南海内波研究前沿与热点

郑全安，陈 亮，熊学军*，胡筱敏，杨光兵

（1.马里兰大学 大气海洋科学系，美国马里兰州 学院市 20742；2.自然资源部 第一海洋研究所，山东 青岛 266061；3.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 266237；4.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）

本文主题关键词“内波”系指发生在层结海洋内部、以约化重力为恢复力的亚中尺度波动，其特征尺度为：波锋线水平尺度O（10～200）km，波长尺度O（0.5～5.0）km，时间尺度O（ 3×102～8.64×104）s，速度尺度O（0.5）m/s，以波长为水平长度尺度，20°N 为特征纬度时，罗斯贝数则为2～10。内波广泛分布于全球海洋，尤以陆架浅海和边缘海最集中[1-2]。内波研究的意义概括为3 方面：①物理海洋学研究。内波的时间尺度处于亚中尺度过程最底端，是海洋能量级串研究不可逾越的重要环节。内波引起的湍流混合研究，对更好地理解上层海洋动力学和海洋内部热结构具有重要意义。内波通过向下热量输送，对维持大尺度、深层环流发挥重要作用。内波高度非线性演化为非线性流体力学和孤立波理论提供独特应用领域。②跨学科研究。内波引起的海水垂直运动将富含溶解氧和二氧化碳的表层水输送到深水层，同时将富含营养盐的深层水输送到真光层，有助于提高海洋生物生产力和固碳作用。内波一方面引起海洋沉积物再悬浮，另一方面孤立内波具备物质水平输运功能，从而对陆架生态环境产生影响。由此可见，内波与海洋生物学、沉积学、生物地球化学以及生态环境研究等密切相关。③应用研究。内波的传播直接破坏海水物理场的连续性，扰乱水下声波传播，从而导致声呐信号紊乱、水下声导航运动物体偏航甚至失联等严重后果。特别是超强孤立内波,在10～20 min 很短时间内可将海水等密度面下压100～200 m，其巨大能量和动量冲量对所有海洋工程设施和水下航行载体都是灾难性的存在[3]。因此，大力开展海洋内波研究、提供局地实时精准内波预报服务，是所有海洋产业开发、保障水下航行活动安全必须重视的课题。

南海是全球海洋中内波最活跃的海区之一。如图1 所示，南海内波集中分布在北部大陆架和大陆坡（以下简称陆架）。究其原因可归结为：①陆架宽广、边缘海底地形陡变为内波生成与演化提供了有利条件；②季风气候条件下，海区层结得以季节性强化；③海区东部和东北部分别与吕宋海峡和台湾海峡相连，发源于两海峡的内潮波直接传入海区，在海底地形与海水层结分布作用下，演化成超强孤立内波波包，最近布放在吕宋海峡西口的锚系观测发现，孤立内波振幅高达240 m，为世界之最[4]。

见之于报道的南海内波观测发端于卫星遥感图像。Fett 和Rabe[5]最早利用卫星可见光图像观测了内波在南海北部东沙环礁附近发生的反射现象。通过卫星图像，可以准确确定内波发生的位置和时刻，反演估算内波振幅、波速、波向、半波宽度以及流速等信息[6-7]，研究内波生成的动力学机制[8]。近年来，卫星图像被广泛用于研究南海内波时空分布统计特征和传播特征[9-14]。Wang 等[15]从南海2 500 张多源遥感卫星图像中提取了3 500 个内波，系统分析了南海内波的分布和传播方向特征（图1）。Zheng 等[8]采用扰动Korteweg-deVries（PKdV）方程分析1995 年至2001 年的合成孔径雷达（SAR）图像，证明趋浅温跃层为南海东北部内孤立波波包的产生和增强提供有利条件。

图1 南海略图、内波波锋线分布及本文评述相关的观测概位Fig.1 Outline chart of the South China Sea,internal wave crest line distribution and positions approximate of study areas

