王火平，鞠霞，孫佳，于龍

（1.中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司 深水工程建設(shè)中心,廣東 深圳 518067；2.自然資源部第一海洋研究所,山東 青島 266061；3.自然資源部 海洋環(huán)境科學(xué)與數(shù)值模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266061；4.山東省海洋環(huán)境科學(xué)與數(shù)值模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266061；5.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 區(qū)域海洋動(dòng)力學(xué)與數(shù)值模擬功能實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266237）

南海是西北太平洋最大的邊緣海，是內(nèi)孤立波最頻發(fā)的海域之一[1]。內(nèi)孤立波是海洋內(nèi)波的一種，是海洋密度躍層內(nèi)產(chǎn)生的一種非線性?xún)?nèi)波，通常是由強(qiáng)流通過(guò)陡峭海底地形激發(fā)產(chǎn)生，在傳播過(guò)程中波型近似保持不變[2]，振幅較大[3-4]。內(nèi)孤立波是一種常見(jiàn)的海洋現(xiàn)象，在邊緣海和陸坡海域出現(xiàn)得尤為頻繁[1,5-6]。內(nèi)孤立波具有大振幅和突發(fā)性強(qiáng)流等特征，其對(duì)海洋工程施工和水下航行安全等都具有重要影響[7-10]。

南海北部陸坡深水區(qū)油氣資源潛力大，勘探前景好[11]，是我國(guó)深水油氣開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域之一。由于南海臺(tái)風(fēng)于每年6 月份以后顯著增多[12]，因此南海北部陸坡海區(qū)油氣開(kāi)采平臺(tái)建設(shè)一般集中于春季進(jìn)行。該海區(qū)頻發(fā)的大振幅內(nèi)孤立波，主要源于呂宋海峽，由潮地相互作用激發(fā)的內(nèi)潮在西向傳播過(guò)程中受非線性、非靜力和旋轉(zhuǎn)共同調(diào)制下激發(fā)形成。其中呂宋海峽處M2內(nèi)潮影響更強(qiáng)，全日內(nèi)潮發(fā)揮次要作用[13-16]。受復(fù)雜地形和水文環(huán)境影響，該海區(qū)內(nèi)孤立波模態(tài)信號(hào)復(fù)雜、周期性顯著[17-19]。南海北部陸坡海域頻發(fā)的內(nèi)孤立波過(guò)程嚴(yán)重威脅油氣開(kāi)采平臺(tái)建設(shè)安全，是平臺(tái)建設(shè)過(guò)程中最關(guān)注的海洋現(xiàn)象[20-21]。如2011 年11 月，一次強(qiáng)烈的內(nèi)孤立波過(guò)程導(dǎo)致處于施工過(guò)程中的流花油田半潛式平臺(tái)在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生了巨大的漂移，嚴(yán)重影響了工程施工安全[21]。因此，對(duì)南海北部陸坡區(qū)內(nèi)孤立波特征進(jìn)行分析具有重要的意義。

本文通過(guò)分析南海北部陸坡海域現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)海域內(nèi)春末第一模態(tài)內(nèi)孤立波重現(xiàn)期以及流向和流速等動(dòng)力結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分析結(jié)果可為該海域工程水下施工提供參考和有力支撐。

1 數(shù)據(jù)

