張昊，孟俊敏*，孫麗娜

( 1. 自然資源部第一海洋研究所，山東 青島 266061)

1 引言

海洋內(nèi)波是指在密度穩(wěn)定層化的海洋中產(chǎn)生、最大振幅出現(xiàn)在海洋內(nèi)部的波動[1]。其波峰線長度可達幾百千米，周期一般為幾分鐘至幾十個小時，目前實測到的最大振幅為240m[2]。內(nèi)波的生成與傳播，受各種海洋因素的影響，如潮汐、海底地形與海水溫、鹽度等。安達曼海被認為是世界上觀測到內(nèi)波最多的海域之一[3–4]，其具有穩(wěn)定的海水層結(jié)以及特殊的海底地形構(gòu)造，當受到外界擾動時，內(nèi)波這種特殊的海洋現(xiàn)象便頻繁發(fā)生。因此對安達曼海內(nèi)波的研究極其重要，可減少或避免因海洋內(nèi)波引起的在資源開發(fā)利用、漁業(yè)捕撈、海水航運等方面的損失。

安達曼海位于馬來半島、安達曼群島和尼科巴群島之間，多年來一直是研究內(nèi)波的熱點區(qū)域。1965年Perry 和Schimke[5]在安達曼海南部海域進行了第一次海洋內(nèi)波測量，確認了內(nèi)波的海面特征。Osborne 等[6]在安達曼海南部發(fā)現(xiàn)了內(nèi)孤立波的存在，指出安達曼海的內(nèi)波具有周期性特征并由半日潮與海底地形相互作用從而擾動斜密層所產(chǎn)生。Alpers等[4]利用ERS-2 SAR 遙感圖像研究了安達曼海西部內(nèi)波的產(chǎn)生與演化，指出4 個潛在的內(nèi)波源并解釋了內(nèi)波與內(nèi)波間的相互作用所產(chǎn)生的相位變化及波長改變等現(xiàn)象。Magalhaes 和Da Silva 等[7]利用TerraSAR-X影像討論了在安達曼海十度海峽附近觀測到的類似模式2 內(nèi)波的特征與生成機制，它們并不是由正壓潮所激發(fā)，而是在內(nèi)波波束與當?shù)氐让芏染€發(fā)生相互作用后產(chǎn)生。Zhou 等[8]和周禮英[9]分析了2013?2015年的1000 多幅中等分辨率成像光譜儀（MODIS）及SAR 影像，獲取了安達曼海及其鄰近海域內(nèi)波的時空分布特征。另外，MODIS 影像具有覆蓋范圍大、時間分辨率高等優(yōu)勢，許多學者基于MODIS 數(shù)據(jù)做了大量關于內(nèi)波的研究。Jackson[3]利用3581 幅內(nèi)波MODIS 真彩色圖片研究了全球內(nèi)波的分布情況，介紹了全球15 個海域的內(nèi)波特征。Bai 等[10]利用MODIS影像研究了臺灣海峽南部內(nèi)孤立波的統(tǒng)計特征，確定了兩種不同類型的內(nèi)孤立波，并進一步分析了內(nèi)波的激發(fā)源地。Liu 等[11]利用MODIS 和SAR 數(shù)據(jù)研究了南海的同一條內(nèi)波，計算了內(nèi)波的相速度并指出內(nèi)波的相速度與沿其路徑的水深呈相關關系。孫麗娜等[12]利用MODIS、ENVISAT ASAR 等多種遙感數(shù)據(jù)開展了日本海的內(nèi)波特征研究，得到了日本海內(nèi)波空間分布，獲取了內(nèi)波的波峰線長度和傳播速度。梅源等[13]利 用2013年7月 至2014年6月 的GF-1 和MODIS數(shù)據(jù)，對比分析了南海東沙島的同一條內(nèi)波的參數(shù)特征，同時基于高階非線性薛定諤方程，計算得到了東沙島所在大陸架附近的內(nèi)波振幅。史璐等[14]基于2014?2016年的MODIS 數(shù)據(jù)對直布羅陀海峽內(nèi)波的時空分布規(guī)律進行了統(tǒng)計分析，并通過創(chuàng)建MITgcm 內(nèi)波模型，從海面高程、等溫線兩個方面展現(xiàn)了內(nèi)波的生成與傳播過程。

