基于实测资料海洋内孤立波诊断模型设计

邓冰，陈凤贵，肖义国，徐振华

(1.北京应用气象研究所，北京100029;2.中科院海洋研究所，山东青岛266071)

海洋内波是发生在海洋内部的重力惯性波，具有水下魔鬼之称。长期以来，对海洋内波的研究一直是海洋科技工作者努力钻研的前沿课题。海洋内波是重要的海洋中尺度现象，由于内波发生机制的复杂性以及时间空间特征的随机性而成为海洋领域研究的难点。海洋内波的研究不仅在整个海洋动力学的理论研究中占有重要的地位，而且对海洋环境与资源开发和保护、军事应用及推动其他相关学科的深入研究和发展都具有重要的价值。我国近海区域是海洋内波的多发区。海洋内波对潜艇、声纳、鱼雷等水下武器装备作战运用有着非常重要的影响［1—2］。由于海洋内波是发生在海洋内部，因此对内波特征要素的了解目前不能通过直接测量得到，需要通过对流场、密度场的诊断得到内波的特征信息。笔者利用CTD温盐资料和ADCP流场资料设计了提取内波振幅、周期、流速和流向的诊断方案。

1 海洋资料处理

内波是一种宽频振动，其频率范围在当地惯性频率到浮力频率之间。常见的波长为几十米至几十千米，周期为几分钟至几十小时，振幅一般为几米至几十米，最大振幅可达一二百米［3］。中国海基本每个季节都有着明显的海水层化现象［4］，为内波的发生和传播提供了介质，而周围复杂且不稳定的流场特征又给内波的发生提供了扰动源。因此该海域内波频发，其中最为普遍的内波是内孤立波和内潮波。内孤立波具有强非线性，常常由强内潮裂变生成。

内波的振幅通常以等密度线的起伏来衡量，但因直接测量海水密度非常困难，通常用等温线或等盐线的起伏来代替［5］。在海洋中能引起等温线振动的因素主要有:潮汐、太阳辐射、内波、风、浪等。潮汐使海水等温线发生周期性的起伏，但其升降幅度等于同天文潮引起的海面的升降幅度，也就几米的量级。太阳辐射也会使海水温度增高，使等温线出现日周期的变化，但这些变化主要集中在海水表层，不会波及整个水体。因此当海水中层或者温跃层附近的等温线出现了大的起伏时，一般可以认定发生了内波［6］。一般情况下强度弱的内波对水下平台和武器装备不会造成大的影响，基于内波实际保障的需求，文中仅考虑当海水中层或温跃层附近的等温线出现超过10 m振幅时，认定发生了内波。

由于现场观测的海洋环境资料具有不同的格式，需对搜集到的CTD资料和ADCP资料进行预处理，进行校对检验和格式编排，使资料的数据集(物理要素测量值的集合)和元信息(如测量的时间、地点、方式、质量控制等)在准确性、规范性方面满足完整性要求和一定的规格指标。为方便读取和自动化处理，对数据格式制定了标准，其中对温盐流数据要求为一整天的多层观测资料，数据的时间间隔要求为1 min，垂向深度间隔为1 m，现场观测数据如果不满足要求需先进行插值处理。文中利用Akima插值方法［7］，边界资料采用线性差值。在插值过程中规定连续缺少3层以上按缺测处理。

Akima方法规定，在2个实测点之间进行内插，除了要用到这2个点的实测值以外，还用到与这2个点相邻的4个点上的实测值，也就是说在2个点之间内插需要用到6个实测点。设用i(i=1，2，…，6)表示这6个实测资料的序号，其坐标为(xi，yi)，插值点(x，y)位于第3和第4个实测点之间，即x3＜x＜x4，则插值点y可用式(1)计算:

其中:

式(2)中，t3和t4分别是第3和第4号实测点要素的斜率，分别用1，2，3，4，5和2，3，4，5，6号点上的实测值表示，在一般的情况下，t3和t4可用式(3)计算:

