南海内波研究前沿与热点

内波为发生在层结海洋内部的亚中尺度波动,是物理海洋学研究,特别是海洋混合及能量级串研究,不可或的缺环节。孤立内波的突发性巨大冲击能量可对水下航行和工程设施构成灾难性威胁,实现实时监测与预报海洋内波具有重大现实意义。南海是全球海洋中超强内波多发海区之一。长期现场观测表明,吕宋海峡以西海域内孤立波振幅高达150～200 m,且终年发生。因此,南海是目前海洋内孤立波观测与研究热点海域。本文以2015年至2021年间发表的论文为依据,评述南海内波研究新进展,认为7 a来研究成果取得质的提升。第一,实现了由卫星为主要手段2D观测到以卫星与潜标同步3D观测为主要手段的提升。由此催生出振幅240 m超强内孤立波、中尺度涡对内波的调制作用、重现周期23 h 内孤立波、浅海内孤立波裂变现象、深海盆内波及动能级串等创新成果。第二,研究区开始呈现向中部深海盆扩展趋势。迄今为止,南海内波观测与研究集中在吕宋海峡以西和北部陆架,现已出现向中部深海盆扩展趋势。第三,海洋探测高新技术应用于南海内波观测与研究,取得了突破性成果。由卫星高度计沿轨海面高度场二维平面波分解技术得出的南海M₂内潮辐射图,解决了多年争论不休的南海北部内波生成机制和生成源地问题。人工智能技术成功应用于建立南海邻近的边缘海内波传播预报模式。模式预报的一个潮周期之后内波波峰线位置与后续卫星图像上显示的位置之间的平均相关系数达95%,平均距离均方根差为3 km。快速深潜剖面浮标技术应用于南海北部深海盆,得出0～3 500 m 全水深内波波段（周期为0.1～1.8 d）波动引起的水温起伏幅度垂直分布。高分辨水下声成像技术,包括人工地震技术和回声探测仪,成功应用于南海北部陆架内波观测与研究。其中回声探测仪图像空间分辨率达10 cm,清楚显示出内孤立波波包精细结构,可精确测得水平尺度仅为2 m的孤立波特征半宽度。可以预期,大量科学研究成果的积累,特别是采用人工智能技术建立内波传播预报模式的成功实例,必将为开发南海内波精准预报模式奠定基础。     

利用漂流浮标资料对黑潮及其邻近海域表层流场及其季节分布特征的分析研究

利用1987年以来WOCE项目及我国自行投放或进入黑潮及其邻近海域(15°~36°N,114°~135°E)的共计323个卫星跟踪海表面漂流浮标资料,得到全年平均及季节平均的浮标轨迹及(1/4)°×(1/4)°格点平均的表层流矢量结果。分析认为:对于全年平均的表层流场,黑潮表层流路主要表现了对大洋西边界地形的适应,并呈现出6个较大的弯曲,其中在反气旋型弯曲处都发生分支或入侵现象、气旋型弯曲处这种现象却不明显。对于季节平均的表层流场,黑潮表层不同流段分别表现出各自显著的季节差异:吕宋海峡附近海域,表层水向南海的入侵只发生在秋、冬两季,而春、夏两季却不发生;在台湾以东海域,黑潮表层流路与黑潮右侧反气旋涡的存在与否密切相关,春季没有涡旋存在时,黑潮表层流路常出现气旋式大弯曲,其他三个季节反气旋涡存在时,黑潮表层流路相对平直;在台湾东北海域,黑潮表层水向东海南部陆架区的入侵以秋、冬季最强,春季次之,而夏季几乎不发生;在赤尾屿以北的东海黑潮中段,黑潮流动比较稳定,其表层平均流径走向由偏北到偏东依次约为冬(北偏东30°)、春(北偏东33°)、秋(北偏东38°)、夏(北偏东45°);流路宽度由宽至窄依次约为秋(90 km)、春(80 km)、冬(70 km)、夏(60 km),而流速由大至小依次为夏、春、秋、冬,且各季节都表现出北段流速大于南段的现象;在九州西南海域,春、秋两季黑潮表层水发生明显的向北入侵,入侵的黑潮水与东海外陆架水共同成为对马暖流的一部分来源,而夏季这种现象不明显,九州西南海域黑潮表层流路北界的位置以秋季最为偏北(但最北不超过31°N)、流路也最宽;在琉球群岛外缘海域,南半部基本没有北上的表层流存在,只有在冲绳群岛-奄美群岛以东海区,秋、夏、春三季表层反气旋涡旋都比较活跃,在涡旋的西侧有顺着冲绳群岛-奄美群岛的东北向流,其中秋季最为明显。这些结果可以为黑潮及其邻近海域的深入研究提供较为客观、直接的参考。     

新型表层漂流浮标体设计分析

表层漂流浮标在应用于海洋调查研究时,浮标体外形对浮标通讯稳定性及数据回收等会产生一系列影响,也直接制约浮标使用寿命。为此,考虑减少风阻和水阻,减小浮标体对水帆运动的影响,提出了一种新型的适用于近远海海洋观测的表层漂流浮标体葫芦形外形设计方案。结合流体力学理论分析,运用Solid Works软件分别对葫芦形浮标体和常用的圆柱形浮标体建模,并利用Workbench软件CFX流体分析模块开展了流体分析和比较,结果表明葫芦形浮标体所受压力更均匀,其水下部分压力值较圆柱浮标体减小约28%,证明葫芦形外形浮标体更具可靠性。     

