2009年夏季東沙群島附近內(nèi)孤立波的現(xiàn)場觀測

呂海濱, 申 輝, 何宜軍

(1. 淮海工學(xué)院 測繪工程學(xué)院, 江蘇 連云港 222005; 2. 中國科學(xué)院 海洋環(huán)流與波動重點實驗室, 山東 青島 266071; 3. 南京信息工程大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院, 江蘇 南京 210044)

內(nèi)波是一種很重要的海洋中尺度現(xiàn)象,在陸架上被頻繁地發(fā)現(xiàn)。目前一般認為東沙群島附近的內(nèi)波來自于呂宋海峽。一直以來, 海洋學(xué)家和遙感學(xué)者習(xí)慣于利用衛(wèi)星影像來研究海洋內(nèi)孤立波, 利用多年的遙感影像研究南海北部孤立波的空間分布[1-4]。內(nèi)孤立波是振幅大、周期短的非線性內(nèi)波, 一般出現(xiàn)在斜壓內(nèi)潮較強的近海大陸架、大陸坡海區(qū)。其經(jīng)過之處, 會產(chǎn)生極端異常的突發(fā)性強流。方文東等[5-6]通過分析南海北部大陸坡海區(qū)1998年5, 6月份20天CTD溫度資料、6天的溫度鏈溫度資料和6天的ADCP海流資料, 發(fā)現(xiàn)該海域的內(nèi)孤立波波包主要為每24 h出現(xiàn)一次, 多數(shù)波包有多個子波, 而且以最前的子波的振幅最大。突發(fā)性強流一般出現(xiàn)在天文大潮后幾天, 最大流速集中在躍層內(nèi), 因而推斷大振幅向岸強流是由局地海區(qū)的內(nèi)潮與地形相互作用引起的內(nèi)孤立波所致。

本文列舉了中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程重大項目2009年夏季航次期間在東沙群島附近K106站的連續(xù)觀測成果, 結(jié)合X波段雷達、CTD、溫度鏈和ADCP實測, 發(fā)現(xiàn)內(nèi)波表面信號強度不僅與其振幅有關(guān),還與背景流和混合層深度等有密切關(guān)系。

1 資料來源

中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程重大航次歷時30 d, 其中從6月24日15時40分到25日16時40分對東沙島的東北部陸架上 K106站(117°37.6198′E, 21°02.2990′N)進行了連續(xù)觀測, 水深697 m(見圖1)。期間, 科考船“科學(xué)一號”處于漂浮狀態(tài), 船的軌跡如圖2所示。本航次利用船載 X波段雷達對海表回波信息進行觀測記錄, 雷達工作頻率9.4 GHz, HH極化?！翱茖W(xué)一號”考察船利用 GPS進行定位, 同時利用 SBE 911plus CTD和溫度鏈來監(jiān)測溫鹽信息, 溫度鏈長240 m, CTD每4 h采樣一次。此次監(jiān)測中, 成功的測到3個內(nèi)孤立波(包)事件(圖3), 其中一個振幅大于100 m。

2 儀器觀測

2.1 溫度鏈觀測

在2009年6月24日15時40分到25日16時40分的現(xiàn)場連續(xù)觀測中, 在 K106站的溫度鏈記錄數(shù)據(jù)上發(fā)現(xiàn)存在3個大振幅的內(nèi)孤立波事件(圖3), 可以看到大振幅孤立波引起的溫度突然變化留下的蹤跡, 內(nèi)波產(chǎn)生的垂向運動把暖的上層水下移, 迫使等溫線向下凹陷。第一個內(nèi)孤立波在6月24日22時43分經(jīng)過觀測船, 第二個內(nèi)孤立波出現(xiàn)在6月25日8時30分,第三個內(nèi)孤立波出現(xiàn)在6月25日12時, 分別在圖3中用線框標記。

圖1 南海水下地形(m)圖及站位Fig. 1 Under water topography of the South China Sea and station map (unit of depth: m)

2.2 X波段雷達觀測

圖2 “科學(xué)一號”船的漂流軌跡Fig. 2 Drifting trajectory of the R/V Science # 1

圖3 溫度鏈25 h連續(xù)監(jiān)測的溫度數(shù)據(jù)(線框標記本文所研究的孤立內(nèi)波)Fig. 3 The ISWs were recorded by the rmistor chains during in-situ measurement for 25 hours, which were marked by line boxes

船載X波段雷達是在古野公司FAR-2127系列X波段雷達基礎(chǔ)上改造而成, FAR-2127系列雷達是標準的非相干脈沖實孔徑成像雷達。經(jīng)過改造的整個系統(tǒng)主要由七個部分組成: 天線及 T/R組件、雷達主機、控制單元、LCD顯示器、高速數(shù)據(jù)采集卡、極化切換裝置以及個人計算機。該雷達系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示。