现场观测是研究海洋内波最直接和最有效的手段。南海内波现场观测直到20 世纪90 年代初才起步。Ebbesmeyer 等[16]通过分析布放在广东陆丰近海的声学多普勒海流剖面仪（Acoustic Doppler Current Profile，ADCP）测得的现场数据和卫星图像，推断陆丰近海的内孤立波可能起源于吕宋海峡潮汐强迫。特别值得一提的是，2000 年至2001 年期间实施的“亚洲海国际声学实验”（Asian Seas International Acoustic Experiment,ASIEX）项目，在南海北部内波研究上取得一系列的突破性成果。例如，Ramp 等[17]发现了重现周期分别为24 h 和25 h 的2 种内孤立波，并将其分别命名为a 波和b 波；Yang 等[18]首次在南海北部发现了第二模态内波[17,19-20]等。该项目推动南海成为内波研究热点海区，至今热度不减[21-29]。中国海洋大学2010 年至2014 年期间在吕宋海峡以西海域开展了 “南海内波实验（SCS Internal Wave Experiment，SIWE）”，通过阵列锚系观测得到总计4 771 个内波波包，建立了迄今为止南海内波最大实测数据库，并不断有分析成果问世[4]。自然资源部第一海洋研究所于2016 年至2017 年期间，在南海北部东沙环礁西侧陆坡海域开展锚系内波观测,填补了当地内波实测数据空缺，发现了重现周期为23 h 的新型内波[30-31]。

近年来，数值模拟方法广泛应用于南海内波的生成、传播和演变过程研究[32]。Liu 等[33]采用KdV（Kortweg-deVries）方程数值模型，研究中国东海和南海的内孤立波在陆坡上的传播与演变过程，数值计算结果与卫星SAR 图像数据一致。Cai 等[34]利用改进eKdV 方程，建立内孤立波规范化长波传播方程两层模式（Regularized Long Wave,RLW）模拟南海陆坡处的内孤立波，发现耗散作用和海底地形对传播过程有显著影响。Kadomtsev-Petviashvili（KP）方程也被用来研究南海东北部内孤立波的非线性相互作用[35-36]。

前人对南海内波研究进展多有评述[37]。本文旨在以2015 年为时间节点，评述2015 年以来南海内波研究发展前沿和研究热点，着重介绍现场锚系观测获得的新发现和高新技术应用成果，以期为读者洞察该研究领域发展状况打开一扇窗。

1 南海内波研究新发现

南海略图如图1 所示。红色线条代表由多种卫星历史图像提取的内波波锋线分布[15]。由图1 可见，南海内波集中分布在北部陆架、陆坡以及西部陆坡，南部和西南部陆坡有稀疏分布。由于卫星图像仅对海面信息敏感，而海洋深层扰动的海面信息可能较弱，不利于卫星成像，因此该图并不代表深水区不存在内波。图中白色五角星代表新发现和新进展观测概位，本文将以发表年限为序逐一概略评述。例如，五角星HQ代表将在1.5 节评述的深海内波观测实例锚系站概位。

1.1 振幅240 m 超强内孤立波

南海以超强内波闻名于世。以观测到的内孤立波最大振幅为指标，全球海洋可对标实例为：地中海西部直布罗陀海峡以东，测得内孤立波最大振幅为50～100 m[38]；爪哇海东南部龙目海峡以北，由回声探测仪测得线性内波波峰至波谷振幅达100 m[39]。在南海，Ramp 等[17]在2001 年5 月9 日ASIEX 项目锚系观测期间，于东沙环礁东北陆坡（117°17′E，21°37′N）水深350 m 处测得内孤立波最大振幅为142 m。这曾引起广泛关注。Chang 等[40]2006 年6 月利用锚系观测，在东沙环礁东北陆坡（117°20′45″E，21°04′48″N）水深600 m 处测得内孤立波最大振幅为130 m。Lien 等[41]2011 年6 月4 日利用锚系观测，在东沙环礁东北陆坡（117°13′12.6″E，21°04′14.4″N）水深450 m 处测得内孤立波最大振幅为173 m。

