南海內(nèi)波研究前沿與熱點(diǎn)

鄭全安，陳 亮，熊學(xué)軍*，胡筱敏，楊光兵

（1.馬里蘭大學(xué) 大氣海洋科學(xué)系，美國(guó)馬里蘭州 學(xué)院市 20742；2.自然資源部 第一海洋研究所，山東 青島 266061；3.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 區(qū)域海洋動(dòng)力學(xué)與數(shù)值模擬功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266237；4.自然資源部 海洋環(huán)境科學(xué)與數(shù)值模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266061）

本文主題關(guān)鍵詞“內(nèi)波”系指發(fā)生在層結(jié)海洋內(nèi)部、以約化重力為恢復(fù)力的亞中尺度波動(dòng)，其特征尺度為：波鋒線水平尺度O（10～200）km，波長(zhǎng)尺度O（0.5～5.0）km，時(shí)間尺度O（ 3×102～8.64×104）s，速度尺度O（0.5）m/s，以波長(zhǎng)為水平長(zhǎng)度尺度，20°N 為特征緯度時(shí)，羅斯貝數(shù)則為2～10。內(nèi)波廣泛分布于全球海洋，尤以陸架淺海和邊緣海最集中[1-2]。內(nèi)波研究的意義概括為3 方面：①物理海洋學(xué)研究。內(nèi)波的時(shí)間尺度處于亞中尺度過(guò)程最底端，是海洋能量級(jí)串研究不可逾越的重要環(huán)節(jié)。內(nèi)波引起的湍流混合研究，對(duì)更好地理解上層海洋動(dòng)力學(xué)和海洋內(nèi)部熱結(jié)構(gòu)具有重要意義。內(nèi)波通過(guò)向下熱量輸送，對(duì)維持大尺度、深層環(huán)流發(fā)揮重要作用。內(nèi)波高度非線性演化為非線性流體力學(xué)和孤立波理論提供獨(dú)特應(yīng)用領(lǐng)域。②跨學(xué)科研究。內(nèi)波引起的海水垂直運(yùn)動(dòng)將富含溶解氧和二氧化碳的表層水輸送到深水層，同時(shí)將富含營(yíng)養(yǎng)鹽的深層水輸送到真光層，有助于提高海洋生物生產(chǎn)力和固碳作用。內(nèi)波一方面引起海洋沉積物再懸浮，另一方面孤立內(nèi)波具備物質(zhì)水平輸運(yùn)功能，從而對(duì)陸架生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響。由此可見(jiàn)，內(nèi)波與海洋生物學(xué)、沉積學(xué)、生物地球化學(xué)以及生態(tài)環(huán)境研究等密切相關(guān)。③應(yīng)用研究。內(nèi)波的傳播直接破壞海水物理場(chǎng)的連續(xù)性，擾亂水下聲波傳播，從而導(dǎo)致聲吶信號(hào)紊亂、水下聲導(dǎo)航運(yùn)動(dòng)物體偏航甚至失聯(lián)等嚴(yán)重后果。特別是超強(qiáng)孤立內(nèi)波,在10～20 min 很短時(shí)間內(nèi)可將海水等密度面下壓100～200 m，其巨大能量和動(dòng)量沖量對(duì)所有海洋工程設(shè)施和水下航行載體都是災(zāi)難性的存在[3]。因此，大力開(kāi)展海洋內(nèi)波研究、提供局地實(shí)時(shí)精準(zhǔn)內(nèi)波預(yù)報(bào)服務(wù)，是所有海洋產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)、保障水下航行活動(dòng)安全必須重視的課題。

南海是全球海洋中內(nèi)波最活躍的海區(qū)之一。如圖1 所示，南海內(nèi)波集中分布在北部大陸架和大陸坡（以下簡(jiǎn)稱陸架）。究其原因可歸結(jié)為：①陸架寬廣、邊緣海底地形陡變?yōu)閮?nèi)波生成與演化提供了有利條件；②季風(fēng)氣候條件下，海區(qū)層結(jié)得以季節(jié)性強(qiáng)化；③海區(qū)東部和東北部分別與呂宋海峽和臺(tái)灣海峽相連，發(fā)源于兩海峽的內(nèi)潮波直接傳入海區(qū)，在海底地形與海水層結(jié)分布作用下，演化成超強(qiáng)孤立內(nèi)波波包，最近布放在呂宋海峽西口的錨系觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，孤立內(nèi)波振幅高達(dá)240 m，為世界之最[4]。

見(jiàn)之于報(bào)道的南海內(nèi)波觀測(cè)發(fā)端于衛(wèi)星遙感圖像。Fett 和Rabe[5]最早利用衛(wèi)星可見(jiàn)光圖像觀測(cè)了內(nèi)波在南海北部東沙環(huán)礁附近發(fā)生的反射現(xiàn)象。通過(guò)衛(wèi)星圖像，可以準(zhǔn)確確定內(nèi)波發(fā)生的位置和時(shí)刻，反演估算內(nèi)波振幅、波速、波向、半波寬度以及流速等信息[6-7]，研究?jī)?nèi)波生成的動(dòng)力學(xué)機(jī)制[8]。近年來(lái)，衛(wèi)星圖像被廣泛用于研究南海內(nèi)波時(shí)空分布統(tǒng)計(jì)特征和傳播特征[9-14]。Wang 等[15]從南海2 500 張多源遙感衛(wèi)星圖像中提取了3 500 個(gè)內(nèi)波，系統(tǒng)分析了南海內(nèi)波的分布和傳播方向特征（圖1）。Zheng 等[8]采用擾動(dòng)Korteweg-deVries（PKdV）方程分析1995 年至2001 年的合成孔徑雷達(dá)（SAR）圖像，證明趨淺溫躍層為南海東北部?jī)?nèi)孤立波波包的產(chǎn)生和增強(qiáng)提供有利條件。

