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Journal of Tropical Oceanography >

2023 , Vol. 42 >Issue 6: 29 - 41

DOI: https://doi.org/10.11978/2022265

Marine Hydrology

Characteristic statistics and analysis of internal waves in the continental slope area west of the Dongsha Plateau on the northern South China Sea in the autumn of 2021*

  • XIE Botao , 1 ,
  • HUANG Bigui 1 ,
  • YANG Wei , 2, 3 ,
  • LI Ruixiang 2, 3 ,
  • ZHANG Yan 2, 3 ,
  • LIU Tongmu 2, 3 ,
  • LI Xiangyi 2, 3
Expand
  • 1. China National Offshore Oil Corporation Research Institute, Beijing 100028, China
  • 2. South China Sea Marine Survey Center, Ministry of Natural Resources, Guangzhou 510300, China
  • 3. Key Laboratory of Marine Environment Survey Technology and Application, Ministry of Natural Resources, Guangzhou 510300, China
YANG Wei. email:

Copy editor: LIN Qiang

Received date: 2022-12-28

  Revised date: 2023-03-09

  Online published: 2023-03-14

Supported by

Key-Area Research and Development Project of Guangdong Province(2020B111102003)

Study on Internal Wave Zoning and Engineering Parameters in the North of the South China Sea(YXKY-ZX 10 2021)

Key Technologies of Refined Environmental Prediction and Parameter Zoning for Offshore Oil and Gas Fields(YXKY-ZX 07 2020)

Research on Deepwater Marine Environmental Monitoring and Data Platform(KJGG2022-0202)

Fold

Abstract

Observations from three moorings deployed in the continental slope area west of the Dongsha Plateau on the northern South China Sea (NSCS) from September to October 2021 are collected for the characteristic analysis of internal waves and internal solitary waves in the Liuhua oilfield area. Harmonic analysis shows the barotropic currents are obviously less than the baroclinic currents on the surface and bottom water layer. By comparison with the barotropic tidal currents obtained from TOPEX/Poseidon Global Inver Solution (TPXO7.2), it is found that the model results of semidiurnal tides are significantly better than that of diurnal tides, and the simulated results underestimate the current amplitude of O1 tidal constituent, but overestimate that of K1 tidal constituent. The internal tides show surface-bottom intensified baroclinic mode-1 structure, and the major axis of tidal ellipse of O1 tidal constituent is larger than that of K1. During the whole observation period, there are four internal solitary waves (ISWs) clusters passed by the Liuhua oilfield area in total, and the appearance time lags 3~4 days behind the astronomical spring tide of Luzon Strait. There are a total of 88 ISWs recorded at mooring of LH2, including 31 solitons and 57 ISW packets, and the averaged amplitude is 31 m. The daily appearance time for the ISWs concentrates between 4~6 am, 11 am-1 pm and 6~8 pm, and more than 45% of solitons appears between 4~6 am. By tracking the propagation process passed by LH1, LH2 and LH3 of 5 ISWs appeared between 8~12 September, the calculated phase speed for the ISWs is 1.23 m·s-1 between LH1 and LH2 and 1.77 m·s-1 between LH2 and LH3, and the theoretical propagation speed is 1.55 m·s-1 based on the linear wave equation and Kdv equation. The statistical results in this paper further strengthen the understanding of the internal waves in the Liuhua oilfield area on the NSCS under the typical autumn environment.

Key words： Dongsha Plateau; continental slope area; internal tides; internal solitary wave

Cite this article

XIE Botao , HUANG Bigui , YANG Wei , LI Ruixiang , ZHANG Yan , LIU Tongmu , LI Xiangyi . Characteristic statistics and analysis of internal waves in the continental slope area west of the Dongsha Plateau on the northern South China Sea in the autumn of 2021*[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2023 , 42(6) : 29 -41 . DOI: 10.11978/2022265