2010 年至2014 年，中国海洋大学在吕宋海峡以西海域开展“南海内波实验”，建立了迄今为止南海内波最大实测数据库。其中包括2013 年12 月4 日在吕宋海峡西侧M10（图1 中HX1）潜标站（120°13′12″E，20°34′12″N）水深3 847 m 处，测得内孤立波最大西向峰值流速2.55 m/s、最大振幅240 m，这是迄今为止见于报道的全球海洋观测到的内孤立波最大振幅值，如图2 所示[42]。由垂直温度剖面可见，该孤立波为下压型（depression wave）。当18:36 UTC 孤立波前沿到达测站前，12 °C 水温等温线位于300 m 水深；而当19:04 UTC 孤立波波峰通过测站时该等温线下压至540 m，即在28 min 时间内等温线下压了240 m。该孤立波的扰动达水深1 000 m 以下，在900 m 水深处振幅仍达110 m，200～1 000 m 水深的平均振幅高达173 m，与此前Lien 等[41]在东沙环礁东北陆坡测得的内孤立波最大振幅持平。对布设在巴坦岛附近的潜标同步观测数据分析揭示，这一超强内孤立波的产生似与吕宋海峡超强半日内潮相联系。对数模产品分析表明，由黑潮增强引起的吕宋海峡层结强化对超强内孤立波生成也有贡献[42]。这一新发现不仅对南海内波动力学和区域海洋学研究具有重要意义，而且对沿海水等密面航行的水下潜航器规避灭顶之灾独具特殊意义。

图2 全球海洋最大振幅内孤立波水温和流速剖面分布Fig.2 The greatest amplitude internal solitary wave in the global ocean

1.2 中尺度涡对内波的调制

Huang 等[43]利用2013 年11 月至2014 年1 月南海吕宋海峡以西（图1 中HX2）潜标阵列数据（图3a）和同步卫星高度计海面高度异常（Sea Level Anomaly,SLA）图像（图3b），分析气旋-反气旋涡对高频内波的调制作用，得出内波振幅、传播速度和传播方向的调制量。这是迄今为止有关南海中尺度涡与内波相互作用研究最完整、详尽的研究成果。

由图3c 可见，深水区内波向下平均振幅可达100 m（图3 中用负值表示），浅水区为20 m。振幅明显受涡旋调制。反气旋涡过境时，各潜标站位均显示内波平均振幅减小，减小幅度为14%～67%；气旋涡过境时减小幅度为14%～40%。图3d 为在2 种极性中尺度涡控制下温跃层和内波振幅一维断面分布。可见，反气旋涡过境时，温跃层平均深度由230 m 下压至300 m，并呈由深水至浅水加深的反常分布。内波振幅则跟随温跃层厚度变化。而气旋涡的影响不显著。图3e 显示，传入反气旋涡核心区的内波波向由西向（270°）转向西北向（310°），最大北偏达40°，而在气旋涡核心区内则南偏可达20°。图3f 示出中尺度涡对内波传播速度调制过程实测结果。总体规律是反气旋涡过境时，波速增大，深水区最大增幅可达30%以上，即由3 m/s 增大至4 m/s，浅水区增幅略小，约10%～25%；而气旋涡过境时，深水区最大增幅约10%，浅水区增幅不显著。上述依据潜标-卫星联合观测数据分析得出的研究成果，为认识南海深海盆内波动力学特征，特别是认识中尺度涡对内波的调制与能量级串过程，具有重要意义。

图3 南海吕宋海峡以西2013 年11 月至2014 年1 月观测得出的气旋-反气旋涡对对高频内波的调制作用Fig.3 Modulation of cyclonic-anticyclonic eddy pair to high frequency internal waves observed in west of the Luzon Strait of the South China Sea from November 2013 to January 2014

1.3 重现周期23 h 内孤立波

自然资源部第一海洋研究所2016 年至2017 年在南海北部东沙环礁西侧陆坡海域（115°30′00″E，20°31′12″N）（图1 中CL 站，水深约397 m）开展锚系内波观测,建立了局地内波实测数据库。通过数据分析，获得对局地内波动力特征重要新认识，其中最突出的是发现了重现周期为23 h 的新型内孤立波[30-31]。

Ramp 等[17]根据南海北部陆坡海域内孤立波重现周期，将其分成a 波和b 波两种类型。a 波以每天同一时刻出现在观测站位，即重现周期为24 h 为特征；而b 波每天推迟1 h 出现在观测站位，即重现周期为25 h。Ramp 等[25]确定2 种内波在深水区和陆坡海域的统计传播速度分别为（3.23±0.31）m/s 和（2.22±0.18）m/s。Huang 等[44]将在吕宋海峡西侧海域观测到的137 个内孤立波分成了81 个a 波和56 个b 波，并发现在大多数情况下，a 波产生的内波水平流速要比b 波的大。

