中国海南岛东部海域内波特性观测分析❋

杨 刚， 陈 标， 张本涛， 李惟羽

(海军潜艇学院, 山东 青岛 266071)



中国海南岛东部海域内波特性观测分析❋

杨 刚， 陈 标， 张本涛， 李惟羽

(海军潜艇学院, 山东 青岛 266071)

在海南岛东部海域内波生成区和传播区，采用CTD与温度链实测数据，结合潮流资料，从发生周期、时间与振幅等方面分析了海南岛东部海域内波的特性，发现此处内波与潮汐间存在较强的对应关系，周期表现为不规则全日潮周期，内波多发于高潮时后1～4h内，占总发生次数的75%。2009年观测得到的内波周期范围主要集中在10～29min之间，约占总数的70%，振幅主要集中在6～15m，约占总数的80%；2010年观测得到的内波周期主要集中在10～45min之间，约占总数66.8%，振幅集中在10～29m，约占总数75%。海南岛东部海域潮致内波的周期与振幅的差异性可能是由海水深度与上升流的影响导致的。

内波； 潮汐； 温度链数据； CTD数据

海洋内波是发生在海洋内部的海洋现象，其对水下潜体的安全性有很大影响，是海洋动力学、海洋生态学等领域重要的研究对象[1]。潮汐与地形的相互作用是内波的一种主要生成机制，南海东北部是海洋内波的频发地带，以往的研究发现南海北部凹陷型内波多起源于吕宋海峡的海底山脊，并由此向西传播至南海北部大陆架[2-3]。1998年5—6月的南海季风实验(SCSMEX)海上观测期间，中国科学院南海海洋研究所于东沙群岛南缘观测到一系列的内波事件，得出5月14—16日观测点内潮波强度最大，与全日潮大潮时间同步的结论[4]。2001年亚洲海国际声学实验(ASIAEX)对南海北部海域的潮汐和内波进行了观测，采用多条温度链，得到了海深800～70m的过渡海区非线性内波的传播、演变情况[5-6]。2004年6月29—30日，中国科学院声学研究所于海南三亚外海进行了内波观测，得出观测点内波为不正规全日潮周期，且与潮汐有着强烈对应关系[7]。近年来随着技术发展，利用卫星遥感观测内波得以实现，许多学者通过卫星遥感图像对南海北部海洋内波的空间分布特性进行了统计，得到了南海内波一些有意义的时空分布特性[8-10]。然而，迄今为止，海南岛以东海域内波长时间定点观测资料依旧是有限而珍贵的，人们对该地内波的特性以及与潮汐之间的关系也缺乏深入的了解。本文通过选取海军潜艇学院军事卫星遥感应用研究所南海实验的2次观测数据，统计分析了海南岛东部海域潮致内波的振幅、周期以及发生时间等参数，为深入了解海南岛东部海域的内波特性提供了一定的支撑。

1 海南岛东部海域内波观测概述

此次海南岛东部海域2次实验时间分别为2009年6月9—14日与2010年6月29日—7月6日。

2009年海上观测期间，实验船锚定于海南岛以东水深约为121m，底质为硬沙泥底的大陆坡架处(111°48′E，19°30′N)(见图1)，实验仪器为温度链，6月9日15时左右开始布设温度链，由于海况原因，正式测量于21点30分左右开始。

2010年实验船锚定于海南岛以东的水深约为113m，底质为硬沙泥底的大陆坡架处(111°12′E，19°30′N)(见图1)，实验仪器为温度链与CTD。温度链测量开始于6月29日23时左右；CTD测量起始于6月30日4时，测量过程中利用实验船侧边小吊勾吊CTD入水测取垂向温度、盐度、密度剖面，每次观测从海面到海底附近，这种时间采样设定可以获得较长时间资料，同时观测到大振幅内波影响的温度变化。

