基于声学背散射数据的南海北部东沙海域内孤立波特征研究*
*感谢匿名审稿专家提出的宝贵修改意见和建议。
熊鑫(2000—), 男, 湖北省孝感市人, 硕士研究生, 从事海洋测绘研究。email: xxin200012@126.com |
Copy editor: 林强
收稿日期: 2025-01-15
修回日期: 2025-02-12
网络出版日期: 2025-02-21
基金资助
国家重点研发计划项目(2022YFC3103800)
广州市基础与应用基础研究项目(2025A04J5494)
广州市基础与应用基础研究项目(2023A04J0191)
Study on the characteristics of internal solitary waves in the Dongsha area of the northern South China Sea based on acoustic backscatter data*
Copy editor: LIN Qiang
Received date: 2025-01-15
Revised date: 2025-02-12
Online published: 2025-02-21
Supported by
National Key Research and Development Program of China(2022YFC3103800)
Science and Technology Projects of Guangzhou(2025A04J5494)
Science and Technology Projects of Guangzhou(2023A04J0191)
本研究利用2021年8月采集的声学背散射数据和同步水文数据, 结合卫星遥感图像, 分析东沙群岛西侧110~180m水深海域内孤立波(internal solitary waves, ISWs)的传播和演化过程。声学图像和同步观测投弃式温深仪(expendable bathythermograph, XBT)温度剖面图的比较结果显示声学图像可对150m以上水体结构精细成像。声学数据探测到3组内孤立波(ISW1、ISW2、ISW3)。内孤立波最大振幅-20~30m, 半波宽-160~380m。ISW1-3内孤立波传播速度分别为1.0、1.2和1.5m·s-1。内孤立波的波形特征和传播速度的观测参数更符合简化两层KdV(Korteweg-de Vries)模型的结果。ISW1具有复杂的波形特征, 而ISW3受到陆坡地形的影响具有不对称波形结构, 表明这两组内孤立波发生强烈的耗散。高分辨率声学和物理海洋联合同步观测, 可有效弥补单一手段的不足, 提高人们对南海北部内孤立波的复杂的传播过程的理解。
熊鑫 , 冯英辞 , 杨仁辉 , 孙杰 , 李健 , 詹文欢 , 吕开云 . 基于声学背散射数据的南海北部东沙海域内孤立波特征研究*[J]. 热带海洋学报, 2025 , 44(3) : 14 -23 . DOI: 10.11978/2025010
Internal solitary waves (ISWs) west of Dongsha islands in the northern South China Sea (SCS) were studied using acoustic backscatter data collected in August 2021. Satellite images and XBT profiles obtained simultaneously were integrated to analyze the propagation and evolution processes of ISWs at depths 110~180 m. A comparison between acoustic backscatter images and concurrent XBT profiles revealed that acoustic imaging captured fine-scale water structures with minimal discrepancies in the upper 150 m. The acoustic section captured three soliton trains (ISW1, ISW2, and ISW3) with distinct vertical and horizontal scales of -20~30 m and -160~380 m, respectively. Their propagation speeds were 1.0, 1.2, and 1.5 m·s-1, respectively. The observed characteristics of ISWs align more closely with predictions from theoretical two-layer Korteweg-de Vries (KdV) models. ISW1 displays complex waveform characteristics, while ISW3 exhibits an asymmetric waveform structure influenced by slope topography, suggesting strong dissipation in both cases. The combination of high-resolution acoustic and hydrographic techniques provides a comprehensive approach to overcoming the limitations of single-instrument measurements, enhancing our understanding of the complex propagation processes of ISWs in the northern SCS.
图 4 研究区域温度、盐度、密度和浮力频率深度剖面a. 研究区温度剖面, 红色曲线为12年区域8月份平均温度剖面, 灰色曲线为研究区历史温度剖面, 蓝色和黑色分别代表XBT1和XBT2温度剖面; b. 研究区盐度剖面, 红色曲线为12年区域8月份平均盐度剖面, 灰色曲线为研究区历史盐度剖面; c. 根据历史平均温盐剖面计算得到的研究区密度剖面; d. 根据密度数据计算得到的研究区浮力频率剖面 Fig. 4 Depth profiles of temperature, salinity, density and buoyancy frequency in the study area |
表1 内孤立波的观测参数*Tab. 1 Observed parameters of internal solitary waves |
内孤立波 | 经度 | 纬度 | 时间 | 水深/m | 振幅/m |
---|---|---|---|---|---|
ISW1 | 115°30′06.7″E | 21°18′55.3″N | 10:16:37 | 114.3 | 20 |
ISW2 | 115°29'40.5″E | 21°03'37.3″N | 11:06:49 | 119.8 | 31 |
ISW3 | 115°33'01.6″E | 20°56'45.6″N | 12:43:04 | 179.0 | 19 |
注: *量取首个大振幅内孤立波的波谷。 |
图 6 内孤立波(ISW1)声学背散射图像Fig. 6 Magnified view of acoustic backscatter image showing ISW1 |
表 2 内孤立波观测和模型参数Tab. 2 Internal solitary waves observation and model parameters |
ISW | 观测振幅 /m | 观测半波宽度 /m | 校正后半波宽度 L/m | 观测传播速度 /(m·s-1) | 理论计算模型 | 理论特征宽度Δ/m | 解析比L/Δ (理论值1.76) | 模型理论传播速度/(m·s-1) |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
ISW2 | 31 | 155 | 168 | 1.2 | 双层KdV模型 | 94 | 1.79 | 1.0 |
双层eKdV模型 | 80 | 2.10 | 0.8 | |||||
连续层结KdV模型 | 52 | 3.23 | 0.7 | |||||
ISW3 | 19 | 307 | 380 | 1.5 | 双层KdV模型 | 209 | 1.82 | 1.1 |
双层eKdV模型 | 126 | 3.01 | 1.0 | |||||
连续层结KdV模型 | 285 | 1.33 | 0.6 |
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