通過MODIS 影像觀測海洋內(nèi)波已經(jīng)成為一種可靠有效的方法，已有的研究結(jié)果表明安達曼海內(nèi)波的時空分布特性顯著且具有半日周期特征，但鮮有學者利用遙感手段針對內(nèi)波的特征參數(shù)分布及生成周期驗證進行深入研究。本文基于634 幅MODIS 影像分析了安達曼海3 個典型區(qū)域的內(nèi)波空間分布特征，并定量統(tǒng)計了波峰線長度、波包面積等特征參數(shù)，為進一步認識安達曼海的內(nèi)波提供了新的視角；同時本文確定了安達曼海內(nèi)波的7 個潛在激發(fā)源，并驗證了此處內(nèi)波的生成周期具有半日特征，旨在為安達曼海的內(nèi)波研究及海洋工程建設提供科學幫助。

2 研究區(qū)域與方法

2.1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

安達曼海位于印度洋的東北部，在馬來半島、安達曼群島、尼科巴群島和蘇門答臘島之間。本文研究范圍包括整個安達曼海，其西部海底地形較為復雜，水深變化明顯；中部相對較為平緩，水深介于1000～3500m；北部存在較陡峭的大陸架，自東往西最大急劇下降可達2000m；東部靠馬來西亞半島一側(cè)多島嶼、暗礁。

遙感數(shù)據(jù)采用MODIS 影像，其刈幅寬度可達2330km，可以提供分辨率分別為1000m、500m 以及250m 的離散波段圖像。內(nèi)波在MODIS 圖像中表現(xiàn)為直線或曲線狀亮暗相間的條紋，同時內(nèi)波以波包形式傳播，波包中孤立子波峰線和孤立波間距沿傳播方向呈現(xiàn)遞減趨勢[15]。如表1 所示，本文共收集了634 景分辨率為250m 的MODIS 影像。本文關于安達曼海水深數(shù)據(jù)的信息取自美國國家海洋與大氣管理局（NOAA）提供的ETOPO 模型[16]。

表1 2017年安達曼海內(nèi)波MODIS 影像獲取數(shù)量Table 1 The number of valid MODIS images of internal waves in the Andaman Sea in 2017

2.2 研究方法

基于預處理后的遙感影像，進行內(nèi)波特征信息提取，包括內(nèi)波位置、波峰線長度、波包面積、傳播方向等，并采用數(shù)值統(tǒng)計的方法對內(nèi)波的特征參數(shù)分布進行分析。同時本文根據(jù)波峰線提取結(jié)果，利用射線追蹤法[9]擬合得到多個圓心，結(jié)合海底地形等信息，將圓心進行組合并確定為內(nèi)波的發(fā)生源。針對不同區(qū)域的內(nèi)波，利用單幅MODIS 影像可包含多個同源內(nèi)波波包的特性，計算內(nèi)波的傳播速度與傳播時間，之后利用遙感影像獲取時間，推算內(nèi)波的生成時間，從而得到不同波包的生成時間間隔。內(nèi)波傳播速度與振幅計算方法分別采用多時相影像法（Multi-Temporal Images，MTI）[17–19]與非線性薛定諤方程[20]。

3 結(jié)果與分析

3.1 空間分布

本文總共收集篩選得到634 景覆蓋安達曼海的MODIS 圖像，解譯影像中內(nèi)波的位置信息，進而對其空間分布特征進行統(tǒng)計分析。共提取獲得1793 條內(nèi)波，得到內(nèi)波空間分布（圖1）。由圖1 可知，內(nèi)波活動幾乎覆蓋整個安達曼海，主要活動區(qū)域為安達曼海北部海域及北部大陸架、中部海域以及蘇門答臘島以北海域。其中，安達曼海北部區(qū)域的內(nèi)波空間尺度相對較小，生存周期較短，而蘇門答臘島北部與安達曼海中部的內(nèi)波活動頻繁，空間尺度較大。值得注意的是，在安達曼海中部深水區(qū)很少探測到內(nèi)波，這可能與此處的內(nèi)波生成周期與衛(wèi)星成像周期相重合有關。

圖1 安達曼海內(nèi)波空間分布(紅色線代表內(nèi)波波峰線)Fig. 1 The distribution of internal waves in the Andaman Sea(the red lines are the crests of internal waves)

3.2 典型區(qū)域分析

由圖1 可知，安達曼海內(nèi)波的主要活動區(qū)域可分為安達曼海北部、安達曼海中部以及蘇門答臘島北部海域。為進一步分析內(nèi)波的空間分布特征，本文共篩選獲取285 個內(nèi)波波包，利用ArcGIS 等軟件測量得到內(nèi)波前導波波峰線長度、波包面積及傳播方向。

