安达曼海内波在线监测预警系统设计

马力 孙健翔 李志成

（天津航海仪器研究所 天津市 300131）

海洋内波是一种重力波，发生于密度层结稳定的海水内部，其振幅可达数百米，波高和波长明显大于海面波浪，其活动隐匿于水中，传播能量大，破坏性强，素有“水下魔鬼”之称。海水稳定的密度分层以及扰动源是内波产生两个必要条件，从扰动源所致成因上可将内波分为三类：由正压潮与地形相互作用所产生的潮成内波，由风的惯性振荡所引起的惯性内波，由水下运动物体或局部扰动源所形成的源致内波。内波在传播过程中引起海面强烈辐聚和突发性强流，能够转移大尺度运动能量，在海洋生态方面，可以将海洋深处较冷的海水及其所含营养盐输送至较暖的浅层，促进海水内部营养物质循环，有利于海洋生物的生长，但在人类活动方面，内波会引起声传播损失的剧烈变化，使声波传播路径发生改变，从而制约声纳探测性能，使声纳无法正常探测和稳定跟踪水下目标。速度超过1.5m/s 的内波流破坏力极大，会对海上石油钻井作业、海底石油管道铺设、潜艇隐蔽航行等造成冲击和严重威胁。1963年，美国长尾鲨号核潜艇在美国东部沿海进行300 米常规巡航试水试验时，遭遇强烈内波冲击挤压而破碎。1980年，安达曼海某石油钻井平台被内波通过后，平台整体扭转约90°，位置移动超过30 米。

在内波监测预警技术和相关保障系统研发领域，美国英特俄辛公司为保障加拿大戴维斯海峡深水区的石油钻探平台安全作业，专门为其研发了内波预警系统。中国海洋大学依托南海内波潜标观测网自主研发了南海内波预测预警系统，能够预测未来30 天的内波发生时间、发生位置、传播速度和振幅等关键特征参数，并于2014年实现了业务化运行，自然资源部第一海洋研究所开展了“南海北部内波流监测、预报、预警系统研究及应用”专项科研任务，中国石油集团在南海半潜式钻井平台周围布设了由1 套潜标和2 套浮标组成的监测系统，首次将内波监测预警技术应用于保障海洋油气工程作业安全，但这些研究和成果都集中在南海北部，保障能力还未触及领海之外。安达曼海属于世界内波高发海域，是内波研究的天然实验场，自然资源部第二海洋所于2016年在安达曼海中部布设了一套潜标，分析了内波生产机制和波源位置，其他学者对安达曼海内波的研究局限于遥感手段，处理图像数据繁琐，应用于监测预警难度较大，国内学者在安达曼海内波监测预警方面缺乏长期的环境监测数据和系统级保障技术研究。

安达曼海连接马六甲海峡和北印度洋，是世界最为繁忙的石油货运海域之一，中国海洋石油总公司在该海域拥有1万平方公里的深水区块开采权，因此，安达曼海是我国重要的海上交通线，对“一带一路”建设具有战略意义。随着国内海洋环境观测设备和技术手段的进步，以及北斗三代短报文通信能力达到1000 汉字/次的显著性提升，为开展固定式与机动式相结合的内波实时监测体系建设奠定了基础。本文提出了由潜标、浮标和水下滑翔机组成的内波监测方案，构建固定式与机动式相结合的监测能力，综合利用北斗三代短报文通信与内波流识别等技术，设计了安达曼海内波在线监测预警系统，旨在及时发现内波，分析内波传播特征，为海上施工及活动决策人员提供预警信息，降低安达曼海海域内波影响下的人类活动损失。

