徐宋昀,許惠平,耿明會(huì),關(guān)永賢

(1.同濟(jì)大學(xué) 海洋與地球科學(xué)學(xué)院，海洋地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092；2.中國(guó)科學(xué)院 深?？茖W(xué)與工程研究所，海南 三亞572000；3.國(guó)土資源部 海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州510760)

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南海東沙海域內(nèi)孤立波形態(tài)研究

徐宋昀1,許惠平2,耿明會(huì)1,關(guān)永賢3

(1.同濟(jì)大學(xué) 海洋與地球科學(xué)學(xué)院，海洋地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092；2.中國(guó)科學(xué)院 深海科學(xué)與工程研究所，海南 三亞572000；3.國(guó)土資源部 海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州510760)

本文基于反射地震數(shù)據(jù)和MODIS遙感數(shù)據(jù)，對(duì)南海東沙海域內(nèi)孤立波及孤立波群的形態(tài)有了系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。內(nèi)孤立波存在上升型和下降型兩種極性波，又根據(jù)波形分成“鐘形”、“平底形”和“碗形”三種類(lèi)型，孤立波在波谷處的形狀與孤立波振幅有關(guān)。單個(gè)內(nèi)孤立波在傳播一段時(shí)間后，受到各種因素的影響，會(huì)發(fā)育成波群。東沙海域的不同位置存在兩種波群：“有序型”波群和“復(fù)雜型”波群，結(jié)合它們的位置及波群傳播過(guò)程，認(rèn)為這兩種波群可能是孤立波從深海向陸架的整個(gè)傳播過(guò)程中的兩個(gè)階段，“有序型”波群在被東沙島阻礙后，受到各種海底地形、東沙環(huán)礁、波-波相互作用的影響，轉(zhuǎn)變成“復(fù)雜型”波群。

東沙環(huán)礁；內(nèi)孤立波群；波形；傳播過(guò)程

0 引言

內(nèi)波屬于海洋的中尺度環(huán)節(jié)，它造成的強(qiáng)烈混合[1]對(duì)海洋的物質(zhì)能量交換、海洋環(huán)境及活動(dòng)在海洋內(nèi)部的物體有重要的影響[2]。東沙海域的大振幅內(nèi)孤立波是一種非線性內(nèi)波[3]，海洋潮汐與起伏的海底地貌的相互作用、內(nèi)潮之間的非線性相互作用[4]和內(nèi)潮的非線性效應(yīng)[5]是產(chǎn)生它們的主要原因。目前學(xué)者們普遍認(rèn)為這些孤立波發(fā)源于呂宋海峽[6-8]，而具體的生成過(guò)程非常復(fù)雜，存在多種可能的生成機(jī)制：背風(fēng)波機(jī)制[9]、局地內(nèi)潮凹陷變陡形成孤立波[10-11]、黑潮的不穩(wěn)定性[12]、潮汐模式之間的能量耦合[13]等，而且內(nèi)孤立波的生成過(guò)程中，正壓潮流強(qiáng)度、水體層結(jié)程度、背景流的流向、呂宋海峽中存在的多個(gè)海脊等因素對(duì)產(chǎn)生的孤立波的振幅和傳播方向等都有重要的影響[14]。東沙海域的內(nèi)孤立波多數(shù)以孤立波群的形式傳播，波群中包含數(shù)個(gè)內(nèi)孤立波，首波的波峰線可達(dá)200 km[15-16]，振幅達(dá)170 m[17-19]，波群中的波長(zhǎng)從9.7 km至500 m依次減小，波群的傳播速度大約為2.9 m/s[20]，擁有很大的能量，可以傳播到幾百公里之外[21]。