观测地点潮汐均属于不规则全日潮。

2 实测数据处理

由于观测过程受到一定外界因素的干扰，存在少量异常数据，因此本文首先对异常数据进行了剔除，处理方法如下：首先，去除由于测量开始时2个探头未工作造成的测量不完整的数据部分，截取完整连续的测量数据；其次，判断数据中的异常数据，对仪器布设与打捞时的测量数据，不予采用，对数据中的奇异值进行剔除，并用上下测量数据插值代替；最后，对CTD数据进行了低通滤波处理，虑除了数据中的高频(快速变化)噪声干扰，消除数据时间滞后效应，达到零相位偏移。

图1 实验位置

经过上述处理后本文使用的数据特点如下：2009年为温度链数据，温度链共16个探头，其中2个深度探头，14个温度探头，采样频率为1min，从海表至海底14个温度探头对应深度为8、10、18、23、28、33、38、43、48、53、58、63、68和73m。具体数据时间段为2009年6月9日21点30分—14日22点34分，去除不完整与异常的测量数据，实际有效时间段为6月10日00点20分—14日11点03分。2010年为温度链数据与CTD数据，温度链共18个探头，其中2个深度探头，16个温度探头，采样频率为1min，从海表至海底16个温度探头对应深度为10、18、20.5、23、28、33、38、43、48、53、58、63、68、73、75.5、81和89m。具体数据时间段为2010年6月29日23点00分—7月6日22点26分，去除不完整与异常的测量数据，实际有效时间段为6月30日9点00分—7月6日21点00分。CTD测量时间短为6月30日4时—7月6日13时，数据采样间隔为1m，采样频率为1h。

3 数据统计与分析

3.1 海南岛东部海域内波与潮汐的对应性

数据分析前，本文首先判断所得到的水体波动是由内波引起还是因其他水体入侵引起，判断依据为Fang和You[11]使用过的比对等温线与等密线的方法，若等温线与等密线同时上凸或下凹，则说明引起水体波动为内波，反之则为入侵水体。如图2所示，其中图2(a)为由CTD观测的2010年密度数据，图2(b)为CTD观测得到的温度数据，经过对比，所测得波动为内波引起。

本文通过对比2009年6月10日00点20分—14日11点03分温度链数据绘制的等温线图(见图3)和与之对应时间的潮汐图(见图4)，发现等温线波动是在一个整体低频波动上叠加了一些高频的波动，可以看出这个低频的波动与潮汐波动有很高的一致性。

图2 2010年6月30日4点—7月6日13点等温线与等密线对比

进一步取温度链数据中振幅最大深度的等温线做频谱分析，得到图5。从图5中得到幅值最大处对应的频率约为0.0007min-1，即周期为1428.6min，约为23.8h，对应于不规则全日潮，2010年数据也有类似结论(图略)，故可初步认为海南岛东部海域观测的内波为潮致内波。

3.2 海南岛东部海域潮成内波的特征分析

2次实验观测的样本较多，故可以通过统计分析来研究该区域潮成的内波的特性。由于内波的非周期性，本文对观测时间范围内的内波波动进行逐个分析，获得内波列中显著波动的振幅与周期。由于数据量较大，在此以2010年一次明显的内波过程为个例进行提取和统计。

图3 2009年6月10日00点20分-14日11点03分温度数据

图4 2009年潮汐图

图5 振幅最大深度处波动的频谱图

图6为2010年7月2日4-11点的温度等值线图，从图中可以清晰的看到5个波动的存在，是一个典型的内波波包。按图中从左至右的顺序给5个波动1～5编号，提取这5个波动的振幅与周期可得表1。从表1中可以看出，此内波波包持续时间约315min，振幅随时间逐渐减小，周期逐渐缩短，是一个内波能量逐渐衰减的过程。

表1 波包中内波信息统计表Table 1 Internal waves statistics

Note： ①Amplitude； ②Cycle

2009与2010年观测的10d中每天都存在强弱不一的内波现象，按照上述个例中的方法，本文对所有观测时间内的数据进行了同样的处理并进行了统计，分别得到了2009和2010年2次实验点潮成内波的周期范围(见图7、8)、振幅范围(见图9、10)以及周期与振幅的关系(见图11、12)。