Chen 等[30]通过分析温盐链逐日观测到的水温剖面图，分析内孤立波重复出现规律。如图4a 和图4b 所示，2016 年9 月2 日至4 日，每天当地时间上午8:00 均出现了一个内孤立波，即重现周期约为24 h，此系a 波内孤立波。2017 年7 月14 日至16 日，逐日推迟约1 h 出现一个内孤立波，即重现周期约为25 h，此系b 波内孤立波。除这2 种内孤立波外，图4c 则示出一种新型内孤立波。从2017 年7 月10 日至12 日，逐日提前1 h 左右出现一个内孤立波，即重现周期约为23 h。这种新发现的重现周期约为23 h 的内孤立波定义为c 波（Type-c ISW）。

图4 南海北部东沙环礁西侧陆坡海域潜标温度链观测到的3 种重现周期内孤立波温度剖面分布Fig.4 Water temperature profiles of internal solitary waves with three types of re-appearance periods observed by mooring thermal chain deployed on continental slope west of Dongsha Atoll in the northern South China Sea

观测期间共发现了8 组c 波，共包括30 个内孤立波。平均重现周期为（23.04 ± 0.29）h，即每天提前约1 h 出现在观测站位。平均振幅为（45 ± 17）m，最大振幅为91 m，其平均振幅与a 波（平均重现周期为（24.20 ±0.14）h）的平均振幅（44 ± 8）m 接近，但比b 波（平均重现周期为（25.08 ± 0.49）h）的平均振幅（54 ± 19）m 小。这些内孤立波均可以单波或波包形式出现。关于a 波和b 波的生成机制，Zhao 和Alford[45]以及Ramp 等[17]提出，吕宋海峡潮汐强迫变化是主要因素，即a 波产生于潮汐日不等现象较强时，而b 波则产生于较弱时。对c 波的生成机制迄今无定论。

1.4 内孤立波裂变现象

Bai 等[46]2011 年7 月在南海东北部台湾海峡南口陆架海域开展了水文CTD 断面和潜标ADCP 观测，潜标站位为（118°10′12″E，22°22′51.6″N）（图1 中BX，水深60 m）。其中7 月13 日至14 日的测量数据（图5）显示，在15 h 测量期间高频内波连续出现，与通常的潮汐激发机制不一致。为解释这一现象，作者提出连续出现的高频内波是由内孤立波在变浅海底地形扰动下发生裂变（fission）而生成的假说。理论分析和数值模拟结果均证明该假说是合理的。该项研究的意义在于，以现场实测实例证明，内波的孤立波动力学性质，对认识内波波包的形成与演化、内波不均匀地理分布以及内波在海洋混合与能量级串中的作用至关重要。

图5 2011 年7 月13 至14 日南海东北部台湾海峡南口陆架海域高频内波潜标观测结果Fig.5 Mooring-observed high frequency internal waves on the continental shelf of southern outlet of Taiwan Strait in the northeastern South China Sea on 13-14 July 2011

1.5 深海盆内波及动能级串

迄今为止，南海内波的研究区域集中在吕宋海峡以西和南海北部陆架和陆坡海域。南海中部深海盆和南部陆架海域内波研究几乎为空白。Hu 等[47]2015 年至2016 年在南海海盆中部中沙群岛海域（118°01′E,15°16′N）（图1 中HQ，水深3 790 m）布设潜标观测底层环流变化以及动能级串，其中包括对时长1 a 的内波信息提取及分析。这是南海内波研究的标志性进展。

Hu 等[47]的观测方案设计和部分成果如图6 所示。其中高频内波谱段（High Frequency Internal Wave，HFIW）（＞1.3f）动能随时间变化如图6h 所示。由图6h 中曲线可见，高频内波动能（High Frequency internal wave Kinetic Energy,HFKE）对中尺度涡过境响应十分强烈。以图中红线所示的3 790 m 测量结果为例，2015年11 月28 日至12 月3 日反气旋涡过境期间（图6d），HFKE 最大值异常高达2.56 J/m3，约是正常平均值（0.07 J/m3）的37 倍。观测结果显示，HFKE 陡增脉冲与近惯性动能（Near Inertial Kinetic Energy,NIKE）陡增脉冲同步发生。这说明二者都是中尺度涡与海底地形碰撞后，能量向亚中尺度运动级串而发生。

图6 南海深海盆底层环流观测方案和部分成果Fig.6 Observation design and part of results of bottom layer circulation in the South China Sea deep basin

