南海北部反气旋涡对内孤立波传播的影响研究

邓林青 ，许培鹏 ，郭延良 ，陈 亮* ，熊学军

（1. 中海石油(中国)有限公司深圳分公司深水工程建设中心, 广东 深圳518000；2. 自然资源部 第一海洋研究所, 山东 青岛 266061；3. 山东科技大学 测绘与空间信息学院, 山东 青岛 266590；4. 青岛海洋科学与技术试点国家实验室 区域海洋动力学与数值模拟功能实验室, 山东 青岛 266061；5. 自然资源部 海洋环境科学与数值模拟重点实验室, 山东 青岛 266061）

海洋内孤立波是发生在层结海洋内部的一种非线性波动。海洋内波与表面波同属界面波，但不同的是，表面波发生在海洋与大气的界面，由于空气密度远小于海水的密度，其恢复力可近似为重力；而内波发生在不同密度的海水层结之间，其恢复力是约化重力（即上下两层海水的重力差），其大小与表面波的恢复力相比要小2～3个量级。当海水质点由于扰动离开其平衡位置后，其恢复力越小，振幅越大。因此，表面波的振幅通常为O（0～10）m，而海洋内波的振幅则可达O（100～200）m。内孤立波的持续时间大约在几分钟至几小时之间，其突发性巨大冲击能量可对水下航行和工程设施构成灾难性威胁[1]。

南海北部内孤立波发生频繁[1-3]，是国际公认的优良的天然内波试验场[4-6]。现场观测和数值模拟的研究结果表明，南海北部内孤立波的生成机制复杂多样，如Lee-wave机制[7]、内潮释放机制[8]、混合区塌陷机制[7]、黑潮剪切不稳定机制[9]以及内潮非线性变陡机制[10-13]等。同时，南海油气资源十分丰富，素有第二个“波斯湾”之称[14]，目前在南海北部陆坡海域已规模开发的大型油田有陆丰、流花和荔湾等油田群，这些油田群的建设对于完善我国具有自主知识产权的深水油气开发工程技术体系、保障国家能源安全和助力粤港澳大湾区发展具有重要意义。据现场施工经验和相关研究报道[15]，陆丰、流花和荔湾等油田群的开发过程均受到了内孤立波不同程度的影响。以LH16-2油田群开发项目为例，仅在2019年至2020年间共监测并发布的内波流预警信息就高达450次，监测到的最大内波流流速达163.95 cm/s，发生深度为92 m。即使是在现场作业接到内波流预警并提前采取应对措施的情况下，内波流对施工船造成轻度、中度和重度影响的情况分别占比44.5%、4.6%和5.2%。可见，海洋内波已成为海上油气资源开发过程中必须着重考虑的重要风险之一[15-16]。

中尺度涡是指海洋中水平直径为10～500 km、持续时间为数天至数月的水平旋转水体[17]。南海平均水深1 000多m，面积为350万km2，为中尺度涡的生成、传播和演化提供了良好的条件。大量的观测和研究[18-23]表明，南海是中尺度涡多发、频发的海域，且南海的中尺度涡会对内波产生影响，如：林宏阳等[18-19]利用卫星高度计海面高度数据对南海及其邻近海域中尺度涡的分析结果表明，南海年平均涡旋总数为（21±4）个，其中,气旋涡为（10.3±2.4）个，反气旋涡为（10.7±2.4）个；Chen等[20]利用1992年10月至2009年10月共计17 a的卫星高度计数据的分析结果表明，南海北部海域是中尺度涡分布相对集中的海域，其存在的时间达到35%～60%；Zhang等[21]利用现场观测数据、卫星和再分析数据研究出现在南海的一对气旋涡和反气旋涡，发现反气旋涡和气旋涡过境产生的最大表层流速分别可达1 m/s和0.5 m/s, 产生的温度距平分别可达7.5 ℃ 和−3.0 ℃，可见中尺度涡的出现能够引起流场和温度场的改变。而这些改变对内孤立波的传播有明显的调制作用，例如，Huang等[22]基于布放在吕宋海峡深水区的潜标阵列数据，研究一对中尺度涡对内孤立波的影响，发现中尺度涡对内孤立波的振幅、波速等均有非常重要的调制作用；Xu等[23]基于潜标观测数据研究东沙群岛东侧海域反气旋涡对内孤立波的影响发现，当内孤立波穿过中尺度涡中心后，内孤立波的振幅增大了50%，而中尺度涡引起的流场变化对内孤立波振幅的影响则与其位置有关，中心流场具有削弱作用，边缘流场具有增强作用。

总体而言，以往关于南海中尺度涡对内孤立波的影响研究相对较少，且都集中在吕宋海峡至东沙群岛东侧的深水海域，针对油气田聚集的东沙群岛西侧陆坡海域的研究目前尚未见报道。基于此，本文拟利用布放于东沙群岛西侧流花油田群海域的1套潜标观测数据，研究2017年3月至4月观测发现的一个反气旋涡对内孤立波的振幅、波速的影响，以期更好地了解在反气旋涡过境时内孤立波的变化，为内孤立波预警模型提供参考，并为海上油气开发应用等安全保障提供重要依据。