前人對(duì)東沙海域內(nèi)孤立波的研究主要集中在孤立波的傳播演變過(guò)程，水動(dòng)力參數(shù)和孤立波特征參數(shù)的計(jì)算等方面。起初由于缺乏實(shí)測(cè)條件，無(wú)法給出孤立波的整個(gè)傳播過(guò)程， KORTEWEG和VRIES[22]提出了理論描述，即KdV方程，在兩層模型[23]的條件下模擬了內(nèi)孤立波從深海到淺海的傳播。隨著對(duì)孤立波研究的深入，為使模型更好地符合真實(shí)情況，發(fā)展出了二階KdV[24]等演化方程，從理論上展示了孤立波在傳播過(guò)程中波形變化與振幅、寬度的關(guān)系[25]，極性轉(zhuǎn)變[26]和破碎[27]等。與此同時(shí)，對(duì)內(nèi)孤立波的觀測(cè)手段逐漸增多，許多研究者利用錨系、遙感和地震方法觀測(cè)，研究南海北部?jī)?nèi)孤立波的分布情況并計(jì)算相關(guān)參數(shù)。曾侃[28]和范植松 等[29]在兩層流體模型的條件下結(jié)合KdV方程反演了振幅和波速。甘錫林 等[30]提出用傅里葉分析方法和經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)方法進(jìn)一步反演孤立波的波長(zhǎng)和波向。董崇志 等[31]研究分析了地震數(shù)據(jù)后認(rèn)為，地震疊加剖面上同相軸呈現(xiàn)的起伏變化反映了內(nèi)波的總體形態(tài)。WANG et al[32]和孫麗娜 等[33]還通過(guò)遙感圖像宏觀分析了內(nèi)波的分布情況。雖然前人對(duì)KdV模型的運(yùn)用、特征參數(shù)的計(jì)算進(jìn)行了大量研究，也是對(duì)孤立波形態(tài)的一定描述，但對(duì)于實(shí)際觀測(cè)到的內(nèi)孤立波形狀和波群形態(tài)的研究很少。

本文的研究區(qū)域東沙海域位于南海北部陸架陸坡，水深在50～2 500 m之間，海底坡度由陸架到陸坡逐漸變大，地形比較平坦，是潮、浪、內(nèi)孤立波相互作用強(qiáng)烈的區(qū)域，而位于20.7°N，116.8°E的東沙島及其環(huán)礁，對(duì)內(nèi)孤立波向淺海傳播過(guò)程有重要的影響。圖1是2009年6月—9月從MODIS圖像中觀測(cè)到的東沙海域內(nèi)孤立波分布情況，從孤立波的密集程度可以看出這幾個(gè)月東沙海域的孤立波出現(xiàn)頻率較高，每天同一時(shí)段出現(xiàn)的位置幾乎相同。內(nèi)孤立波向西北傳播到東沙島附近時(shí)波峰線出現(xiàn)彎折，碰到東沙環(huán)礁后被分成南北兩部分繼續(xù)傳播，在東沙島的西北方向海域，南北兩部分內(nèi)孤立波產(chǎn)生交集。在這整個(gè)傳播過(guò)程中，內(nèi)孤立波與東沙環(huán)礁，波與波之間發(fā)生了許多復(fù)雜的相互作用，同時(shí)單個(gè)孤立波形狀和孤立波群形態(tài)還受到水深變化及海底地形的影響，呈現(xiàn)出多種形態(tài)，因此東沙海域是研究?jī)?nèi)孤立波形態(tài)的理想?yún)^(qū)域。

本文主要研究東沙海域單個(gè)內(nèi)孤立波的形狀和孤立波群的形態(tài)及演變?cè)??；谇叭说难芯?，利用反射地震?shù)據(jù)和MODIS遙感圖像，研究每個(gè)孤立波的幾何形態(tài)，得到直觀的特征參數(shù)；分析波群的整體形態(tài)，比較不同類(lèi)型波群的分布差異；探究?jī)?nèi)孤立波群形態(tài)差異的影響因素。

圖1 MODIS影像上觀測(cè)到的2009年6月—9月東沙海域內(nèi)孤立波分布情況Fig.1 Distribution of internal solitary waves in Dongsha are observed on MODIS images in June-September, 2009

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 地震數(shù)據(jù)處理

地震剖面由廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局提供，是2009年6月—10月采集的數(shù)據(jù)。原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)解編、觀測(cè)系統(tǒng)定義、噪聲衰減、共中心點(diǎn)(CMP)選排、速度分析、動(dòng)校正和疊加得到疊加剖面。在此剖面上拾取反射同相軸信息，測(cè)量計(jì)算得到每個(gè)孤立波的特征參數(shù)：寬度、振幅和半高寬，同時(shí)能直接觀察到孤立波的形狀。

