè)量時(shí)間較短，且測(cè)量地點(diǎn)較為單一，所得數(shù)據(jù)量較小，統(tǒng)計(jì)所得結(jié)果難免存在偏差，下一步將進(jìn)行進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，在規(guī)定海域內(nèi)選取多個(gè)測(cè)量點(diǎn)，加大實(shí)驗(yàn)力度，同時(shí)對(duì)于已測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行更加深入的分析。

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責(zé)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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)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(yīng)用。E-mail: ivanyanggang@126.com

P731.24

A

1672-5174(2015)09-015-06

10.16441/j.cnki.hdxb.20140202