南海東沙島北部第二模態(tài)內孤立波特性研究?

崔海吉, 李志鑫, 張 猛, 黃松松, 梁可達, 王 晶

(中國海洋大學信息科學與工程學院， 山東 青島 266100)

內孤立波是一種非常常見的海洋現(xiàn)象，在多個海域被廣泛研究[1-3]。南海是世界公認的海洋內孤立波頻發(fā)海域，已有多名學者從遙感觀測[4-5]、數(shù)值模擬[6-7]、現(xiàn)場實測[8-10]等多個角度展開研究，其中南海北部[11]具有顯著的海水垂直層化季節(jié)變化和劇烈變化的海底地形特征，是海洋內波活動的多發(fā)區(qū)。雖然第二模態(tài)內孤立波引起的能量輸送通常不如第一模態(tài)內孤立波大，但近年來由于其在混合陸架水域中起著重要作用而引起了廣泛的關注。因為有學者從海洋現(xiàn)場觀測中發(fā)現(xiàn)了第二模態(tài)內孤立波的存在，進而從理論與數(shù)值模擬以及內波水槽實驗等方面對第二模態(tài)內孤立波的產生機理與傳播特性展開了研究。

關于第二模態(tài)內孤立波的現(xiàn)場觀測主要集中在南海，Yang 等[12]的研究最為詳細。Yang在著名的亞洲海聲學實驗(ASIAEX)中研究了東沙島東北部的內波，將測量到的內波細分為四類，第一次提出了南海存在第二模態(tài)內孤立波。Yang等[13]又利用夏季(2005-04-29—07-28)和冬季 (2005-11-02—2006-02-24) 階段實測數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)夏季南海北部大陸坡處90%第二模態(tài)內孤立波跟隨在第一模態(tài)內孤立波后方傳播，并在2001 年的1景MODIS 圖像觀測到此現(xiàn)象。Liu等[14]根據(jù)2006 年5 月21 —27 日東沙島的實測數(shù)據(jù)，提出第二模態(tài)內孤立波由第一模態(tài)內孤立波的破碎、耗散和湍流混合生成，并利用1992 年臺灣東北部的1景ERS-1SAR 圖像說明第二模態(tài)內孤立波跟隨在第一模態(tài)內孤立波后方傳播的現(xiàn)象。

學者們也將視角聚焦在用數(shù)值模擬、實驗室實驗等方法研究第二模態(tài)的生成機理和傳播特性。Qian等[15]利用1景MODIS衛(wèi)星遙感圖像和數(shù)值模擬結果研究了南海北部大陸架的內孤立波，結果表明，第一模態(tài)下降型內孤立波在上坡的過程中與局部地形相互作用產生了第二模態(tài)內孤立波，隨后第二模態(tài)內孤立波在近岸傳播過程中迅速消散。Xie等[16]研究了起伏地形對大振幅內孤立波演變的影響，他們的模擬結果顯示，斜坡上的凹凸地形能夠產生第二模態(tài)內孤立波包。Wang等[17]基于非靜力二維高分辨率模型，數(shù)值研究了南海北部典型斜坡-陸架地形上的內部孤立波的演化，通過多組數(shù)據(jù)驗證了地形隆起有利于第二模態(tài)內孤立波的產生。Brandt等[18]在實驗室建造6 m×7.6 cm×20.3 cm 的長方體水槽，并將其設計成對稱的兩層結構。利用重力塌陷法產生第二模態(tài)內孤立波，研究了第二模態(tài)內孤立波的相速度、波長與振幅。Carr等[19]在實驗室的三層水槽結構條件下，利用重力塌陷法產生第二模態(tài)內孤立波波列，研究水體結構與第二模態(tài)內孤立波穩(wěn)定性的關系，結果表明隨躍層偏移程度增大，內孤立波的結構會變得不穩(wěn)定。這些研究對分析第二模態(tài)內孤立波的特性提供了幫助。

目前第一模態(tài)內孤立波在海洋內波領域被廣泛研究，第二模態(tài)內孤立波由于其生成、傳播、耗散等方面還遠不及第一模態(tài)內孤立波研究廣泛，所以逐漸引起學者們的關注。基于遙感圖像第二模態(tài)內孤立波時空分布還尚未見報道，本文基于高分一號光學遙感圖像分析了有典型特征的南海東沙島第二模態(tài)內孤立波遙感圖像，高分一號遙感圖像具有高的空間分辨率，為小尺度的第二模態(tài)內孤立波觀測提供了有力條件。通過實驗室實驗驗證了遙感圖像判別第二模態(tài)內孤立波的方法以及可能的產生機制。這對于深入了解海洋內孤立波特征提供了科學數(shù)據(jù)支撐。

1 東沙島海域水文參數(shù)和層化結構分析

東沙島(20°43′N , 116°42′E)位于南海大陸坡的過渡區(qū)域，受背景流場、水體層結和底地形變化等多因素影響。圖1為東沙島及周圍區(qū)域(19°N—22°N,115°E—118°E)三維水深地形圖，紅色五角星表示為東沙島地理位置。從圖中看出東沙島附近的地形凹凸不平，水深自東南向西北逐漸變淺。東沙島周圍水深集中在500 m以內。