1 安达曼海环境概况

安达曼海是一个位于印度洋东北部的边缘海，由马来半岛、尼克巴群岛、安达曼群岛和苏门答腊岛环绕，西通孟加拉湾，东邻中南半岛，面积约65 万平方公里。如图1，安达曼海底地形复杂，水深分布不均匀，中部和西部水深较深，在西侧存在一系列由火山形成的岛屿和岛链，因而地形变化快，水深范围在1000～3500 米，北部和东部为广阔陆架，地形趋于平缓。气候上处于南亚季风区，属热带气候，冬季湿度低，少雨或径流输入，故表层海水盐度较高，但夏季在季风影响下，陆上径流输入显著增加，且淡水输入量超过蒸发量，使得海水上层盐度普遍较低，尤其是在北部海域，海水分层明显。

图1 ：安达曼海地形（a）及水深分布图（b）

2 安达曼海内波特征分析

安达曼海特殊的地形特征和稳定的海水分层状态，使其在受到外界扰动时，内波现象能够频繁发生，是世界上观测到内波最多的海域之一。在内波波源方面，国内学者根据彻体力理论和射线追踪法，得出了安达曼海可能具有7 个内波激发源，除1 个位于安达曼海北部大陆架外，其余6 个均排列在“普雷帕里斯海峡-安达曼群岛-尼科巴群岛-苏门达腊岛”的沿线或附近海域。在空间分布上，如图1，安达曼海的主体海域根据内波活动分布可分为三个区域：苏门答腊岛以北海域（Ⅰ区）、安达曼海中部海域（Ⅱ区）和安达曼海以北海域（Ⅲ区），其中前Ⅰ区、Ⅱ区内波最为活跃，且空间尺度最大。在传播方向上，Ⅰ区内波主要由苏门达腊岛西北海峡向东北方向和东南方向传播，Ⅱ区由尼科巴群岛中部海槽向东往马来半岛传播，Ⅲ区一部分主要由科科海峡向东或东北传播，遇到地形剧烈变化后，产生向西南方向的强烈反射波，另一部分由北部水深小于50 米的陆架向东北方向传播。在时间分布上，2月至4月遥感观测到内波发生最多，占全年内波总数的58%，7月最少，占比低于1%。安达曼海内波最大振幅可达100m，最大流速超过2m/s。

3 监测方案与系统结构设计

3.1 监测方案

为实现对内波的立体、长期、连续监测，综合考虑观测方式灵活性，根据安达曼海环境特征、历史内波多发区域、内波波源以及传播方向等的分析，综合利用固定式与机动式结合的观测技术，沿安达曼海内波传播的“东北、正东、东南”三个主要方向设计了由锚系潜标、锚系浮标、水下滑翔机组成的监测布局，如图2，在安达曼海以北海域（Ⅲ区），为监测北部出海口和探索反射波机制，沿内波传播的东北方向部署3 套潜标、1 套浮标以及1 个水下滑翔机观测断面，在安达曼海中部海域（Ⅱ区），为兼顾保障在海域腹地作业的平台安全，沿接近正东方向部署3 套潜标、1 套浮标以及1 个水下滑翔机观测断面，在苏门答腊岛以北海域（Ⅰ区），为监测内波对东南方向要道的威胁，沿东南方向部署3 套潜标、1 套浮标以及1 个水下滑翔机观测断面。各观测设备传感器等配置主要组成如表1、表2 和表3，通过潜标和水下滑翔机获取全海深的海水温度、盐度、海流等水文要素数据，推算内波三维动力学结构，通过浮标获取海面气象要素信息及浅层海流的异动，并捕捉海面扰动的影响，基于北斗三代显著提升的短报文通信能力完成监测数据回传。其中，水下滑翔机具备接收岸基指令机动调整航线的能力，能够执行中性精确悬停或目标区域的机动性断面监测。