1.2 遙感數(shù)據(jù)處理

MODIS數(shù)據(jù)從NASA網(wǎng)站上獲取，該數(shù)據(jù)有36個(gè)離散光譜波段，波段分辨率有250、500和1 000 m三種。選取2009年6月—9月每天未被云層遮擋且觀測(cè)到內(nèi)孤立波的影像，經(jīng)過(guò)輻射校正和幾何校正處理后，利用波段的真彩色合成更清晰地展示內(nèi)孤立波信號(hào)。內(nèi)孤立波信號(hào)在MODIS影像上表現(xiàn)為明暗相間的一系列條紋。由于遙感影像獲得的海表面信息受到風(fēng)場(chǎng)、海面波浪、云層等的影響，在目視解譯內(nèi)孤立波及波群的分布時(shí)，真彩色合成圖像并不能非常清楚地顯示內(nèi)孤立波信號(hào)，因此需要對(duì)圖像進(jìn)行高斯拉伸，處理后的遙感圖像會(huì)突出內(nèi)孤立波信號(hào)，以暗色條帶的形式顯示，比其他背景信號(hào)色彩深很多。

1.3 二階KdV方程的應(yīng)用

目前二階KdV方程在數(shù)值模擬應(yīng)用中是一個(gè)基礎(chǔ)方程，適用于模擬陸架上的大振幅內(nèi)波，它能從理論上比較好地描述單個(gè)孤立波的形狀，尤其是形狀特殊的波形，方程中有特定的參數(shù)能分別對(duì)應(yīng)控制內(nèi)孤立波的極性和波谷處的形狀，使得理論模型更加貼近真實(shí)海水中的內(nèi)孤立波形狀。

二階KdV方程[24]為：

(1)

式中：c是線性速度，η是振幅，β是非靜力頻散系數(shù)。還有兩個(gè)重要的參數(shù)：二次非線性系數(shù)α和三次非線性系數(shù)α1，對(duì)孤立波的形狀有決定作用。在兩層流體模型的條件下，兩個(gè)非線性系數(shù)是[34]：

(2)

式中：h1和h2分別是上、下兩層流體的厚度，ρ1和ρ2分別是上、下兩層流體的密度。從式(2)中可以明顯看出α1<0，α的正負(fù)與兩層流體的厚度有關(guān)。

根據(jù)方程能得到對(duì)應(yīng)于孤立波的振幅解[35]：

(3)

式中：1/Γ是孤立波的有效寬度，V是相速度，A 和B是表示V、c、α和α1之間相關(guān)性的系數(shù)。孤立波的極性由二次非線性系數(shù)α決定，特別在兩層流體模型中，如果密度躍層靠近海面，即h1h2，孤立波則是上升型波。更重要的是孤立波的振幅η受到α和α1的限制，其絕對(duì)值不能超過(guò)以下極值[35]：

(4)

這個(gè)極值還影響到內(nèi)孤立波在波谷處的形狀，當(dāng)孤立波的振幅越接近于這個(gè)極值，波形就越趨向于矩形(圖2)，同時(shí)振幅的極值接近于0.15H，H為水深。

圖2 二次非線性系數(shù)為正數(shù)時(shí)孤立波的形狀Fig.2 Form of the soliton for positive quadratic nonlinear coefficient

1.4 海水分層處理

真實(shí)的海水密度、溫度和鹽度變化是連續(xù)的，不存在嚴(yán)格界線分明的層次，而數(shù)值模擬中應(yīng)用的理論模型往往使用簡(jiǎn)化的兩層流體模型。為了更好地運(yùn)用理論模型研究真實(shí)情況的內(nèi)孤立波波形，需要對(duì)真實(shí)海水進(jìn)行分層，使之符合兩層流體模型的條件。兩層流體模型的設(shè)定是：存在一條涇渭分明的分界線，將流體分為密度完全不同的上下兩層，忽略兩層流體密度之間的過(guò)渡變化。根據(jù)上述模型和曾侃[28]對(duì)海水密躍層深度和厚度的定義，本文把真實(shí)海水分為3層，把兩層流體之間的密度躍層分出作為中間一層，此密度躍層的上一層厚度設(shè)定為h1，密度躍層下一層的厚度設(shè)定為h2，即在應(yīng)用兩層流體模型時(shí)忽略密躍層的厚度。圖3為某個(gè)內(nèi)孤立波所在位置的浮性頻率，示意了密躍層深度的定義：浮性頻率的最大值處對(duì)應(yīng)的深度值。圖中h1對(duì)應(yīng)于兩層流體模型中的上層流體厚度，h2為下層流體厚度，Hp為密躍層深度，dHp為密躍層的厚度，Nm為浮性頻率的最大值。