3.2.1 安達曼海北部

圖2a 顯示了安達曼海北部海域存在大量特征顯著的內(nèi)波群(以黑色矩形框標出，包括安達曼北部大陸架以及緬甸河口)。這些內(nèi)波群主要分為兩部分：一部分為空間尺度較小的內(nèi)波，它們廣泛分布于安達曼海北部水深小于50m 的大陸架上，其波峰線長度大致在30～80km 之間，波包間距通常小于25km，主要向東北方向傳播，最北端距離緬甸沿岸約30km處；第二部分主要為在科科海峽產(chǎn)生的內(nèi)波，它們穿越安達曼海北部深海區(qū)域往東向岸傳播。內(nèi)波在傳播過程中遇到了地形劇烈變化約2000m 的大陸架，因此產(chǎn)生并形成一個強烈反射波，它們主要往西南方向的安達曼群島傳播，最終耗散于岸邊。

圖2 安達曼海北部海域內(nèi)波特征參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果Fig. 2 Statistical results of internal waves characteristic parameters around the northern Andaman Seaa. 波峰線分布；b. 波峰線長度；c. 波包面積；d. 內(nèi)波傳播方向a.Spatial distribution of crests; b. crest length; c. area of internal wave packets; d. propagation direction of internal waves

安達曼海北部海域內(nèi)波的部分特征參數(shù)如表2所示。在遙感影像上，內(nèi)波以內(nèi)孤立波列的形式存在，波包中前導波的平均長度約為107km，平均波包面積約為1860km2。由圖2 可知，此處內(nèi)波的傳播方向主要為東向以及西南向，其中沿西南方向傳播的內(nèi)波占比達到35%。前導波波峰線長度集中于50～150km，觀測比例超過70%。內(nèi)波波包面積分布較為均勻，面積介于500～1000km2、1500～2000km2的波包觀測比例最高，分別為23.91%、21.74%。

表2 安達曼海內(nèi)波特征參數(shù)Table 2 Internal waves characteristic parameters in the Andaman Sea

圖3 展示了安達曼海北部的兩個典型內(nèi)波系統(tǒng)，影像獲取時間為2017年4月26 日04:25（UTC）。圖中共有3 個向東南方向傳播的內(nèi)波波包，它們均生成于科科海峽，波包間距約為97km，波形基本保持一致。但內(nèi)波振幅隨著傳播過程逐漸減小，利用非線性薛定諤方程計算得到波包A、B、C 的振幅逐漸減小，分別約為78.6m、54.6m、25.6m。另外可清晰觀察到2 個于安達曼海北部大陸架產(chǎn)生并往西南方向傳播的波包，其傳播速度約為2.25m/s。

圖3 2017年4月26 日04:25（UTC）安達曼海北部海域內(nèi)波MODIS 影像Fig. 3 The MODIS image acquired on 26 April 2017 at 04:25 UTC showing the internal waves around the northern Andaman Sea

3.2.2 安達曼海中部

MODIS 影像調(diào)查結(jié)果顯示在安達曼海中部存在大量規(guī)律明顯、特征一致的內(nèi)波，它們起源于十度海峽或尼科巴群島中間的海槽。如圖4a 所示，內(nèi)波生成后主要往東向馬來半島傳播，不同波源產(chǎn)生的內(nèi)波在穿越深海到達陸架地區(qū)后相互碰撞疊加，最終在深度小于50m 的陸架淺灘破碎耗散。此區(qū)域內(nèi)波的空間尺度較大，前導波波峰線最長可達到350km，生成周期規(guī)律性顯著，在一幅MODIS 影像上，最多可以觀察到5～6 個連續(xù)的內(nèi)波波包。安達曼海中部海域內(nèi)波前導波波峰線的平均長度約為133km，平均波包面積約為3503km2，但對于較為罕見的大型波包，其波峰線長度最大可達到350km，面積超過12000km2。在靠近安達曼海東部的陸架附近，內(nèi)波遇到水下障礙而減速，波包間距一般不超過20km。

由圖4 可知，前導波波峰線長度介于50～100km的內(nèi)波占比高達35%，超過300km 的內(nèi)波觀測比例不足5%。波包面積超過8000km2的內(nèi)波占比為9.8%，而面積介于1000～4000km2的內(nèi)波波包接近50%。安達曼海中部海域內(nèi)波傳播方向統(tǒng)計結(jié)果如圖4d 所示，超過70%的內(nèi)波沿東偏北方向傳播。