内波是发生在海洋内部的波动, 海水密度层和局地扰动是其发生的两个前提条件。当海水质点受到扰动离开平衡位置, 水质点在恢复力的作用下, 在平衡位置上下振动, 运动随之以波动的形式向外传播。因不同水层海水密度差远小于水气界面密度差, 较小的局地扰动便可产生海洋内部的大振幅波动。海洋内波的振幅一般为O(10m), 甚至高达O(100m)。内潮和内孤立波作为两种最具有代表性的海洋内波, 近年来获得了广泛的关注。
内潮通常发生于有较强正压潮流且海底地形剧烈变化的海域, 南海作为西太平洋最大的深水边缘海, 复杂的吕宋海峡地形和强大的太平洋潮波相互作用使得南海成为全球海洋内潮研究中的热点(Alford et al, 2015)。模型计算结果表明, 由西北太平洋进入南海的潮波在地形作用下, 约25%M2分潮(56GW中的14GW) (Niwa et al, 2004)和36%K1分潮(34.2GW中的12.4GW) (Jan et al, 2007)的正压潮能转换成了斜压能量。吕宋海峡西传斜压能量主要以低模态内潮和内孤立波的方式进入南海(Zhao et al, 2014; Alford et al, 2015), 其中全日内潮略强于半日内潮, 第一斜压模态全日内潮波长约为350km, 半日内潮约为135km(Farmer et al, 2011)。在经过南海东北部深水海盆到达东沙岛附近海域后, 小部分能量会被反射回深海(Alford et al, 2015), 部分内潮则会在陆坡区变形破碎(Klymak et al, 2011; Xie et al, 2018), 另一部分则转化成高频非线性内波(Lien et al, 2005; Chang et al, 2006), 最终绝大部分斜压能量在浅水陆架区耗散(Alford et al, 2015)。因此东沙岛附近海域是南海北部内潮研究的热点区域。现场观测数据显示, 东沙岛陆坡海域以全日内潮为主, 半日内潮相对较弱(Duda et al, 2004; 张效谦 等, 2005; 蒋暑民 等, 2019), 同时因局地地形坡度满足全日内潮生成的临界条件, Duda等(2008)认为部分全日内潮可能是局地产生的。
与内潮不同, 内孤立波(internal solitary waves, ISWs)通常指存在密度跃层中的非线性大振幅波动(蔡树群 等, 2011), 其在国防军事安全和海上工程开发应用方面均有重要的研究意义(Alford et al, 2010)。基于近几十年日益发展的卫星遥感和现场观测技术, 全球海洋中的内孤立波得到了广泛研究(Klymak et al, 2006; Jackson et al, 2012)。南海是全球海洋中非线性内波最强的海域(Alford et al, 2010), 其引起的水平和垂向的速度可以超过2和0.7m·s-1(Klymak et al, 2006; Cai et al, 2012; Huang et al, 2014)。通过卫星遥感观测可知自南海北部至中南半岛沿岸以及南海南部陆架区均有内孤立波存在(Li et al, 2008; Wang et al, 2012; Zhao et al, 2014), 具体发生位置可以通过全球海洋协会(Global Ocean Associates, http://www.internalwaveatlas.com/)提供的星载合成孔径雷达图片查阅。目前关于南海内孤立波现象的研究主要集中于吕宋海峡至东沙岛之间的海域, 现有长时间高频率潜标观测的海流及温盐数据也基本上集中于这个区域(Cai et al, 2012; Guo et al, 2014; Chen et al, 2019)。研究表明自吕宋海峡产生的内潮在经过东沙岛地形作用后, 更容易生成内孤立波(Lien et al, 2005; Chang et al, 2006)。东沙岛以西海域的内孤立波研究多基于遥感图片(Li et al, 2008; Wang et al, 2012), 现场观测资料较少。石新刚 等(2013)利用2011年4月的潜标观测数据分析了流花海域内孤立波的基本特征; Chen等(2019)利用布放在东沙岛西南西方向130km, 约397m深度处为期1年的垂向海流、温盐数据统计了不同类型内孤立波(一模态单波、波列、二模态内孤立波)的发生频率、振幅、传播速度、波致流速等特征, 并表明KdV方程可以很好地描述东沙岛以西海域内孤立波的非线性特征。
流花油田区是我国南海北部重要的油田开发区, 近年来油气开采活动频繁。工程海域位于内波活跃海域, 潜在的内波过程对海上工程活动及设施构成重大安全风险, 开展油气开采区内波特征的统计和分析具有重要意义。因此, 本文利用布放在流花油田区的3套潜标数据, 统计分析了2021年秋季南海北部东沙岛以西陆坡区内潮和内孤立波的分布特征。

1 数据与方法

1.1 实测数据

为了解南海北部东沙海域流花油田区内波分布特征, 中海油研究总院有限责任公司委托自然资源部南海调查中心于2021年秋季在东沙岛以西陆坡区布放了3套观测潜标(LH1—LH3), 站位分布见图1, 潜标位置及观测信息统计见表1。
图1 南海北部东沙岛以西陆坡区潜标观测站位分布

基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2019)1825号的标准地图制作。五角星为3套观测潜标LH1—LH3, 地形数据来自etopo2(https://www.ngdc.noaa.gov/mgg/global/relief/ETOPO2/ETOPO2v2-2006/)

Fig. 1 Sampling locations of the three moorings (LH1-LH3, pentagrams) on the shelf area west of the Dongsha plateau, northern South China Sea. The bathymetry (black contours) is taken from etopo2 (https://www.ngdc.noaa.gov/mgg/global/relief/ETOPO2/ETOPO2v2-2006/)

表1 LH1—LH3站潜标位置信息、观测设备、观测时长及观测深度统计表

Tab. 1 Location information, observation period, instrument, and sample depth of moorings at the sites LH1-LH3

站位 经度 纬度 水深/m 观测设备 观测时段 流速剖面深度范围/m
LH1 115°58.230′E 20°51.605′N 368 300 & 150kHz ADCP 08.28—11.03 12~328
LH2 115°44.422′E 20°42.006′N 378 4*300 & 600kHz ADCP
4* SBE37 & 15* SBE 56		 08.27—10.29 12~370
LH3 115°34.828′E 20°28.774′N 440 2* 300kHz ADCP 09.02—11.05 12~180

