鄧林青 ，許培鵬 ，郭延良 ，陳 亮* ，熊學(xué)軍

（1. 中海石油(中國)有限公司深圳分公司深水工程建設(shè)中心, 廣東 深圳518000；2. 自然資源部 第一海洋研究所, 山東 青島 266061；3. 山東科技大學(xué) 測繪與空間信息學(xué)院, 山東 青島 266590；4. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(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 266061；5. 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）

海洋內(nèi)孤立波是發(fā)生在層結(jié)海洋內(nèi)部的一種非線性波動(dòng)。海洋內(nèi)波與表面波同屬界面波，但不同的是，表面波發(fā)生在海洋與大氣的界面，由于空氣密度遠(yuǎn)小于海水的密度，其恢復(fù)力可近似為重力；而內(nèi)波發(fā)生在不同密度的海水層結(jié)之間，其恢復(fù)力是約化重力（即上下兩層海水的重力差），其大小與表面波的恢復(fù)力相比要小2～3個(gè)量級。當(dāng)海水質(zhì)點(diǎn)由于擾動(dòng)離開其平衡位置后，其恢復(fù)力越小，振幅越大。因此，表面波的振幅通常為O（0～10）m，而海洋內(nèi)波的振幅則可達(dá)O（100～200）m。內(nèi)孤立波的持續(xù)時(shí)間大約在幾分鐘至幾小時(shí)之間，其突發(fā)性巨大沖擊能量可對水下航行和工程設(shè)施構(gòu)成災(zāi)難性威脅[1]。

南海北部內(nèi)孤立波發(fā)生頻繁[1-3]，是國際公認(rèn)的優(yōu)良的天然內(nèi)波試驗(yàn)場[4-6]?，F(xiàn)場觀測和數(shù)值模擬的研究結(jié)果表明，南海北部內(nèi)孤立波的生成機(jī)制復(fù)雜多樣，如Lee-wave機(jī)制[7]、內(nèi)潮釋放機(jī)制[8]、混合區(qū)塌陷機(jī)制[7]、黑潮剪切不穩(wěn)定機(jī)制[9]以及內(nèi)潮非線性變陡機(jī)制[10-13]等。同時(shí)，南海油氣資源十分豐富，素有第二個(gè)“波斯灣”之稱[14]，目前在南海北部陸坡海域已規(guī)模開發(fā)的大型油田有陸豐、流花和荔灣等油田群，這些油田群的建設(shè)對于完善我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的深水油氣開發(fā)工程技術(shù)體系、保障國家能源安全和助力粵港澳大灣區(qū)發(fā)展具有重要意義。據(jù)現(xiàn)場施工經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)研究報(bào)道[15]，陸豐、流花和荔灣等油田群的開發(fā)過程均受到了內(nèi)孤立波不同程度的影響。以LH16-2油田群開發(fā)項(xiàng)目為例，僅在2019年至2020年間共監(jiān)測并發(fā)布的內(nèi)波流預(yù)警信息就高達(dá)450次，監(jiān)測到的最大內(nèi)波流流速達(dá)163.95 cm/s，發(fā)生深度為92 m。即使是在現(xiàn)場作業(yè)接到內(nèi)波流預(yù)警并提前采取應(yīng)對措施的情況下，內(nèi)波流對施工船造成輕度、中度和重度影響的情況分別占比44.5%、4.6%和5.2%?？梢?，海洋內(nèi)波已成為海上油氣資源開發(fā)過程中必須著重考慮的重要風(fēng)險(xiǎn)之一[15-16]。