圖1 南海略圖、內(nèi)波波鋒線分布及本文評(píng)述相關(guān)的觀測(cè)概位Fig.1 Outline chart of the South China Sea,internal wave crest line distribution and positions approximate of study areas

現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)是研究海洋內(nèi)波最直接和最有效的手段。南海內(nèi)波現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)直到20 世紀(jì)90 年代初才起步。Ebbesmeyer 等[16]通過(guò)分析布放在廣東陸豐近海的聲學(xué)多普勒海流剖面儀（Acoustic Doppler Current Profile，ADCP）測(cè)得的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和衛(wèi)星圖像，推斷陸豐近海的內(nèi)孤立波可能起源于呂宋海峽潮汐強(qiáng)迫。特別值得一提的是，2000 年至2001 年期間實(shí)施的“亞洲海國(guó)際聲學(xué)實(shí)驗(yàn)”（Asian Seas International Acoustic Experiment,ASIEX）項(xiàng)目，在南海北部?jī)?nèi)波研究上取得一系列的突破性成果。例如，Ramp 等[17]發(fā)現(xiàn)了重現(xiàn)周期分別為24 h 和25 h 的2 種內(nèi)孤立波，并將其分別命名為a 波和b 波；Yang 等[18]首次在南海北部發(fā)現(xiàn)了第二模態(tài)內(nèi)波[17,19-20]等。該項(xiàng)目推動(dòng)南海成為內(nèi)波研究熱點(diǎn)海區(qū)，至今熱度不減[21-29]。中國(guó)海洋大學(xué)2010 年至2014 年期間在呂宋海峽以西海域開(kāi)展了 “南海內(nèi)波實(shí)驗(yàn)（SCS Internal Wave Experiment，SIWE）”，通過(guò)陣列錨系觀測(cè)得到總計(jì)4 771 個(gè)內(nèi)波波包，建立了迄今為止南海內(nèi)波最大實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，并不斷有分析成果問(wèn)世[4]。自然資源部第一海洋研究所于2016 年至2017 年期間，在南海北部東沙環(huán)礁西側(cè)陸坡海域開(kāi)展錨系內(nèi)波觀測(cè),填補(bǔ)了當(dāng)?shù)貎?nèi)波實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)空缺，發(fā)現(xiàn)了重現(xiàn)周期為23 h 的新型內(nèi)波[30-31]。

近年來(lái)，數(shù)值模擬方法廣泛應(yīng)用于南海內(nèi)波的生成、傳播和演變過(guò)程研究[32]。Liu 等[33]采用KdV（Kortweg-deVries）方程數(shù)值模型，研究中國(guó)東海和南海的內(nèi)孤立波在陸坡上的傳播與演變過(guò)程，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與衛(wèi)星SAR 圖像數(shù)據(jù)一致。Cai 等[34]利用改進(jìn)eKdV 方程，建立內(nèi)孤立波規(guī)范化長(zhǎng)波傳播方程兩層模式（Regularized Long Wave,RLW）模擬南海陸坡處的內(nèi)孤立波，發(fā)現(xiàn)耗散作用和海底地形對(duì)傳播過(guò)程有顯著影響。Kadomtsev-Petviashvili（KP）方程也被用來(lái)研究南海東北部?jī)?nèi)孤立波的非線性相互作用[35-36]。

前人對(duì)南海內(nèi)波研究進(jìn)展多有評(píng)述[37]。本文旨在以2015 年為時(shí)間節(jié)點(diǎn)，評(píng)述2015 年以來(lái)南海內(nèi)波研究發(fā)展前沿和研究熱點(diǎn)，著重介紹現(xiàn)場(chǎng)錨系觀測(cè)獲得的新發(fā)現(xiàn)和高新技術(shù)應(yīng)用成果，以期為讀者洞察該研究領(lǐng)域發(fā)展?fàn)顩r打開(kāi)一扇窗。

1 南海內(nèi)波研究新發(fā)現(xiàn)

南海略圖如圖1 所示。紅色線條代表由多種衛(wèi)星歷史圖像提取的內(nèi)波波鋒線分布[15]。由圖1 可見(jiàn)，南海內(nèi)波集中分布在北部陸架、陸坡以及西部陸坡，南部和西南部陸坡有稀疏分布。由于衛(wèi)星圖像僅對(duì)海面信息敏感，而海洋深層擾動(dòng)的海面信息可能較弱，不利于衛(wèi)星成像，因此該圖并不代表深水區(qū)不存在內(nèi)波。圖中白色五角星代表新發(fā)現(xiàn)和新進(jìn)展觀測(cè)概位，本文將以發(fā)表年限為序逐一概略評(píng)述。例如，五角星HQ代表將在1.5 節(jié)評(píng)述的深海內(nèi)波觀測(cè)實(shí)例錨系站概位。