注: ADCP全称为声学多普勒流速剖面仪(acoustic Doppler current profiler); SBE 37和SBE 56均为美国Sea-Bird公司的SBE系列温盐深测量仪

3套潜标组成的观测断面位于南海北部东沙岛以西水深变化在300~500m范围内的陆坡区, 实测水深分别为368、378和440m。LH1站潜标包括300kHz和150kHz的声学多普勒流速剖面仪(acoustic Doppler current profiler, ADCP)各1套, 分别位于约90(向上)和340m(向上)的深度进行观测; LH2站潜标包括4套300kHz ADCP, 分别位于约96 (向上)、98 (向下)、273 (向上)和354m(向上)深度进行观测, 另外1套600kHz ADCP位于约358m深度向下观测, 同时LH2站潜标在50、100、150和200m深度配有4台 SBE 37进行温度和盐度观测, 在15个深度(60、70、80、90、110、120、130、140、160、180、220、240、260、280、300m)配有SBE 56进行剖面水温观测; LH3站潜标包括2套300kHz ADCP, 位于约90m深度分别向上及向下观测上层180m深度剖面海流。在垂向剖面上, LH1和LH2潜标ADCP海流观测覆盖的深度范围分别是12~328m和12~370m, 占站位的水深百分比分别为86%和95%。LH2站温盐传感器的采样间隔为1min, 各站ADCP的采样间隔均为2min, 对于150、300和600kHz ADCP剖面海流的观测层厚分别为8、4、1m。各潜标站有效采样时间段统计见表1, 观测数据经过奇异值和异常值剔除后, 本文主要利用9月1日至10月31日获取的数据开展该海域秋季内波特征的统计和分析。

1.2 数据处理方法

1.2.1 正压、斜压潮流分离

将经过质量控制的流速数据进行30点(周期为60min)滑动平均, 输出平滑后整点时刻的数据用于正压、斜压流分离计算。正压海流定义为各层海流观测数据的垂向积分平均,
${{U}_{bt}}(t)=\frac{1}{H}\int_{-H}^{0}{U(z,t)\text{d}z}$
斜压海流为实测海流去除正压部分后的剩余海流,
${{U}_{bc}}(z,t)=U(z,t)-{{U}_{bt}}(t)$
其中H为水深, U(z, t)为整点时刻各水层海流观测值, Ubt(t)为对应时刻正压海流, Ubc(z, t)为对应时刻各水层斜压海流。

1.2.2 带通滤波

带通滤波是指允许某一频率范围内的频率分量通过, 并将其他范围的频率分量衰减到极低水平的操作, 被广泛用于提取特定频段内的信号。本文利用带通滤波技术处理原始斜压海流以获得全日和半日频段斜压流的时间序列, 其中全日分潮的带通频段分别为0.9O1~1.1K1 cpd(即0.84~1.10cpd), 略窄于Guo等(2012) 和 Xu等(2013) 所使用的0.80~1.20cpd。滤波器采用经典的4阶Butterworth带通滤波器, 以尽可能降低滚降和吉布斯现象, 优化滤波效果。

1.2.3 内潮水平动能

内潮水平动能(horizontal kinetic energy, HKE)的计算公式如下(Guo et al, 2012; Huang et al, 2018):
$\text{HKE}=\int_{-H}^{0}{hke(z,t)\text{d}z=\frac{1}{2}}\int_{-H}^{0}{\left\langle {{\rho }_{0}}U_{bc}^{2}(z,t) \right\rangle }\text{d}z$
其中Ubc(z, t)是带通滤波的斜压海流, ρ0是海水密度, H代表水深, 尖括号表示一个潮周期的平均。

1.2.4 内孤立波波致流速

内孤立波引起的水平uISW和vISW速度分别为:
${{u}_{\text{ISW}}}=u-{{u}_{\text{b}}}$
${{v}_{\text{ISW}}}=v-{{v}_{\text{b}}}$
其中u、v为ADCP观测直接获得的水平流速; ub、vb为孤立波达到前的环境背景场流速, 一般计算为内孤立波到达前半个小时内ADCP观测流速的平均值(Huang et al, 2014; Chen et al, 2019)。