中尺度渦是指海洋中水平直徑為10～500 km、持續(xù)時(shí)間為數(shù)天至數(shù)月的水平旋轉(zhuǎn)水體[17]。南海平均水深1 000多m，面積為350萬km2，為中尺度渦的生成、傳播和演化提供了良好的條件。大量的觀測和研究[18-23]表明，南海是中尺度渦多發(fā)、頻發(fā)的海域，且南海的中尺度渦會對內(nèi)波產(chǎn)生影響，如：林宏陽等[18-19]利用衛(wèi)星高度計(jì)海面高度數(shù)據(jù)對南海及其鄰近海域中尺度渦的分析結(jié)果表明，南海年平均渦旋總數(shù)為（21±4）個(gè)，其中,氣旋渦為（10.3±2.4）個(gè)，反氣旋渦為（10.7±2.4）個(gè)；Chen等[20]利用1992年10月至2009年10月共計(jì)17 a的衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果表明，南海北部海域是中尺度渦分布相對集中的海域，其存在的時(shí)間達(dá)到35%～60%；Zhang等[21]利用現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)、衛(wèi)星和再分析數(shù)據(jù)研究出現(xiàn)在南海的一對氣旋渦和反氣旋渦，發(fā)現(xiàn)反氣旋渦和氣旋渦過境產(chǎn)生的最大表層流速分別可達(dá)1 m/s和0.5 m/s, 產(chǎn)生的溫度距平分別可達(dá)7.5 ℃ 和?3.0 ℃，可見中尺度渦的出現(xiàn)能夠引起流場和溫度場的改變。而這些改變對內(nèi)孤立波的傳播有明顯的調(diào)制作用，例如，Huang等[22]基于布放在呂宋海峽深水區(qū)的潛標(biāo)陣列數(shù)據(jù)，研究一對中尺度渦對內(nèi)孤立波的影響，發(fā)現(xiàn)中尺度渦對內(nèi)孤立波的振幅、波速等均有非常重要的調(diào)制作用；Xu等[23]基于潛標(biāo)觀測數(shù)據(jù)研究東沙群島東側(cè)海域反氣旋渦對內(nèi)孤立波的影響發(fā)現(xiàn)，當(dāng)內(nèi)孤立波穿過中尺度渦中心后，內(nèi)孤立波的振幅增大了50%，而中尺度渦引起的流場變化對內(nèi)孤立波振幅的影響則與其位置有關(guān)，中心流場具有削弱作用，邊緣流場具有增強(qiáng)作用。

總體而言，以往關(guān)于南海中尺度渦對內(nèi)孤立波的影響研究相對較少，且都集中在呂宋海峽至東沙群島東側(cè)的深水海域，針對油氣田聚集的東沙群島西側(cè)陸坡海域的研究目前尚未見報(bào)道?；诖?，本文擬利用布放于東沙群島西側(cè)流花油田群海域的1套潛標(biāo)觀測數(shù)據(jù)，研究2017年3月至4月觀測發(fā)現(xiàn)的一個(gè)反氣旋渦對內(nèi)孤立波的振幅、波速的影響，以期更好地了解在反氣旋渦過境時(shí)內(nèi)孤立波的變化，為內(nèi)孤立波預(yù)警模型提供參考，并為海上油氣開發(fā)應(yīng)用等安全保障提供重要依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)

1.1.1 潛標(biāo)觀測數(shù)據(jù)

潛標(biāo)布放于水深為400 m的南海東沙群島西側(cè)流花油田群海域（圖1），包括溫鹽觀測和海流觀測兩部分。溫鹽剖面由美國SeaBird公司生產(chǎn)的SBE37 SM型溫鹽深測量儀（Conductivity Temperature Depth system, CTD）和SBE56型溫度傳感器（Temperature Sensor，T）交替連接組成的溫鹽鏈進(jìn)行觀測，其中每隔50 m安裝1臺CTD、每隔10 m安裝1臺T（有CTD處則不安裝），觀測水深為60～370 m。海流剖面采用美國TRDI公司生產(chǎn)的WHLR-75型75 kHz聲學(xué)多普勒流速剖面儀（Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP）進(jìn)行觀測，ADCP換能器朝上，安裝于水深370 m的近底層主浮體內(nèi)，垂向觀測間隔為8 m一層。溫鹽和海流均為每3 min同步采樣一次。本文所使用的觀測數(shù)據(jù)時(shí)段為2017年2月1日至5月15日，其中由于ADCP故障，缺少2017年2月1日至20日的海流觀測數(shù)據(jù)。