圖3 浮性頻率中密躍層深度的定義示意圖Fig.3 Definition of pycnocline depth from the buoyancy frequency

2 結(jié)果

2.1 單個(gè)內(nèi)孤立波的形狀

內(nèi)孤立波在形成之初是單個(gè)的孤立子，從研究區(qū)的反射地震同相軸圖中可以直接觀察到。內(nèi)孤立波的形狀多樣，存在兩種極性的波：下降型波和上升型波。從測(cè)量計(jì)算得到的眾多內(nèi)孤立波的特征參數(shù)可知，下降型波振幅和寬度相對(duì)較大，最小振幅為30 m，最大振幅可達(dá)80 m，寬度最大有1 600 m；上升型波的寬度和振幅很小，一般寬度只有560 m，振幅只有12 m。統(tǒng)計(jì)兩種極性波的數(shù)量可知，下降型波的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上升型波，且上升型波幾乎只出現(xiàn)在水深較淺的陸架區(qū)域。下降型波和上升型波具有完全不同的特征，XU et al[36]曾研究過(guò)這兩種極性波在KdV模型適用性上的差異。也有前人研究認(rèn)為這兩種極性是內(nèi)孤立波淺化過(guò)程中的兩種形態(tài)[21,37]，下降型波向陸架傳播時(shí)，隨著水深變淺，密躍層上下兩層的厚度發(fā)生變化，波的形狀逐漸演變成上升型。將實(shí)際海水簡(jiǎn)化分為3層后，上層厚度h1約為19～31 m，密躍層厚度dHp約為97～210 m，發(fā)現(xiàn)下降型波處的水深H最小的為320 m，則下層厚度(H-h1-dHp)約為79～104 m，從理論模型上看屬于h1h2的情況，不僅與KdV方程的理論相符合，也證明了波的極性變化受到水深的影響。而反射地震圖中能同時(shí)觀測(cè)到兩個(gè)極性波的存在，在一條同相軸上，水較深處是下降型波，水較淺的陸架處是上升型波，兩者之間波形比較復(fù)雜，不再有完整的孤立波，進(jìn)一步驗(yàn)證了下降型波在水深變淺時(shí)演變成上升型波。

在觀測(cè)到的眾多下降型波中，波形差異也很大。根據(jù)所有孤立波的振幅、寬度和半高度的數(shù)值，把這3個(gè)參數(shù)分別分成大、中、小3個(gè)等級(jí)(表1)。并結(jié)合視覺(jué)形狀，把觀測(cè)到的下降型波分為3個(gè)類(lèi)型(圖4)：第一類(lèi)是“鐘形”內(nèi)孤立波，這是孤立波的普遍形狀，數(shù)量最多，大都出現(xiàn)在地形較平坦區(qū)域，振幅和寬度一般為同一尺度，同為大或中尺度，視周期約為17 min；第二類(lèi)是“平底形”內(nèi)孤立波，它的波谷處非常平坦，如同平頂建筑，數(shù)量極少，在所有數(shù)據(jù)中僅發(fā)現(xiàn)了2個(gè)，所在處水深分別為307和402 m，振幅和寬度也都為中尺度，視周期約為8 min；第三類(lèi)是“碗形”內(nèi)孤立波，它的波谷處呈大圓弧形，振幅非常小，一般只有30 m，而寬度非常大，約為1 530 m，兩個(gè)參數(shù)形成巨大的反差，視周期約10 min，這類(lèi)波的數(shù)量也不多，所處的水深一般大于750 m。這3個(gè)類(lèi)型的波僅從波形特征上進(jìn)行了分類(lèi)，傳播方向基本一致，都向西或西北方向傳播，它們的視周期是在觀測(cè)船上測(cè)到的相對(duì)周期。