2 内潮特征

2.1 正压潮流

正压潮流计算在斜压潮流分离中很重要, 目前南海北部海域正压潮流计算主要有两种方法, 一种是各层海流观测数据垂向积分的深度平均(Beardsley et al, 2005), 这种方法要求尽可能全水深的海流观测数据, 因此在陆坡、陆架区较容易实现。这其中最具代表性的研究成果是基于2001年亚洲海声学实验在东沙岛东北海域获得的5个站点约1个月(4—5月)观测资料计算的正压潮流椭圆分布(Beardsley et al, 2005), 其也被广泛用于验证南海的内潮数值模型(Jan et al, 2007; Xu et al, 2016); 另一种方法是根据全球潮汐模型计算的正压潮流, 研究表明利用Oregon State University全球潮汐模型TPXO(Egbert et al, 2002)计算的吕宋海峡附近海域正压潮流与观测结果有较好的一致性(Ramp et al, 2004; Alford et al, 2011), 因而被广泛应用于南海深水区的正压、斜压流分离(Xu et al, 2014; Cao et al, 2017; Huang et al, 2018)。
在本文所用的LH2站潜标资料中, 剖面海流的垂向深度覆盖率为95%, 因此直接进行垂向积分计算正压潮流, 并进一步用于对比验证全球潮汐模型在东沙岛以西陆坡海域的计算结果。图2中黑色椭圆是实测正压潮流经过最小二乘调和分析计算得到的四个主要全日和半日分潮的潮流椭圆分布。对于全日K1和O1分潮, LH2站椭圆长轴分别为3.5和1.1cm·s-1, 半日M2和S2分潮的椭圆长轴分别为1.8和1.1cm·s-1。红色椭圆是利用TPXO 7.2计算得到了LH2站点正压潮流椭圆分布, 对于全日K1和O1分潮, 椭圆长轴分别为2.3和2.1cm·s-1, 半日M2和S2分潮的椭圆长轴分别为2.2和1.1cm·s-1。两种方法计算的四个主要全日和半日椭圆参数统计见表2, 进一步比较发现, TPXO 7.2对于半日分潮的模拟结果要明显好于全日分潮, 这不仅表现在潮流椭圆的长轴和短轴流速, 椭圆倾角及相位差也表现出较好的一致性, 尤其是半日S2分潮。对于全日分潮, 实测海流计算结果表明O1分潮要明显大于K1分潮, 且两者倾角也有一定的差异, 而全球潮汐模型计算结果表明O1和K1分潮在潮流振幅和椭圆倾角方面均较为接近, 因此可知TPXO 7.2在南海北部东沙岛以西海域低估了O1分潮, 而高估了K1分潮的正压潮流振幅。
图2 LH2站主要全日和半日分潮正压潮流椭圆分布

全日: O1、K1; 半日: M2、S2; 黑色椭圆来自潜标观测, 红色椭圆来自模型计算; 左上角为2cm·s-1的速度标尺

Fig. 2 Barotropic tidal ellipses of the principal diurnal (O1, K1) and semidiurnal (M2, S2) constituents at LH2 (Black ellipses is calculated from moor data, red ellipses is from TPXO 7.2, the upper-left icon is the current scale of 2 cm·s-1)

表2 LH2站主要全日和半日分潮正压和斜压潮流椭圆参数

Tab. 2 Ellipse parameters of the principal diurnal and semidiurnal barotropic and baroclinic tidal constituents of LH2

长轴/(cm·s-1) 短轴/(cm·s-1) 倾角/° 相位/°
O1 正压潮流 3.5 1.6 81 97
TPXO 7.2 2.3 0.5 19 15
斜压潮流 25m 21.3 -14.9 137 340
105m 5.6 -1.4 118 335
200m 2.0 -1.0 66 25
300m 13.6 -9.7 116 163
350m 13.4 -9.5 117 188
K1 正压潮流 1.1 0.5 142 247
TPXO 7.2 2.1 0.6 24 59
斜压潮流 25m 13.3 -10.2 132 127
105m 1.7 -0.8 96 161
200m 4.4 -4.2 170 226
300m 5.8 -5.2 144 312
350m 5.6 -4.1 112 330
M2 正压潮流 1.8 0.4 155 194
TPXO 7.2 2.2 0.7 175 199
斜压潮流 25m 4.6 -3.0 176 131
105m 0.5 0.1 61 263
200m 1.0 -0.2 149 282
300m 2.2 -1.0 9 149
350m 1.9 -1.3 136 12
S2 正压潮流 1.1 0.6 163 232
TPXO 7.2 1.1 0.6 170 225
斜压潮流 25m 1.9 -1.7 34 244
105m 1.6 -0.6 137 43
200m 0.4 -0.2 156 5
300m 0.5 -0.2 8 141
350m 1.4 -0.8 95 316

2.1 斜压潮流

利用最小二乘调和分析对LH2站的斜压海流进行了调和分析(图3)。全日内潮潮流振幅在表层和底层较大, 且明显大于半日内潮的潮流振幅, 全日O1分潮的潮流振幅要大于K1分潮。表2给出了5个不同深度各主要全日和半日分潮斜压潮流椭圆参数, O1分潮在上层和底层的椭圆长轴分别为21.3和13.6cm·s-1, 上层和底层有近180°的相位差, 显示为典型的第一斜压模态结构, 流速的反转深度位于约200m, 椭圆长轴减弱至2.0cm·s-1。K1分潮在上层和底层的椭圆长轴分别为13.3和5.8cm·s-1, 上层和底层同样有近180°的相位差。表底强化的第一斜压模态为南海北部典型的内潮结构, 在许多研究中都有描述(Duda et al, 2008; Guo et al, 2012; Xu et al, 2013), 但略有不同的是, 本文计算的流花油田区的O1分潮斜压潮流振幅要明显大于K1分潮。
图3 LH2站各主要全日和半日分潮斜压潮流椭圆分布图