圖1 南海北部海域地形和潛標(biāo)觀測站位Fig. 1 Seafloor topography and location of the mooring station in the Northern South China Sea

1.1.2 SLA數(shù)據(jù)

采用衛(wèi)星高度計(jì)海平面異常（Sea Level Anomalies，SLA）數(shù)據(jù)分析南海中尺度渦的出現(xiàn)和傳播情況，數(shù)據(jù)來自于哥白尼海洋服務(wù)中心（Copernicus Marine Service，CMEMS）網(wǎng)站（https://marine.copernicus.eu/）。衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)包括準(zhǔn)實(shí)時(shí)（Near Real Time，NRT）和延時(shí)（Deleyed Time，DT）兩種數(shù)據(jù)。前者為近幾天的數(shù)據(jù)產(chǎn)品；而后者一般在數(shù)據(jù)測量2個(gè)月后才有可用產(chǎn)品，相對于NRT數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)。本文選用2017年2月至5月DT數(shù)據(jù)，包括海平面異常和表層地轉(zhuǎn)流經(jīng)向和緯向分量數(shù)據(jù)，其空間分辨率為（1/4）°，時(shí)間分辨率為1 d[16]。

1.1.3 潮位數(shù)據(jù)

本文采用的潮位數(shù)據(jù)來源于利用美國地球與空間研究中心（Earth & Space Research）提供的TMD（Tide Model Driver）工具包所得到的預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)（http://www.esr.org/research/polar-tide-models/tmd-software/）。選用位于呂宋海峽中部（121°51′53.28″E，20°32′53.88″N）點(diǎn)位（圖1）的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)時(shí)段為2017年2月6日至5月7日，分辨率為1 h。

1.2 方法

基于潛標(biāo)觀測數(shù)據(jù)，采用KdV理論，對內(nèi)孤立波的振幅、波速等動(dòng)力學(xué)要素進(jìn)行提取和計(jì)算，并通過分析內(nèi)波過境過程中振幅、波速的變化探討中尺度渦對其傳播的影響。

在連續(xù)流體中，KdV方程可以寫為[24]：

式中：ηn為第n模態(tài)內(nèi)波位移；t為時(shí)間；cn為第n模態(tài)內(nèi)波的線性波速；x和 z 分別為水平方向和垂直方向的位移；αn、βn分別為第n模態(tài)內(nèi)波的非線性系數(shù)和頻散系數(shù)，其中，U(z)為背景的剪切流速，可以通過ADCP觀測到的內(nèi)孤立波發(fā)生前30min的每層流速取平均得到,Φn為第n模態(tài)內(nèi)孤立波的垂向位移，可以通過求解Taylor-Goldstein(T-G)方程（式中，Φ(?H)=Φ(0)=0，N2(z) 為浮力頻率，且為重力加速度，ρ為海水密度）得到[25-26]。

方程（1）存在單個(gè)孤立波解：

式中，η0,n為內(nèi)孤立波的最大振幅；Cn為 內(nèi)孤立波的非線性波速，且為內(nèi)孤立波的水平特征寬度。本文用17 ℃等溫線的垂向最大位移變化量表示內(nèi)孤立波的最大振幅，即：

式中，hmax為內(nèi)波發(fā)生期間17 ℃等溫線波谷所在的水深值，h0為內(nèi)波發(fā)生前30 min 17 ℃等溫線所在的平均水深。

2 結(jié)果與分析

2.1 中尺度渦過境過程

由南海北部中尺度渦經(jīng)過觀測潛標(biāo)的SLA和表層地轉(zhuǎn)流過程分布（圖2）可見：2017年2月20日開始，觀測站位受到中尺度渦邊緣強(qiáng)流場的影響。3月20日前主要以西北向或北向流為主，3月20日以后則主要以東向流為主，4月1日開始，潛標(biāo)觀測站位才逐漸擺脫中尺度渦的影響。中尺度渦影響期間，潛標(biāo)觀測到的溫度及海流剖面如圖3所示，可以看出，從2月26日開始，觀測海域受中尺度渦的影響，溫躍層開始下潛，上層流速逐漸增強(qiáng)，至4月4日左右，溫躍層和流速幅值恢復(fù)到原來的深度和強(qiáng)度。

