內(nèi)波的生成、傳播、遙感觀測及其與海洋結(jié)構(gòu)物相互作用研究進(jìn)展

韓 鵬，錢洪寶，李宇航，揭曉蒙

(1. 中國21世紀(jì)議程管理中心，北京 100038; 2. 中國電子科學(xué)研究院，北京 100041)

內(nèi)波屬于重力波，是發(fā)生在密度穩(wěn)定層化海水內(nèi)部的一種波動。內(nèi)波一般比表面波浪具有更大的波高和波長，其波長甚至可以達(dá)數(shù)千米[1]。

內(nèi)波對海洋結(jié)構(gòu)物有重要的影響，是海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中必須考慮的環(huán)境因素。它能引起等密度面的大振幅波動，使?jié)撏Т蠓壬仙蛳鲁?，甚至失去控制。?nèi)波蘊(yùn)含巨大能量，嚴(yán)重影響海上石油鉆井平臺的結(jié)構(gòu)安全。近年來，海洋內(nèi)波作為熱點研究課題，隨著數(shù)值模擬技術(shù)的快速發(fā)展以及現(xiàn)場觀測資料的大量獲取，對內(nèi)波生成機(jī)制、深淺水中內(nèi)波傳播、內(nèi)波探測以及內(nèi)波與海洋結(jié)構(gòu)物相互作用相關(guān)研究取得了眾多成果。下文對以上內(nèi)波研究方向進(jìn)行了綜述，就淺水區(qū)域中內(nèi)波在斜坡地形上傳播研究進(jìn)行了對比分析，由此探討未來內(nèi)波研究中值得關(guān)注的問題。

1 內(nèi)波的生成

內(nèi)波在世界范圍的海洋中廣泛存在，其生成機(jī)制較為復(fù)雜，主要有潮流與地形作用生成內(nèi)波和源致內(nèi)波。潮成內(nèi)波就是典型的海洋內(nèi)潮或海流經(jīng)過變化地形時生成的內(nèi)波形式；水下結(jié)構(gòu)物在密度躍層附近運動促成躍層擾動生成內(nèi)波的形式為典型的源致內(nèi)波。國內(nèi)外眾多學(xué)者對潮成內(nèi)波和源致內(nèi)波的生成機(jī)制進(jìn)行了大量研究。Cai等[2]首次對南海內(nèi)孤立波生成、傳播演變的研究進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)的綜述。

1.1 潮地作用生成內(nèi)波

潮地作用生成內(nèi)波一般也稱為潮成內(nèi)波，在海洋中廣泛存在。在密度穩(wěn)定層化的海洋中有潮汐、潮流運動時，變化的地形對層化海水潮流運動的擾動激發(fā)或誘發(fā)了潮成內(nèi)波的產(chǎn)生[3]。潮汐與地形相互作用是產(chǎn)生內(nèi)波的主要原因之一，潮地作用在海洋中頻繁發(fā)生。我國南海北部地區(qū)是內(nèi)波頻發(fā)區(qū)域，其主要成因就是由于潮地間相互作用。對潮成內(nèi)波的具體研究內(nèi)容主要有采用數(shù)值模擬討論地形特征、來流特點對內(nèi)波波浪參數(shù)和能量分布的影響；通過模型試驗和可視化觀測技術(shù)分析潮成內(nèi)波復(fù)雜流場信息；實施現(xiàn)場實測對實際海域潮成內(nèi)波生成機(jī)制進(jìn)行觀測分析。

數(shù)值計算由于其高效率和低成本的特點，在潮成內(nèi)波的研究中廣泛采用。對潮成內(nèi)波的生成過程進(jìn)行時域過程模擬可以分析地形因素對內(nèi)波特征的影響。Munroe和Lamb[4]模擬了潮汐在三維高斯地形上流動時，表面潮轉(zhuǎn)換成內(nèi)波過程中的能量變換。其研究發(fā)現(xiàn)，能量與地形高度之間存在二次關(guān)系，并滿足亞臨界地形理論。對于超臨界地形，能量與地形高度的關(guān)系更為復(fù)雜。Bordois等[5]對超臨界潮流通過淺海峽的非線性過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明海峽地形形狀對內(nèi)孤立波的形成有重要的作用。Dettner等[6]將邊界流的輻射功率和動能密度作為內(nèi)波關(guān)鍵參數(shù)的函數(shù)，通過數(shù)值模擬研究了潮地作用產(chǎn)生內(nèi)波的邊界流與輻射功率之間的關(guān)系。除了上述單向來流工況以外，King等[7-8]用水平振蕩圓柱模擬了更為復(fù)雜的往復(fù)流流經(jīng)地形的情況，對超臨界地形下的內(nèi)波產(chǎn)生進(jìn)行了相關(guān)試驗。結(jié)果表明圓柱體的振動頻率與波的基頻相同。