3種類(lèi)型的孤立波形狀均可用二階KdV方程進(jìn)行描述，公式(2)和(3)給出了兩層流體條件下的理論模型。“平底形”內(nèi)孤立波用二階KdV方程能更好地研究其波形特征，由公式(4)知，此種孤立波的振幅和形狀由兩個(gè)非線性系數(shù)決定。以圖4c中的孤立波為例，該處的上層深度為22.8 m，密躍層厚度為156.3 m，水深402 m，從理論上推斷此孤立波的振幅不能超過(guò)|α/α1|=50.4 m；反射地震數(shù)據(jù)測(cè)得的實(shí)際最大振幅為47.5 m，兩個(gè)數(shù)據(jù)非常接近，η/ηlim=0.94，對(duì)比圖2中振幅與波形的變化，理論推測(cè)此波的波形已經(jīng)開(kāi)始向“矩形”演變，這與地震數(shù)據(jù)實(shí)際觀測(cè)到的波形相符合。此前對(duì)“平底形”內(nèi)孤立波僅有理論上的描述研究，這是首次從地震數(shù)據(jù)的實(shí)際觀測(cè)中展示這種波形的存在。

另一種特殊波形“碗形”內(nèi)孤立波在形狀上與內(nèi)孔(internal bore)相似，從生成機(jī)制和傳播上比較，兩者雖然都屬于內(nèi)重力波，但還是有明顯的差別?！巴胄巍辈ㄊ且环N內(nèi)孤立波，傳播過(guò)程中形狀穩(wěn)定；內(nèi)孔表現(xiàn)為溫躍層的逐步變化，經(jīng)常伴有類(lèi)似脈沖的短周期振蕩[38]，且尺度比內(nèi)孤立波大。內(nèi)孔的傳播可以用兩層Boussinesq模型描述，這個(gè)模型還能描述出特殊情況：內(nèi)孔破碎后可能會(huì)逐漸演變成內(nèi)孤立波[39]。

表1 3個(gè)特征參數(shù)的分級(jí)

圖4 3類(lèi)下降型波的示意圖和地震剖面圖Fig.4 Schematic diagram and seismic sections of three kinds of depression waves

2.2 內(nèi)孤立波群的形態(tài)

單個(gè)內(nèi)孤立波在傳播過(guò)程中逐漸淺化，受到各種環(huán)境因素的影響，傳播進(jìn)入東沙海域時(shí)大都演變?yōu)楣铝⒉ㄈ旱男螒B(tài)，結(jié)合遙感圖像和地震數(shù)據(jù)的觀測(cè)結(jié)果，在東沙海域的不同位置發(fā)現(xiàn)兩種典型的波群：一種是波形有序的孤立波群，包含了多個(gè)波形完整的孤立波，波形相似、類(lèi)型一致(圖5a)；另一種是更復(fù)雜的孤立波群，包含了多個(gè)波長(zhǎng)，波形無(wú)序、不規(guī)則變化(圖5b)。

圖5a中的“有序型”孤立波群中包含了7個(gè)完整的內(nèi)孤立波，每個(gè)孤立波形狀完整清晰，均屬于下降型中的“鐘形”孤立波。①號(hào)波是此波群的首波，在波群中具有最大的振幅70 m，且前3個(gè)孤立波的振幅和波長(zhǎng)依次減小，④～⑦號(hào)波的波長(zhǎng)很小，振幅的大小變化無(wú)序。圖5b中的“復(fù)雜型”孤立波群包含的信息非常復(fù)雜，整個(gè)波群的形態(tài)是由各種波形疊加而成，其中完整波形的內(nèi)孤立波類(lèi)型多樣，同時(shí)存在下降型和上升型內(nèi)孤立波。此處的波群已經(jīng)傳播到非常淺的陸架區(qū)域，孤立波的振幅和寬度均很小，在海水深度200 m處存在上升型波，振幅大約為30 m，在海水深度283 m對(duì)應(yīng)的水層中存在下降型波，振幅約為25 m。波群中還存在處于淺化過(guò)程中的孤立波，波形并不完整，此外，下降型波的左側(cè)存在類(lèi)似尾流的小波動(dòng)。