1.1 振幅240 m 超強(qiáng)內(nèi)孤立波

南海以超強(qiáng)內(nèi)波聞名于世。以觀測(cè)到的內(nèi)孤立波最大振幅為指標(biāo)，全球海洋可對(duì)標(biāo)實(shí)例為：地中海西部直布羅陀海峽以東，測(cè)得內(nèi)孤立波最大振幅為50～100 m[38]；爪哇海東南部龍目海峽以北，由回聲探測(cè)儀測(cè)得線性內(nèi)波波峰至波谷振幅達(dá)100 m[39]。在南海，Ramp 等[17]在2001 年5 月9 日ASIEX 項(xiàng)目錨系觀測(cè)期間，于東沙環(huán)礁東北陸坡（117°17′E，21°37′N(xiāo)）水深350 m 處測(cè)得內(nèi)孤立波最大振幅為142 m。這曾引起廣泛關(guān)注。Chang 等[40]2006 年6 月利用錨系觀測(cè)，在東沙環(huán)礁東北陸坡（117°20′45″E，21°04′48″N）水深600 m 處測(cè)得內(nèi)孤立波最大振幅為130 m。Lien 等[41]2011 年6 月4 日利用錨系觀測(cè)，在東沙環(huán)礁東北陸坡（117°13′12.6″E，21°04′14.4″N）水深450 m 處測(cè)得內(nèi)孤立波最大振幅為173 m。

2010 年至2014 年，中國(guó)海洋大學(xué)在呂宋海峽以西海域開(kāi)展“南海內(nèi)波實(shí)驗(yàn)”，建立了迄今為止南海內(nèi)波最大實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)。其中包括2013 年12 月4 日在呂宋海峽西側(cè)M10（圖1 中HX1）潛標(biāo)站（120°13′12″E，20°34′12″N）水深3 847 m 處，測(cè)得內(nèi)孤立波最大西向峰值流速2.55 m/s、最大振幅240 m，這是迄今為止見(jiàn)于報(bào)道的全球海洋觀測(cè)到的內(nèi)孤立波最大振幅值，如圖2 所示[42]。由垂直溫度剖面可見(jiàn)，該孤立波為下壓型（depression wave）。當(dāng)18:36 UTC 孤立波前沿到達(dá)測(cè)站前，12 °C 水溫等溫線位于300 m 水深；而當(dāng)19:04 UTC 孤立波波峰通過(guò)測(cè)站時(shí)該等溫線下壓至540 m，即在28 min 時(shí)間內(nèi)等溫線下壓了240 m。該孤立波的擾動(dòng)達(dá)水深1 000 m 以下，在900 m 水深處振幅仍達(dá)110 m，200～1 000 m 水深的平均振幅高達(dá)173 m，與此前Lien 等[41]在東沙環(huán)礁東北陸坡測(cè)得的內(nèi)孤立波最大振幅持平。對(duì)布設(shè)在巴坦島附近的潛標(biāo)同步觀測(cè)數(shù)據(jù)分析揭示，這一超強(qiáng)內(nèi)孤立波的產(chǎn)生似與呂宋海峽超強(qiáng)半日內(nèi)潮相聯(lián)系。對(duì)數(shù)模產(chǎn)品分析表明，由黑潮增強(qiáng)引起的呂宋海峽層結(jié)強(qiáng)化對(duì)超強(qiáng)內(nèi)孤立波生成也有貢獻(xiàn)[42]。這一新發(fā)現(xiàn)不僅對(duì)南海內(nèi)波動(dòng)力學(xué)和區(qū)域海洋學(xué)研究具有重要意義，而且對(duì)沿海水等密面航行的水下潛航器規(guī)避滅頂之災(zāi)獨(dú)具特殊意義。

圖2 全球海洋最大振幅內(nèi)孤立波水溫和流速剖面分布Fig.2 The greatest amplitude internal solitary wave in the global ocean

1.2 中尺度渦對(duì)內(nèi)波的調(diào)制

Huang 等[43]利用2013 年11 月至2014 年1 月南海呂宋海峽以西（圖1 中HX2）潛標(biāo)陣列數(shù)據(jù)（圖3a）和同步衛(wèi)星高度計(jì)海面高度異常（Sea Level Anomaly,SLA）圖像（圖3b），分析氣旋-反氣旋渦對(duì)高頻內(nèi)波的調(diào)制作用，得出內(nèi)波振幅、傳播速度和傳播方向的調(diào)制量。這是迄今為止有關(guān)南海中尺度渦與內(nèi)波相互作用研究最完整、詳盡的研究成果。

由圖3c 可見(jiàn)，深水區(qū)內(nèi)波向下平均振幅可達(dá)100 m（圖3 中用負(fù)值表示），淺水區(qū)為20 m。振幅明顯受渦旋調(diào)制。反氣旋渦過(guò)境時(shí)，各潛標(biāo)站位均顯示內(nèi)波平均振幅減小，減小幅度為14%～67%；氣旋渦過(guò)境時(shí)減小幅度為14%～40%。圖3d 為在2 種極性中尺度渦控制下溫躍層和內(nèi)波振幅一維斷面分布?？梢?jiàn)，反氣旋渦過(guò)境時(shí)，溫躍層平均深度由230 m 下壓至300 m，并呈由深水至淺水加深的反常分布。內(nèi)波振幅則跟隨溫躍層厚度變化。而氣旋渦的影響不顯著。圖3e 顯示，傳入反氣旋渦核心區(qū)的內(nèi)波波向由西向（270°）轉(zhuǎn)向西北向（310°），最大北偏達(dá)40°，而在氣旋渦核心區(qū)內(nèi)則南偏可達(dá)20°。圖3f 示出中尺度渦對(duì)內(nèi)波傳播速度調(diào)制過(guò)程實(shí)測(cè)結(jié)果?？傮w規(guī)律是反氣旋渦過(guò)境時(shí)，波速增大，深水區(qū)最大增幅可達(dá)30%以上，即由3 m/s 增大至4 m/s，淺水區(qū)增幅略小，約10%～25%；而氣旋渦過(guò)境時(shí)，深水區(qū)最大增幅約10%，淺水區(qū)增幅不顯著。上述依據(jù)潛標(biāo)-衛(wèi)星聯(lián)合觀測(cè)數(shù)據(jù)分析得出的研究成果，為認(rèn)識(shí)南海深海盆內(nèi)波動(dòng)力學(xué)特征，特別是認(rèn)識(shí)中尺度渦對(duì)內(nèi)波的調(diào)制與能量級(jí)串過(guò)程，具有重要意義。