圖2 南海北部中尺度渦經(jīng)過觀測潛標(biāo)的SLA和表層地轉(zhuǎn)流過程分布Fig. 2 Distributions of SLA and geostrophic current process when mesoscale eddy passing through the mooring station in the northern South China Sea

圖3 中尺度渦影響期間潛標(biāo)觀測溫度剖面和海流矢量分布Fig. 3 The temperature profiles and current vector distribution at the mooring station during the influence of the mesoscale eddy

2.2 中尺度渦對內(nèi)孤立波振幅的影響

2017年2月10日至5月10期間內(nèi)孤立波的發(fā)生頻次和振幅的結(jié)果如圖4a所示。該海域內(nèi)孤立波的頻發(fā)周期與呂宋海峽的大潮期（圖4b）對應(yīng)，說明該海域內(nèi)孤立波主要來源于呂宋海峽。從對應(yīng)的時(shí)間來看，內(nèi)波從呂宋海峽傳播至該海域的時(shí)間為3 d左右。3月9日至23日觀測站位受中尺度渦的影響最大，該周期內(nèi)的內(nèi)孤立波平均振幅為20.7 m，與無中尺度影響情況下的平均振幅（29.0 m）相比，減小了28.6%，說明該反氣旋中尺度渦對內(nèi)孤立波的振幅具有明顯的抑制作用。其次，該周期內(nèi)的內(nèi)孤立波發(fā)生頻次明顯少于其他周期，說明該中尺度渦調(diào)制后的背景溫鹽場和流場不利于內(nèi)孤立波的生存。這與Xu等[23]觀測發(fā)現(xiàn)的一個(gè)約180 m振幅的內(nèi)孤立波穿越中尺度渦后，振幅變得很小且內(nèi)孤立波結(jié)構(gòu)不再明顯的結(jié)論一致。

圖4 中尺度渦影響期間內(nèi)孤立波發(fā)生頻次和振幅變化與呂宋海峽潮位對比Fig. 4 Comparison of the occurrence frequency and amplitude variation of the internal solitary wave with the tide level in the Luzon Strait during the influence of the mesoscale eddy

內(nèi)孤立波傳播進(jìn)入中尺度渦受溫躍層變化影響的過程可以近似地看作“趨淺溫躍層”[6]的逆過程。即內(nèi)孤立波由溫躍層較淺的海域傳播至由中尺度渦影響導(dǎo)致溫躍層變深的海域。根據(jù)趨淺溫躍層理論[5]，內(nèi)孤立波的振幅增長率（Soliton Amplitude Growth Ratio，SAGR）可以表示為：

式中，h0為 沒有中尺度渦時(shí)等溫線的深度，he為中尺度渦存在時(shí)等溫線的深度。若SAGR＞1，則說明變化的溫躍層有利于內(nèi)孤立振幅的增長；若SAGR=1，則說明溫躍層變化對振幅沒有影響；若SAGR＜1，則說明變化的溫躍層對內(nèi)孤立波的振幅有抑制作用。3月9日至23日受中尺度渦影響導(dǎo)致的溫躍層變化明顯。圖5給出了SAGR理論計(jì)算結(jié)果，可以看出，內(nèi)孤立波的振幅變化與SAGR理論計(jì)算值的變化趨勢基本一致，其中，受中尺度渦影響最大的3月9日至23日潮周期內(nèi)的內(nèi)孤立波振幅明顯減小，對應(yīng)的SAGR值為0.6，說明中尺度渦導(dǎo)致溫躍層下潛對內(nèi)孤立波振幅產(chǎn)生了較強(qiáng)的抑制。