2 南海内波研究高新技术应用

2.1 卫星海面高度平面波分解技术

卫星高度计沿轨海面高度场（Sea Surface Height,SSH）二维（2D）平面波分解技术是2010 年以来开发的卫星高度计海面高度数据信息提取新技术。Zhao[22]利用该技术成功提取了吕宋海峡2D 内潮辐射图，直观显示出内波与内潮辐射的依存关系，成为南海北部内波动力机制和起源研究节点性成果。

Zhao[48]利用该技术提取了台湾海峡（图1 中ZZ）南向内潮2D 辐射图，填补了信息空白。图7 示出源自吕宋海峡和台湾海峡的内潮主分量M2内潮2D 辐射场与内波波锋线分布复合图[48]。图7 中红蓝相间粗条带代表以SSH 为特征量的M2内潮波峰-波谷水平分布，绿细线代表由卫星图像提取的内波波锋线水平分布。从图7 可直接提取2 项重要动力学信息：①关于内潮。南海M2内潮场由源自吕宋海峡和台湾海峡2 束独立近线性2D 平面波辐射共同组成。两辐射共同特征为波长相同，均约140 km，以及辐射强度（SSH）随辐射距离平方衰减。差异是吕宋海峡波束强度是台湾海峡的3 倍（60∶20）；吕宋海峡波束仅有单向西传波束；而台湾海峡波束具有南、北双向传播波束，其中南传波束强，北传波束弱，图7 中未显示，但现场观测确认其存在[49]。②关于内波。按水平2D 分布特征看，南海北部内波可以划分为南（图7a 中大红框）、北（图7b中小红框）两部分。南部内波依存于吕宋海峡M2内潮波束[22]，总体来看向西传播，数量约为海区总量的80%。其中以1 000 m 等深线为界，以东深水区为单体强孤立波分布区，以西则为在陆坡地形扰动下强孤立波分裂生成的波包密集分布区。北部内波依存于台湾海峡M2内潮北向波束，总体向北传播，数量约为海区总量的20%。由于海底地形陡然变浅，内潮波迅速裂变耗散，形成细碎内波密集分布。南向内潮波束沿水深变深（相应温跃层也变深）方向传播，不存在内潮波非线性裂变、演化成内孤立波的动力条件[8]。因而，除图7b 中小红框示出的台湾海峡南口海域之外，台湾海峡M2内潮南向波束对南海内波的生成与演化几无影响。上述成果表明，卫星海面高度平面波分解技术应用推动了南海内潮和内波研究产生突破进展。对长期争论不休的南海内波产生机制和原生地问题给出了确切答案。同时为研究更细节动力学问题以及开发局地内波预报模式奠定了基础。

图7 南海北部由卫星高度计沿轨海面高度场2D 平面波分解技术得出的M2 内潮2D 辐射场（红蓝条带）与卫星观测内波波锋线（绿细线）分布复合图Fig.7 Composite images of satellite observed internal wave crest lines（green lines）and 2D M2 internal tide radiation beams（red and blue bands）in the northern South China Sea derived from satellite altimeter along track sea level fields by 2D plane wave decomposition techniques

2.2 人工智能技术

巨量的海洋内波卫星图像积累和分辨率越来越高的海洋动力环境数据产品全球共享，为开发人工智能（AI）技术对重要海区内波开展分析和建立预报模式提供了基础资源。AI 技术已经成功应用于南海周边边缘海内波研究中，例如苏禄海（Sulu Sea）、苏拉威西海（Celebes Sea）[50]以及安达曼海（Andaman Sea）[51]。尚未见到南海内波AI 应用成果问世。本节评述Zhang 等[51]应用AI 技术建立安达曼海内波预报模式成果，以资借鉴。

安达曼海系东北印度洋边缘海，周边与海底地形复杂，在强潮汐作用下，成为内波多发海域。卫星图像显示，该海域内波场呈多源激发、多向传播（甚至背向传播）以及多波交叉等特点，信息丰富。为预报安达曼海内波传播，Zhang 等[51]基于后向传播神经网络（back-propagation neural network）发展了一种机器学习模式。利用从安达曼海2015 年至2019 年间123 幅中分辨率成像光谱辐射计（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometers，MODIS）和33 幅海洋陆地水色仪卫星图像中提取的1 189 个内波样本（包括波峰线长度和峰-峰距离）以及与之对应的海洋环境参数作为模式训练样本，在此基础上建立内波传播预报模式。预报操作时，以卫星图象实时观测到的内波波包先导波波锋线位置为输入信息，再输入预报时刻，模式自动输出预报时刻的内波将出现的位置。对多次预报结果统计分析表明，模式预报的一个潮周期之后内波波峰线位置与后续卫星图像上显示的位置之间的平均相关系数达95%，平均距离均方根差为3.21 km。这些结果远远优于KdV 方程能够达到的预报水平。图8 示出8 次预报实例。