圖5 東沙海域兩種典型內(nèi)孤立波群的地震剖面圖Fig.5 Seismic sections of two typical internal solitary wave packets in Dongsha area

從遙感影像中也能清晰觀測(cè)到兩種波群的存在，上述兩種波群的地震數(shù)據(jù)采集時(shí)間有相對(duì)應(yīng)的MODIS影像，圖6a是UTC 2009年7月7日02:55的影像，L1是整條地震測(cè)線的位置，呈SE—NW向，紅色部分是圖5b所在的位置，受到天氣影響，地震數(shù)據(jù)同一天的MODIS影像受到云層遮擋，無(wú)法觀測(cè)到內(nèi)孤立波信號(hào)，所以離地震數(shù)據(jù)時(shí)間最近的MODIS影像比地震數(shù)據(jù)早3 d零1 h。由于內(nèi)孤立波傳播的規(guī)律性，認(rèn)為每天在同一位置的孤立波波群應(yīng)該相似，同時(shí)根據(jù)測(cè)線位置和成像時(shí)間，可以認(rèn)為該處已有的波群Ⅰ與圖5b的“復(fù)雜型”波群類(lèi)似，同時(shí)可以推斷此處觀測(cè)到的波群可能會(huì)受到地形、東沙環(huán)礁的影響而更加復(fù)雜。圖6b是UTC 2009年7月29日05:30的影像，L2是整條測(cè)線位置，其中的紅色部分是圖5a所在的位置，地震數(shù)據(jù)采集到的“有序型”波群的時(shí)間比影像時(shí)間早2 h。按照內(nèi)孤立波一般傳播速度估計(jì)，地震采集到的波群為Ⅱ處的波，測(cè)線L2為SW—NE向，與內(nèi)孤立波的傳播方向垂直，這可能用來(lái)解釋波群中④～⑦號(hào)波振幅的無(wú)序變化：圖5a的位置位于測(cè)線的前段，水深為300～400 m，水深變化較緩，逐漸變淺，根據(jù)測(cè)線和波群的波峰線之間的夾角，觀測(cè)到的孤立波不在同一條傳播方向線上，使得地震剖面中顯示的振幅不按大小有序排列。

圖6 東沙海域的MODIS影像Fig.6 MODIS images of Dongsha area

根據(jù)上述地震剖面數(shù)據(jù)可知，Ⅰ處的波群為“復(fù)雜型”，Ⅱ處的波群為“有序型”，再結(jié)合遙感影像上波群信號(hào)的特征，期望能直接從遙感影像上分辨兩種波群類(lèi)型。對(duì)比兩種波群的遙感信號(hào)可知，Ⅰ處的“復(fù)雜型”波群在遙感圖像上條紋縱橫交叉，明暗不一，波長(zhǎng)無(wú)規(guī)則變化；Ⅱ處的“有序型”波群在遙感圖像上條紋清晰，波峰線有序排列，波長(zhǎng)依次減小。按照這種特征對(duì)6月—9月的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后，發(fā)現(xiàn)“有序型”波群多存在于東沙環(huán)礁的東部，最遠(yuǎn)在119.5°E附近也發(fā)現(xiàn)了“有序型”波群，這些孤立波群應(yīng)該是由東南部深海盆向東沙臺(tái)地傳播的內(nèi)孤立波演變而來(lái)的；“復(fù)雜型”波群多存在于東沙島的西北部，波群之間常常互有交集。

3 討論

東沙海域的內(nèi)孤立波往往發(fā)源于呂宋海峽，而且從遙感圖像上看出兩種類(lèi)型的波群都向西北傳播，波群的形態(tài)卻完全不同，綜合分析從遙感數(shù)據(jù)上獲得的兩種波群的分布位置差異、傳播過(guò)程以及從地震數(shù)據(jù)顯示的海底地形，波群形態(tài)可能受到以下3個(gè)因素的影響。