普里兹湾附近绕极深层水和底层水及其运动特征

利用中国第15次南极科学考察科学考察队的CTD全深度观测资料(1998年11月至1999年2月),分析并讨论了普里兹湾以北的南大洋海域内,绕极深层水(CDW)和南极底层水(AABW)的物理特性及其空间分布.同时还与历史上其他学者的发现进行了比较.指出了在研究海域内,CDW在100～2000m之间从北向南扩展,其高温核(t>1.2℃)和高盐核(S>34.7)在75°E断面上最为深厚,向南扩展得最远;而AABW则在2500m以深由陆坡底部向北扩展,σ_θ>27.875的高密度水体在70°E断面上最为深厚,向北扩展得最远.此外还通过实测的CTD资料证实了CDW和AABW的经向环流特征,以及它们与迪肯流环(Deaconcell)、亚极地流环和深层流环的一致性.     

海洋内孤立波预警监测识别技术及其在流花16-2油田群开发中的应用

我国南海内孤立波发生频繁,由于其振幅大、流速强、能量集中等特点,已成为深海油气开发海上安装工程必须考虑的重大风险之一。依托现场守护船,提出一种内波流结构单体式监测、识别技术,采用KdV方程实现内波流预警,并成功应用于流花16-2油田群开发项目海管管线终端(PLET)安装、浮式生产储卸油装置(FPSO)锚系及水下管缆回接、空气潜水等高风险作业的内波流预警安全保障中,同时基于此次内波流预警监测结果对该海域的内波生成源和生成机制进行了探讨。应用期间采用该技术共监测、识别并发布内波预警450次。应用结果表明,约93%的内波预警时刻误差在10 min以内,平均误差为±3.90 min。统计分析结果表明,该海域的内孤立波主要来源于巴士海峡而非局地的潮地相互作用,大致可以分为两类:一类是直接产生于巴士海峡,西传至该海域;另一类是局地产生,主要是由巴士海峡产生的内波西传至陆坡浅化分裂生成或是由巴士海峡产生的内潮西传至陆坡由于非线性变陡机制产生。该内波流监测技术在流花16-2油田群开发项目的成功应用,可为南海其他类似项目提供直接的借鉴。     

Upper layer waters and their northward extension from Prydz Bay in summer

In this paper, CTD observational data obtained during the 15th Chinese National Antarctic Research Expedition (CHINARE-15) in the Southern Ocean are used to analyse and study water mass distribution in the Prydz Bay and its adjacent seas. The area, depth, and the thermohaline characteristics are identified for the Prydz Bay summer coastal surface water, the Prydz Bay winter water, the Prydz Bay shelf water, and the circumpolar deep water. Based on the above discussion, the northward extention of the Prydz Bay shelf water are found. Then the thermodynamic and the dynamic characteristics are further discussed, dealing with the inversion layer depth of the water temperature, the locations of the minima of the vertical temperature distribution and the temperature vertical gradient in the water column, the baraclinicity, and the effect of Coriolis deflection force.     

Upper layer waters and their northward extension from Prydz Bay in summer

In this paper, CTD observational data obtained during the 15th Chinese National Antarctic Research Expedition (CHINARE-15) in the Southern Ocean are used to analyse and study water mass distribution in the Prydz Bay and its adjacent seas. The area, depth, and the thermohaline characteristics are identified for the Prydz Bay summer coastal surface water, the Prydz Bay winter water, the Prydz Bay shelf water, and the circumpolar deep water. Based on the above discussion, the northward extention of the Prydz Bay shelf water are found. Then the thermodynamic and the dynamic characteristics are further discussed, dealing with the inversion layer depth of the water temperature, the locations of the minima of the vertical temperature distribution and the temperature vertical gradient in the water column, the baraclinicity, and the effect of Coriolis deflection force.     

使用Surfer Automation实现海洋要素等值线图的批量绘制

介绍了基于Automation对象技术的使用程序控制Surfer自动绘图的方法,使用Surfer自带的Scripter实现海洋要素等值线图的批量绘制,为在海洋科学研究中批量绘制等值线图提供了一种简捷、高效的途径。     

普里兹湾海域的夏季上层水及其北向运动

本文利用中国第 1 5次南极科学考察普里兹湾及邻近水域观测的 CTD资料 ,研究并分析了普里兹湾及其邻近洋域上层的水团分布。确定了普里兹湾夏季近岸水 ,普里兹湾夏季表层水 ,普里兹湾陆架水和南极绕极深层水的范围、深度和温盐特性。在此基础上 ,进一步发现了普里兹湾陆架水的北向扩展。讨论了其北向扩展的热力学和动力学特征。这些特征涉及到逆温层的厚度、垂向温度和温度梯度最小值的存在 ,以及陆架水北向运动的斜压性和科氏力的作用