1 数据与方法

1.1 数据

1.1.1 潜标观测数据

潜标布放于水深为400 m的南海东沙群岛西侧流花油田群海域（图1），包括温盐观测和海流观测两部分。温盐剖面由美国SeaBird公司生产的SBE37 SM型温盐深测量仪（Conductivity Temperature Depth system, CTD）和SBE56型温度传感器（Temperature Sensor，T）交替连接组成的温盐链进行观测，其中每隔50 m安装1台CTD、每隔10 m安装1台T（有CTD处则不安装），观测水深为60～370 m。海流剖面采用美国TRDI公司生产的WHLR-75型75 kHz声学多普勒流速剖面仪（Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP）进行观测，ADCP换能器朝上，安装于水深370 m的近底层主浮体内，垂向观测间隔为8 m一层。温盐和海流均为每3 min同步采样一次。本文所使用的观测数据时段为2017年2月1日至5月15日，其中由于ADCP故障，缺少2017年2月1日至20日的海流观测数据。

图1 南海北部海域地形和潜标观测站位Fig. 1 Seafloor topography and location of the mooring station in the Northern South China Sea

1.1.2 SLA数据

采用卫星高度计海平面异常（Sea Level Anomalies，SLA）数据分析南海中尺度涡的出现和传播情况，数据来自于哥白尼海洋服务中心（Copernicus Marine Service，CMEMS）网站（https://marine.copernicus.eu/）。卫星测高数据包括准实时（Near Real Time，NRT）和延时（Deleyed Time，DT）两种数据。前者为近几天的数据产品；而后者一般在数据测量2个月后才有可用产品，相对于NRT数据更加精准。本文选用2017年2月至5月DT数据，包括海平面异常和表层地转流经向和纬向分量数据，其空间分辨率为（1/4）°，时间分辨率为1 d[16]。

1.1.3 潮位数据

本文采用的潮位数据来源于利用美国地球与空间研究中心（Earth & Space Research）提供的TMD（Tide Model Driver）工具包所得到的预报数据（http://www.esr.org/research/polar-tide-models/tmd-software/）。选用位于吕宋海峡中部（121°51′53.28″E，20°32′53.88″N）点位（图1）的数据，数据时段为2017年2月6日至5月7日，分辨率为1 h。

1.2 方法

基于潜标观测数据，采用KdV理论，对内孤立波的振幅、波速等动力学要素进行提取和计算，并通过分析内波过境过程中振幅、波速的变化探讨中尺度涡对其传播的影响。

在连续流体中，KdV方程可以写为[24]：

式中：ηn为第n模态内波位移；t为时间；cn为第n模态内波的线性波速；x和 z 分别为水平方向和垂直方向的位移；αn、βn分别为第n模态内波的非线性系数和频散系数，其中，U(z)为背景的剪切流速，可以通过ADCP观测到的内孤立波发生前30min的每层流速取平均得到,Φn为第n模态内孤立波的垂向位移，可以通过求解Taylor-Goldstein(T-G)方程（式中，Φ(−H)=Φ(0)=0，N2(z) 为浮力频率，且为重力加速度，ρ为海水密度）得到[25-26]。

方程（1）存在单个孤立波解：

式中，η0,n为内孤立波的最大振幅；Cn为 内孤立波的非线性波速，且为内孤立波的水平特征宽度。本文用17 ℃等温线的垂向最大位移变化量表示内孤立波的最大振幅，即：

式中，hmax为内波发生期间17 ℃等温线波谷所在的水深值，h0为内波发生前30 min 17 ℃等温线所在的平均水深。

2 结果与分析

2.1 中尺度涡过境过程

由南海北部中尺度涡经过观测潜标的SLA和表层地转流过程分布（图2）可见：2017年2月20日开始，观测站位受到中尺度涡边缘强流场的影响。3月20日前主要以西北向或北向流为主，3月20日以后则主要以东向流为主，4月1日开始，潜标观测站位才逐渐摆脱中尺度涡的影响。中尺度涡影响期间，潜标观测到的温度及海流剖面如图3所示，可以看出，从2月26日开始，观测海域受中尺度涡的影响，温跃层开始下潜，上层流速逐渐增强，至4月4日左右，温跃层和流速幅值恢复到原来的深度和强度。

图2 南海北部中尺度涡经过观测潜标的SLA和表层地转流过程分布Fig. 2 Distributions of SLA and geostrophic current process when mesoscale eddy passing through the mooring station in the northern South China Sea

图3 中尺度涡影响期间潜标观测温度剖面和海流矢量分布Fig. 3 The temperature profiles and current vector distribution at the mooring station during the influence of the mesoscale eddy