圖3 南海呂宋海峽以西2013 年11 月至2014 年1 月觀測(cè)得出的氣旋-反氣旋渦對(duì)對(duì)高頻內(nèi)波的調(diào)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 重現(xiàn)周期23 h 內(nèi)孤立波

自然資源部第一海洋研究所2016 年至2017 年在南海北部東沙環(huán)礁西側(cè)陸坡海域（115°30′00″E，20°31′12″N）（圖1 中CL 站，水深約397 m）開(kāi)展錨系內(nèi)波觀測(cè),建立了局地內(nèi)波實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)數(shù)據(jù)分析，獲得對(duì)局地內(nèi)波動(dòng)力特征重要新認(rèn)識(shí)，其中最突出的是發(fā)現(xiàn)了重現(xiàn)周期為23 h 的新型內(nèi)孤立波[30-31]。

Ramp 等[17]根據(jù)南海北部陸坡海域內(nèi)孤立波重現(xiàn)周期，將其分成a 波和b 波兩種類(lèi)型。a 波以每天同一時(shí)刻出現(xiàn)在觀測(cè)站位，即重現(xiàn)周期為24 h 為特征；而b 波每天推遲1 h 出現(xiàn)在觀測(cè)站位，即重現(xiàn)周期為25 h。Ramp 等[25]確定2 種內(nèi)波在深水區(qū)和陸坡海域的統(tǒng)計(jì)傳播速度分別為（3.23±0.31）m/s 和（2.22±0.18）m/s。Huang 等[44]將在呂宋海峽西側(cè)海域觀測(cè)到的137 個(gè)內(nèi)孤立波分成了81 個(gè)a 波和56 個(gè)b 波，并發(fā)現(xiàn)在大多數(shù)情況下，a 波產(chǎn)生的內(nèi)波水平流速要比b 波的大。

Chen 等[30]通過(guò)分析溫鹽鏈逐日觀測(cè)到的水溫剖面圖，分析內(nèi)孤立波重復(fù)出現(xiàn)規(guī)律。如圖4a 和圖4b 所示，2016 年9 月2 日至4 日，每天當(dāng)?shù)貢r(shí)間上午8:00 均出現(xiàn)了一個(gè)內(nèi)孤立波，即重現(xiàn)周期約為24 h，此系a 波內(nèi)孤立波。2017 年7 月14 日至16 日，逐日推遲約1 h 出現(xiàn)一個(gè)內(nèi)孤立波，即重現(xiàn)周期約為25 h，此系b 波內(nèi)孤立波。除這2 種內(nèi)孤立波外，圖4c 則示出一種新型內(nèi)孤立波。從2017 年7 月10 日至12 日，逐日提前1 h 左右出現(xiàn)一個(gè)內(nèi)孤立波，即重現(xiàn)周期約為23 h。這種新發(fā)現(xiàn)的重現(xiàn)周期約為23 h 的內(nèi)孤立波定義為c 波（Type-c ISW）。

圖4 南海北部東沙環(huán)礁西側(cè)陸坡海域潛標(biāo)溫度鏈觀測(cè)到的3 種重現(xiàn)周期內(nèi)孤立波溫度剖面分布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

觀測(cè)期間共發(fā)現(xiàn)了8 組c 波，共包括30 個(gè)內(nèi)孤立波。平均重現(xiàn)周期為（23.04 ± 0.29）h，即每天提前約1 h 出現(xiàn)在觀測(cè)站位。平均振幅為（45 ± 17）m，最大振幅為91 m，其平均振幅與a 波（平均重現(xiàn)周期為（24.20 ±0.14）h）的平均振幅（44 ± 8）m 接近，但比b 波（平均重現(xiàn)周期為（25.08 ± 0.49）h）的平均振幅（54 ± 19）m 小。這些內(nèi)孤立波均可以單波或波包形式出現(xiàn)。關(guān)于a 波和b 波的生成機(jī)制，Zhao 和Alford[45]以及Ramp 等[17]提出，呂宋海峽潮汐強(qiáng)迫變化是主要因素，即a 波產(chǎn)生于潮汐日不等現(xiàn)象較強(qiáng)時(shí)，而b 波則產(chǎn)生于較弱時(shí)。對(duì)c 波的生成機(jī)制迄今無(wú)定論。

1.4 內(nèi)孤立波裂變現(xiàn)象

Bai 等[46]2011 年7 月在南海東北部臺(tái)灣海峽南口陸架海域開(kāi)展了水文CTD 斷面和潛標(biāo)ADCP 觀測(cè)，潛標(biāo)站位為（118°10′12″E，22°22′51.6″N）（圖1 中BX，水深60 m）。其中7 月13 日至14 日的測(cè)量數(shù)據(jù)（圖5）顯示，在15 h 測(cè)量期間高頻內(nèi)波連續(xù)出現(xiàn)，與通常的潮汐激發(fā)機(jī)制不一致。為解釋這一現(xiàn)象，作者提出連續(xù)出現(xiàn)的高頻內(nèi)波是由內(nèi)孤立波在變淺海底地形擾動(dòng)下發(fā)生裂變（fission）而生成的假說(shuō)。理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果均證明該假說(shuō)是合理的。該項(xiàng)研究的意義在于，以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)實(shí)例證明，內(nèi)波的孤立波動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，對(duì)認(rèn)識(shí)內(nèi)波波包的形成與演化、內(nèi)波不均勻地理分布以及內(nèi)波在海洋混合與能量級(jí)串中的作用至關(guān)重要。