3.1 海底地形

內(nèi)孤立波自產(chǎn)生向西或西北方向傳播時(shí)，途徑南海東北部的深海盆、陸坡區(qū)域、東沙臺(tái)地、陸架區(qū)域，海水深度由4 000 m減小為200 m(圖1)。深水海盆區(qū)域地形平緩，坡度差異不大，內(nèi)孤立波傳播時(shí)幾乎沒(méi)有受到任何阻礙，且孤立波離海底較遠(yuǎn)，即使有局部的海山，對(duì)個(gè)別孤立波波形產(chǎn)生的影響很微小[40]，所以在傳播過(guò)程中內(nèi)孤立波形態(tài)幾乎不變；內(nèi)孤立波傳播到東沙海域時(shí)，海水深度驟減，孤立波受到海底地形影響變大，逐漸演變成“有序型”波群；陸坡至陸架區(qū)域有較小的坡度變化，總體地形起伏不平，在相對(duì)較短的一段距離中水下凸起多，水深較淺，波群在經(jīng)過(guò)水下凸起時(shí)，波谷處會(huì)產(chǎn)生微小變形，恢復(fù)之后形變的影響以孤立波尾波的形式存在[41]，而海底深度變淺到一定程度時(shí)，部分內(nèi)孤立波處于向上升型波過(guò)渡階段，因此波群中波形信息復(fù)雜，波群形態(tài)不斷變化。

3.2 東沙環(huán)礁

東沙環(huán)礁對(duì)內(nèi)孤立波群的傳播過(guò)程產(chǎn)生了阻礙，對(duì)波群形態(tài)有重大的影響。從遙感圖像上看原波群的波峰線呈現(xiàn)向西凸出的圓弧形，中部波速最快，兩端較慢[42-43]，而遇到東沙環(huán)礁后波峰線中部速度驟減，兩端波速不變，波峰線被分成南北兩個(gè)部分，且都屬于“復(fù)雜型”，靠近東沙環(huán)礁位置的一小段波峰線有很大的彎曲(圖1)，而且南北兩部分波峰線不對(duì)稱，一般北部波峰線更長(zhǎng)，弧度與原波群差不多，南部的波峰線很短，弧度不大。隨著波群向西推進(jìn)，兩部分波峰線弧度逐漸增大，靠近東沙環(huán)礁的彎曲部分的彎曲程度也逐漸變大。同時(shí)波群被東沙島折射、衍射[44]后，靠近東沙環(huán)礁部分的波形發(fā)生巨大變化，有的孤立波甚至?xí)扑閇37]，南北兩端的波形變化較小，因此總體波群形態(tài)變得更加復(fù)雜。

3.3 波-波相互作用

內(nèi)孤立波群經(jīng)過(guò)東沙環(huán)礁以后，被分成兩部分的波群已經(jīng)形成兩個(gè)獨(dú)立且較完整的“復(fù)雜型”波群，兩個(gè)波群會(huì)在東沙島以西海域發(fā)生干涉、融合[44]等相互作用(圖6a)。內(nèi)孤立波的非線性使得波具有粒子性[45]，波-波相互作用并非簡(jiǎn)單的波形疊加之類(lèi)的干涉，而是產(chǎn)生周相移動(dòng)[46]等現(xiàn)象，相互作用還會(huì)產(chǎn)生更多的孤立子波，這些孤立子波又會(huì)融合形成大振幅孤立波，如圖1中最西側(cè)的幾條波峰線，中部的凹陷位置是原本兩個(gè)波群波峰線的交點(diǎn)，在繼續(xù)傳播的過(guò)程中凹陷處會(huì)逐漸變平，最終兩個(gè)波群又融合形成一條圓弧形波峰線。同一條波峰線上的波由于所處位置不同，波形變化不同，波長(zhǎng)和波向的變化也不同，使得波群變得極為復(fù)雜。