图8 安达曼海内波传播人工智能预报模式应用实例Fig.8 Cases of AI prediction model application to internal wave propagation in the Andaman Sea

2.3 快速深潜剖面浮标技术

水下潜航剖面浮标测量技术是自21 世纪发展起来的海洋观测高新技术。该项技术已广泛应用于全球大洋，推动大洋环流研究不断取得突破性进展[52]。但是，现有的水下潜航剖面浮标产品，例如Argo 浮标，技术指标有两点关键局限性。一是水深测量范围为海面至2 000 m，即该项技术不能用于测量深海环流。而深海环流研究对认识全球气候变化机制等重大科学问题至关重要，必将成为全球海洋界研究重点。二是重复测量周期为10 d。这使得该项技术对观测海洋环流高频分量，例如近惯性振荡、内潮和内波等亚中尺度过程，效果不彰。而亚中尺度过程是陆架浅海和边缘海研究重要课题。正是科学研究的迫切需要，催生快速深潜剖面浮标（Rapid-Sampling Deep Profiling Floats，RDPF）技术发展。

中国海洋大学等单位已于2019 年成功设计制造了10 台RDPF 样机，最大工作水深为4 000 m，重复测量周期为1 d。样机已在南海、菲律宾海、马里亚纳海沟和黑潮延伸区进行了投放试验，RDPF 样机工作正常，取得首批科学数据[53]。南海RDPF 样机试验投放位置为（114°58′48″E,18°06′00″N），居南海深海盆北部（图1 中GZ），浮标潜航范围为（114°58′12″～115°36″E,17°59′24″～18°54′00″N），水深3 500～4 000 m（图9a）。投放时间为2019 年5 月11 日，结束时间为同年8 月11 日，共计完成122 测量循环周期。对测温数据的分析结果表明，测温传感器灵敏度和精确度高，系统稳定性好。由南海快速深潜剖面浮标投放试验数据计算得出的0.1～1.8 d 内波波段波动引起的水温起伏幅度垂直分布如图9b 所示。可见，该谱段对水温的扰动总趋势为随水深增加而减弱，1 500 m 以上较强，3 000 m 以下微小，唯全日潮扰动直达海底。

图9 南海快速深潜剖面浮标投放试验Fig.9 Deployment test of rapid-sampling deep profiling float in the South China Sea

2.4 高分辨水下声成像技术

声波在水中传播具有很强的穿透能力，用于水下探测和信息传递历史久远，为海洋资源开发和航行特别是水下航行安全保障发挥了独特作用。声波传播对水体物理性质变化反应敏感，例如温度、盐度、密度、悬浮物、叶绿素、溶解氧和光照等的空间分布变化会引起声波散射。因此，从水下声波仪器接收到的声回波信号中，可以提取多种海洋信息[54-56]。为探测海洋内部精细结构而开发的高分辨水下声成像技术，适用于海洋内波探测[19,57-58]。海洋多通道地震波成像技术（marine multichannel seismic imaging technique）是高分辨水下声成像新技术，像元空间分辨率达O（10）m，已引入南海北部陆架内波研究[59-61]。

Feng 等[62]于2020 年7 月将100 kHz 回声探测仪（Innomar SES2000 Light parametric sub-bottom profiler），用于探测南海北部陆架靠近珠江口（图1 中FY）的浅水（20～50 m）内波。该仪器的图像空间分辨率达10 cm，比上述地震波成像技术高2 个量级。图10 中左列图10a、图10c、图10e 和图10g 示出该仪器测得的声波后向散射图像，右列图10b、图10d、图10f 和图10h 为解译图。图像清楚显示了4 个内孤立波波包ISW1-ISW4 的精细结构，从中可确定孤立波极性，测定波包内孤立波个数、间距和扰动深度等。特别是相当精确地测得了孤立波特征半宽度。例如，从图10e 中测得ISW3 的特征半宽度为2 m。同时，图像还显示内波与环境相互作用信息，例如泡沫云形成与海底沉积物再悬浮等。这些信息是测温链、CTD 和ADCP 等传统内波测量技术难以达到的。图10b～图10h 解译图中给出了海水上下2 层厚度、内波传播方向（向北或向岸）和利用KdV 方程孤立波解拟合得出的内孤立波振幅（6.5～13.3 m）。这些结果表明，高分辨率回声探测仪是海洋内波探测技术中可探测参数最多、精度最高的一种高新技术，值得重视。

