安達曼海內(nèi)波在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)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(nèi)波是一種重力波，發(fā)生于密度層結(jié)穩(wěn)定的海水內(nèi)部，其振幅可達數(shù)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(wěn)定的密度分層以及擾動源是內(nèi)波產(chǎn)生兩個必要條件，從擾動源所致成因上可將內(nèi)波分為三類：由正壓潮與地形相互作用所產(chǎn)生的潮成內(nèi)波，由風的慣性振蕩所引起的慣性內(nèi)波，由水下運動物體或局部擾動源所形成的源致內(nèi)波。內(nèi)波在傳播過程中引起海面強烈輻聚和突發(fā)性強流，能夠轉(zhuǎn)移大尺度運動能量，在海洋生態(tài)方面，可以將海洋深處較冷的海水及其所含營養(yǎng)鹽輸送至較暖的淺層，促進海水內(nèi)部營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)，有利于海洋生物的生長，但在人類活動方面，內(nèi)波會引起聲傳播損失的劇烈變化，使聲波傳播路徑發(fā)生改變，從而制約聲納探測性能，使聲納無法正常探測和穩(wěn)定跟蹤水下目標。速度超過1.5m/s 的內(nèi)波流破壞力極大，會對海上石油鉆井作業(yè)、海底石油管道鋪設(shè)、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(guī)巡航試水試驗時，遭遇強烈內(nèi)波沖擊擠壓而破碎。1980年，安達曼海某石油鉆井平臺被內(nèi)波通過后，平臺整體扭轉(zhuǎn)約90°，位置移動超過30 米。

在內(nèi)波監(jiān)測預(yù)警技術(shù)和相關(guān)保障系統(tǒng)研發(fā)領(lǐng)域，美國英特俄辛公司為保障加拿大戴維斯海峽深水區(qū)的石油鉆探平臺安全作業(yè)，專門為其研發(fā)了內(nèi)波預(yù)警系統(tǒng)。中國海洋大學依托南海內(nèi)波潛標觀測網(wǎng)自主研發(fā)了南海內(nèi)波預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)，能夠預(yù)測未來30 天的內(nèi)波發(fā)生時間、發(fā)生位置、傳播速度和振幅等關(guān)鍵特征參數(shù)，并于2014年實現(xiàn)了業(yè)務(wù)化運行，自然資源部第一海洋研究所開展了“南海北部內(nèi)波流監(jiān)測、預(yù)報、預(yù)警系統(tǒng)研究及應(yīng)用”專項科研任務(wù)，中國石油集團在南海半潛式鉆井平臺周圍布設(shè)了由1 套潛標和2 套浮標組成的監(jiān)測系統(tǒng)，首次將內(nèi)波監(jiān)測預(yù)警技術(shù)應(yīng)用于保障海洋油氣工程作業(yè)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(lǐng)海之外。安達曼海屬于世界內(nèi)波高發(fā)海域，是內(nèi)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(shè)了一套潛標，分析了內(nèi)波生產(chǎn)機制和波源位置，其他學者對安達曼海內(nèi)波的研究局限于遙感手段，處理圖像數(shù)據(jù)繁瑣，應(yīng)用于監(jiān)測預(yù)警難度較大，國內(nèi)學者在安達曼海內(nèi)波監(jiān)測預(yù)警方面缺乏長期的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)和系統(tǒng)級保障技術(shù)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(qū)塊開采權(quán)，因此，安達曼海是我國重要的海上交通線，對“一帶一路”建設(shè)具有戰(zhàn)略意義。隨著國內(nèi)海洋環(huán)境觀測設(shè)備和技術(shù)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(jié)合的內(nèi)波實時監(jiān)測體系建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。本文提出了由潛標、浮標和水下滑翔機組成的內(nèi)波監(jiān)測方案，構(gòu)建固定式與機動式相結(jié)合的監(jiān)測能力，綜合利用北斗三代短報文通信與內(nèi)波流識別等技術(shù)，設(shè)計了安達曼海內(nèi)波在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，旨在及時發(fā)現(xiàn)內(nèi)波，分析內(nèi)波傳播特征，為海上施工及活動決策人員提供預(yù)警信息，降低安達曼海海域內(nèi)波影響下的人類活動損失。

1 安達曼海環(huán)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(huán)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(fù)雜，水深分布不均勻，中部和西部水深較深，在西側(cè)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(qū)，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(fā)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(nèi)波特征分析

安達曼海特殊的地形特征和穩(wěn)定的海水分層狀態(tài)，使其在受到外界擾動時，內(nèi)波現(xiàn)象能夠頻繁發(fā)生，是世界上觀測到內(nèi)波最多的海域之一。在內(nèi)波波源方面，國內(nèi)學者根據(jù)徹體力理論和射線追蹤法，得出了安達曼?？赡芫哂? 個內(nèi)波激發(fā)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(jù)內(nèi)波活動分布可分為三個區(qū)域：蘇門答臘島以北海域（Ⅰ區(qū)）、安達曼海中部海域（Ⅱ區(qū)）和安達曼海以北海域（Ⅲ區(qū)），其中前Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)內(nèi)波最為活躍，且空間尺度最大。在傳播方向上，Ⅰ區(qū)內(nèi)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(qū)由尼科巴群島中部海槽向東往馬來半島傳播，Ⅲ區(qū)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(chǎn)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(nèi)波發(fā)生最多，占全年內(nèi)波總數(shù)的58%，7月最少，占比低于1%。安達曼海內(nèi)波最大振幅可達100m，最大流速超過2m/s。

