南海内波监测预警技术研究与应用

淳明浩 ，冷述栋 ，梁树森 ，王 琮 ，罗小桥 ，杨肖迪 ，徐 爽

1.中国石油集团工程技术研究有限公司，天津 300451

2.中国石油集团海洋工程重点实验室，天津 300451

3.中船重工船舶设计研究中心有限公司，北京 100081

海洋内波是一种因海水密度垂直分层而引发的波动，常发生于海面以下的数百米深度内[1]。海洋内波的成因，多归结为近海面处的海水对流、波浪运动等搅拌，形成密度均匀的混合层，但继续往下，海水密度受温度、盐度影响而明显分层，分层界面受到搅动便产生内波[2]。海洋内波在全球海洋都存在，其中中国南海发生过目前已知有历史记录以来全球振幅最大的内波[3]。大振幅的海洋内波经常引起强烈、瞬变的海流，产生强烈的剪切振幅，可使海水水体在数分钟内下沉超过150 m，水温骤变12℃以上，对海洋油气开发设施造成破坏[4]，主要表现为造成勘探钻井大倾斜、产生过度的水平位移、错段隔水管和增大锚缆的额外张力，引起海底管道和电缆断裂，导致海洋工程项目额外的时间和设备损失等[5]。

1 目标海域概况

南海是我国最大的边缘海，通过吕宋海峡与太平洋相连，周边环绕中国珠三角、台湾地区以及东南亚等重要发达经济区[5]。本文研究的目标海域位于中国南海北部陆坡中段、珠江口盆地珠二坳陷白云凹陷南侧，处在陆架到深海的陆坡位置，水深900～1 500 m，海底地形总体呈东北高、西南低的斜坡形态，属于内波易发海域[6]。

目标海域的水体在垂向上存在大通量的温度和盐度混合，这种混合的剧烈程度相比公海高出数十倍乃至上百倍[7]。与临近的吕宋海峡、南北向的恒春海脊及巴坦海脊之间相隔仅约100 km，高度却相差多达500m，在此特别的环境条件下，曾造就了振幅达150m的巨大内波[8]。因此，在吕宋海峡海底山脊的影响下，南海内波生成频繁，并向西传播影响目标海域[9]。南海内波在两个海脊之间生成后，往西传播行进至东沙海域，因海水深度变浅、内波波速变慢而变形、破碎、翻转进而消散，影响范围为北南海至东沙之间的400 km区域，从生成到消散历时约两天半[10]。图1中深黄色区域表示内波在南海曾出现的区域，由图2可知目标海域位于内波的高发区，影响目标海域的内波主要来自东部海域。

图1 历史南海海域内波分布图

图2 目标海域位置

2 监测方案制定与现场监测

为了全面监测与预警海上半潜式钻井平台在目标海域内作业时的内波风险，在钻井平台周围布设3个内波流监测预警站位，即以1套潜标和2套浮标组成监测系统，进行为期1年的全水深剖面的海流、温度、盐度、底流和水体密度等内波相关参数监测。通过分析监测系统采集的数据，获取目标海域内波关键特征信息，为海上钻井作业和工程保障提供海洋内波实时环境资料。监测预警站位布置如图3所示。

图3 平台及监测站位布置

选择150、300、600 kHz等多种频率多普勒海流计（ADCP）、温盐深传感器（CTD）、温深传感器（TD）以及海流计等传感器，配置组成适用于1 500 m水深的全海深观测潜标系统（见图4）和海底锚固长周期观测浮标系统（见图5）。配置后的潜标系统和浮标系统，水下监测最大范围可覆盖从海面表层至海底1 500 m深度，确保每种监测设备均可在有效量程内实现全海深监测覆盖。

图4 潜标系统

图5 浮标系统

为确保监测系统工作正常，总计利用2套潜标系统和4套浮标系统进行轮换监测，每三个月进行一次监测系统的回收与再布放，确保传感器能够累计一年周期持续工作。1套潜标系统布放位置距离平台30 km处，2套浮标系统布放位置分别距离平台36 km和54 km处，布放位置均处于历史内波经过高概率的路径区。监测系统的传感器均具有自容式数据存储功能，回收后可进行数据下载与分析处理。同时，浮标系统采集的监测数据通过卫星与岸站进行实时传输，确保监测结果能及时传输至作业平台与数据监测中心，监测数据传输模式见图6。

图6 监测数据传输系统模式

3 风险分析与环境预警

对2套潜标系统和4套浮标系统的一年周期内的监测数据进行下载、分析，监测周期内的数据连续、完整，全剖面水体信号的采集率和捕获率均达95%以上，可为内波特征与风险分析提供充足依据[l1]。