對于某些劇烈變化的地形和復(fù)雜工況，數(shù)值模擬難以得到準(zhǔn)確可靠的計算結(jié)果，需要采用模型試驗的手段獲得內(nèi)波流場特征。實驗室中通過對實際海洋模型的合理簡化，結(jié)合可視化技術(shù)可以分析較為復(fù)雜的潮成內(nèi)波流場信息，便于分析潮成內(nèi)波生成機(jī)制。Dosmann等[9]利用大型分層水槽，研究了兩種不同海洋條件下內(nèi)波的產(chǎn)生，利用立體觀測技術(shù)，對內(nèi)波傳播的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀測，討論了振幅和頻率對內(nèi)波生成傳播的影響。Gostiaux等[10]進(jìn)行了在陡坡陸架地形下產(chǎn)生內(nèi)波的試驗。在試驗中，內(nèi)潮從臨界點出發(fā)，以潮流束的形式向外擴(kuò)展。試驗結(jié)果表明，潮流束的寬度與曲率半徑和其黏性有關(guān)，入射潮流束與反射潮流束之間的相互作用會產(chǎn)生高頻諧波。Stiperski等[11]利用試驗系統(tǒng)研究了雙障礙物對穩(wěn)定分層流動的影響，結(jié)果表明障礙物的高度和間距可以控制背風(fēng)波的干擾。

隨著仿真模擬和觀測技術(shù)的快速發(fā)展，對典型實際海況下潮成內(nèi)波生成機(jī)制引起了很多學(xué)者的關(guān)注。Du等[12]研究了黑潮對南海內(nèi)波產(chǎn)生的影響，發(fā)現(xiàn)山脊處產(chǎn)生背風(fēng)波導(dǎo)致了內(nèi)波的生成。Pisoni等[13]通過對巴塔哥尼亞大陸架內(nèi)內(nèi)孤立波的衛(wèi)星遙感觀測，發(fā)現(xiàn)大陸架附近內(nèi)波產(chǎn)生可以分為亞臨界和近臨界兩種產(chǎn)生機(jī)制。Zhang等[14]采用三維非靜態(tài)近似網(wǎng)格SUNTANS模擬了南海東北部區(qū)域包括呂宋海峽和北部大陸架的內(nèi)波，模擬結(jié)果與現(xiàn)場觀測及合成孔徑雷達(dá)(SAR)圖像吻合度較好。Peacock等[15]利用紋影合成技術(shù)研究了二維高斯地形和刀口地形誘導(dǎo)產(chǎn)生內(nèi)波的過程，其試驗結(jié)果與理論預(yù)測吻合較好。Gerkema[16]解釋了局部生成內(nèi)孤立波的機(jī)制，表明在中溫躍層上會強(qiáng)烈地發(fā)散出內(nèi)潮流束。Akylas等[17]研究了海洋溫躍層內(nèi)孤立波的局域生成機(jī)制。

1.2 運動物體生成內(nèi)波

當(dāng)結(jié)構(gòu)物在海洋密度躍變層附近運動時，對躍層的擾動可導(dǎo)致內(nèi)波的產(chǎn)生。通過研究運動物體的機(jī)構(gòu)形式及運動特征對內(nèi)波波浪特征參數(shù)的影響可以分析運動物體生成內(nèi)波的機(jī)制。