3 監(jiān)測方案與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 監(jiān)測方案

為實現(xiàn)對內(nèi)波的立體、長期、連續(xù)監(jiān)測，綜合考慮觀測方式靈活性，根據(jù)安達曼海環(huán)境特征、歷史內(nèi)波多發(fā)區(qū)域、內(nèi)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(jié)合的觀測技術(shù)，沿安達曼海內(nèi)波傳播的“東北、正東、東南”三個主要方向設(shè)計了由錨系潛標、錨系浮標、水下滑翔機組成的監(jiān)測布局，如圖2，在安達曼海以北海域（Ⅲ區(qū)），為監(jiān)測北部出海口和探索反射波機制，沿內(nèi)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(qū)），為兼顧保障在海域腹地作業(yè)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(qū)），為監(jiān)測內(nèi)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(shè)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(shù)據(jù)，推算內(nèi)波三維動力學結(jié)構(gòu)，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(jiān)測數(shù)據(jù)回傳。其中，水下滑翔機具備接收岸基指令機動調(diào)整航線的能力，能夠執(zhí)行中性精確懸?；蚰繕藚^(qū)域的機動性斷面監(jiān)測。

表1 ：潛標主要配置組成設(shè)計

表2 ：浮標主要配置組成設(shè)計

表3 ：水下滑翔機主要配置組成設(shè)計

圖2 ：監(jiān)測體系布局設(shè)計

3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

安達曼海內(nèi)波在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3，主要分為海洋環(huán)境監(jiān)測設(shè)備、北斗短報文通信設(shè)備、內(nèi)波監(jiān)測預(yù)警服務(wù)器三大部分，海洋環(huán)境監(jiān)測設(shè)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(nèi)波波源附近和傳播途徑上的水文氣象數(shù)據(jù)，并將原始數(shù)據(jù)傳輸至北斗衛(wèi)星通信網(wǎng)關(guān)，北斗短報文通信設(shè)備一方面完成原始數(shù)據(jù)的實時接收并傳遞給內(nèi)波監(jiān)測預(yù)警服務(wù)器，另一方面可以將系統(tǒng)用戶的遠程指令傳遞到監(jiān)測設(shè)備端，實現(xiàn)對設(shè)備監(jiān)測參數(shù)或運動方式的遠程控制，內(nèi)波監(jiān)測預(yù)警服務(wù)器部署數(shù)據(jù)接收端管理軟件和內(nèi)波監(jiān)測預(yù)警端軟件，軟件均采用B/S 架構(gòu)設(shè)計，并與互聯(lián)網(wǎng)Web 服務(wù)器連接，主要完成對水文氣象實測數(shù)據(jù)的質(zhì)控、存儲、管理，對內(nèi)波數(shù)據(jù)的提取、統(tǒng)計和分析，并根據(jù)內(nèi)波流運動特征和用戶位置進行內(nèi)波的預(yù)測預(yù)警和信息推送。

圖3 ：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 系統(tǒng)功能設(shè)計

4.1 內(nèi)波監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取與管理

數(shù)據(jù)接收管理端軟件將按照預(yù)先制定的北斗短報文協(xié)議，對實時接收的安達曼海水文氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)文件進行元數(shù)據(jù)和要素數(shù)據(jù)的提取、解析和質(zhì)量控制，元數(shù)據(jù)為設(shè)備ID、設(shè)備狀態(tài)、時間、位置（含精度、緯度、南北緯表示、東西經(jīng)標識）、要素實測數(shù)據(jù)（如監(jiān)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(shù)據(jù)為經(jīng)過質(zhì)量控制后的要素實測數(shù)據(jù)。元數(shù)據(jù)與要素數(shù)據(jù)按關(guān)聯(lián)關(guān)系保存至內(nèi)波監(jiān)測預(yù)警服務(wù)器上的內(nèi)波數(shù)據(jù)庫中，便于對歷史元數(shù)據(jù)進行追索。數(shù)據(jù)接收管理端向內(nèi)波監(jiān)測預(yù)警端提供數(shù)據(jù)庫訪問接口，支持對數(shù)據(jù)的查詢、修改、刪除、人工導(dǎo)入和導(dǎo)出。

4.2 內(nèi)波監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計與可視化

內(nèi)波數(shù)據(jù)統(tǒng)計通過選擇某一編號的監(jiān)測設(shè)備，以列表形式顯示該設(shè)備所采集的所有內(nèi)波相關(guān)數(shù)據(jù)，并支持按照年、月、日、時等尺度對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)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(tǒng)計結(jié)果。內(nèi)波數(shù)據(jù)可視化主要在實時更新的基礎(chǔ)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(nèi)波流結(jié)構(gòu)形態(tài)，針對水下滑翔機對海水溫鹽的機動監(jiān)測數(shù)據(jù)，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(wù)

內(nèi)波監(jiān)測預(yù)警端基于成熟的地理信息服務(wù)平臺開發(fā)，平臺具備安達曼海海圖資源、衛(wèi)星影像資源和水深地形等三種地圖資源，能夠?qū)⒈O(jiān)測設(shè)備位置、內(nèi)波數(shù)據(jù)統(tǒng)計與可視化結(jié)果、內(nèi)波預(yù)測預(yù)警范圍、未來5-10 天風場和海流流場的預(yù)報數(shù)據(jù)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(yù)報產(chǎn)品的基礎(chǔ)上開展險情分析，制定水下滑翔機機動監(jiān)測方案和應(yīng)急計劃，并形成對應(yīng)文檔，支持即時生成文檔的在線發(fā)布。

4.4 內(nèi)波預(yù)測預(yù)警

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

5 結(jié)束語

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