圖1a 為南海北部陸坡海域布放的針對(duì)內(nèi)孤立波過(guò)程開(kāi)展觀測(cè)所布放的一套浮標(biāo)周邊的水深地形特征，該浮標(biāo)位于（116°32′32″E，21°26′54″N），水深305 m。為準(zhǔn)確捕捉內(nèi)波信號(hào)，浮標(biāo)于距海表面0.8 m 處設(shè)置1 臺(tái)SeaBird CTD（型號(hào)為SEB 37 SM）進(jìn)行溫鹽連續(xù)觀測(cè)，距海表面1.5 m 處設(shè)置1 臺(tái)TRDI 75K ADCP（型號(hào)為WH LR 75）向下進(jìn)行流速剖面觀測(cè)，浮標(biāo)設(shè)計(jì)圖如圖1b 所示。ADCP 流速剖面垂向分辨率為8 m，第一層流速數(shù)據(jù)位于水深18.3 m 處，共觀測(cè)33 層，最底層位于274.3 m 處。由于內(nèi)波過(guò)程持續(xù)時(shí)間短，為準(zhǔn)確捕捉內(nèi)波信號(hào)，浮標(biāo)溫度、鹽度和流速觀測(cè)的時(shí)間分辨率均為3 min。浮標(biāo)觀測(cè)時(shí)間由2021 年5 月5 日持續(xù)至6 月3 日，共30 d。圖1 所用的地形數(shù)據(jù)為SRTM（Shuttle Radar Topography Mission，數(shù)據(jù)下載網(wǎng)址為https://portal.opentopography.org/datasetMetadata?otCollectionID=OT.122019.4326.1)[22]，由美國(guó)太空總署（National Aeronautics and Space Administration）和國(guó)防部國(guó)家測(cè)繪局（National Imagery and Mapping Agency）聯(lián)合開(kāi)發(fā)。本文采用的地形數(shù)據(jù)空間分辨率為15″×15″，包含了陸地高程和海洋深度數(shù)據(jù)。

圖1 浮標(biāo)位置及其周邊地形和浮標(biāo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.1 Buoy location and its surrounding topography,schematic diagram of the buoy design drawing

圖2 為觀測(cè)時(shí)間內(nèi)所獲取的溫度、鹽度時(shí)間序列，以及ADCP 的儀器姿態(tài)和水平流速的剖面序列。由圖2a 可知，整個(gè)觀測(cè)期內(nèi)，儀器縱搖和橫搖基本在10°以?xún)?nèi)，數(shù)據(jù)良好率在95% 以上，ADCP 觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠。溫度序列存在明顯的日周期信號(hào)，海表溫度在5 月15 日前逐漸升溫，期間鹽度無(wú)明顯的線性變化趨勢(shì)，5 月19 日至27 日期間溫度升高，鹽度同步降低(圖2b)。圖2c 和2d 分別為觀測(cè)期內(nèi)的緯向和經(jīng)向水平流，存在較明顯的日變化。由于ADCP 固定懸掛于水面浮體以下，隨波浪起伏，垂向流觀測(cè)誤差偏大，因此本文只利用水平流觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)波信號(hào)提取。

圖2 觀測(cè)期ADCP 儀器姿態(tài)和溫度、鹽度及水平流速剖面序列分布Fig.2 ADCP attitude and the observed temperature,salinity,and meridional and zonal current velocities

2 內(nèi)孤立波流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及判定

第一模態(tài)內(nèi)孤立波根據(jù)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)可分為2 層，上層水體運(yùn)動(dòng)與傳播方向一致，下層水體背向傳播方向運(yùn)動(dòng)。以2021 年5 月24 日12:00 至16:00 的水平流觀測(cè)結(jié)果為例（圖3a 和3b），上層70 m 以淺為西北向流，100 m以深為東向流，經(jīng)向水體運(yùn)動(dòng)與上層流向相反，70～100 m 深度范圍存在一股較弱的西向水體流動(dòng)。13:30左右，浮標(biāo)位置潮流轉(zhuǎn)向，隨后伴隨產(chǎn)生較為明顯內(nèi)孤立波波列信號(hào)，強(qiáng)度逐漸減弱，重現(xiàn)期約30 min。從海表溫度、鹽度時(shí)間序列數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，內(nèi)孤立波過(guò)程期間溫度和鹽度曲線均有明顯的下凹，結(jié)合流場(chǎng)結(jié)構(gòu)可以判斷為第一模態(tài)內(nèi)孤立波信號(hào)。波列中內(nèi)孤立波強(qiáng)度隨時(shí)間降低，海表溫度和鹽度的波動(dòng)信號(hào)逐漸消失（圖3c）。對(duì)前4 個(gè)信號(hào)較強(qiáng)的內(nèi)孤立波的流場(chǎng)剖面進(jìn)行集合平均，可發(fā)現(xiàn)內(nèi)波流速剖面為2 層結(jié)構(gòu)，上層以西北向流為主，流向隨深度逆時(shí)針變化，下層以NE—SE 向流為主（圖3d）。以此結(jié)構(gòu)為依據(jù)，本文利用2021 年5 月5 日至6 月3 日共30 d 的流場(chǎng)結(jié)合溫鹽場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行人工識(shí)別判定，將內(nèi)孤立波波列中的子波作為1 次內(nèi)孤立波過(guò)程，共選取179 次內(nèi)孤立波過(guò)程，并對(duì)其特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