图10 高频回声探测仪测得的南海北部陆架浅水声波后向散射图像和对应的解译图Fig.10 Acoustic backscattering images of continental shelf shallow waters in the northern South China Sea taken by Innomar SES2000 Light parametric sub-bottom profiler,including internal solitary wave packets

3 结语

本文以2015 年至2021 年间在国际知名学术期刊上发表的论文为依据，评述南海内波研究取得的新进展。对具有代表性的亮点成果稍作展开，以期为有兴趣做进一步了解的读者打开一扇窗。从评述的研究前沿和热点来看，本文认为过去7 a 南海内波研究成果取得质的提升，表现在如下方面：

1）从水平2D 观测研究发展为3D 立体观测研究

南海内波观测与研究，多年来主要依靠海面水平2D 卫星图像为信息来源，分析内波时空分布统计特征、波包结构和传播特征，通过线性波动理论和KdV 方程孤立波解提取部分动力参数。而从本文评述的2015 年至2021 年之间取得的5 项代表性新成果可以看出，百分之百亮点成果都是采用潜标或潜标阵列与卫星构成的3D 立体观测体系取得的。实现了由卫星观测为主要手段到以潜标现场观测为主要手段的质的提升，在此前提下催生出振幅240 m 超强内孤立波（1.1 节）、中尺度涡对内波的调制作用（1.2 节）、重现周期23 h 内孤立波（1.3 节）、内孤立波裂变现象（1.4 节）以及深海盆内波及动能级串（1.5 节）等创新成果。

2）研究区开始呈现向南海中部深海盆扩展趋势

南海内波观测与研究的海区分布此前主要集中在吕宋海峡以西和北部陆架，近年来出现向中部深海盆扩展趋势。例如，2015 年至2016 年间的南海深海盆底层环流观测（1.5 节）和2019 年的快速深潜剖面浮标技术试验（2.3 节）都是在中部深海盆进行的，取得填补空白的成果。南海作为一个整体，南部深海盆、西部和南部陆架内波观测与研究尚待发展。

3）高新技术应用助推科学研究突破

海洋探测高新技术应用于南海内波观测与研究，取得突破性成果。如本文第2 节所评述，由卫星高度计沿轨海面高度场2D 平面波分解技术得出的南海M2内潮辐射图，解决了多年争论不休的南海北部内波生成机制和生成源地问题。人工智能技术成功应用于建立南海邻近的边缘海内波传播预报模式。模式预报的1 个潮周期之后内波波峰线位置与后续卫星图像上显示的位置之间的平均相关系数达95%，平均距离均方根差为3 km。快速深潜剖面浮标技术应用南海北部深海盆，得出0～3 500 m 全水深内波波段（0.1～1.8 d ）波动引起的水温起伏幅度垂直分布。高分辨水下声成像技术，包括人工地震技术和回声探测仪，已成功应用于南海北部陆架内波观测与研究。其中回声探测仪图像空间分辨率达10 cm，清楚显示内孤立波波包精细结构，特别是精确测得水平尺度仅为2 m 的孤立波特征半宽度。这是此前内波测量技术难以达到的精度。

如前所述，内波研究的科学意义在于，内波的时间尺度处于亚中尺度过程最底端，是海洋能量级串研究不可逾越的重要环节。特别是内波引起的湍流混合对上层海洋动力学和海洋内部热结构研究以及跨学科研究具有重要意义。但是，从能量谱角度来看，内波并不是对局地海洋环流具有重大影响的能量分量。而内波研究的重要性在于应用或工程领域。因为其巨大能量（恰当地说应为功率）和动量冲量对所有海洋工程设施和水下航行载体都是灾难性的存在。因此，在积累大量科学研究成果基础上，开发局地实时精准内波预报服务，是所有海洋产业开发、保障水下航行活动安全必须重视的课题。本文评述的采用人工智能技术建立内波传播预报模式的成功实例，可供建立南海内波实时精准预报模式所借鉴。