部分試驗研究了尾流內(nèi)波的特性。Yang等[18]得到了潛器尾流內(nèi)波與分層流體梯度之間的關(guān)系和尾流內(nèi)波隨時間和空間的衰減規(guī)律。Voisin等[19]對振蕩球體引起的內(nèi)波進(jìn)行了理論和試驗研究，其在距離球體近、遠(yuǎn)流場均采用線性和三維理論，同時考慮了黏性和振蕩球體初始運動干擾引起的不穩(wěn)定性。Ghaemsaidi和Peacock[20]在試驗中設(shè)定了一個垂直振蕩球體的標(biāo)準(zhǔn)排列，與已發(fā)表的理論研究結(jié)果進(jìn)行了嚴(yán)格比較，并利用三維立體粒子圖像測速法(particle image velocity measurement，簡稱PIV)對流場進(jìn)行了監(jiān)測。Boury等[21]利用一種能夠激勵任意徑向形式的軸對稱內(nèi)波場的波發(fā)生器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗研究，考慮垂直約束誘發(fā)共振的影響，得出了一系列與理論預(yù)測吻合良好的試驗共振峰。

部分學(xué)者對運動物體引起的體效應(yīng)內(nèi)波和尾流效應(yīng)內(nèi)波進(jìn)行了試驗研究。Wei等[22]在垂直密度呈線性分布的分層流體中對半球體運動產(chǎn)生內(nèi)波進(jìn)行了試驗研究。試驗結(jié)果表明在臨界弗勞德數(shù)Fr=1.6，體效應(yīng)內(nèi)波轉(zhuǎn)變?yōu)槲擦餍?yīng)內(nèi)波；半球體的臨界弗勞德數(shù)是球體臨界弗勞德數(shù)的2/3時，半球體引起的內(nèi)波轉(zhuǎn)換更為快速；在試驗中，采用鏡像試驗法可以加速內(nèi)波的生成。Wang等[23]對逆流及順流運動的物體進(jìn)行了一系列試驗研究，研究發(fā)現(xiàn)體效應(yīng)內(nèi)波是一種相對于運動體穩(wěn)定的多模態(tài)背風(fēng)波，而尾流效應(yīng)內(nèi)波是一種相對于運動體不穩(wěn)定的多模態(tài)背風(fēng)波。Li等[24]利用多點組合探針陣列測量技術(shù)，對大型分層流水槽中自航模型螺旋槳的擾動特性進(jìn)行了定量測量和分析。研究發(fā)現(xiàn)與拖曳體模型的尾跡特性相比，螺旋槳在分層流體中的水動力拖曳效應(yīng)具有特殊的結(jié)構(gòu)，其臨界弗勞德數(shù)約為Fr=4.4。陳科等[25]對三種展弦比的水平拖曳體在分層流體中所產(chǎn)生內(nèi)波的時空特性進(jìn)行了試驗研究，研究發(fā)現(xiàn)體效應(yīng)內(nèi)波與尾流效應(yīng)內(nèi)波的轉(zhuǎn)換和臨界弗勞德數(shù)有關(guān)，此臨界弗勞德數(shù)和展弦比呈線性相關(guān)。

通過合理的模型簡化，數(shù)值方法和理論分析方法也被用于研究運動物體生成內(nèi)波。Sutherland等[26]對均勻分層旋轉(zhuǎn)流體中內(nèi)波的產(chǎn)生進(jìn)行了數(shù)值模擬和試驗研究。Gorgui和Kassem[27]研究了位于界面的圓柱振動產(chǎn)生的短內(nèi)波，得到了兩層流體遠(yuǎn)場速度勢的漸近展開式。Hurley[28]在無黏、浮力頻率恒定的Boussinesq流體中，研究了一個水平橢圓圓柱進(jìn)行小幅直線震蕩產(chǎn)生的內(nèi)波。Hurley和Keady[29]給出在黏性Boussinesq流體中橢圓圓柱的直線振動產(chǎn)生內(nèi)波的近似理論，其對流函數(shù)的傅里葉變換進(jìn)行了修正，得到了黏性解。Wang等[30]研究了二維兩層均勻流中點渦的穩(wěn)態(tài)界面流動。

2 內(nèi)波的傳播

當(dāng)非線性頻散效應(yīng)相平衡時，內(nèi)孤立波在分層流體介質(zhì)中以穩(wěn)定的波型和波速進(jìn)行傳播。在淺水區(qū)域中，一般用KdV、MCC等方程描述內(nèi)波的傳播，而在深水區(qū)，可以用中長波方程描述。在研究內(nèi)波傳播時，需針對不同流體的深度變化范圍，分別進(jìn)行研究。