4 結(jié)論

本文利用反射地震剖面和MODIS遙感影像，研究了東沙海域內(nèi)孤立波及波群的形態(tài)。通過(guò)反射地震剖面觀測(cè)到，內(nèi)孤立波存在上升型和下降型兩種極性波，根據(jù)寬度、振幅和半高寬等參數(shù)可以分成3種形狀類(lèi)型，即“鐘形”、“平底形”和“碗形”，運(yùn)用二階KdV方程詳細(xì)研究發(fā)現(xiàn)孤立波形狀與振幅有關(guān)。單個(gè)內(nèi)孤立波在傳播到東沙海域時(shí)演化為兩種波群，分別分布在不同的位置：包含多個(gè)波形完整、波形相似、類(lèi)型一致孤立波的“有序型”孤立波群和波長(zhǎng)、波形無(wú)序不規(guī)則變化的“復(fù)雜型”孤立波群，前者多存在于東沙環(huán)礁的東側(cè)海域，后者多存在于東沙環(huán)礁的西側(cè)及西偏北的區(qū)域。研究波群形態(tài)的影響因素之后發(fā)現(xiàn)，“有序型”波群一般存在于未遇到東沙環(huán)礁之前的傳播過(guò)程中，“復(fù)雜型”波群一般存在于遇到東沙環(huán)礁之后。這兩種波群可能是孤立波從深海向陸架的整個(gè)傳播中的兩個(gè)階段，“有序型”波群在被東沙島阻礙后，受到各種復(fù)雜作用，轉(zhuǎn)變成“復(fù)雜型”波群。地震數(shù)據(jù)能從垂直方向上顯示內(nèi)孤立波的形狀，刻畫(huà)波形的細(xì)節(jié)特征，遙感圖像能從宏觀角度顯示內(nèi)孤立波的分布和群體特征，通過(guò)兩種數(shù)據(jù)在對(duì)應(yīng)時(shí)間的相互印證和綜合分析，能更全面地描述內(nèi)孤立波及波群的形態(tài)特征，驗(yàn)證了單個(gè)內(nèi)孤立波在淺化時(shí)發(fā)育形成波群，又受到海底地形、東沙環(huán)礁和波-波相互作用的影響逐漸變得復(fù)雜的傳播過(guò)程。

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Study on the form of internal solitary wave in Dongsha area of the South China Sea

XU Song-yun1, XU Hui-ping2, GENG Ming-hui1, GUAN Yong-xian3

(1.StateKeyLaboratoryofMarineGeology，SchoolofOceanandEarthScience，TongjiUniversity，Shanghai200092，China；2.InstituteofDeep-seaScienceandEngineering，ChineseAcademyofSciences，Sanya572000，China；3.KeyLaboratoryofMarineMineralResource，MinistryofLandandResources，GuangzhouMarineGeologicalSurvey，Guangzhou510760，China)

Based on multi-channel seismic profiles and MODIS images, the form of internal solitary wave (ISW) packets in Dongsha area of the South China Sea was studied. There are two polar waves: elevation and depression wave, and internal solitary waves can be divided into “bell shape”, “flat shape” and “bowl shape” according to the waveforms. The shape of wave trough is associated with amplitude. Influenced by various factors, the solitions will develop into packets within the propagation process. Two typical wave packets are observed at different locations in Dongsha area: rank-ordered ISW packet and more complex ISW packet, and combined with their locations and propagation, they are considered to be two stages of the propagation process from deep sea to shelf. A rank-ordered wave packet is influenced by submarine topography, Dongsha Reef and wave-wave interaction after Dongsha Island, then turns into a more complex wave packet.

Dongsha Reef；internal solitary wave packet；waveform；propagation process

10.3969/j.issn.1001-909X.2016.04.001.

2016-09-24

2016-11-24

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(41576047，41576054)；國(guó)家自然科學(xué)基金重大計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目資助(91128205)；中國(guó)科學(xué)院創(chuàng)新交叉團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目資助

徐宋昀(1991-)，女，浙江紹興市人，主要從事海洋遙感方面的研究。E-mail：xusongyun@163.com

P731.24

A

1001-909X(2016)04-0001-09

10.3969/j.issn.1001-909X.2016.04.001

徐宋昀，許惠平，耿明會(huì)，等. 南海東沙海域內(nèi)孤立波形態(tài)研究[J]. 海洋學(xué)研究,2016,34(4):1-9,

XU Song-yun, XU Hui-ping, GENG Ming-hui，et al. Study on the form of internal solitary wave in Dongsha area of the South China Sea[J].Journal of Marine Sciences,2016,34(4):1-9, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2016.04.001.