圖5 2011 年7 月13 至14 日南海東北部臺(tái)灣海峽南口陸架海域高頻內(nèi)波潛標(biāo)觀測(cè)結(jié)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 深海盆內(nèi)波及動(dòng)能級(jí)串

迄今為止，南海內(nèi)波的研究區(qū)域集中在呂宋海峽以西和南海北部陸架和陸坡海域。南海中部深海盆和南部陸架海域內(nèi)波研究幾乎為空白。Hu 等[47]2015 年至2016 年在南海海盆中部中沙群島海域（118°01′E,15°16′N(xiāo)）（圖1 中HQ，水深3 790 m）布設(shè)潛標(biāo)觀測(cè)底層環(huán)流變化以及動(dòng)能級(jí)串，其中包括對(duì)時(shí)長(zhǎng)1 a 的內(nèi)波信息提取及分析。這是南海內(nèi)波研究的標(biāo)志性進(jìn)展。

Hu 等[47]的觀測(cè)方案設(shè)計(jì)和部分成果如圖6 所示。其中高頻內(nèi)波譜段（High Frequency Internal Wave，HFIW）（＞1.3f）動(dòng)能隨時(shí)間變化如圖6h 所示。由圖6h 中曲線可見(jiàn)，高頻內(nèi)波動(dòng)能（High Frequency internal wave Kinetic Energy,HFKE）對(duì)中尺度渦過(guò)境響應(yīng)十分強(qiáng)烈。以圖中紅線所示的3 790 m 測(cè)量結(jié)果為例，2015年11 月28 日至12 月3 日反氣旋渦過(guò)境期間（圖6d），HFKE 最大值異常高達(dá)2.56 J/m3，約是正常平均值（0.07 J/m3）的37 倍。觀測(cè)結(jié)果顯示，HFKE 陡增脈沖與近慣性動(dòng)能（Near Inertial Kinetic Energy,NIKE）陡增脈沖同步發(fā)生。這說(shuō)明二者都是中尺度渦與海底地形碰撞后，能量向亞中尺度運(yùn)動(dòng)級(jí)串而發(fā)生。

圖6 南海深海盆底層環(huán)流觀測(cè)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 南海內(nèi)波研究高新技術(shù)應(yīng)用

2.1 衛(wèi)星海面高度平面波分解技術(shù)

衛(wèi)星高度計(jì)沿軌海面高度場(chǎng)（Sea Surface Height,SSH）二維（2D）平面波分解技術(shù)是2010 年以來(lái)開(kāi)發(fā)的衛(wèi)星高度計(jì)海面高度數(shù)據(jù)信息提取新技術(shù)。Zhao[22]利用該技術(shù)成功提取了呂宋海峽2D 內(nèi)潮輻射圖，直觀顯示出內(nèi)波與內(nèi)潮輻射的依存關(guān)系，成為南海北部?jī)?nèi)波動(dòng)力機(jī)制和起源研究節(jié)點(diǎn)性成果。

Zhao[48]利用該技術(shù)提取了臺(tái)灣海峽（圖1 中ZZ）南向內(nèi)潮2D 輻射圖，填補(bǔ)了信息空白。圖7 示出源自呂宋海峽和臺(tái)灣海峽的內(nèi)潮主分量M2內(nèi)潮2D 輻射場(chǎng)與內(nèi)波波鋒線分布復(fù)合圖[48]。圖7 中紅藍(lán)相間粗條帶代表以SSH 為特征量的M2內(nèi)潮波峰-波谷水平分布，綠細(xì)線代表由衛(wèi)星圖像提取的內(nèi)波波鋒線水平分布。從圖7 可直接提取2 項(xiàng)重要?jiǎng)恿W(xué)信息：①關(guān)于內(nèi)潮。南海M2內(nèi)潮場(chǎng)由源自呂宋海峽和臺(tái)灣海峽2 束獨(dú)立近線性2D 平面波輻射共同組成。兩輻射共同特征為波長(zhǎng)相同，均約140 km，以及輻射強(qiáng)度（SSH）隨輻射距離平方衰減。差異是呂宋海峽波束強(qiáng)度是臺(tái)灣海峽的3 倍（60∶20）；呂宋海峽波束僅有單向西傳波束；而臺(tái)灣海峽波束具有南、北雙向傳播波束，其中南傳波束強(qiáng)，北傳波束弱，圖7 中未顯示，但現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)確認(rèn)其存在[49]。②關(guān)于內(nèi)波。按水平2D 分布特征看，南海北部?jī)?nèi)波可以劃分為南（圖7a 中大紅框）、北（圖7b中小紅框）兩部分。南部?jī)?nèi)波依存于呂宋海峽M2內(nèi)潮波束[22]，總體來(lái)看向西傳播，數(shù)量約為海區(qū)總量的80%。其中以1 000 m 等深線為界，以東深水區(qū)為單體強(qiáng)孤立波分布區(qū)，以西則為在陸坡地形擾動(dòng)下強(qiáng)孤立波分裂生成的波包密集分布區(qū)。北部?jī)?nèi)波依存于臺(tái)灣海峽M2內(nèi)潮北向波束，總體向北傳播，數(shù)量約為海區(qū)總量的20%。由于海底地形陡然變淺，內(nèi)潮波迅速裂變耗散，形成細(xì)碎內(nèi)波密集分布。南向內(nèi)潮波束沿水深變深（相應(yīng)溫躍層也變深）方向傳播，不存在內(nèi)潮波非線性裂變、演化成內(nèi)孤立波的動(dòng)力條件[8]。因而，除圖7b 中小紅框示出的臺(tái)灣海峽南口海域之外，臺(tái)灣海峽M2內(nèi)潮南向波束對(duì)南海內(nèi)波的生成與演化幾無(wú)影響。上述成果表明，衛(wèi)星海面高度平面波分解技術(shù)應(yīng)用推動(dòng)了南海內(nèi)潮和內(nèi)波研究產(chǎn)生突破進(jìn)展。對(duì)長(zhǎng)期爭(zhēng)論不休的南海內(nèi)波產(chǎn)生機(jī)制和原生地問(wèn)題給出了確切答案。同時(shí)為研究更細(xì)節(jié)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題以及開(kāi)發(fā)局地內(nèi)波預(yù)報(bào)模式奠定了基礎(chǔ)。