2.1 淺水區(qū)域內(nèi)波的傳播

一般來說，內(nèi)波從深水區(qū)傳播到大陸架淺水區(qū)域，許多研究者將此類問題簡化為內(nèi)波在斜坡上的傳播。當(dāng)內(nèi)波傳播區(qū)域逐漸淺化時，通常伴隨著內(nèi)波的不穩(wěn)定和破碎，因此開展斜坡地形上內(nèi)波的傳播研究對探究內(nèi)波傳播機(jī)理、海洋混合過程等具有重要的科學(xué)意義。對淺水區(qū)域內(nèi)波的傳播演化特征的研究主要涉及內(nèi)波在近海傳播的解析模型建立，內(nèi)波在淺水區(qū)域波形演變、破碎及能量耗散等問題。

針對內(nèi)波在淺水區(qū)域傳播的特點，一些學(xué)者建立了多種解析模型分析淺水區(qū)域內(nèi)波的演化特征。Pringle和Brink[31]通過獲得內(nèi)波振幅的近似解析解，在連續(xù)分層流體中研究了過海底斜坡的內(nèi)波特征，在高于斜坡底部的臨界反射頻率時，其解析是有效的。Shrira等[32]研究了內(nèi)波破碎的機(jī)理，采用漸近法推導(dǎo)了過斜坡的水流擾動與內(nèi)波傳播的耦合動力學(xué)模型。Khabakhpashev[33]建立了密度躍層中三維擾動的二階微分模型，求解了從深海向沿海地區(qū)傳播的線性單色波。Vieira和Allshouse[34]采用譜聚類方法，利用雙曲切線剖面來模擬密度分層，研究了躍層厚度、入射波能量、躍層密度變化和地形坡度等因素對內(nèi)波塊的影響。

對于大多數(shù)淺水區(qū)域內(nèi)波演化問題難以獲得解析解，因此數(shù)值模擬是研究淺水中內(nèi)波破碎、極性轉(zhuǎn)換等傳播演化特征的重要方法。2012年，Guo和Chen[35]研究了二階內(nèi)孤波在斜坡地形上的傳播和演化，其邊界條件接近南海的地形。Hsieh等[36]模擬了不同前緣斜坡對下凹型內(nèi)孤立波的影響，在設(shè)有平臺障礙物的工況中，描述了極性轉(zhuǎn)換對流場相關(guān)特性的影響。Arthur和Fringer[37]利用粒子跟蹤模型進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了過斜坡內(nèi)波發(fā)生破碎所產(chǎn)生的三維運輸。Zikanov和Slinn[38]模擬了斜入射內(nèi)波傳播到斜坡底的破碎過程，當(dāng)波群速度的角度與水平匹配的底坡角相同時，考慮了臨界反射。Vlasenko等[39]使用在COPE中收集的試驗數(shù)據(jù)，在全非線性非靜力方程組的框架中模擬了波的演化。Li等[40]利用非靜力學(xué)數(shù)值模型模擬了內(nèi)孤立波與坡架的相互作用，研究了內(nèi)孤立波的破碎和極性轉(zhuǎn)換。基于KdV方程，Belogoetsev等[41]分析了二階模態(tài)內(nèi)波在斜坡底部的傳播特性。Ma等[42]利用試驗和數(shù)值模擬對內(nèi)孤立波經(jīng)過大陸架時速度變化的理論結(jié)果進(jìn)行了驗證，表明KdV理論適用于解釋小振幅波速度變化，mKdV更適合于大振幅波。Zhu等[43]采用三維大渦模擬方法研究了兩層流體中內(nèi)孤立波在斜坡上的淺灘運動過程，探討了尺度效應(yīng)和三維特征，系統(tǒng)地分析了淺灘運動特征、速度場和能量轉(zhuǎn)換等動力學(xué)問題。

