2009年夏季東沙群島附近內孤立波的現場觀測

呂海濱, 申 輝, 何宜軍

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

內波是一種很重要的海洋中尺度現象,在陸架上被頻繁地發現。目前一般認為東沙群島附近的內波來自于呂宋海峽。一直以來, 海洋學家和遙感學者習慣于利用衛星影像來研究海洋內孤立波, 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]。內孤立波是振幅大、周期短的非線性內波, 一般出現在斜壓內潮較強的近海大陸架、大陸坡海區。其經過之處, 會產生極端異常的突發性強流。方文東等[5-6]通過分析南海北部大陸坡海區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, 發現該海域的內孤立波波包主要為每24 h出現一次, 多數波包有多個子波, 而且以最前的子波的振幅最大。突發性強流一般出現在天文大潮后幾天, 最大流速集中在躍層內, 因而推斷大振幅向岸強流是由局地海區的內潮與地形相互作用引起的內孤立波所致。

本文列舉了中國科學院知識創新工程重大項目2009年夏季航次期間在東沙群島附近K106站的連續觀測成果, 結合X波段雷達、CTD、溫度鏈和ADCP實測, 發現內波表面信號強度不僅與其振幅有關,還與背景流和混合層深度等有密切關系。

1 資料來源

中國科學院知識創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)進行了連續觀測, 水深697 m(見圖1)。期間, 科考船“科學一號”處于漂浮狀態, 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。“科學一號”考察船利用 GPS進行定位, 同時利用 SBE 911plus CTD和溫度鏈來監測溫鹽信息, 溫度鏈長240 m, CTD每4 h采樣一次。此次監測中, 成功的測到3個內孤立波(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分的現場連續觀測中, 在 K106站的溫度鏈記錄數據上發現存在3個大振幅的內孤立波事件(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, 內波產生的垂向運動把暖的上層水下移, 迫使等溫線向下凹陷。第一個內孤立波在6月24日22時43分經過觀測船, 第二個內孤立波出現在6月25日8時30分,第三個內孤立波出現在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連續監測的溫度數據(線框標記本文所研究的孤立內波)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。經過改造的整個系統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、高速數據采集卡、極化切換裝置以及個人計算機。該雷達系統主要參數如表1所示。

X波段船載雷達能監測后向散射強度, 后向散射強度與海面粗燥度有關。關于此次觀測中基于X波段雷達提取內波的相關參數已有成果發表[7-9]。圖4給出了第一個和第三個內孤立波經過科考船時船載雷達記錄回波強度影像。對比圖3, 我們發現一個有趣的現象,第一個孤立波前部振幅達20 m的內波在表面沒有內波信號, 而第三個孤立波前部振幅5 m的內波在表面有內波信號。是什么影響到較大振幅的內波在海表沒有信號而小振幅的內波確有信號呢？根據當時的正壓潮流信息, 來源于 Tide Model Driver (TMD)模式(http://www. oce.orst.edu/po/rsearch/tide/inv_doc.html), 第一個孤立波經過科考船時, 是漲潮期間, 內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過科考船時, 是落潮時刻, 內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波的表面信號有影響, 關于這部分的數值模擬實驗研究成果將陸續發表。

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

2.3 ADCP觀測

圖4 “科學一號”觀測的第一個(a, b)、第三個(c, d)內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、周期短的非線性內波, 其經過之處, 會產生極端異常的突發性強流。我們在K106站船載ADCP觀測到的強流現象伴隨著大振幅孤立波的出現, 圖5顯示在第一個和第三個孤立波經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, 產生水平最大流速大于2 m/s, 周期大約為15 min。內波引起的各深度層海流均為西向。第三個孤立波經過時刻, 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數據推算得到的垂向密度廓線,分別代表各自的水下密度層結。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, 內波表面信號強弱很可能與混合層深度有關系, 混合層加深, 能減弱內波表面信號的強度。

3 結論

通過對2009年夏季測到的三個孤立波事件的分析, 發現: 孤立波經過時, 伴有突發性強流, 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的內波在雷達影像中有條紋顯示, 說明內波表面信號又不僅與內波振幅有關, 還可能與潮流, 混合層深度等海洋環境條件有密切關系。

[1]Hsu Mingkuang, Liu A K. Nonlinear internal waves in the South China Sea [J]. Canadian Journal of Remote Sensing,2000, 26( 2): 72-81.

[2]Zheng Quanan, Susanto R D, Ho C R, et al. Statistical and dynamical analyses of generation mechanisms of solitary internal waves in the northern South China Sea[J]. Journal of Geophysical Research-Oceans, 2007,112(C3): 1-16.

[3]甘錫林, 黃韋艮, 楊勁松,等. 利用多源遙感衛星數據研究南海內波的時空分布特征[J]. 遙感技術與應用, 2007, 22(2): 242-245.

[4]Du Tao, Tseng Yuheng, Yan Xiaohai. Impacts of tidal currents and Kuroshio intrusion on the generation of nonlinear internal waves in Luzon Strait [J]. Journal of Geophysical Research-Oceans, 2008, 113( C8): 1-15.

[5]方文東, 陳榮裕, 毛慶文. 南海北部內波引起的突變性強流[J]. 熱帶海洋, 2000, 19(1): 70-75.

[6]方文東, 施平, 龍小敏,等. 南海北部孤立內波的現場觀測[J]. 科學通報, 2005, 50(13): 1400-1404.

[7]Lü Haibin, He Yijun, Shen Hui, et al. A new methodology to estimate oceanic mixed-layer depth with hipboard X-band radar images [J]. Chinese Journal of Oceanology and Limnology, 2010, 28(5): 962-967.

[8]Zha Guozhen, Lin Mingsen, Shen Hui, et al. Extraction of internal wave amplitude from nautical X-Band radar observations [J]. Chinese Journal of Oceanology and Limnology, 2012, 30(3): 497-505.

[9]呂海濱, 何宜軍, 申輝. 基于X波段雷達獲取東沙群島附近內波的傳播速度[J].海洋科學, 2012, 11:98-102.