2.2 中尺度涡对内孤立波振幅的影响

2017年2月10日至5月10期间内孤立波的发生频次和振幅的结果如图4a所示。该海域内孤立波的频发周期与吕宋海峡的大潮期（图4b）对应，说明该海域内孤立波主要来源于吕宋海峡。从对应的时间来看，内波从吕宋海峡传播至该海域的时间为3 d左右。3月9日至23日观测站位受中尺度涡的影响最大，该周期内的内孤立波平均振幅为20.7 m，与无中尺度影响情况下的平均振幅（29.0 m）相比，减小了28.6%，说明该反气旋中尺度涡对内孤立波的振幅具有明显的抑制作用。其次，该周期内的内孤立波发生频次明显少于其他周期，说明该中尺度涡调制后的背景温盐场和流场不利于内孤立波的生存。这与Xu等[23]观测发现的一个约180 m振幅的内孤立波穿越中尺度涡后，振幅变得很小且内孤立波结构不再明显的结论一致。

图4 中尺度涡影响期间内孤立波发生频次和振幅变化与吕宋海峡潮位对比Fig. 4 Comparison of the occurrence frequency and amplitude variation of the internal solitary wave with the tide level in the Luzon Strait during the influence of the mesoscale eddy

内孤立波传播进入中尺度涡受温跃层变化影响的过程可以近似地看作“趋浅温跃层”[6]的逆过程。即内孤立波由温跃层较浅的海域传播至由中尺度涡影响导致温跃层变深的海域。根据趋浅温跃层理论[5]，内孤立波的振幅增长率（Soliton Amplitude Growth Ratio，SAGR）可以表示为：

式中，h0为 没有中尺度涡时等温线的深度，he为中尺度涡存在时等温线的深度。若SAGR＞1，则说明变化的温跃层有利于内孤立振幅的增长；若SAGR=1，则说明温跃层变化对振幅没有影响；若SAGR＜1，则说明变化的温跃层对内孤立波的振幅有抑制作用。3月9日至23日受中尺度涡影响导致的温跃层变化明显。图5给出了SAGR理论计算结果，可以看出，内孤立波的振幅变化与SAGR理论计算值的变化趋势基本一致，其中，受中尺度涡影响最大的3月9日至23日潮周期内的内孤立波振幅明显减小，对应的SAGR值为0.6，说明中尺度涡导致温跃层下潜对内孤立波振幅产生了较强的抑制。

图5 内孤立波平均振幅变化与SAGR理论计算值的对比Fig. 5 Comparison between the change of average amplitude of internal solitary wave and the calculated values of SAGR

2.3 中尺度涡对内孤立波波速的影响

根据KdV理论，基于观测到的温盐剖面和海流剖面计算得到2017年2月20日至5月10日期间内孤立波的波速值（图6中黑色圆点），可以看出，在未受到中尺度涡影响的情况下，内孤立波的波速为1.26 m/s。2017年3月9日至25日期间，受中尺度涡的影响，波速值明显增大，平均为1.47 m/s, 增大约16.7%，最大波速达到1.54 m/s。

图6 中尺度涡影响期间内孤立波的波速分布Fig. 6 Distribution of the wave speeds of internal solitary waves during the influence of the mesoscale eddy

根据波速的计算公式，内孤立波波速应随着振幅的增大而增大，但在中尺度涡过境期间，内孤立波的波速却随着振幅减小而增大，说明了中尺度涡对内孤立波波速具有增强作用。为进一步确认是何种因素导致波速的增强，我们采用控制变量法，分别针对层结和背景流的变化对波速的影响进行了数值计算分析：1）不考虑背景流，计算在层结变化下的波速值（图6中蓝色曲线），结果表明，其波速变化不大；2）以2月20日平均温盐剖面作为背景温盐场并保持不变，计算在流场变化下的波速值（图6中红色曲线）。从图6可以看出，在受中尺度涡影响较大的2017年3月9日至25日期间，由于流场的变化，计算出的波速值明显较大。综合结果表明，该反气旋中尺度涡导致的背景流场的变化，对内孤立波的波速具有增强作用。

3 结 论

针对南海北部陆坡海域内孤立波和中尺度涡频发对海上施工和水下作业安全造成严重威胁这一背景，本文基于布放在南海北部东沙群岛西侧陆坡海域的一套潜标观测数据，选取2017年3月一反气旋中尺度涡经过潜标站位的过程，探讨了中尺度涡对内孤立波传播的影响。主要结论如下：

1）受反气旋中尺度涡的影响，潜标站位等温线明显下凹，跃层深度变深，导致内孤立波的平均振幅减小28.6%，说明内孤立波传播过程中，该反气旋中尺度涡对其振幅起抑制作用，其振幅抑制过程可采用趋浅温跃层理论进行描述。

2）受反气旋中尺度涡的影响，内孤立波的平均波速由1.26 m/s增大到1.47 m/s, 增幅约16.7%。说明内孤立波传播过程中，反气旋中尺度涡对其波速起增强作用。利用KdV理论分析表明，该强化作用主要是由反气旋中尺度涡的边缘流场改变了内孤立波过境时的背景流场所致，而与中尺度涡引起的层结变化关系较小。

研究成果对提高该海域内孤立波预警模型的准确度具有重要参考意义，同时也可为该海域海上油气开发应用等安全保障提供重要依据。