針對淺水區(qū)域內(nèi)波的傳播、破碎及能量耗散問題，模型試驗是最直接的研究手段，也是對數(shù)值模擬的補(bǔ)充和驗證。1992年，Helfrich[44]對內(nèi)孤立波在斜坡上的爬升和破碎進(jìn)行了試驗研究，分析了內(nèi)孤波破碎和爬坡的運動學(xué)特征和能量轉(zhuǎn)換，給出了內(nèi)孤波破碎的判據(jù)。并表明在一階波運動爬坡過程中，垂直混合耗散了約15%的能量。2013年，Grisouarda等[45]在二維分層流體中，對內(nèi)波過斜坡地形進(jìn)行了試驗，試驗表明反射波和入射波相互作用產(chǎn)生了相應(yīng)的波生流。Moore等[46]在雙層流體中保持坡角和層深不變，通過改變?nèi)肷鋬?nèi)波的振幅和頻率，對周期性內(nèi)波群過斜坡產(chǎn)生內(nèi)波塊進(jìn)行了試驗研究，并采用高分辨率的PIV儀器對流場的速度和密度進(jìn)行了捕獲。Umeyama和Shintani[47]研究了二維水槽中內(nèi)波沿斜坡的爬升和破碎。Chen等[48]通過試驗研究了自由表面邊界條件下兩層流體中內(nèi)孤立波沿光滑斜坡的傳播和反射。表1對上述部分內(nèi)波在斜坡地形上傳播研究進(jìn)行了匯總。

表1 內(nèi)波在斜坡地形上傳播的研究匯總Tab. 1 Studies on propagation of internal waves on slope topography

2.2 深水區(qū)域內(nèi)波的傳播

針對內(nèi)波在深水區(qū)域傳播，需考慮深海地形如山脊、盆地等，對內(nèi)波傳播的影響。內(nèi)波在深海地形上傳播時，不僅參數(shù)會發(fā)生變化，還會產(chǎn)生漩渦、流等現(xiàn)象。2013年，Dossmann等[49]用數(shù)值方法研究了非線性效應(yīng)和色散效應(yīng)對內(nèi)孤波產(chǎn)生和傳播的影響，詳細(xì)討論了地形形狀對內(nèi)孤波產(chǎn)生的影響。2007年，Chen[50]通過試驗研究了三角形和半圓形地形對內(nèi)孤波傳播的影響和內(nèi)孤波在不同地形上傳播時的能量損失。試驗結(jié)果表明，上凸型內(nèi)孤波在傳播過程中會在地形的背面產(chǎn)生渦，并導(dǎo)致表面波的生成。谷夢夢等[51]對內(nèi)孤立波過山脊地形進(jìn)行了試驗研究，結(jié)果顯示山脊地形會顯著改變下凹型內(nèi)孤立波結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為坡前波幅增大，坡頂背風(fēng)波面抬升，坡后波長變長。2012年，Mercier等[52]通過試驗研究了二維內(nèi)潮束碰撞所產(chǎn)生的內(nèi)部孤波，并討論了相應(yīng)的波生流問題。Gavrilov等[53]基于試驗研究了內(nèi)波質(zhì)量和動量傳輸。Gao等[54]利用非靜水內(nèi)波動力學(xué)模型研究了單脊拓?fù)鋵?nèi)波生成和傳播的影響。Zhang等[55]建立了準(zhǔn)三維非線性非靜水斜壓數(shù)值模型，模擬了海底地形對高頻海洋內(nèi)波的影響。蔡樹群等[56]系統(tǒng)介紹了內(nèi)波的數(shù)值模式及其在南海區(qū)域的應(yīng)用。Alford等[57]對南海內(nèi)波進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與SAR圖像進(jìn)行了對比，結(jié)果如圖1所示。

圖1 中國南海內(nèi)波模擬圖Fig. 1 Overview of internal waves in the South China Sea

3 內(nèi)波的遙感探測

內(nèi)波是發(fā)生在密度層化海洋內(nèi)部的波動，內(nèi)波探測一直是物理海洋學(xué)、海洋工程和海洋軍事領(lǐng)域的研究熱點。目前，遙感是海洋內(nèi)波探測的重要方法，具有探測周期短、空間覆蓋范圍廣、時空分辨率相對較高等優(yōu)勢，可實現(xiàn)內(nèi)波高發(fā)區(qū)大面積、同步、直觀、連續(xù)、密集的監(jiān)測。內(nèi)波遙感主要包括合成孔徑雷達(dá)(SAR)遙感、光學(xué)遙感和紅外遙感探測等技術(shù)手段，其物理原理均是通過探測海洋內(nèi)波在海洋表面引起的變化特征，從而實現(xiàn)對內(nèi)波的探測。