圖1 東沙島三維水深地形圖Fig.1 Three dimensional bathymetric topographic map of Dongsha Island

穩(wěn)定層結是內孤立波發(fā)生的必要條件之一，而浮頻率是描述海水運動特性和海水密度層化結構的一個重要物理量[20]，定義為：

(1)

圖2 東沙島附近海域不同季節(jié)密度躍層深度空間分布Fig.2 Spatial distributions of pycnocline depth in different seasons near Dongsha Island

從WOA13數(shù)據(jù)分析得出，在圖2所示的區(qū)域范圍內春季密度躍層的深度平均值為48 m，夏季密度躍層深度平均值為49 m，秋季和冬季密度躍層的深度平均值分別為75和73 m。

2 遙感數(shù)據(jù)及時空分布

首先分析了2014—2016年南海(18°N—23°N,110°E—120°E)高分一號遙感圖像，下載無云圖像共623景，挑選出有第二模態(tài)內孤立波的有24景，其中在夏季的有20景，春季3景，秋季1景，冬季0景。發(fā)生位置為東沙島西北部。隨后針對東沙島附近海域處理了2017—2020年(19°N—22°N ,116°E—118°E)的高分一號光學遙感圖像，下載無云圖像共855景，挑選出具有第二模態(tài)內孤立波的圖像30景。

通過ENVI、Arcmap等軟件采用人機交互的方式，對54景高分一號遙感圖像的第二模態(tài)內孤立波和第一模態(tài)內孤立波的波峰線進行勾勒，得到了空間分布(見圖3)。

圖3 2014—2020年南海第一模態(tài)與第二模態(tài)內孤立波空間分布圖Fig.3 Spatial distribution of the first and second mode internal solitary waves in the South China Sea from 2014 to 2020

圖3中黃色的波峰線代表第一模態(tài)內孤立波，紅色的波峰線代表第二模態(tài)內孤立波。

從高分一號遙感圖像分析得出，第二模態(tài)內孤立波多發(fā)生在東沙島海域附近，有4景圖像的第二模態(tài)出現(xiàn)在第一模態(tài)后面，與文獻[13]的現(xiàn)場實測結果一致。第二模態(tài)內孤立波的波峰線較第一模態(tài)內孤立波相比非常短，第二模態(tài)內孤立波的長度大約為第一模態(tài)的10%～30%。第二模態(tài)內孤立波與第一模態(tài)內孤立波一樣有向西北方向傳播的趨勢(見圖3)。

在7年共54景有第二模態(tài)內孤立波特征的遙感圖像中，共有40景第二模態(tài)內孤立波圖像在6—8月，占總數(shù)的74%(見圖4)。從遙感觀測角度分析南海海域夏季內孤立波產生的較為頻繁。由于光學遙感圖像受云霧、太陽高度和角方位角等多因素影響，通常11和12月光學遙感觀測內孤立波受到較大影響，更不容易觀測到第二模態(tài)內孤立波。

圖4 2014—2020 高分一號遙感圖像第二模態(tài)內孤立波時間分布Fig.4 Temporal distribution of the second mode internal solitary waves in GF-1 images from 2014 to 2020

3 實驗室實驗驗證光學遙感圖像判斷方法

光學遙感圖像中，內孤立波呈現(xiàn)或直或曲的亮暗相間條紋，同一水深分層情況下，在非耀斑區(qū)第一模態(tài)內孤立波在遙感圖像上呈現(xiàn)先亮后暗條紋，第二模態(tài)內孤立波在遙感圖像上呈現(xiàn)先暗后亮條紋。

圖5展示了非耀斑區(qū)第一模態(tài)內孤立波和第二模態(tài)內孤立波光學遙感圖像，此圖像已進行直方圖匹配調節(jié)灰度。圖像拍攝于2017年8月5日。提取了光學遙感圖像中第一模態(tài)內孤立波和第二模態(tài)內孤立波的灰度變化，剖面圖如圖6所示。其中圖6(a)表示非耀斑區(qū)第一模態(tài)內孤立波灰度剖面呈現(xiàn)先亮后暗，6(b)表示非耀斑區(qū)第二模態(tài)內孤立波灰度剖面呈現(xiàn)先暗后亮，二者的條紋亮暗次序相反。

(紅框：第一模態(tài)內孤立波；藍框：第二模態(tài)內孤立波。Red frame: First mode internal solitary wave; Blue frame: Second mode internal solitary wave.)