圖7 南海北部由衛(wèi)星高度計(jì)沿軌海面高度場(chǎng)2D 平面波分解技術(shù)得出的M2 內(nèi)潮2D 輻射場(chǎng)（紅藍(lán)條帶）與衛(wèi)星觀測(cè)內(nèi)波波鋒線（綠細(xì)線）分布復(fù)合圖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 人工智能技術(shù)

巨量的海洋內(nèi)波衛(wèi)星圖像積累和分辨率越來(lái)越高的海洋動(dòng)力環(huán)境數(shù)據(jù)產(chǎn)品全球共享，為開(kāi)發(fā)人工智能（AI）技術(shù)對(duì)重要海區(qū)內(nèi)波開(kāi)展分析和建立預(yù)報(bào)模式提供了基礎(chǔ)資源。AI 技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于南海周邊邊緣海內(nèi)波研究中，例如蘇祿海（Sulu Sea）、蘇拉威西海（Celebes Sea）[50]以及安達(dá)曼海（Andaman Sea）[51]。尚未見(jiàn)到南海內(nèi)波AI 應(yīng)用成果問(wèn)世。本節(jié)評(píng)述Zhang 等[51]應(yīng)用AI 技術(shù)建立安達(dá)曼海內(nèi)波預(yù)報(bào)模式成果，以資借鑒。

安達(dá)曼海系東北印度洋邊緣海，周邊與海底地形復(fù)雜，在強(qiáng)潮汐作用下，成為內(nèi)波多發(fā)海域。衛(wèi)星圖像顯示，該海域內(nèi)波場(chǎng)呈多源激發(fā)、多向傳播（甚至背向傳播）以及多波交叉等特點(diǎn)，信息豐富。為預(yù)報(bào)安達(dá)曼海內(nèi)波傳播，Zhang 等[51]基于后向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（back-propagation neural network）發(fā)展了一種機(jī)器學(xué)習(xí)模式。利用從安達(dá)曼海2015 年至2019 年間123 幅中分辨率成像光譜輻射計(jì)（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometers，MODIS）和33 幅海洋陸地水色儀衛(wèi)星圖像中提取的1 189 個(gè)內(nèi)波樣本（包括波峰線長(zhǎng)度和峰-峰距離）以及與之對(duì)應(yīng)的海洋環(huán)境參數(shù)作為模式訓(xùn)練樣本，在此基礎(chǔ)上建立內(nèi)波傳播預(yù)報(bào)模式。預(yù)報(bào)操作時(shí)，以衛(wèi)星圖象實(shí)時(shí)觀測(cè)到的內(nèi)波波包先導(dǎo)波波鋒線位置為輸入信息，再輸入預(yù)報(bào)時(shí)刻，模式自動(dòng)輸出預(yù)報(bào)時(shí)刻的內(nèi)波將出現(xiàn)的位置。對(duì)多次預(yù)報(bào)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析表明，模式預(yù)報(bào)的一個(gè)潮周期之后內(nèi)波波峰線位置與后續(xù)衛(wèi)星圖像上顯示的位置之間的平均相關(guān)系數(shù)達(dá)95%，平均距離均方根差為3.21 km。這些結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于KdV 方程能夠達(dá)到的預(yù)報(bào)水平。圖8 示出8 次預(yù)報(bào)實(shí)例。

圖8 安達(dá)曼海內(nèi)波傳播人工智能預(yù)報(bào)模式應(yīng)用實(shí)例Fig.8 Cases of AI prediction model application to internal wave propagation in the Andaman Sea

2.3 快速深潛剖面浮標(biāo)技術(shù)

水下潛航剖面浮標(biāo)測(cè)量技術(shù)是自21 世紀(jì)發(fā)展起來(lái)的海洋觀測(cè)高新技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于全球大洋，推動(dòng)大洋環(huán)流研究不斷取得突破性進(jìn)展[52]。但是，現(xiàn)有的水下潛航剖面浮標(biāo)產(chǎn)品，例如Argo 浮標(biāo)，技術(shù)指標(biāo)有兩點(diǎn)關(guān)鍵局限性。一是水深測(cè)量范圍為海面至2 000 m，即該項(xiàng)技術(shù)不能用于測(cè)量深海環(huán)流。而深海環(huán)流研究對(duì)認(rèn)識(shí)全球氣候變化機(jī)制等重大科學(xué)問(wèn)題至關(guān)重要，必將成為全球海洋界研究重點(diǎn)。二是重復(fù)測(cè)量周期為10 d。這使得該項(xiàng)技術(shù)對(duì)觀測(cè)海洋環(huán)流高頻分量，例如近慣性振蕩、內(nèi)潮和內(nèi)波等亞中尺度過(guò)程，效果不彰。而亞中尺度過(guò)程是陸架淺海和邊緣海研究重要課題。正是科學(xué)研究的迫切需要，催生快速深潛剖面浮標(biāo)（Rapid-Sampling Deep Profiling Floats，RDPF）技術(shù)發(fā)展。