3.1 內(nèi)波SAR遙感探測

內(nèi)波SAR遙感探測技術(shù)發(fā)展相對成熟，監(jiān)測應(yīng)用也較廣泛。由于內(nèi)波會引起海洋表面微尺度波浪的輻聚和輻散，改變海面粗糙度，從而影響雷達(dá)的后向散射截面，因此在SAR圖像上內(nèi)波呈現(xiàn)為交替的亮、暗條帶，亮和暗分別代表內(nèi)波的波峰和波谷[58]，圖2為ENVISAT衛(wèi)星SAR圖像記錄到的我國南海內(nèi)波[59]。SAR遙感不僅可用于探測內(nèi)波的時空分布特征，還可利用圖像的水平二維信息以及其它水文信息，開展內(nèi)波深度、波速、波長和振幅等內(nèi)波水動力學(xué)參數(shù)反演。1985年，Alpers[60]提出SAR內(nèi)波成像機(jī)理，建立了SAR圖像強(qiáng)度與海表內(nèi)波誘發(fā)流場之間的定量關(guān)系，利用兩層密度分層近似下的一維KdV方程，從流場信息中反演出內(nèi)波波速、深度、特征寬度以及振幅等多個參數(shù)，為內(nèi)波參數(shù)反演開創(chuàng)了先河。Li等[61]利用SAR圖像測量到的群速度與模型模擬所得的群速度進(jìn)行匹配，提取了內(nèi)波上混合層厚度。Cai等[62]利用兩種不同的理論分析了南海內(nèi)波的波相速度、頻散系數(shù)和非線性系數(shù)等。Zheng等[63]提出了曲線擬合法和峰間法，提取確定了內(nèi)波特征寬度。孫麗娜等[64]利用多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，輔以現(xiàn)場觀測資料，通過匹配捕獲同一內(nèi)波的相鄰兩幅遙感圖像，由內(nèi)波的空間位移和時間間隔反演傳播速度，并以0.5°×0.5°網(wǎng)格給出了南海北部內(nèi)波傳播速度的分布圖。孫麗娜等[65]基于多源遙感數(shù)據(jù)開展了日本海內(nèi)波特征研究，獲取了內(nèi)波的波峰線長度和傳播速度，并利用非線性薛定諤方程反演了內(nèi)波振幅發(fā)現(xiàn)日本海內(nèi)波波峰線長達(dá)100多千米，深海區(qū)的傳播速度大于1 m/s，淺海區(qū)內(nèi)波振幅約10 m左右，深海區(qū)可達(dá)60 m以上。Jia等[66]提出了一種將兩幅連續(xù)的SAR圖像與擴(kuò)展的eKdV方程相結(jié)合，求出上層流體厚度及其相應(yīng)的內(nèi)孤立波幅值的方法。

圖2 我國南海內(nèi)波SAR圖像Fig. 2 SAR internal wave image of the South China Sea

3.2 內(nèi)波光學(xué)遙感觀測

光學(xué)遙感探測是海洋內(nèi)波研究的一種重要手段。1975年，Apel等[67]利用陸地衛(wèi)星可見光遙感圖像觀測到了內(nèi)波，確定了內(nèi)波引起的表面光學(xué)反射率的準(zhǔn)周期變化。Weidemann等[68]利用機(jī)載光譜成像儀觀測到了近岸的內(nèi)波波包。Jackson等[69]利用中分辨率成像光譜儀(MODIS)研究了全球內(nèi)波的分布情況，并給出了全球七大地區(qū)的內(nèi)波分布特征。張旭東等[70]對MODIS圖像進(jìn)行篩選與處理，對中國南海西北部海區(qū)的內(nèi)波特征進(jìn)行了統(tǒng)計分析，最終整合獲得了最新的內(nèi)波時空分布特征。Zhang等[71]利用雷達(dá)高程高采樣數(shù)據(jù)和MODIS圖像的準(zhǔn)同步觀測，計算了南海內(nèi)波的傳播速度，其計算所得內(nèi)波速度與由KdV方程得到的相速度接近。孫麗娜等[72]主要利用MODIS圖像，結(jié)合部分SAR圖像，開展了2010—2015年南海和蘇祿海內(nèi)孤立波時空分布特征分析，發(fā)現(xiàn)南海北部海域內(nèi)孤立波主要發(fā)生在4—9月，占總量的85%左右，5月發(fā)生頻次最高；納土納群島附近海域，內(nèi)孤立波主要發(fā)生在3—4月，占總量的56.8%，4月發(fā)生頻次最高；蘇祿海一年四季均有內(nèi)孤立波發(fā)生，4月發(fā)生頻次最高，1月探測到的最少。Sun等[73]利用2010—2016年的MODIS圖像，開展了安達(dá)曼海內(nèi)波的時空分布監(jiān)測研究，指出安達(dá)曼海內(nèi)波分布范圍廣泛，主要在西部的諸多島嶼之間產(chǎn)生，向東傳播進(jìn)入安達(dá)曼海；安達(dá)曼海內(nèi)波時間分布呈現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu)，冬季和夏季探測的內(nèi)波數(shù)量較少，春季和秋季探測到的內(nèi)波較多。