从图11与12看出，2009和2010年的潮成内波周期与振幅之间无明显规律，无法用一个简单的函数进行拟合，但是可以从统计结果中看出2次测量点处内波的周期与振幅的集中范围。图7中2009年4d观测到明显内波波动总数为39次，其中周期集中在10～29min之间的为28次，约占总数的70%，从图9中可以看出，振幅主要集中在6～15m，约占总数的80%； 2010年7天观测到明显内波波动总数为48次，其中周期集中在10～49min 之间的为31次，约占总数66.8%(见图8)，振幅集中在10～29m间，约占总数75%(见图10)。

图6 2010年7月2日4—11点温度等值线图

图7 2009年内波周期统计图

图8 2010年内波周期统计图

图9 2009年内波振幅统计图

图10 2010年内波振幅统计图

图11 2009年内波周期与振幅对应关系

图12 2010年内波周期与振幅对应关系

从以上分析可以看出，本文中2次观测到的内波与1998年SCSMEX海上观测数据(116°50.6′E，20°21.3′N)处以及2004年中科院声学所在海南岛三亚外海域(109°24.08141′E，17°42.04777′N)观测到的内波同属潮致内波，且具有不规则全日潮周期。虽然前人这2次观测与本文的2次观测点相距比较近，但内波的振幅、周期却具有较明显的差异，这主要可能是受海水深度的影响。通过查阅航海资料可以知道这几次观测地点实际的海深相差还是比较大的，深度从110～600m不等，相应的密度分布就会产生差异，从而导致所观测到得内波的周期和振幅有所不同，可见，由于海南岛东部海域海水深度的差异使其内波具有一定的复杂性，需要更多的资料和不同时空的观测进行多方位的研究。

此外，从振幅、周期的统计的结果可以看到，2010年7月初(见图10)观测的内波的振幅和持续时间上都比2009年6月初(见图9)观测得到的内波大，2次观测的海水深度相近，可以忽略海水深度对观测的影响，而观测点实际水平距离相差并不大，都受到琼东上升流的影响。通过分析发现，出现这种情况的原因可能为上升流的影响。琼东上升流在6～7月份其强度是增强的[12]，这就导致了观测点7月份海水中层水温相较于6月份低2～4℃(从图2与3中可以看出)，使得2010年跃层处海水温度梯度总体较2009年要大，从而导致内波强度增大。

3.3 海南岛东部海域内波发生时间与高潮时的关系

为了进一步研究这2次观测的海南岛东部海域内波发生时间与潮汐之间到底存在怎样的关系，本文对2009与2010年内波序列起始时间与当天该测量点高潮时进行对比和统计(见表2)。从统计中可以看出，内波序列多发于高潮时后1～4h内，其占总发生次数的75%。

表2 2009年、2010年内波信息统计表

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 结论

本文分析了2009、2010年2次海南岛东海域实测资料的分析，从周期、振幅、内波发生时间等方面，结合潮汐情况，给出了以下结论：

(1)观测点的海洋波动为内波引起的，与潮汐间存在较强的对应关系，其为不规则全日潮周期。

(2)2009年观测得到的内波周期范围主要集中在10～29min之间，约占总数的70%，振幅主要集中在6～15m，约占总数的80%，2010年观测得到的内波周期主要集中在10～45min之间，约占总数66.8%，振幅集中在10～29m间，约占总数75%。

(3)海南岛东部海域潮致内波的周期与振幅的差异性可能是由海水深度与上升流的影响导致的。

(4)观测点处内波多发于高潮时后1～4h内，其占总发生次数的75%。

由于实验时间有限，测量时间较短，且测量地点较为单一，所得数据量较小，统计所得结果难免存在偏差，下一步将进行进一步实验观测，在规定海域内选取多个测量点，加大实验力度，同时对于已测量数据进行更加深入的分析。

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责任编辑 庞 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

国家自然科学基金项目(412F6008)资助

2014-11-07；

2015-04-01

杨 刚(1988-)，男，硕士，研究方向：海洋遥感及军事应用。E-mail: ivanyanggang@126.com

P731.24

A

1672-5174(2015)09-015-06

10.16441/j.cnki.hdxb.20140202