全日: K1、O1; 半日: M2、S2; 左上角为10cm·s-1速度标尺

Fig. 3 Baroclinic tidal ellipses for the principal diurnal (K1 and O1) and semidiurnal (M2 and S2) constituents at LH2 (the upper-left icon is the current scale of 10 cm·s-1)

图4是对2021年9—10月LH2站纬向和经向斜压海流进行带通滤波得到的全日频段内潮流, 并依此计算所得的全日内潮水平动能时间分布。垂向分布上, 全日内潮表现为较明显的表底强化第一斜压模态结构, 纬向和经向的斜压海流在上层80m可达35~40cm·s-1, 在底层100m可达20~25cm·s-1, 且经向方向的斜压流略大于纬向方向。时间尺度上, 全日内潮流有着较明显受天文潮影响的半月周期变化特征, 水平动能的极大值均发生在农历朔日(初一)、望日(十五)附近几天, 具有一定的半月不等特征, 望日周期能量大于朔日周期。9月20日(农历八月十四)和10月17日(农历九月十二)的日平均全日内潮水平动能分别为5799和5604J·m-2, 均为各自月份的最大值。
图 4 2021年9月1日—10月31日LH2站全日内潮流时间分布图

a. HKE; b. u; c. v

Fig. 4 Time series of the diurnal ITs at LH2 from 1st September to 31st October 2021. (a) HKE; (b) u; (c) v

3 内孤立波特征

3.1 内孤立波统计特征

为了解东沙岛以西陆坡区内孤立波的发生规律, 对LH2站150m层温度进行了6h高通滤波, 结果如图5a所示。2021年9—10月, 调查海域有4次内孤立波群集中出现, 与天文大潮出现的频率一致, 且每个内孤立波群的持续时间为8~10d, 随后进入5~6d的内孤立波平静期, 每月第二个内孤立波群的温度振幅更大, 显示内孤立波能量更强、更为活跃, 与内潮能量的变化特征保持一致。图5b为TPXO 7.2预报的吕宋海峡(20°N, 122°E)同期天文潮位时间过程线, LH2站内孤立波群与吕宋海峡天文大潮期有相对固定的相位差, 滞后时间为3~4d。LH2站与吕宋海峡间的直线距离L≈550km, 按照正压潮波的传播速度$c=\sqrt{gH}$, 如果南海北部平均水深取1000m, 则t=L/c≈1.5h, 如果按3d来反算对应的传播速度, 则可得出c≈2m·s-1, 符合深水区的内潮及内孤立波传播规律(Alford et al, 2010), 因此可判断流花油田区的斜压能量主要来自吕宋海峡, 而非局地生成, 至于观测到的内孤立波是局地生成还是由吕宋海峡传播而来, 需要进一步分析研究。
图5 LH2站150m层6h高通滤波的温度过程线(a)及吕宋海峡(122°E, 20°N)同期预报潮位过程线(b)

Fig. 5 Time series of 6h high-pass filtered temperature fluctuations at 150 m at site LH2 (a) and predicted tidal elevation in the Luzon Strait (122°E, 20°N) (b)

将波致流速大于20cm·s-1作为识别内孤立波的判定标准(Huang et al, 2014), 2021年9—10月LH1、LH2和LH3依次出现90、88和79个内孤立波。图6是LH2站观测内孤立波的统计特征, 图7是三个站位内孤立波发生时刻的统计。在LH2站记录的88个内孤立波过程中, 分别有31个孤立波和57个波列过程。在农历月的逐日统计中, 内孤立波集中发生在初五和二十前后几天, 其中农历月初四至初七的内孤立波发生频率为28.8%, 农历十八至二十的发生频率为15.4%, 而农历二十六至三十则无强内孤立波事件出现。在每日逐时发生时刻统计中, LH2站内孤立波集中出现于每日04:00—06:00、11:00—13:00和18:00—20:00三个时间段, 发生频率分别为27.3%、15.9%和18.2%, 而当日23:00至次日03:00的发生频率仅为4.5%。另外单孤立子内波过程较集中每日上午时段, 超过45%的单孤立子内波发生在每日的04:00—06:00之间, 而超过67%发生在每日12:00之前。通过定义25℃等温线的深度变化来计算LH2站高频内波过程的振幅, 88个内波过程的平均振幅为31m, 小于根据2016—2017年东沙岛以西陆坡区约400m深度处潜标数据计算所得43m的平均振幅(Chen et al, 2019)。LH2站各振幅深度范围统计显示, 超过33%的内波过程的振幅在30~40m, 接近27%的内波过程振幅小于20m, 振幅超过50m的内波过程仅占6%。2021年9—10月观测期间LH2站内波的最大振幅为61m, 发生在10月20日16时, 统计的波致流速显示, 54.7%的内波过程引起的波致流速在50~80cm·s-1, 而波致流速大于100m·s-1的内波过程仅为5.3%, 观测期间最大波致流速为115cm·s-1, 发生在10月10日18:34附近, 对应振幅为57m。
图6 LH2站内孤立波特征统计