表1 ：潜标主要配置组成设计

表2 ：浮标主要配置组成设计

表3 ：水下滑翔机主要配置组成设计

图2 ：监测体系布局设计

3.2 系统结构

安达曼海内波在线监测预警系统整体结构设计如图3，主要分为海洋环境监测设备、北斗短报文通信设备、内波监测预警服务器三大部分，海洋环境监测设备的主体由锚系潜标、锚系浮标和水下滑翔机组成，实时采集内波波源附近和传播途径上的水文气象数据，并将原始数据传输至北斗卫星通信网关，北斗短报文通信设备一方面完成原始数据的实时接收并传递给内波监测预警服务器，另一方面可以将系统用户的远程指令传递到监测设备端，实现对设备监测参数或运动方式的远程控制，内波监测预警服务器部署数据接收端管理软件和内波监测预警端软件，软件均采用B/S 架构设计，并与互联网Web 服务器连接，主要完成对水文气象实测数据的质控、存储、管理，对内波数据的提取、统计和分析，并根据内波流运动特征和用户位置进行内波的预测预警和信息推送。

图3 ：系统结构

4 系统功能设计

4.1 内波监测数据获取与管理

数据接收管理端软件将按照预先制定的北斗短报文协议，对实时接收的安达曼海水文气象监测数据文件进行元数据和要素数据的提取、解析和质量控制，元数据为设备ID、设备状态、时间、位置（含精度、纬度、南北纬表示、东西经标识）、要素实测数据（如监测深度、海水温度、盐度、海流流速流向、海面风速风向、海面气压、湿度）等，要素数据为经过质量控制后的要素实测数据。元数据与要素数据按关联关系保存至内波监测预警服务器上的内波数据库中，便于对历史元数据进行追索。数据接收管理端向内波监测预警端提供数据库访问接口，支持对数据的查询、修改、删除、人工导入和导出。

4.2 内波监测数据统计与可视化

内波数据统计通过选择某一编号的监测设备，以列表形式显示该设备所采集的所有内波相关数据，并支持按照年、月、日、时等尺度对数据进行统计，给出最大值、最小值和平均值，以柱状图、折线图等方式展示统计结果。内波数据可视化主要在实时更新的基础上，以时间序列图对海流、海面风、海面气压等要素要素进行可视化，便于用户把握上述要素随时间的变化趋势和异常海面扰动，以垂直剖面图对海流、海水温度、盐度等进行可视化，便于用户把握上述要素随深度的变化情况和内波流结构形态，针对水下滑翔机对海水温盐的机动监测数据，以断面图显示温盐要素随运动距离、深度的变化情况。

4.3 地理信息服务

内波监测预警端基于成熟的地理信息服务平台开发，平台具备安达曼海海图资源、卫星影像资源和水深地形等三种地图资源，能够将监测设备位置、内波数据统计与可视化结果、内波预测预警范围、未来5-10 天风场和海流流场的预报数据矢量动画图等叠加显示在上述地图上，平台支持测距、定位、截图、多边形边框绘制、符号标记等工具功能，辅助用户在地图资源和预报产品的基础上开展险情分析，制定水下滑翔机机动监测方案和应急计划，并形成对应文档，支持即时生成文档的在线发布。

4.4 内波预测预警

内波预测预警是本系统的核心，主要功能为内波分析识别，内波流计算与报警、内波信息提取与推送。内波分析识别主要基于实时水文气象数据的具体分析实现，分析水深变化、流速变化以及标体偏移等指标，判断内波现象的发生。确定内波发生后，系统基于实测流和背景流的流速、流向计算内波流，再根据内波流的发生时间、坐标、速度、振幅，以及工程位置，判断预警等级，若达到1 级蓝色预警（0.6m/s

5 结束语

本文以安达曼海域海洋工程活动对内波的监测预警保障需求为牵引，以安达曼海的海洋环境和内波典型特征为依据，沿“东北、正东、东南”三个主要传播方向构思了由潜标、浮标、水下滑翔机组成的监测体系，利用北斗三代短报文显著提升的通信能力，设计了安达曼海内波在线监测预警系统，为海洋工程作业人员提供内波的实时监测和预测预警，并将内波信息实时汇总，推送至互联网的Web 服务器，供航行和海上作业用户在线访问。