3.2.3 蘇門答臘島北部

在安達曼海南部同樣存在顯著的內(nèi)波活動，其廣泛分布于蘇門答臘島北部的淺海區(qū)域。這些內(nèi)波產(chǎn)生于蘇門答臘島西北部的海峽，其中一部分向東北方向傳播，最終與安達曼海中部海域的內(nèi)波相互作用耗散于沿岸地區(qū)。另一部分內(nèi)波沿東南方向傳播，其傳播距離與生存時間較短。受水深與復雜海底地形的影響，這個區(qū)域觀察到的內(nèi)波在傳播過程中，其形狀與傳播速度變化更為明顯。蘇門答臘島北部內(nèi)波前導波波峰線的平均長度約為131km，平均波包面積約為2997km2。圖5 展示了此處內(nèi)波特征參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果，大部分內(nèi)波前導波波峰線長度介于50～200km，其觀測比例接近70%。另外，波包面積超過8000km2的內(nèi)波占比為10%，而面積介于1000～4000km2的內(nèi)波波包接近60%。統(tǒng)計結(jié)果顯示，約有50%的內(nèi)波向東傳播，與此同時，向東北及東南方向傳播的內(nèi)波均略高于20%。

3.3 內(nèi)波生成源與生成周期

本文利用射線追蹤法確定了安達曼海的7 個內(nèi)波源，表3 列舉了內(nèi)波源的詳細位置。圖6 為研究區(qū)域的三維深度地形圖，內(nèi)波生成源被標記為S1?S7。如圖所示在安達曼群島?尼科巴群島附近并排存在6 個內(nèi)波源，另外在安達曼海北部的大陸架存在一個顯著的內(nèi)波源。

圖4 安達曼海中部海域內(nèi)波特征參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果Fig. 4 Statistical results of internal waves characteristic parameters around the central Andaman Seaa. 波峰線分布；b. 波峰線長度；c. 波包面積；d. 內(nèi)波傳播方向a.Spatial distribution of crests; b. crest length; c. area of internal wave packets; d. propagation direction of internal waves

已有研究結(jié)果表明，安達曼海內(nèi)波的生成機制主要為潮汐與水下山體相互作用的背風波機制[21]，因此內(nèi)波的生成周期基本由潮汐周期所決定。本文利用遙感手段推算了同源內(nèi)波的生成時間間隔，以驗證其生成周期是否具有半日特征。圖7 展示了安達曼海中部海域的一個大型內(nèi)波系統(tǒng)，數(shù)據(jù)獲取時間為2017年3月13 日07:00(UTC)。圖中共有4 個較為明顯的內(nèi)波波包，它們產(chǎn)生于卡爾尼科巴島與特蕾莎島之間，沿著深海盆地向東傳播，最終耗散于東部大陸架。在傳播過程中，其波包面積與波峰線長度不斷增大，而波包間距變化較小，這反映了不同波包的傳播速度差異較小。利用MTI 方法計算得到內(nèi)波傳播速度約為2.36m/s。表4 展示了內(nèi)波的傳播時間與生成時間，結(jié)果表明該內(nèi)波系統(tǒng)具有明顯的周期性，內(nèi)波生成時間間隔約為12 h，與半日潮的潮汐周期基本吻合。

圖8 為2017年3月11 日04:15(UTC)獲取的MODIS影像，展示了蘇門答臘島北部海域的內(nèi)波特征。圖中共有3 個比較清晰的內(nèi)波波包，其空間尺度隨傳播過程變化明顯，前導波波峰線長度由180km逐步增加至320km。內(nèi)波自生成后傳播距離達到330km，傳播速度約為2.33m/s。表5 展示了內(nèi)波的傳播時間與生成時間，內(nèi)波生成時間間隔約為12.5 h。

圖9 展示了安達曼海北部海域的兩個不同內(nèi)波系統(tǒng)，圖9a 中的內(nèi)波起源于安達曼海北部大陸架，向西南方向傳播并最終在北安達曼島附近破碎，內(nèi)波傳播速度約為2.22m/s，波包A 與波包B 的生成時間間隔為12.25 h；圖9b 獲取時間為2017年3月8 日04:10（UTC），內(nèi)波起源于科科海峽，其傳播速度約為2.15m/s，波包A 與波包B 之間生成時間間隔約為12 h，結(jié)果表明這兩個內(nèi)波系統(tǒng)的生成周期也與半日潮周期相對應。