a. 观测期间农历月中逐日内孤立波发生频率统计; b. 逐时内孤立波发生频率统计; c. 内孤立波振幅分布统计; d. 波致流速分布统计

Fig. 6 Characteristic statistics of NIWs at LH2. (a) Daily frequency statistics in the lunar month; (b) hourly frequency statistics; (c) amplitude distribution statistics; (d) wave-induce current distribution statistics of NIWs during the observation period

图7 2021年9—10月LH1、LH2和LH3站内孤立波出现时间统计

Fig. 7 Occurrence time statistics of NIWs passed by moorings of LH1, LH2 and LH3 from September to October 2021

通过内孤立波发生时刻统计可以看出, 2021年9—10月间共有4次集中的内孤立波群依次经过LH1、LH2和LH3站。Ramp等(2004)根据2001年亚洲海声学实验的观测数据, 定义了南海北部a型和b型两种不同类型的内孤立波, 其中a型波的周期约为24h; b型波周期约为25h。在本次观测中, 较集中的a型波和b型波均被较完整记录, 其中在9月和10月中下旬, 每天均有两次周期约25h的b型波依次经过LH1、LH2和LH3站, 在10月8—13日, 每天两次周期约24h的a型波经过调查海域。

3.2 典型内孤立波结构

2021年9—10月间, 经过流花油田区的均为第一斜压模型下降型内孤立波, 主要的垂向结构表现为上表层为西北向波致海流, 下底层为东南向海流, 上200m深度等温线向下隆起明显, 表现为固定深度温度正向异常变化, 单个孤立子影响时间约20min左右, 波列的持续时间则可长达数个小时。图8为LH2站观测记录典型内孤立波和波列过程的温度剖面及波致流速的垂向结构分布。
图8 LH2站10月10日内孤立波(a)和9月21日内波波列(b)温度剖面及纬向—垂向海流分布图

白色实线为25℃等温线

Fig. 8 Distributions of temperature profile and current field consisting of zonal and vertical velocity at LH2. (a) Single internal wave observed on 10th October; (b) internal wave packets observed on 21st September. White solid line indicates isotherm for 25 ℃

2021年10月10日18—19时, 典型第一斜压模态下降型内孤立波经过LH2站潜标。该孤立波持续时间约20min, 影响范围覆盖整个水层, 波致流速最大值发生时刻为18:34, 上层引起的最大流速变化为80m深度的115cm·s-1, 波致流向285°, 纬向最大波致流速超过110cm·s-1, 下层350m深度反向最大流速变化约40cm·s-1, 25℃等温线深度自70m下降至127m附近, 振幅为57m。10月10日12—18时, 典型内孤立波列经过LH2站, 该波列包含至少5个波致流速大于20cm·s-1、振幅超过20m的内孤立子。排列在最前的内孤立子持续时间约15min, 引起的最大流速变化位于约50m深度, 大小为93cm·s-1, 波致流向287°, 25℃等温线振幅为35m; 能量最大内孤立子发生在16:46, 引起的最大流速变化位于约75m深度, 大小为110cm·s-1, 波致流向310°, 振幅超过45m。

3.3 内孤立波传播演变特征

为了讨论内孤立波在东沙岛以西流花油田区的传播特征, 在2021年9月8—12日期间每天选择一个典型内孤立波, 追踪其在LH1-LH2-LH3站的传播过程(图9), 并据此估算内孤立波的传播速度。关于内孤立波传播方向, 最好的计算方式是卫星图片, 如卫星SAR图片, 同时也有研究表明对于一模态下降型内孤立波, 其传播方向一般与上层海水的波致流向保持一致(Huang et al, 2017), 据此我们计算了三个潜标站上层40~60m的波致流速和流向。另外利用LH2站潜标观测的温盐数据, 我们计算了同期水体的浮力频率(图10), 并根据线性波动方程及Kdv方程计算其理论传播速度。
图9 2021年9月8—12日LH1、LH2和LH3站40~60m层平均纬向和经向6h高通滤波流速时间过程线

Fig. 9 Time series of 6h high-pass filtered zonal and meridional velocity (cm·s-1) at the 40~60m depths of LH1, LH2 and LH3 during 8-12 September 2021

图10 2021年9月8—12日LH2站温度、盐度、密度及浮力频率廓线图

Fig. 10 Temperature, salinity, density, and buoyancy frequency (N2) profiles at LH2 during 8-12 September 2021