圖6 第二模態(tài)內孤立波灰度剖面圖(a)及第一模態(tài)內孤立波灰度剖面圖(b)Fig.6 Grayscale profiles of remote sensing image of the first mode internal solitary wave(a) and grayscale profile of remote sensing image of the second mode internal solitary wave(b)

針對上述遙感圖像第一模態(tài)內孤立波與第二模態(tài)內孤立波的條紋特征，設計了實驗室內孤立波水槽實驗。在實驗室條件下進行了第二模態(tài)內孤立波的光學遙感仿真探測。通過控制分層比例與塌陷高度對第二模態(tài)內孤立波遙感圖像的成像特征進行研究。

實驗在規(guī)格為15 m×0.35 m×0.7 m的水槽中進行。將面光源放置在水槽右端代替太陽作為輻射源，利用CCD傳感器作為接收源進行探測，本實驗中共有兩臺CCD同步進行信息采集(見圖7)。其中CCD1放置在水槽上方作為遙感傳感器以獲得水體表面信息，CCD2放置在水槽側方以提取內孤立波波要素等信息，兩臺CCD采樣頻率相同為50 Hz，單張圖像大小為1 080×1 920。隔板作為擾動源用來產生第一模態(tài)內孤立波，右側消波板用來代替地形。

圖7 光學遙感探測內孤立波的實驗系統(tǒng)示意圖Fig.7 Schematic diagram of the experimental system for detecting internal solitary waves by optical remote sensing

實驗前，首先在水槽內調制好密度為1.08 g/cm3的鹽水作為下層水體，再利用蠕動泵鋪設上層純水，自然擴散形成三層水體結構。在水槽左端選擇長0.4 m的區(qū)域作為造波區(qū)，在造波區(qū)插板后向上層以較慢速度注入密度為1.01 g/cm3的水，通過重力塌陷法得到向右傳播的第一模態(tài)內孤立波，第一模態(tài)內孤立波傳播至水槽右側與消波板相互作用，在返回水槽左側時產生了第二模態(tài)內孤立波。第一模態(tài)內孤立波在前，第二模態(tài)內孤立波尾隨其后同向傳播。為保證實驗結果可用于真實海洋條件，實驗中水深等參數(shù)設置均滿足相似性原理。

具體設計參數(shù)如表1中所示。

表1 第二模態(tài)內孤立波實驗參數(shù)Table 1 Experimental parameters for the second mode internal solitary waves

實驗結果如圖8(b)～(c)所示，第一模態(tài)內孤立波在遙感圖像中為亮暗條紋，而尾波中的第二模態(tài)內孤立波為暗亮條紋。在遙感圖像中同一水深分層下，第一模態(tài)內孤立波與第二模態(tài)內孤立波呈現(xiàn)亮暗相反的條紋。實驗結果進一步證明了遙感圖像條紋亮暗特征判別方法。實驗中第二模態(tài)內孤立波是在第一模態(tài)與消波板相互撞擊后產生，驗證了典型遙感圖像中第二模態(tài)是由第一模態(tài)與地形相互作用而產生的猜想。第二模態(tài)內孤立波尺度較第一模態(tài)相比較小且緊跟隨在第一模態(tài)之后，與遙感圖像觀測到的相一致。進一步驗證第二模態(tài)是由第一模態(tài)內孤立波與地形相互作用產生的可能性。此結果與Wang等[17]的數(shù)值計算結果吻合。

圖8 實驗室光學遙感探測內孤立波的時間序列分布及表面灰度剖面圖Fig. 8 Time series distributions and surface grayscale profile of remote sensing image of internal solitary waves detected by optical remote sensing in laboratory

4 結語

本文采用高分辨率的高分一號遙感圖像，對2014—2020年東沙島海域(19°N—22°N ,116°E—118°E)的第二模態(tài)內孤立波的傳播和生成進行了研究。通過對WOA13數(shù)據(jù)的分析得到了東沙島及附近水域密度躍層深度隨季節(jié)的變化空間分布圖，圖中明顯看出春夏兩季節(jié)密度躍層較淺，秋冬季密度躍層較深。

通過對1478景高分一號光學遙感圖像處理，篩選出有第二模態(tài)內孤立波特征的遙感圖像共54景。利用7年高分一號光學遙感圖像統(tǒng)計分析，在夏季觀測到第二模態(tài)內孤立波較多,且位于東沙島西北部附近，向西北方向傳播，大多數(shù)第二模態(tài)內孤立波跟隨在第一模態(tài)內孤立波之后，波峰線長度約為第一模態(tài)的10%～30%，第二模態(tài)內孤立波空間長度較小。

在遙感圖像上，同一水深分層區(qū)域第二模態(tài)內孤立波較第一模態(tài)內孤立波有相反的條紋亮暗次序。本文利用重力塌陷法進行了第二模態(tài)內孤立波的光學遙感仿真探測，實驗結果表明第一模態(tài)內孤立波和第二模態(tài)內孤立波在同一水深分層下亮暗條紋次序相反，這驗證了遙感上的判別方法。在實驗中第一模態(tài)內孤立波撞擊消波板在返回的過程中產生了第二模態(tài)內孤立波，第二模態(tài)內孤立波緊跟隨第一模態(tài)內孤立波之后，與遙感觀測相吻合，驗證了第二模態(tài)內孤立波是由第一模態(tài)內孤立波與變化地形作用產生的可能性。