本文基于所獲取的MODIS 數(shù)據(jù)分析了安達曼海不同海域的內(nèi)波生成周期，其中最小時間間隔為11 小時30 分鐘，最大時間間隔為13 h，結(jié)果表明本文觀測到的內(nèi)波幾乎全部具有半日周期特征，其從側(cè)面驗證了安達曼海的內(nèi)波主要由半日潮所擾動產(chǎn)生。值得注意的是內(nèi)波在傳播過程中，由于受到地形、水深等影響，其傳播速度會發(fā)生變化，導致實際傳播時間與計算值存在較小差異，但并不影響結(jié)果分析。

圖5 蘇門答臘島北部海域內(nèi)波特征參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果Fig. 5 Statistical results of internal waves characteristic parameters around the northern Sumatra Islanda. 波峰線分布；b. 波峰線長度；c. 波包面積；d. 內(nèi)波傳播方向a.Spatial distribution of crests; b. crest length; c. area of internal wave packets; d. propagation direction of internal waves

表3 安達曼海內(nèi)波發(fā)生源位置Table 3 Locations of sources of internal waves in the Andaman Sea

4 結(jié)論

本文基于2017年634 幅MODIS 影像分析了安達曼海3 個典型區(qū)域的內(nèi)波空間分布特征，定量統(tǒng)計了波峰線長度、波包面積及傳播方向，利用射線追蹤法確定了安達曼海內(nèi)波的7 個潛在激發(fā)源，并利用遙感手段驗證了此處內(nèi)波的生成周期具有半日特征。

統(tǒng)計結(jié)果表明，內(nèi)波活動幾乎覆蓋整個安達曼海，其中安達曼海北部海域內(nèi)波的生存周期較短，內(nèi)波的傳播方向主要為東向以及西南向，前導波波峰線長度主要集中于50～150km，內(nèi)波平均波包面積約為1860km2；安達曼海中部海域的內(nèi)波空間尺度較大，前導波波峰線長度介于50～100km 的內(nèi)波占比高達35%，波包面積介于1000～4000km2的內(nèi)波占比接近50%，超過70%的內(nèi)波沿東偏北方向傳播；蘇門答臘島北部海域內(nèi)波前導波波峰線的平均長度約為131km，平均波包面積約為2997km2，內(nèi)波的傳播方向主要為東向、東南向及東北向。安達曼海共有7 個內(nèi)波激發(fā)源，分別位于科科海峽、安達曼海北部大陸架、十度海峽、卡爾尼科巴島和特蕾莎島之間水域、特蕾莎島和卡徹爾島之間水域、卡徹爾島和小尼科巴之間水域以及蘇門答臘島西北部淺灘。結(jié)合遙感影像獲取時間與內(nèi)波傳播時間進行分析，本文觀察到的內(nèi)波生成時間間隔介于11.5～13 h，具有明顯的半日周期特征，從側(cè)面驗證了安達曼海內(nèi)波主要由半日潮所擾動產(chǎn)生。

圖6 安達曼海內(nèi)波發(fā)生源的三維地形圖Fig. 6 The three-dimensional topographicmap of sources of internal waves in the Andaman Sea

圖7 2017年3月13 日07:00（UTC）安達曼海中部海域內(nèi)波MODIS 影像Fig. 7 The MODIS image acquired on 13 March 2017 at 07:00 UTC showing the internal waves around the central Andaman Sea

圖8 2017年3月11 日04:15（UTC）蘇門答臘島北部海域內(nèi)波MODIS 影像Fig. 8 The MODIS image acquired on 11 March 2017 at 04:15 UTC showing the internal waves around the northern Sumatra Island

表4 安達曼海中部海域內(nèi)波生成時間Table 4 Internal waves generation time around the centralAndaman Sea

表5 蘇門答臘島北部海域內(nèi)波生成時間Table 5 Internal waves generation time around the northern Sumatra Island

圖9 2017年2月12 日04:20 UTC（a）和2017年3月8 日04:10 UTC（b）安達曼海北部海域內(nèi)波MODIS 影像Fig. 9 The MODIS images acquired on 12 February 2017 at 04:20 UTC (a) and 8 March 2017 at 04:10 UTC (b) showing the internal waves around the northern Andaman Sea

綜上，在安達曼海存在眾多特征顯著的內(nèi)波。未來的研究任務是確定內(nèi)波空間參數(shù)的時間變化性及它們與潮汐相位的關系，并通過衛(wèi)星測量、現(xiàn)場觀測和建模相結(jié)合，探討內(nèi)波的生成與傳播機制。