9月8日03时10分经过LH1站的内孤立波波致流速为54.3cm·s-1, 波致流向为332°, 随后该内波分别于05:26和06:26经过LH2和LH3站位, 引起的波致流速分别为55.6和83.0cm·s-1, 流向则逐渐向西偏转至325°和294°, 经向流逐渐减小, 纬向流逐渐增大。随后9月9—12日02:00至08:00间, 在流花油田区均可观测到相似过程的内孤立波依次经过3个潜标站位。我们统计了自LH1站传播至LH2和LH3站的5个典型内波的发生时间、波致流速流向及持续时间(从波致流速发生变化至恢复背景流场的时间), 具体信息见表3。内孤立波在传播过程中引起的局地波致流速变化并无统一规律, 但波致流向均表现为自LH1至LH3站逐渐向西偏转。5个内波过程在LH1站平均的波致流向为332°, 在LH2站为309°, 在LH3站为284°, 由此推测同一波峰线不同位置可能具有不同传播方向。内孤立波的传播速度${{C}_{p}}=D\text{cos}\left( \theta \right)/{{T}_{m}}$ (Huang et al, 2017), 其中D为站位间的距离, ${{T}_{m}}$是内孤立传播所用的时间, $\theta $是站位方向角和内孤立传播方向之间的夹角, LH1和LH2站的距离为29.8km, 方向角为233°, 5个内孤立过程平均传播时间为98min(表3), 假设波峰线的传播方向保持不变, 我们据此计算夹角$\theta $约为76°(309°—233°), 并进一步计算出其在LH1至LH2站位间的传播速度为1.23m·s-1, 同样的方法可以计算出其在LH2至LH3站位间的传播速度为1.77m·s-1, 明显小于东沙岛以东1000m以深海域的传播速度2.65m·s-1(Xu et al, 2020), 与东沙岛以西陆坡区1.38m·s-1(站位水深400m), (Chen et al, 2019)的传播速度相当。
表 3 2021年9月8—12日LH1、LH2和LH3站内孤立波发生时间、波致水平流速流向和持续时间统计表

Tab. 3 Statistics of the occurrence time, wave-induced velocity and direction, duration for the ISWs along LH1-LH2-LH3 during 8-12 September 2021

站位 日期 时间 波致流速/(cm·s-1) 波致流向/° 持续时间/min
LH1 09-08 03:10 54.3 332 22
09-09 02:26 58.1 329 20
09-10 02:50 80.8 332 18
09-11 04:12 65.3 323 20
09-12 04:26 46.1 343 20
LH2 09-08 05:26 55.6 325 26
09-09 04:10 88.0 302 24
09-10 04:20 64.1 307 22
09-11 05:28 53.6 300 26
09-12 05:52 49.7 313 20
LH3 09-08 06:26 83.0 294 30
09-09 05:26 72.2 269 26
09-10 05:18 70.1 287 22
09-11 06:38 64.2 278 20
09-12 07:04 76.3 293 28
在静压假定和Boussinesq近似下, 连续层结流体中小振幅线性波动的垂向位移W(z)和水平速度$\Pi $(z)满足Taylor-Goldstein方程(Gill, 1982; Chen et al, 2014):
$\frac{{{\mathrm{d}}^{\mathrm{2}}}{{W}_{n}}(z)}{\mathrm{d}{{z}^{2}}}+k_{n}^{2}\frac{{{N}^{2}}(z)-{{\omega }^{2}}}{{{\omega }^{2}}-{{f}^{2}}}{{W}_{n}}(z)=0$
${{\prod }_{n}}(z)={{\rho }_{0}}C_{n}^{2}\frac{\text{d}{{W}_{n}}(z)}{\text{d}z}$
其中$\omega $是内波的频率, Wn(z)是n模态垂向位移的结构函数, kn是相应模态的水平波数, N(z)是垂向浮力频率, f是局地惯性频率, 对于局地内波过程, 忽略地转效应, 即f=0。相应模态线性内波的相速度为cn=ω/kn, 同时在刚盖边界条件下, 即W(-H)=W(0)=0, 利用垂向浮力频率分布, 可求解该特征值方程。浮力频率N2=-gdρ/ρdz, g为重力加速度, ρ为海水密度, z为水深。
利用LH2站9月8—12日20层温度(19个温度传感器及358m处600kHZ ADCP)和4层盐度观测数据计算所得的温度、盐度、密度及浮力频率廓线如图10所示。
对于内孤立波, 根据Kdv方程获得其相速度(Alford et al, 2010; Cai et al, 2012), 公式如下。
${{C}_{n}}={{c}_{n}}+\frac{{{\alpha }_{n}}{{\eta }_{n}}}{3}$
${{\alpha }_{n}}=\frac{3{{c}_{n}}}{2}\frac{\int_{-H}^{0}{{{(\frac{\text{d}{{W}_{n}}(z)}{\text{d}z})}^{3}}\text{d}z}}{\int_{-H}^{0}{{{(\frac{\text{d}{{W}_{n}}(z)}{\text{d}z})}^{2}}\text{d}z}}$
其中cn为线性相速度, 取内孤立波特征周期为0.5h, 则ωISW=2π/(0.5×3600s)=0.0035s-1代入公式(7)中计算所得为1.45m·s-1, $\eta $是孤立波振幅, 9月8—12日LH2站对应内孤立波振幅分别为30、48、42、28和37m, 平均振幅为37m; α是受层结影响的非线性系数, 根据式(9)计算为0.0082s-1, 由此计算所得LH2站在9月8—12日期间内孤立波理论传播速度为1.55m·s-1。
LH2站位置处计算的内孤立波理论传播速度为1.55m·s-1, 大于上文计算的其在LH1至LH2站位间的传播速度1.23m·s-1, 小于在LH2至LH3站位间的传播速度1.77m·s-1。Alford等(2010) 通过追踪自吕宋海峡传播至南海北部陆架区的14个内孤立波过程, 计算其传播速度在南海东北部的深水海盆区可以达到3m·s-1, 而在陆坡区的传播速度在1.5m·s-1左右, 与本文计算的理论值较为接近。LH1、LH2和LH3三套潜标是以东北—西南方向排列, 而此处内孤立波的传播为西北偏西方向, 内孤立波同一波峰线不同位置依次经过潜标。通过上文波致流速的计算可知, 同一波峰线不同位置内孤立波的传播方向和速度均有所不同, 而上述传播速度计算是在假设波峰线传播方向保持不变的情况下得出的, 因此计算值难免存在偏差, 但在水深较小的位置速度较小, 随着水深增大, 内孤立波的传播速度有所增大的趋势是符合变化规律的。