中國(guó)海洋大學(xué)等單位已于2019 年成功設(shè)計(jì)制造了10 臺(tái)RDPF 樣機(jī)，最大工作水深為4 000 m，重復(fù)測(cè)量周期為1 d。樣機(jī)已在南海、菲律賓海、馬里亞納海溝和黑潮延伸區(qū)進(jìn)行了投放試驗(yàn)，RDPF 樣機(jī)工作正常，取得首批科學(xué)數(shù)據(jù)[53]。南海RDPF 樣機(jī)試驗(yàn)投放位置為（114°58′48″E,18°06′00″N），居南海深海盆北部（圖1 中GZ），浮標(biāo)潛航范圍為（114°58′12″～115°36″E,17°59′24″～18°54′00″N），水深3 500～4 000 m（圖9a）。投放時(shí)間為2019 年5 月11 日，結(jié)束時(shí)間為同年8 月11 日，共計(jì)完成122 測(cè)量循環(huán)周期。對(duì)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)的分析結(jié)果表明，測(cè)溫傳感器靈敏度和精確度高，系統(tǒng)穩(wěn)定性好。由南海快速深潛剖面浮標(biāo)投放試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得出的0.1～1.8 d 內(nèi)波波段波動(dòng)引起的水溫起伏幅度垂直分布如圖9b 所示?？梢?jiàn)，該譜段對(duì)水溫的擾動(dòng)總趨勢(shì)為隨水深增加而減弱，1 500 m 以上較強(qiáng)，3 000 m 以下微小，唯全日潮擾動(dòng)直達(dá)海底。

圖9 南海快速深潛剖面浮標(biāo)投放試驗(yàn)Fig.9 Deployment test of rapid-sampling deep profiling float in the South China Sea

2.4 高分辨水下聲成像技術(shù)

聲波在水中傳播具有很強(qiáng)的穿透能力，用于水下探測(cè)和信息傳遞歷史久遠(yuǎn)，為海洋資源開(kāi)發(fā)和航行特別是水下航行安全保障發(fā)揮了獨(dú)特作用。聲波傳播對(duì)水體物理性質(zhì)變化反應(yīng)敏感，例如溫度、鹽度、密度、懸浮物、葉綠素、溶解氧和光照等的空間分布變化會(huì)引起聲波散射。因此，從水下聲波儀器接收到的聲回波信號(hào)中，可以提取多種海洋信息[54-56]。為探測(cè)海洋內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)而開(kāi)發(fā)的高分辨水下聲成像技術(shù)，適用于海洋內(nèi)波探測(cè)[19,57-58]。海洋多通道地震波成像技術(shù)（marine multichannel seismic imaging technique）是高分辨水下聲成像新技術(shù)，像元空間分辨率達(dá)O（10）m，已引入南海北部陸架內(nèi)波研究[59-61]。

Feng 等[62]于2020 年7 月將100 kHz 回聲探測(cè)儀（Innomar SES2000 Light parametric sub-bottom profiler），用于探測(cè)南海北部陸架靠近珠江口（圖1 中FY）的淺水（20～50 m）內(nèi)波。該儀器的圖像空間分辨率達(dá)10 cm，比上述地震波成像技術(shù)高2 個(gè)量級(jí)。圖10 中左列圖10a、圖10c、圖10e 和圖10g 示出該儀器測(cè)得的聲波后向散射圖像，右列圖10b、圖10d、圖10f 和圖10h 為解譯圖。圖像清楚顯示了4 個(gè)內(nèi)孤立波波包ISW1-ISW4 的精細(xì)結(jié)構(gòu)，從中可確定孤立波極性，測(cè)定波包內(nèi)孤立波個(gè)數(shù)、間距和擾動(dòng)深度等。特別是相當(dāng)精確地測(cè)得了孤立波特征半寬度。例如，從圖10e 中測(cè)得ISW3 的特征半寬度為2 m。同時(shí)，圖像還顯示內(nèi)波與環(huán)境相互作用信息，例如泡沫云形成與海底沉積物再懸浮等。這些信息是測(cè)溫鏈、CTD 和ADCP 等傳統(tǒng)內(nèi)波測(cè)量技術(shù)難以達(dá)到的。圖10b～圖10h 解譯圖中給出了海水上下2 層厚度、內(nèi)波傳播方向（向北或向岸）和利用KdV 方程孤立波解擬合得出的內(nèi)孤立波振幅（6.5～13.3 m）。這些結(jié)果表明，高分辨率回聲探測(cè)儀是海洋內(nèi)波探測(cè)技術(shù)中可探測(cè)參數(shù)最多、精度最高的一種高新技術(shù)，值得重視。

圖10 高頻回聲探測(cè)儀測(cè)得的南海北部陸架淺水聲波后向散射圖像和對(duì)應(yīng)的解譯圖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 結(jié)語(yǔ)

本文以2015 年至2021 年間在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表的論文為依據(jù)，評(píng)述南海內(nèi)波研究取得的新進(jìn)展。對(duì)具有代表性的亮點(diǎn)成果稍作展開(kāi)，以期為有興趣做進(jìn)一步了解的讀者打開(kāi)一扇窗。從評(píng)述的研究前沿和熱點(diǎn)來(lái)看，本文認(rèn)為過(guò)去7 a 南海內(nèi)波研究成果取得質(zhì)的提升，表現(xiàn)在如下方面：