X波段船載雷達能監(jiān)測后向散射強度, 后向散射強度與海面粗燥度有關(guān)。關(guān)于此次觀測中基于X波段雷達提取內(nèi)波的相關(guān)參數(shù)已有成果發(fā)表[7-9]。圖4給出了第一個和第三個內(nèi)孤立波經(jīng)過科考船時船載雷達記錄回波強度影像。對比圖3, 我們發(fā)現(xiàn)一個有趣的現(xiàn)象,第一個孤立波前部振幅達20 m的內(nèi)波在表面沒有內(nèi)波信號, 而第三個孤立波前部振幅5 m的內(nèi)波在表面有內(nèi)波信號。是什么影響到較大振幅的內(nèi)波在海表沒有信號而小振幅的內(nèi)波確有信號呢？根據(jù)當(dāng)時的正壓潮流信息, 來源于 Tide Model Driver (TMD)模式(http://www. oce.orst.edu/po/rsearch/tide/inv_doc.html), 第一個孤立波經(jīng)過科考船時, 是漲潮期間, 內(nèi)波傳播方向與正壓潮流方向一致, 都是向西; 第二個和第三個孤立波經(jīng)過科考船時, 是落潮時刻, 內(nèi)波傳播方向與正壓潮流方向相反, 我們猜測不同的背景流場對內(nèi)波的表面信號有影響, 關(guān)于這部分的數(shù)值模擬實驗研究成果將陸續(xù)發(fā)表。

表1 X波段雷達主要參數(shù)表Tab. 1 The key parameters of the X-band radar

2.3 ADCP觀測

圖4 “科學(xué)一號”觀測的第一個(a, b)、第三個(c, d)內(nèi)孤立波后向散射強度影像Fig. 4 Backscatter power images recorded when the 1st (a,b)and 3rd (c,d)ISW were observed on board R/V Science #1

孤立波是振幅大、周期短的非線性內(nèi)波, 其經(jīng)過之處, 會產(chǎn)生極端異常的突發(fā)性強流。我們在K106站船載ADCP觀測到的強流現(xiàn)象伴隨著大振幅孤立波的出現(xiàn), 圖5顯示在第一個和第三個孤立波經(jīng)過前后垂向斷面流速的時間序列, 第一個單峰孤立波引起各水層水平流速U分量突然增大, 產(chǎn)生水平最大流速大于2 m/s, 周期大約為15 min。內(nèi)波引起的各深度層海流均為西向。第三個孤立波經(jīng)過時刻, 在250 m以深處ADCP測到的最大水平流速大于2 m/s。由圖4雷達影像顯示至少四個條帶, 其中最后的條帶雷達表面信號最強。

圖5 第一個(a)、第三個(b)孤立波經(jīng)過 K106時, ADCP測得垂向斷面流速時間序列Fig. 5 Velocity at vetical section measured by ADCP when the 1st and 3rd ISWs were observed at K106

圖6 在K106a和K106e站測得垂向密度廓線Fig. 6 The density profiles observed at K106a and K106e

從圖6 中看出, 上面提到的第一、第三個孤立波記錄時刻分別接近K106a和K106e站點, 所以用這兩個站點實測 CTD數(shù)據(jù)推算得到的垂向密度廓線,分別代表各自的水下密度層結(jié)。K106a處混合層厚度H約為20 m, K106e處混合層厚度h低于10 m。同時K106a處混合層深度比K106e處要深。這表明, 內(nèi)波表面信號強弱很可能與混合層深度有關(guān)系, 混合層加深, 能減弱內(nèi)波表面信號的強度。

3 結(jié)論

通過對2009年夏季測到的三個孤立波事件的分析, 發(fā)現(xiàn): 孤立波經(jīng)過時, 伴有突發(fā)性強流, 本次觀測期間, 最大水平東西分量U大于0.5 m/s, 周期大約15 min, 內(nèi)波引起的各深度層海流均為西向。第三個孤立波事件中, 雷達影像中包含至少4個亮條帶, 其中最后的條帶雷達表面信號最強。本次觀測中, 第一個孤立波西部振幅20 m的非線性內(nèi)波在雷達影像中無條紋顯示, 而第三個孤立波前部振幅約 5 m的內(nèi)波在雷達影像中有條紋顯示, 說明內(nèi)波表面信號又不僅與內(nèi)波振幅有關(guān), 還可能與潮流, 混合層深度等海洋環(huán)境條件有密切關(guān)系。

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