3.3 內(nèi)波紅外遙感探測

紅外遙感探測內(nèi)波尚處起步。雖然早在1965年，Osborne[74]從理論上就分析了海洋表面流場的散度場對海表溫度的影響，最先推導(dǎo)出內(nèi)波對海表溫度的調(diào)制作用。但直到1998年，Walsh等[75]在分析熱帶海洋—全球大氣耦合海氣響應(yīng)試驗(TOGA-COARE)中的紅外遙感數(shù)據(jù)時，才獲取了海洋內(nèi)波的紅外遙感資料。Zappa等[76]和 Marmorino等[77]在海洋內(nèi)波的紅外遙感圖像中，發(fā)現(xiàn)內(nèi)波可引起海表溫度的變化，在空間形式上表現(xiàn)為明暗相間的條紋。Silva等[78]研究表明內(nèi)孤立波在大陸架淺水區(qū)域的傳播和破碎，對近表層的湍流混合起了重要作用，而熱紅外成像可以顯示內(nèi)孤立波的表面熱特征。紅外遙感探測技術(shù)為探測內(nèi)波提供了一種新方法，但紅外成像受大氣和海況影響很大，作為新興的探測技術(shù)，仍需系統(tǒng)成熟的理論和試驗支撐。

4 內(nèi)波與海洋結(jié)構(gòu)物相互作用

內(nèi)波與海洋結(jié)構(gòu)物相互作用是當(dāng)前研究熱點。部分學(xué)者關(guān)注于內(nèi)波與平臺和系泊設(shè)施的相互作用。Kakinuma等[79-80]考慮流體運動的非線性和振動結(jié)構(gòu)的柔性，研究了內(nèi)波與水下平臺的相互作用。Park等[81]建立了內(nèi)波與柔性結(jié)構(gòu)相互作用的分塊模型。廖發(fā)林等[82]基于mKdV理論求解內(nèi)孤立波，使用改進(jìn)的Morison方程計算作用在海洋立管上內(nèi)孤立波的荷載，進(jìn)而求解出立管的水平位移以及應(yīng)力響應(yīng)。何景異等[83]研究兩層流體中Spar平臺在內(nèi)波作用下的運動響應(yīng)問題。2012年，尤云祥等[84]基于內(nèi)孤立波mKdV理論，研究兩層流體中內(nèi)孤立波與帶分段式懸鏈系泊約束半潛平臺的相互作用問題。研究表明，內(nèi)孤立波不僅會對半潛平臺產(chǎn)生突發(fā)性沖擊載荷作用，使其產(chǎn)生大幅度水平漂移運動，并導(dǎo)致其系泊張力顯著增大，因此在半潛平臺等深海平臺的設(shè)計與應(yīng)用中，內(nèi)孤立波的影響是不可忽視的。王旭等[85]對內(nèi)孤立波作用于張力腿平臺的載荷特性進(jìn)行了數(shù)值研究，結(jié)果表明張力腿平臺所受的水平力和垂直力可分為三部分，即波浪力、黏性壓差力和可忽略的摩擦力。Cui等[86]對內(nèi)孤立波作用下浮體結(jié)構(gòu)模型的運動響應(yīng)和系泊張力進(jìn)行了試驗研究，提出了一種測量系泊張力和運動響應(yīng)變化的試驗系統(tǒng)。結(jié)果表明系泊張力幅值隨內(nèi)孤立波幅值的增大而增大，模型的垂蕩、縱搖和縱蕩運動隨著內(nèi)孤立波的傳播而發(fā)生顯著變化。

