2009年夏季东沙群岛附近内孤立波的现场观测

吕海滨, 申 辉, 何宜军

(1. 淮海工学院 测绘工程学院, 江苏 连云港 222005; 2. 中国科学院 海洋环流与波动重点实验室, 山东 青岛 266071; 3. 南京信息工程大学 海洋科学学院, 江苏 南京 210044)

内波是一种很重要的海洋中尺度现象,在陆架上被频繁地发现。目前一般认为东沙群岛附近的内波来自于吕宋海峡。一直以来, 海洋学家和遥感学者习惯于利用卫星影像来研究海洋内孤立波, 利用多年的遥感影像研究南海北部孤立波的空间分布[1-4]。内孤立波是振幅大、周期短的非线性内波, 一般出现在斜压内潮较强的近海大陆架、大陆坡海区。其经过之处, 会产生极端异常的突发性强流。方文东等[5-6]通过分析南海北部大陆坡海区1998年5, 6月份20天CTD温度资料、6天的温度链温度资料和6天的ADCP海流资料, 发现该海域的内孤立波波包主要为每24 h出现一次, 多数波包有多个子波, 而且以最前的子波的振幅最大。突发性强流一般出现在天文大潮后几天, 最大流速集中在跃层内, 因而推断大振幅向岸强流是由局地海区的内潮与地形相互作用引起的内孤立波所致。

本文列举了中国科学院知识创新工程重大项目2009年夏季航次期间在东沙群岛附近K106站的连续观测成果, 结合X波段雷达、CTD、温度链和ADCP实测, 发现内波表面信号强度不仅与其振幅有关,还与背景流和混合层深度等有密切关系。

1 资料来源

中国科学院知识创新工程重大航次历时30 d, 其中从6月24日15时40分到25日16时40分对东沙岛的东北部陆架上 K106站(117°37.6198′E, 21°02.2990′N)进行了连续观测, 水深697 m(见图1)。期间, 科考船“科学一号”处于漂浮状态, 船的轨迹如图2所示。本航次利用船载 X波段雷达对海表回波信息进行观测记录, 雷达工作频率9.4 GHz, HH极化。“科学一号”考察船利用 GPS进行定位, 同时利用 SBE 911plus CTD和温度链来监测温盐信息, 温度链长240 m, CTD每4 h采样一次。此次监测中, 成功的测到3个内孤立波(包)事件(图3), 其中一个振幅大于100 m。

2 仪器观测

2.1 温度链观测

在2009年6月24日15时40分到25日16时40分的现场连续观测中, 在 K106站的温度链记录数据上发现存在3个大振幅的内孤立波事件(图3), 可以看到大振幅孤立波引起的温度突然变化留下的踪迹, 内波产生的垂向运动把暖的上层水下移, 迫使等温线向下凹陷。第一个内孤立波在6月24日22时43分经过观测船, 第二个内孤立波出现在6月25日8时30分,第三个内孤立波出现在6月25日12时, 分别在图3中用线框标记。

图1 南海水下地形(m)图及站位Fig. 1 Under water topography of the South China Sea and station map (unit of depth: m)

2.2 X波段雷达观测

图2 “科学一号”船的漂流轨迹Fig. 2 Drifting trajectory of the R/V Science # 1

图3 温度链25 h连续监测的温度数据(线框标记本文所研究的孤立内波)Fig. 3 The ISWs were recorded by the rmistor chains during in-situ measurement for 25 hours, which were marked by line boxes

船载X波段雷达是在古野公司FAR-2127系列X波段雷达基础上改造而成, FAR-2127系列雷达是标准的非相干脉冲实孔径成像雷达。经过改造的整个系统主要由七个部分组成: 天线及 T/R组件、雷达主机、控制单元、LCD显示器、高速数据采集卡、极化切换装置以及个人计算机。该雷达系统主要参数如表1所示。

X波段船载雷达能监测后向散射强度, 后向散射强度与海面粗燥度有关。关于此次观测中基于X波段雷达提取内波的相关参数已有成果发表[7-9]。图4给出了第一个和第三个内孤立波经过科考船时船载雷达记录回波强度影像。对比图3, 我们发现一个有趣的现象,第一个孤立波前部振幅达20 m的内波在表面没有内波信号, 而第三个孤立波前部振幅5 m的内波在表面有内波信号。是什么影响到较大振幅的内波在海表没有信号而小振幅的内波确有信号呢？根据当时的正压潮流信息, 来源于 Tide Model Driver (TMD)模式(http://www. oce.orst.edu/po/rsearch/tide/inv_doc.html), 第一个孤立波经过科考船时, 是涨潮期间, 内波传播方向与正压潮流方向一致, 都是向西; 第二个和第三个孤立波经过科考船时, 是落潮时刻, 内波传播方向与正压潮流方向相反, 我们猜测不同的背景流场对内波的表面信号有影响, 关于这部分的数值模拟实验研究成果将陆续发表。

表1 X波段雷达主要参数表Tab. 1 The key parameters of the X-band radar

2.3 ADCP观测

图4 “科学一号”观测的第一个(a, b)、第三个(c, d)内孤立波后向散射强度影像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、周期短的非线性内波, 其经过之处, 会产生极端异常的突发性强流。我们在K106站船载ADCP观测到的强流现象伴随着大振幅孤立波的出现, 图5显示在第一个和第三个孤立波经过前后垂向断面流速的时间序列, 第一个单峰孤立波引起各水层水平流速U分量突然增大, 产生水平最大流速大于2 m/s, 周期大约为15 min。内波引起的各深度层海流均为西向。第三个孤立波经过时刻, 在250 m以深处ADCP测到的最大水平流速大于2 m/s。由图4雷达影像显示至少四个条带, 其中最后的条带雷达表面信号最强。

图5 第一个(a)、第三个(b)孤立波经过 K106时, ADCP测得垂向断面流速时间序列Fig. 5 Velocity at vetical section measured by ADCP when the 1st and 3rd ISWs were observed at K106

图6 在K106a和K106e站测得垂向密度廓线Fig. 6 The density profiles observed at K106a and K106e

从图6 中看出, 上面提到的第一、第三个孤立波记录时刻分别接近K106a和K106e站点, 所以用这两个站点实测 CTD数据推算得到的垂向密度廓线,分别代表各自的水下密度层结。K106a处混合层厚度H约为20 m, K106e处混合层厚度h低于10 m。同时K106a处混合层深度比K106e处要深。这表明, 内波表面信号强弱很可能与混合层深度有关系, 混合层加深, 能减弱内波表面信号的强度。

3 结论

通过对2009年夏季测到的三个孤立波事件的分析, 发现: 孤立波经过时, 伴有突发性强流, 本次观测期间, 最大水平东西分量U大于0.5 m/s, 周期大约15 min, 内波引起的各深度层海流均为西向。第三个孤立波事件中, 雷达影像中包含至少4个亮条带, 其中最后的条带雷达表面信号最强。本次观测中, 第一个孤立波西部振幅20 m的非线性内波在雷达影像中无条纹显示, 而第三个孤立波前部振幅约 5 m的内波在雷达影像中有条纹显示, 说明内波表面信号又不仅与内波振幅有关, 还可能与潮流, 混合层深度等海洋环境条件有密切关系。

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