3.1 内潮波特征

监测数据分析表明内波监测点的水体惯性周期约为35 h，不关注惯性频率的海水运动，首先对观测的海水温度序列进行低通滤波，滤除惯性振荡信号。滤波后的能量谱密度函数如图7所示，全日周期和半日周期的谱能量显著，三个谱峰分别对应M2（周期12.420 6 h）、K1（周期23.934 5 h）、O1（周期25.819 3 h）三个分潮，其中全日周期能量绝对占优。对高频部分（周期＜12 h）进行高通滤波，可以看到高频的波动信号，分别对应其他频率的内潮波及内孤立波，如图8所示。

图7 滤除惯性信号后的内潮波能量谱密度

图8 高频部分的能量谱密度

对海水温度信号进行全日潮（22～27 h） 和半日潮（11～13 h） 频段的带通滤波，可以得到全日周期内潮和半日周期内潮波动信号及振幅，如图9所示，其中全日周期内潮振幅明显大于半日周期内潮，两者的最大振幅分别为33 m和20 m。

图9 全日内潮和半日内潮特征

3.2 内孤立波特征

对系统采集到的内孤立波海温等值线、等温线深度、经向流速等值线等特征进行分析。在当年的4～6月之间共捕捉到内孤立波信号39个，分析统计内孤立波的时间、振幅和流速特征，分析统计结果如图10所示。

图10 监测到的内孤立波特征

利用气候态层结关系，求解内孤立波本征方程，得出监测点处第一模态内波数量占优，平均相速度约为1.97 m/s，最大振幅和流速转向的深度约为海面之下400 m（见图11）。

图11 气候态层结和内波垂向第一模态

3.3 内波风险评估

3.3.1 内孤立波时间特征

监测期间内孤立波主要集中在四个时间段发生，2016年4月26日—30日、5月9日—16日、5月24日至6月1日、6月5日—10日基本都处于农历朔望大潮期间，这一特性与已有研究结果相符。内孤立波平均每天约0.9个，在内波活跃的朔望大潮期间，内孤立波发生的频率约为每天1～2个，接近半日潮周期（约12.4 h）。孤立波（列）持续时间为40 min～8.5 h，单个波列包含孤立波总数1～10个，波列内内孤立波发生间隔为10～70 min不等，单个孤立波生命周期较长，一般为1.5～2h。

3.3.2 内孤立波振幅特征

监测到的内孤立波振幅主要分布在30～40 m和60～70 m两个范围内，最大振幅92 m，海水起伏引起的温度变化最大为6.07℃。5个内孤立波的最大振幅发生在海面以下200 m以浅层位，34个内孤立波发生在海面以下300 m以深层位。最大振幅发生深度为最大振幅对应的等温线在内波发生时间段内的平均深度。

3.3.3 内孤立波波致流特征分析

根据监测数据分析，内孤立波西向流速主要分布在0.5～0.7 m/s左右，最大流速1.09 m/s，最大剪切流速0.078 m/s，最大流速多分布于近表层（海面下60～90 m深度）。通过求解本征方程，可以得到内孤立波上、下层流速反向深度约为400 m。

3.3.4 内孤立波传播速度计算

由于监测数据为单点时序，精确计算内波传播特征有很大困难，因此基于气候态层结对传播速度进行估算：

首先，通过求解本征方程[10-13]可以得到监测海域的内波线性相速度c0=1.97 m/s和垂向各个模态。

式中：W″（z）为垂向速度二次反演，m/s；z代表垂向深度，m；W（z）为垂向速度，m/s；k3为内波流Brunt-Vaisala频率。

通过垂向模态、线速度和密度层结可以进一步计算非线性系数α=-0.014 7[12-15]。

再通过经验公式估算内波传播速度[14-15]：

式中：cg为内波传播速度，m/s；c0为内波线性相速度，m/s；η为振幅，m。

按照上述方式对内波传播速度进行估算的结果显示，监测时间段内，39个内孤立波的传播速度在2.1～2.4 m/s之间，平均传播速度为2.2 m/s。

根据内波风险预警等级（见表1），在监测到的内波传播速度较大时，通过卫星系统进行了实时传输预警，预警信号实时传输到半潜式作业平台，实现内波风险预警。

表1 内波预警风险分级

4 结论

（1）综合利用由潜标和浮标组成的深水内波监测系统进行南海深水内波监测作业，经验证科学有效。一年监测周期内，采集的数据连续、完整，采集率达95%以上，监测过程中成功捕获多次海洋内波运动，数据捕获率达95%以上。

（2）监测数据被用于综合分析目标海域平台周围的内波最大振幅、最大流速以及传播速度，得出平台作业期间产生的内波对半潜式平台不构成风险隐患，实际上内波最终未对平台连续作业造成影响。

（3）全海深潜标和浮标构成的监测系统可监测全海深剖面水体异常，对深水内波参数的监测成功率高。同时，构建连续、实时的深水监测系统是精确监测和有效预警内波的重要方法之一，对保障深水油气生产作业的安全极其重要。