1）從水平2D 觀測(cè)研究發(fā)展為3D 立體觀測(cè)研究

南海內(nèi)波觀測(cè)與研究，多年來(lái)主要依靠海面水平2D 衛(wèi)星圖像為信息來(lái)源，分析內(nèi)波時(shí)空分布統(tǒng)計(jì)特征、波包結(jié)構(gòu)和傳播特征，通過(guò)線性波動(dòng)理論和KdV 方程孤立波解提取部分動(dòng)力參數(shù)。而從本文評(píng)述的2015 年至2021 年之間取得的5 項(xiàng)代表性新成果可以看出，百分之百亮點(diǎn)成果都是采用潛標(biāo)或潛標(biāo)陣列與衛(wèi)星構(gòu)成的3D 立體觀測(cè)體系取得的。實(shí)現(xiàn)了由衛(wèi)星觀測(cè)為主要手段到以潛標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)為主要手段的質(zhì)的提升，在此前提下催生出振幅240 m 超強(qiáng)內(nèi)孤立波（1.1 節(jié)）、中尺度渦對(duì)內(nèi)波的調(diào)制作用（1.2 節(jié)）、重現(xiàn)周期23 h 內(nèi)孤立波（1.3 節(jié)）、內(nèi)孤立波裂變現(xiàn)象（1.4 節(jié)）以及深海盆內(nèi)波及動(dòng)能級(jí)串（1.5 節(jié)）等創(chuàng)新成果。

2）研究區(qū)開(kāi)始呈現(xiàn)向南海中部深海盆擴(kuò)展趨勢(shì)

南海內(nèi)波觀測(cè)與研究的海區(qū)分布此前主要集中在呂宋海峽以西和北部陸架，近年來(lái)出現(xiàn)向中部深海盆擴(kuò)展趨勢(shì)。例如，2015 年至2016 年間的南海深海盆底層環(huán)流觀測(cè)（1.5 節(jié)）和2019 年的快速深潛剖面浮標(biāo)技術(shù)試驗(yàn)（2.3 節(jié)）都是在中部深海盆進(jìn)行的，取得填補(bǔ)空白的成果。南海作為一個(gè)整體，南部深海盆、西部和南部陸架內(nèi)波觀測(cè)與研究尚待發(fā)展。

3）高新技術(shù)應(yīng)用助推科學(xué)研究突破

海洋探測(cè)高新技術(shù)應(yīng)用于南海內(nèi)波觀測(cè)與研究，取得突破性成果。如本文第2 節(jié)所評(píng)述，由衛(wèi)星高度計(jì)沿軌海面高度場(chǎng)2D 平面波分解技術(shù)得出的南海M2內(nèi)潮輻射圖，解決了多年?duì)幷摬恍莸哪虾１辈績(jī)?nèi)波生成機(jī)制和生成源地問(wèn)題。人工智能技術(shù)成功應(yīng)用于建立南海鄰近的邊緣海內(nèi)波傳播預(yù)報(bào)模式。模式預(yù)報(bào)的1 個(gè)潮周期之后內(nèi)波波峰線位置與后續(xù)衛(wèi)星圖像上顯示的位置之間的平均相關(guān)系數(shù)達(dá)95%，平均距離均方根差為3 km?？焖偕顫撈拭娓?biāo)技術(shù)應(yīng)用南海北部深海盆，得出0～3 500 m 全水深內(nèi)波波段（0.1～1.8 d ）波動(dòng)引起的水溫起伏幅度垂直分布。高分辨水下聲成像技術(shù)，包括人工地震技術(shù)和回聲探測(cè)儀，已成功應(yīng)用于南海北部陸架內(nèi)波觀測(cè)與研究。其中回聲探測(cè)儀圖像空間分辨率達(dá)10 cm，清楚顯示內(nèi)孤立波波包精細(xì)結(jié)構(gòu)，特別是精確測(cè)得水平尺度僅為2 m 的孤立波特征半寬度。這是此前內(nèi)波測(cè)量技術(shù)難以達(dá)到的精度。

如前所述，內(nèi)波研究的科學(xué)意義在于，內(nèi)波的時(shí)間尺度處于亞中尺度過(guò)程最底端，是海洋能量級(jí)串研究不可逾越的重要環(huán)節(jié)。特別是內(nèi)波引起的湍流混合對(duì)上層海洋動(dòng)力學(xué)和海洋內(nèi)部熱結(jié)構(gòu)研究以及跨學(xué)科研究具有重要意義。但是，從能量譜角度來(lái)看，內(nèi)波并不是對(duì)局地海洋環(huán)流具有重大影響的能量分量。而內(nèi)波研究的重要性在于應(yīng)用或工程領(lǐng)域。因?yàn)槠渚薮竽芰浚ㄇ‘?dāng)?shù)卣f(shuō)應(yīng)為功率）和動(dòng)量沖量對(duì)所有海洋工程設(shè)施和水下航行載體都是災(zāi)難性的存在。因此，在積累大量科學(xué)研究成果基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)局地實(shí)時(shí)精準(zhǔn)內(nèi)波預(yù)報(bào)服務(wù)，是所有海洋產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)、保障水下航行活動(dòng)安全必須重視的課題。本文評(píng)述的采用人工智能技術(shù)建立內(nèi)波傳播預(yù)報(bào)模式的成功實(shí)例，可供建立南海內(nèi)波實(shí)時(shí)精準(zhǔn)預(yù)報(bào)模式所借鑒。