4 结论

南海北部东沙岛以西流花油田区是我国重要的油气资源区, 同时也是内波过程的活跃区, 随着油气开采等海上工程应用的日益发展, 需要进一步加强该海域内波过程, 尤其是非线性内波的观测与分析。
本文利用2021年9—10月布放在流花油田区的3套潜标观测数据统计分析了该海域典型秋季环境下内潮和非线性内波的分布特征。通过最小二乘调和分析可知, 东沙岛以西陆坡海域的正压潮流较弱, 明显小于表底层的斜压潮流。另外通过对比基于近全水深实测海流垂向积分计算所得的正压潮流与全球潮汐模型的计算结果可知, TPXO 7.2对于半日分潮M2和S2的模拟结果要明显优于全日分潮, 模型结果低估了O1分潮, 而高估了K1分潮的正压潮流振幅。目前全球潮汐模型已广泛应用于南海北部, 尤其是用于计算吕宋海峡至东沙岛陆坡间深水海盆区的正压潮流, 本文的对比结果对于准确评估全球潮汐模型在南海北部的进一步应用有重要参考意义。斜压海流调和分析表明流花油田区内潮主要表现为表底强化的第一斜压模型结构, O1分潮在25m层的椭圆长轴可以达到21.3cm·s-1, 在300m层可达13.6cm·s-1, 远大于正压潮流椭圆振幅(3.5cm·s-1)。同时全日内潮水平动能计算结果表明其有着较明显的天文潮半月周期变化特征, 且农历望日(十五)周期能量大于朔日(初一)周期。
观测期间, 共有4次内孤立波群集中经过流花油田区, 通过对LH2站150m层温度的高通滤波分析可知, 内孤立波群发生时间滞后于吕宋海峡天文大潮期3~4d, 显示了斜压能量自吕宋海峡传播至东沙岛以西陆坡区所用的时间。LH2站在2021年9—10月共记录了88个内波过程, 其中单孤立子内波31个, 内波波列57个。通过计算25℃等温线的波动, 得出内波平均振幅为31m。该站非线性内波过程集中出现于每日的4—6时、11—13时和18—20时。流花油田区非线性内波主要为第一斜压模态下降型内孤立波, 通过追踪9月8—12日共计5个内孤立波依次经过LH1、LH2和LH3站的传播过程, 可以计算出内波在LH1至LH2站位间的传播速度为1.23m·s-1, 在LH2至LH3站位间的传播速度为1.77m·s-1, 根据线性波动方程及Kdv方程计算其理论传播速度为1.55m·s-1。吕宋海峡处生成的非线性内波在传播至东沙陆坡区时, 受东沙岛地形影响, 内波波峰线会发生分裂, 波峰线不同位置具有不同的垂向结构和传播方向, 在本次观测中表现为波致流向自LH1、LH2和LH3站逐渐向西偏转, 同时强大的内潮能量在经过东沙陆坡区时, 在地形作用下也会非线性分裂, 进而生成高频内波(Chang et al, 2006; Alford et al, 2015), 这些都进一步增加了东沙陆坡区非线性内波的复杂性。本次观测主要在典型秋季环境下开展, 数据分析结果加强了流花油田区内潮和内孤立波分布特征的理解和认识, 未来仍需进一步加强现场观测和数据分析, 才能更全面了解夏季强跃层及冬季深跃层动力背景条件下东沙岛以西陆坡区的内波动力特征。

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