圖3 2021-05-24 內(nèi)孤立波波列水平流速剖面序列分布Fig.3 Vertical structure of meridional and zonal current velocities of the internal solitary waves during 24 May,2021

3 內(nèi)孤立波重現(xiàn)期

內(nèi)孤立波在南海北部陸坡區(qū)域多以波列形式出現(xiàn)，重現(xiàn)期較短，強(qiáng)度較大（圖3）。南海北部主要為不規(guī)則半日潮類(lèi)型，內(nèi)潮對(duì)內(nèi)孤立波重現(xiàn)期有顯著影響。對(duì)浮標(biāo)捕捉到的內(nèi)孤立波信號(hào)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)南海北部的內(nèi)孤立波主要存在3 個(gè)重現(xiàn)期信號(hào)（圖4a）。其中，重現(xiàn)期為0～1 h 的內(nèi)孤立波占總數(shù)的58.4 %，這說(shuō)明波列形式是南海第一模態(tài)內(nèi)孤立波出現(xiàn)的主要形式。由于南海背景環(huán)流對(duì)內(nèi)孤立波流場(chǎng)的影響以及人工判別方式可能存在的誤差，部分信號(hào)較弱的內(nèi)孤立波過(guò)程可能未被記錄，從而導(dǎo)致40～60 min 重現(xiàn)期占比較大。綜合考慮上述因素的影響，波列中的內(nèi)孤立波重現(xiàn)期應(yīng)在20～30 min（圖4b）。除波列形式的重現(xiàn)期信號(hào)外，該區(qū)域的內(nèi)孤立波仍存在半日（11～12 h）和全日（24 h）兩個(gè)重現(xiàn)期信號(hào)（圖4c）。這2 個(gè)信號(hào)主要是由半日內(nèi)潮和全日內(nèi)潮在呂宋海峽處發(fā)生潮地相互作用，以及內(nèi)潮非線性變陡機(jī)制激發(fā)效應(yīng)所致[11-14]，顯示了南海北部陸坡海區(qū)第一模態(tài)內(nèi)孤立波的主要變化周期。激發(fā)生成的半日和全日周期的內(nèi)孤立波由巴士海峽生成后以波列形式向西傳播，影響南海北部陸坡區(qū)域海洋流場(chǎng)特征。

圖4 內(nèi)波重現(xiàn)期概率密度分布Fig.4 Histogram of the recurrence interval of internal solitary waves

4 內(nèi)孤立波傳播方向及流速特征

圖5 為陸坡區(qū)域浮標(biāo)位置處觀測(cè)到的179 個(gè)內(nèi)孤立波流向流速玫瑰圖及表層（ADCP 有效觀測(cè)結(jié)果第一層）流流速、最大流流速以及最大流速所在深度的概率密度分布圖。由圖5 可知，該區(qū)域內(nèi)波傳播方向角度多在281°～303°，以WNW 傳播方向?yàn)橹?，NW 方向次之（圖5a）；最大流速集中在上層區(qū)域，與內(nèi)波傳播方向一致，少部分發(fā)生于背向內(nèi)孤立波傳播方向的深層區(qū)域（圖5b）。表層流流速多分布于20～80 cm/s范圍內(nèi)，占總數(shù)的81.5 % 以上（圖5c）；最大流速多分布于40～120 cm/s，占總數(shù)的88.4 % 以上（圖5d），較表層流速稍強(qiáng)，集中分布于100 m 以淺，以西北向流速結(jié)構(gòu)為主（圖5e）。此外，近底層存在一處最大流速匯集區(qū)（圖5e），表明內(nèi)孤立波可能引發(fā)底流的突變，并對(duì)海底附近的施工作業(yè)產(chǎn)生重要影響。

圖5 內(nèi)孤立波流向流速玫瑰圖及表層流流速、最大流流速以及最大流速所在深度的概率密度分布Fig.5 Speed-direction rose maps of the internal solitary waves and histogram of surface current speed,maximum current speed,and depth of the maximum current

