鄧冰，陳鳳貴，肖義國，徐振華

(1.北京應(yīng)用氣象研究所，北京100029;2.中科院海洋研究所，山東青島266071)

海洋內(nèi)波是發(fā)生在海洋內(nèi)部的重力慣性波，具有水下魔鬼之稱。長期以來，對海洋內(nèi)波的研究一直是海洋科技工作者努力鉆研的前沿課題。海洋內(nèi)波是重要的海洋中尺度現(xiàn)象，由于內(nèi)波發(fā)生機制的復(fù)雜性以及時間空間特征的隨機性而成為海洋領(lǐng)域研究的難點。海洋內(nèi)波的研究不僅在整個海洋動力學(xué)的理論研究中占有重要的地位，而且對海洋環(huán)境與資源開發(fā)和保護、軍事應(yīng)用及推動其他相關(guān)學(xué)科的深入研究和發(fā)展都具有重要的價值。我國近海區(qū)域是海洋內(nèi)波的多發(fā)區(qū)。海洋內(nèi)波對潛艇、聲納、魚雷等水下武器裝備作戰(zhàn)運用有著非常重要的影響［1—2］。由于海洋內(nèi)波是發(fā)生在海洋內(nèi)部，因此對內(nèi)波特征要素的了解目前不能通過直接測量得到，需要通過對流場、密度場的診斷得到內(nèi)波的特征信息。筆者利用CTD溫鹽資料和ADCP流場資料設(shè)計了提取內(nèi)波振幅、周期、流速和流向的診斷方案。

1 海洋資料處理

內(nèi)波是一種寬頻振動，其頻率范圍在當(dāng)?shù)貞T性頻率到浮力頻率之間。常見的波長為幾十米至幾十千米，周期為幾分鐘至幾十小時，振幅一般為幾米至幾十米，最大振幅可達一二百米［3］。中國?；久總€季節(jié)都有著明顯的海水層化現(xiàn)象［4］，為內(nèi)波的發(fā)生和傳播提供了介質(zhì)，而周圍復(fù)雜且不穩(wěn)定的流場特征又給內(nèi)波的發(fā)生提供了擾動源。因此該海域內(nèi)波頻發(fā)，其中最為普遍的內(nèi)波是內(nèi)孤立波和內(nèi)潮波。內(nèi)孤立波具有強非線性，常常由強內(nèi)潮裂變生成。

內(nèi)波的振幅通常以等密度線的起伏來衡量，但因直接測量海水密度非常困難，通常用等溫線或等鹽線的起伏來代替［5］。在海洋中能引起等溫線振動的因素主要有:潮汐、太陽輻射、內(nèi)波、風(fēng)、浪等。潮汐使海水等溫線發(fā)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，也就幾米的量級。太陽輻射也會使海水溫度增高，使等溫線出現(xiàn)日周期的變化，但這些變化主要集中在海水表層，不會波及整個水體。因此當(dāng)海水中層或者溫躍層附近的等溫線出現(xiàn)了大的起伏時，一般可以認(rèn)定發(fā)生了內(nèi)波［6］。一般情況下強度弱的內(nèi)波對水下平臺和武器裝備不會造成大的影響，基于內(nèi)波實際保障的需求，文中僅考慮當(dāng)海水中層或溫躍層附近的等溫線出現(xiàn)超過10 m振幅時，認(rèn)定發(fā)生了內(nèi)波。

由于現(xiàn)場觀測的海洋環(huán)境資料具有不同的格式，需對搜集到的CTD資料和ADCP資料進行預(yù)處理，進行校對檢驗和格式編排，使資料的數(shù)據(jù)集(物理要素測量值的集合)和元信息(如測量的時間、地點、方式、質(zhì)量控制等)在準(zhǔn)確性、規(guī)范性方面滿足完整性要求和一定的規(guī)格指標(biāo)。為方便讀取和自動化處理，對數(shù)據(jù)格式制定了標(biāo)準(zhǔn)，其中對溫鹽流數(shù)據(jù)要求為一整天的多層觀測資料，數(shù)據(jù)的時間間隔要求為1 min，垂向深度間隔為1 m，現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)如果不滿足要求需先進行插值處理。文中利用Akima插值方法［7］，邊界資料采用線性差值。在插值過程中規(guī)定連續(xù)缺少3層以上按缺測處理。

Akima方法規(guī)定，在2個實測點之間進行內(nèi)插，除了要用到這2個點的實測值以外，還用到與這2個點相鄰的4個點上的實測值，也就是說在2個點之間內(nèi)插需要用到6個實測點。設(shè)用i(i=1，2，…，6)表示這6個實測資料的序號，其坐標(biāo)為(xi，yi)，插值點(x，y)位于第3和第4個實測點之間，即x3＜x＜x4，則插值點y可用式(1)計算:

其中:

式(2)中，t3和t4分別是第3和第4號實測點要素的斜率，分別用1，2，3，4，5和2，3，4，5，6號點上的實測值表示，在一般的情況下，t3和t4可用式(3)計算:

式中:mi為斜率，它用式(4)表示:

2 內(nèi)波信息提取

2.1 用CTD資料提取

由于孤立波的非線性較強，其波形一般并不對稱，因此通過計算其半波寬度的方法提取內(nèi)波振幅和周期，選取內(nèi)波到來前和波峰到達時刻的等溫線所在深度的差值即為內(nèi)波的振幅，二者時間差的2倍即為內(nèi)波的周期［8］。海洋內(nèi)波示意如圖1所示，H2，H1分別表示上層水深和下層水深，ζ表示內(nèi)波振幅，z=H2-ζ。

圖1 海洋內(nèi)波示意Fig.1 Schematic diagram of ocean internal waves

2.2 用ADCP資料提取

利用ADCP資料可提取內(nèi)波波致流和內(nèi)波傳播方向［9］。

將實測海流進行標(biāo)準(zhǔn)化處理獲得多個時間相應(yīng)、長度相等的實測流的時間序列。采用梯形積分公式計算得到平均全流時間序列，再由諸實測流與平均全流時間序列之差，獲得各變差流的時間序列。

定點ADCP海流觀測資料分解為北分量u(z，t)和東分量v(z，t)，以北分量為例:

由式(7)得到剩余流成分為:

其中:

考慮到背景余流等的影響，當(dāng)躍層上下側(cè)平均變差流的相位差約180°+10°，同時對應(yīng)著一個持續(xù)時間為5～40 min的流速激增過程時，表示內(nèi)孤立波的發(fā)生過程。

根據(jù)內(nèi)波理論可知，如果內(nèi)波流的剪切層深度小于水深的一半，說明該內(nèi)波為下凹型內(nèi)孤立波，由此對應(yīng)上層變差流方向即為內(nèi)波的傳播方向。反之說明內(nèi)波為上凸型內(nèi)孤立波，對應(yīng)下層變差流方向即為內(nèi)波的傳播方向，同時上層和下層變差流的大小即為內(nèi)波流的振幅。內(nèi)波動力診斷流程構(gòu)架如圖2所示。

圖2 海洋內(nèi)波動力診斷流程Fig.2 Dynamic diagnosis process of internalwave

3 海洋內(nèi)波信息診斷個例

本文利用2005年南海東沙群島附近海域溫度鏈資料和ADCP資料診斷南海孤立波的特征要素。由于不同海域背景的水文條件和天文潮流等不同，內(nèi)孤立波的振幅大小并不一致，南海東沙群島附近內(nèi)孤立波最大振幅可達170 m，而淺海大陸架區(qū)內(nèi)孤立波振幅一般為10～40 m左右。根據(jù)前面所述的辨識標(biāo)準(zhǔn)，針對東沙海域?qū)嵗M行了分析。對溫度鏈資料處理后得到的等溫線隨時間的演變?nèi)鐖D3所示?？梢钥闯?，圖3中曲線為一個包含8個孤立子的下凹型內(nèi)孤立波列，經(jīng)計算選定孤立子的振幅18 m，周期為22.5 min。

選定時刻內(nèi)波流的矢量分布如圖4所示。可以看出，內(nèi)波傳播方向為西北偏西，內(nèi)波流最大可達0.5 m/s，剪切流最大可達0.75 m/s。星號所示位置明顯出現(xiàn)約20 min的流速增大過程，流速增大到0.4 m/s，明顯高于當(dāng)?shù)?.2 m/s的背景流，在45 m深處存在一個剪切界面，由此可認(rèn)為這是一個內(nèi)孤立波的過境過程。根據(jù)內(nèi)波理論可知，上層海流的方向為內(nèi)波的傳播方向。

圖3 28℃等溫線的分布Fig.3 Distribution of28℃ isotherm

圖4 內(nèi)波流場診斷Fig.4 Diagnosis chart of internal flow field

4 結(jié)語

海洋內(nèi)波對海洋聲學(xué)、海洋資源開發(fā)、海洋生態(tài)環(huán)境保護、海洋軍事和海洋工程等方面都具有重要影響，海洋內(nèi)波研究是一個國際性研究熱點。海洋內(nèi)波信息診斷分析技術(shù)是研究內(nèi)波特性的基礎(chǔ)。根據(jù)海洋內(nèi)波動力學(xué)理論與方法，建立提取海洋內(nèi)波特征的診斷模型，對實測的溫度鏈、潛標(biāo)、ADCP等連續(xù)觀測資料進行動力分析診斷，可以診斷出內(nèi)波周期、內(nèi)波振幅、變差流矢量時間序列及內(nèi)波波致流、內(nèi)波傳播方向等內(nèi)波特征要素。由于海洋內(nèi)波特性十分復(fù)雜，目前我國南海海域孤立波診斷算法還不能完全滿足自動化工作的需求，內(nèi)波特征參數(shù)提取需要通過相關(guān)專業(yè)知識的修正，未來南海孤立波診斷技術(shù)將朝著業(yè)務(wù)自動化方向發(fā)展。

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