式中:mi为斜率，它用式(4)表示:

2 内波信息提取

2.1 用CTD资料提取

由于孤立波的非线性较强，其波形一般并不对称，因此通过计算其半波宽度的方法提取内波振幅和周期，选取内波到来前和波峰到达时刻的等温线所在深度的差值即为内波的振幅，二者时间差的2倍即为内波的周期［8］。海洋内波示意如图1所示，H2，H1分别表示上层水深和下层水深，ζ表示内波振幅，z=H2-ζ。

图1 海洋内波示意Fig.1 Schematic diagram of ocean internal waves

2.2 用ADCP资料提取

利用ADCP资料可提取内波波致流和内波传播方向［9］。

将实测海流进行标准化处理获得多个时间相应、长度相等的实测流的时间序列。采用梯形积分公式计算得到平均全流时间序列，再由诸实测流与平均全流时间序列之差，获得各变差流的时间序列。

定点ADCP海流观测资料分解为北分量u(z，t)和东分量v(z，t)，以北分量为例:

由式(7)得到剩余流成分为:

其中:

考虑到背景余流等的影响，当跃层上下侧平均变差流的相位差约180°+10°，同时对应着一个持续时间为5～40 min的流速激增过程时，表示内孤立波的发生过程。

根据内波理论可知，如果内波流的剪切层深度小于水深的一半，说明该内波为下凹型内孤立波，由此对应上层变差流方向即为内波的传播方向。反之说明内波为上凸型内孤立波，对应下层变差流方向即为内波的传播方向，同时上层和下层变差流的大小即为内波流的振幅。内波动力诊断流程构架如图2所示。

图2 海洋内波动力诊断流程Fig.2 Dynamic diagnosis process of internalwave

3 海洋内波信息诊断个例

本文利用2005年南海东沙群岛附近海域温度链资料和ADCP资料诊断南海孤立波的特征要素。由于不同海域背景的水文条件和天文潮流等不同，内孤立波的振幅大小并不一致，南海东沙群岛附近内孤立波最大振幅可达170 m，而浅海大陆架区内孤立波振幅一般为10～40 m左右。根据前面所述的辨识标准，针对东沙海域实例进行了分析。对温度链资料处理后得到的等温线随时间的演变如图3所示。可以看出，图3中曲线为一个包含8个孤立子的下凹型内孤立波列，经计算选定孤立子的振幅18 m，周期为22.5 min。

选定时刻内波流的矢量分布如图4所示。可以看出，内波传播方向为西北偏西，内波流最大可达0.5 m/s，剪切流最大可达0.75 m/s。星号所示位置明显出现约20 min的流速增大过程，流速增大到0.4 m/s，明显高于当地0.2 m/s的背景流，在45 m深处存在一个剪切界面，由此可认为这是一个内孤立波的过境过程。根据内波理论可知，上层海流的方向为内波的传播方向。

图3 28℃等温线的分布Fig.3 Distribution of28℃ isotherm

图4 内波流场诊断Fig.4 Diagnosis chart of internal flow field

4 结语

海洋内波对海洋声学、海洋资源开发、海洋生态环境保护、海洋军事和海洋工程等方面都具有重要影响，海洋内波研究是一个国际性研究热点。海洋内波信息诊断分析技术是研究内波特性的基础。根据海洋内波动力学理论与方法，建立提取海洋内波特征的诊断模型，对实测的温度链、潜标、ADCP等连续观测资料进行动力分析诊断，可以诊断出内波周期、内波振幅、变差流矢量时间序列及内波波致流、内波传播方向等内波特征要素。由于海洋内波特性十分复杂，目前我国南海海域孤立波诊断算法还不能完全满足自动化工作的需求，内波特征参数提取需要通过相关专业知识的修正，未来南海孤立波诊断技术将朝着业务自动化方向发展。

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