圖5 內(nèi)孤立波平均振幅變化與SAGR理論計(jì)算值的對比Fig. 5 Comparison between the change of average amplitude of internal solitary wave and the calculated values of SAGR

2.3 中尺度渦對內(nèi)孤立波波速的影響

根據(jù)KdV理論，基于觀測到的溫鹽剖面和海流剖面計(jì)算得到2017年2月20日至5月10日期間內(nèi)孤立波的波速值（圖6中黑色圓點(diǎn)），可以看出，在未受到中尺度渦影響的情況下，內(nèi)孤立波的波速為1.26 m/s。2017年3月9日至25日期間，受中尺度渦的影響，波速值明顯增大，平均為1.47 m/s, 增大約16.7%，最大波速達(dá)到1.54 m/s。

圖6 中尺度渦影響期間內(nèi)孤立波的波速分布Fig. 6 Distribution of the wave speeds of internal solitary waves during the influence of the mesoscale eddy

根據(jù)波速的計(jì)算公式，內(nèi)孤立波波速應(yīng)隨著振幅的增大而增大，但在中尺度渦過境期間，內(nèi)孤立波的波速卻隨著振幅減小而增大，說明了中尺度渦對內(nèi)孤立波波速具有增強(qiáng)作用。為進(jìn)一步確認(rèn)是何種因素導(dǎo)致波速的增強(qiáng)，我們采用控制變量法，分別針對層結(jié)和背景流的變化對波速的影響進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算分析：1）不考慮背景流，計(jì)算在層結(jié)變化下的波速值（圖6中藍(lán)色曲線），結(jié)果表明，其波速變化不大；2）以2月20日平均溫鹽剖面作為背景溫鹽場并保持不變，計(jì)算在流場變化下的波速值（圖6中紅色曲線）。從圖6可以看出，在受中尺度渦影響較大的2017年3月9日至25日期間，由于流場的變化，計(jì)算出的波速值明顯較大。綜合結(jié)果表明，該反氣旋中尺度渦導(dǎo)致的背景流場的變化，對內(nèi)孤立波的波速具有增強(qiáng)作用。

3 結(jié) 論

針對南海北部陸坡海域內(nèi)孤立波和中尺度渦頻發(fā)對海上施工和水下作業(yè)安全造成嚴(yán)重威脅這一背景，本文基于布放在南海北部東沙群島西側(cè)陸坡海域的一套潛標(biāo)觀測數(shù)據(jù)，選取2017年3月一反氣旋中尺度渦經(jīng)過潛標(biāo)站位的過程，探討了中尺度渦對內(nèi)孤立波傳播的影響。主要結(jié)論如下：

1）受反氣旋中尺度渦的影響，潛標(biāo)站位等溫線明顯下凹，躍層深度變深，導(dǎo)致內(nèi)孤立波的平均振幅減小28.6%，說明內(nèi)孤立波傳播過程中，該反氣旋中尺度渦對其振幅起抑制作用，其振幅抑制過程可采用趨淺溫躍層理論進(jìn)行描述。

2）受反氣旋中尺度渦的影響，內(nèi)孤立波的平均波速由1.26 m/s增大到1.47 m/s, 增幅約16.7%。說明內(nèi)孤立波傳播過程中，反氣旋中尺度渦對其波速起增強(qiáng)作用。利用KdV理論分析表明，該強(qiáng)化作用主要是由反氣旋中尺度渦的邊緣流場改變了內(nèi)孤立波過境時(shí)的背景流場所致，而與中尺度渦引起的層結(jié)變化關(guān)系較小。

研究成果對提高該海域內(nèi)孤立波預(yù)警模型的準(zhǔn)確度具有重要參考意義，同時(shí)也可為該海域海上油氣開發(fā)應(yīng)用等安全保障提供重要依據(jù)。