圖6 為浮標(biāo)位置處根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到的內(nèi)波傳播方向示意圖。浮標(biāo)處水深近300 m，水深變化梯度大，等深線梯度由西逐漸向北偏轉(zhuǎn)，浮標(biāo)位置處地形梯度為北偏西方向。受地形變化影響，呂宋海峽傳至此處的內(nèi)孤立波傳播方向發(fā)生改變，由西逐漸向北偏轉(zhuǎn)，最終形成西偏北方向的傳播特征。

圖6 浮標(biāo)周邊海區(qū)地形、內(nèi)孤立波波峰線及傳播方向示意圖Fig.6 Topography and the diagram of peak line and propagation direction of the internal solitary waves

由于不同內(nèi)孤立波之間的結(jié)構(gòu)差異性，因此本文對(duì)觀測(cè)期內(nèi)179 個(gè)內(nèi)孤立波的流速進(jìn)行集合分析。圖7 為179 個(gè)內(nèi)波期間的流速分量大小和流矢量剖面結(jié)構(gòu)。由圖7 可見(jiàn)，第一模態(tài)內(nèi)孤立波普遍的雙層結(jié)構(gòu)特征，南海陸坡區(qū)域處上層水體為西北向流動(dòng)，下層為東南向流動(dòng)。受潮汐運(yùn)動(dòng)影響，流場(chǎng)存在明顯半月周期信號(hào)。緯向流在5 月16 日和6 月1 日左右達(dá)到極大值，分別對(duì)應(yīng)小潮和大潮。內(nèi)孤立波流場(chǎng)由海表向下沿逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，流速極小值（流場(chǎng)轉(zhuǎn)向處）主要集中在100～150 m 深度層（圖7c）。

圖7 內(nèi)孤立波流速結(jié)構(gòu)Fig.7 Vertical structure of the current associated with the internal solitary waves

5 結(jié)論

本文通過(guò)分析處理南海北部陸坡海區(qū)2021 年5 月5 日至6 月3 日期間1 套內(nèi)孤立波浮標(biāo)的流速和溫鹽觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)該海區(qū)內(nèi)孤立波過(guò)程進(jìn)行了識(shí)別判定和結(jié)構(gòu)分析。通過(guò)對(duì)該浮標(biāo)捕獲的179 次第一模態(tài)內(nèi)孤立波信號(hào)的重現(xiàn)期、傳播方向和流速結(jié)構(gòu)等特征進(jìn)行集合分析發(fā)現(xiàn)，南海北部陸坡海區(qū)春季第一模態(tài)內(nèi)孤立波垂向流場(chǎng)為雙層結(jié)構(gòu)，上層為西偏北向流動(dòng)，下層為東南向流動(dòng)。受內(nèi)潮的影響，南海北部陸坡區(qū)域內(nèi)孤立波存在半日和全日兩個(gè)重現(xiàn)周期，主要以20～30 min 間隔的波列形式向西偏北方向傳播，傳播方向受陸坡海區(qū)地形梯度制約。內(nèi)孤立波期間，最大流速多發(fā)生于水深100 m 以淺的上表層，流速集中在60～120 cm/s，底層流增強(qiáng)。流向隨深度逆時(shí)針變化，并于100～150 m 水深處發(fā)生層結(jié)流場(chǎng)轉(zhuǎn)向。這些結(jié)果表明，南海北部陸坡海區(qū)內(nèi)孤立波頻發(fā)、規(guī)律較為明顯。

內(nèi)孤立波伴隨的水下強(qiáng)流主要出現(xiàn)在上表層，容易引發(fā)作業(yè)船只定位漂移、對(duì)油氣平臺(tái)水下結(jié)構(gòu)和施工人員形成猛烈沖擊，造成重大安全隱患。因此，該海區(qū)油氣平臺(tái)建設(shè)施工時(shí)應(yīng)主動(dòng)進(jìn)行內(nèi)孤立波實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警，從而有效保障生產(chǎn)安全。本文研究成果也提升了對(duì)該海區(qū)內(nèi)孤立波時(shí)空變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)水平，豐富了內(nèi)孤立波研究成果。