內(nèi)波引起的海洋密躍層波動會嚴(yán)重影響水下潛器的運動。徐小輝等[87]對分層流體中周期內(nèi)波與潛艇模型的相互作用進(jìn)行了試驗研究，得到了潛體所受波浪力與內(nèi)波周期和波高的關(guān)系。三分力傳感器測量數(shù)據(jù)表明，波浪力隨內(nèi)波周期的增大和波高的減小而減?。辉囼?zāi)Ｐ驮谲S層中所受的垂直波浪力和力矩均大于其它區(qū)域；試驗?zāi)Ｐ驮谥芷趦?nèi)波作用下會產(chǎn)生非線性動力響應(yīng)。2014年，許忠海等[88]進(jìn)行了一系列試驗來研究內(nèi)孤立波作用在浮式生產(chǎn)儲卸油船(floating production storage offloading，簡稱FPSO)上的載荷特性。在試驗中，由兩個相向運動的垂直板來控制內(nèi)孤立波的波幅，利用MCC理論推導(dǎo)各層流體的平均水平速度。研究結(jié)果表明，內(nèi)孤立波引起的無量綱水平力和力矩與內(nèi)孤立波的無量綱振幅成正比，比率與兩層流體的深度之比成正比；內(nèi)孤立波引起的無量綱垂直力與內(nèi)孤立波的無量綱振幅之間存在冪函數(shù)關(guān)系。Cui等[89]利用試驗研究了水下物體在內(nèi)孤立波運動下的運動響應(yīng)，研究結(jié)果顯示內(nèi)孤立波振幅對垂蕩運動有顯著影響，模型與躍層之間的相對距離對垂蕩運動有顯著影響。付東明等[90]基于雙推板的內(nèi)孤立波數(shù)值造波方法，對兩層流體中內(nèi)孤立波與潛體的相互作用進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析不同潛深下潛體所受的內(nèi)孤立波載荷特性。結(jié)果表明，內(nèi)孤立波對水下潛體的載荷作用是不可忽視的。特別地，當(dāng)潛體位于內(nèi)孤立波中時，其所受的垂向力要遠(yuǎn)比潛體位于內(nèi)孤立波下時的大。

5 結(jié) 語

幾十年來，對內(nèi)波的產(chǎn)生、傳播、探測以及內(nèi)波與海洋結(jié)構(gòu)物相互作用的研究取得了重要研究成果。但由于海洋環(huán)境的復(fù)雜性和內(nèi)波觀測的困難，有些問題仍需要進(jìn)一步深入研究。

1) 海洋內(nèi)波的生成機(jī)制復(fù)雜，對實際海域的內(nèi)波生成演化特點需要進(jìn)一步深入研究。在內(nèi)波的生成過程中，通常伴隨流場與實際復(fù)雜海底地形的作用，存在波浪破碎等復(fù)雜的湍流特征，尺度較大的內(nèi)波和小尺度的碎波同時存在，給內(nèi)波生成的數(shù)值仿真帶來巨大挑戰(zhàn)。同時，內(nèi)波的生成是一個遠(yuǎn)距離長時間的演化過程，實驗室中很難充分模擬實際海洋條件下的內(nèi)波生成過程。

2) 對海洋內(nèi)波的現(xiàn)場觀測是研究實際海域內(nèi)波特征的第一手資料，我國進(jìn)行了數(shù)次現(xiàn)場實測。由于海洋內(nèi)波出現(xiàn)的不規(guī)律性及內(nèi)波現(xiàn)場實測的高昂成本，使得系統(tǒng)的實測工作難以開展，因此實測數(shù)據(jù)仍相對匱乏。需要進(jìn)行更為系統(tǒng)的現(xiàn)場觀測和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)分析來掌握更多的實際海域內(nèi)波信息，為海洋內(nèi)波的預(yù)報提供重要支撐。