如何观测内孤立波

常用的现场监测内孤立波的仪器包括：声学多普勒流速仪（ADCP） ，它主要测量某一垂向剖面的海水流速随水深的分布；导电率-温度-深度测量仪（CTD） ，它主要测量某一垂向剖面的海水温度、盐度随水深的分布。如果我们只关心某一定点水深的温度变化，也可以替代地使用具有高精度的温度传感器如测温链等测温设备。

一般来说，海洋中的内孤立波首先都是通过利用卫星遥感图像发现的，之后再通过对发现海区的现场各种水文环境要素进行测量来获得其细节特征。但是，对于海上考察队员很难实时获得卫星遥感图像，因此，有经验的海上考察队员也可以根据海面带状波澜这一异乎寻常的现象来判断内孤立波经过的地点，从而有的放矢地进行观测。

⑦“实验3号”科考船1998年6月14日在南海东沙群岛附近拍摄得到的内孤立波到达之前海面所呈现的带状波澜（由方文东提供）

⑧从船上将ADCP和测温链捆绑放入海水进行观测 （由陈俊昌提供）

1998年5～6月， 中国科学院南海海洋研究所的“实验3号”科学考察船在执行“南海季风实验”计划进行定点观测时，在东沙群岛南部海域附近（20 ° 21.311' N；116° 50.633' E）的船上科考队员发现：有几天，在每天的大约同一时间里，在平静的海面中，突然从东面（吕宋海峡方向）传来带宽1～2千米的波动“绸带”，该“绸带”间的波澜明显与平常所见的波浪不同，并逐渐向船体逼近（图7） ；当它通过船体时会造成船体持续几分钟的剧烈晃动，于是科考队员判断这种巨大的海面带状波澜预示着可能有内孤立波在下面快速传播而过。

1998年6月14日，船上的科考队员将ADCP（位于下端、用铁架子固定套住的仪器）和测温链（位于上端的管状仪器）捆绑在一起垂直放入海水中（如图8所示），以便可以同步测量内孤立波经过船下时的海流流速剖面及相应的温度、盐度随水深变化的资料。根据事后的数据分析可以发现，在内孤立波未经过之前，海流流速只有约30厘米/米（如图9） ；而在内孤立波经过的约18.3分钟内，上层水体的海流流速突然间增大至130～210厘米/米，同时，在这一段时间内，海流的方向几乎保持不变（即流向角约为270°） ，它通过时的水平流速最大值为210厘米/米，出现在58米层附近（在10∶53∶15时刻），且在这个水层之上及之下的流速最大值均相应减小；在内孤立波经过之后，海流流速又降至原先的30厘米/米左右。根据一些理论推算，该内孤立波的振幅约93米，非线性传播速度约为173厘米/米，波长约1488米。假设在观测点有一半径为5米的石油平台的圆形桩柱，可以估算这个内孤立波对圆形桩柱的最大作用力为1.2 × 107牛，最大作用力矩为8 × 109牛·米。而在同等情况下，即使对于振幅为5m、波长100米的表面波浪，其对圆形桩柱的最大作用力仅为9.86 × 105牛，力矩为4.5 × 108牛·米。可见，内孤立波对圆柱形桩柱作用力比表面波的作用力要大10倍以上。正因为内孤立波的突发性作用力如此大，以至于它对海洋工程、石油钻井平台乃至艇船等的威胁和破坏是不可忽视的。

⑨ 1998年6月14日10∶43∶15至11∶23∶15由ADCP在东沙群岛附近观测得到的内孤立波经过前后在30米、70米和110米水深处的（a）水平流速； （b）流向变化的时间序列

⑩观测内孤立波的潜标系统示意图

但是，在船上观测内孤立波的这种方法会由于船体因内孤立波带来的剧烈波动及其引起的激流摇曳漂移而导致测量结果的误差增大，因此，最理想的观测内孤立波方法是将常用的内孤立波观测仪器如ADCP、 CTD或其他测温链、声学释放器、浮球、水下重块等按预定的距离布设好并用结实的绳子绑住（其中的声学释放器可以通过电脑发出指令使得它所绑带的绳子松开，于是那些内孤立波观测仪器会由于浮力的作用而浮出海面，科考队员便可以打捞回收这些观测仪器并读取观测数据，而水下的重块则丢弃），做成一个不露出海面的潜标观测系统（图10） ，利用科考船将潜标观测系统投放到内孤立波频繁出现的海域水底进行定点长期测量。在经过一定时间后再利用科考船将该潜标观测系统中的观测仪器回收并读取内孤立波的观测数据，做进一步的研究。不过，这种测量方法也有缺点：由于ADCP等观测仪器自身所携带的电池用量有限，因此，观测时段的长短依赖于ADCP等仪器所携带的电池用量及测量时所采用的采样频率。