南海及海上絲綢之路沿線的強(qiáng)災(zāi)害性

內(nèi)波：海洋深處的“隱形殺手”

在浩瀚的海洋深處，隱藏著一種神秘而強(qiáng)大的力量——強(qiáng)災(zāi)害性內(nèi)波。它們?nèi)缤Ｑ笾械摹半[形殺手”，在南海及海上絲綢之路沿線海域頻繁出沒(méi)，對(duì)海洋生態(tài)、水下航行安全以及海洋工程構(gòu)成巨大威脅。中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所蔡樹(shù)群研究員團(tuán)隊(duì)帶我們揭開(kāi)這層神秘的面紗，深入探索這些強(qiáng)災(zāi)害性內(nèi)波的奧秘。

PART.01

內(nèi)波：海洋深處的“隱形殺手”

南海原油貿(mào)易主航道（虛線）穿越災(zāi)害性內(nèi)波分布海域

左上圖為南海及周邊海上絲綢之路沿線（黑框）海洋內(nèi)波振幅的空間分布特征圖；黑色虛線箭頭表示海上絲綢之路貿(mào)易主航道

內(nèi)孤立波是一種大振幅強(qiáng)非線性內(nèi)波，它們?cè)诤Ｑ蠡旌稀⑽镔|(zhì)輸運(yùn)和生態(tài)系統(tǒng)演變中起著關(guān)鍵作用。然而，這種看似“有益”的自然現(xiàn)象，卻隱藏著巨大的危險(xiǎn)。內(nèi)孤立波的非線性傳播特性和劇烈的流速變化，對(duì)海洋艦艇水下航行和海洋工程構(gòu)成了顯著威脅。例如，2014年南海“372艇”掉深事件和2021年龍目海峽“南伽拉”號(hào)潛艇失事均被認(rèn)為與內(nèi)孤立波活動(dòng)有關(guān)。這些波動(dòng)會(huì)影響潛艇航行穩(wěn)定性，導(dǎo)致潛艇在瞬間所受的壓力（深度）劇變從而失控。此外，內(nèi)孤立波在海底電纜和石油平臺(tái)等關(guān)鍵海洋工程設(shè)施附近產(chǎn)生的強(qiáng)剪切流可能引發(fā)結(jié)構(gòu)應(yīng)力增加或損害。

PART.02

南海：內(nèi)孤立波的“活躍地帶”

南海內(nèi)孤立波

（a）南海內(nèi)孤立波三維數(shù)值模擬結(jié)果：上圖為內(nèi)孤立波所致海表高度梯度，下圖為沿內(nèi)孤立波主要傳播方向的剖面內(nèi)內(nèi)孤立波的垂向特征（顏色填充表示波致流速，等值線表示等溫線）；（b）南海內(nèi)孤立波的生成、演化、耗散示意圖

南海北部因受特殊地理位置、復(fù)雜海底地形及背景水文環(huán)境變化等諸多因素影響，該海域內(nèi)孤立波表現(xiàn)出豐富而活躍的多時(shí)空尺度特征。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，研究人員利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，研究了南海內(nèi)孤立波的時(shí)空分布特征，發(fā)現(xiàn)春夏季節(jié)內(nèi)孤立波的強(qiáng)度和頻率顯著增加。南海北部的內(nèi)孤立波主要在呂宋海峽的雙脊地形處形成。當(dāng)層化流體往復(fù)經(jīng)過(guò)雙脊地形時(shí)，內(nèi)波在不同的地形條件下展現(xiàn)出多樣化的波動(dòng)特征。此外，南海內(nèi)孤立波在傳播過(guò)程中會(huì)受到不同因素（如地形、渦旋和環(huán)流等）的影響，其演變規(guī)律也受到諸多學(xué)者的關(guān)注。

PART.03

蘇祿海與蘇拉威西海

蘇祿海內(nèi)孤立波

（a）蘇祿海內(nèi)孤立波MODIS 衛(wèi)星遙感圖像（白色虛線表示內(nèi)孤立波波峰線位置）；（b）遙感觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)的蘇祿海內(nèi)孤立波出現(xiàn)頻率；（c）~（e）蘇祿海內(nèi)孤立波二維數(shù)值模型結(jié)果（等值線表示等溫線）

蘇祿海和蘇拉威西海是內(nèi)孤立波頻發(fā)的海域之一。蘇祿海的內(nèi)孤立波主要在珍珠灘附近的3處海脊上生成，隨后向西北方向傳播，并在大潮期表現(xiàn)出更大的空間尺度和更快的傳播速度。蘇拉威西海的內(nèi)孤立波多由半日潮驅(qū)動(dòng)，生成于桑吉群島附近海脊，并以超過(guò)3.0 m/s的相速度向西傳播，波峰線長(zhǎng)度在南北向可達(dá)數(shù)百公里。然而，衛(wèi)星遙感圖像主要聚焦于內(nèi)孤立波的表面信息，其垂向結(jié)構(gòu)特征仍需采用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)手段獲得。

蘇拉威西海內(nèi)孤立波

（a）蘇拉威西海內(nèi)孤立波MODIS衛(wèi)星遙感圖像（紅色箭頭表示西傳內(nèi)孤立波IW1，IW2 和IW3，藍(lán)色箭頭表示南傳內(nèi)孤立波IW4，IW5 和IW6），珍珠灘與桑吉群島用五角星標(biāo)出；（b）基于遙感觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)的蘇拉威西海內(nèi)孤立波波峰線位置（紅色曲線為西傳內(nèi)孤立波波峰線位置，藍(lán)色曲線為南傳內(nèi)孤立波波峰線位置）

PART.04

龍目海峽與安達(dá)曼海

龍目海峽內(nèi)孤立波

（a）龍目海峽內(nèi)孤立波三維數(shù)值模擬（顏色填充表示內(nèi)孤立波所致海表高度梯度，箭頭分別標(biāo)出了北傳與南傳的內(nèi)孤立波）；（b）龍目海峽內(nèi)孤立波MODIS 衛(wèi)星遙感圖像（顏色填充表示內(nèi)孤立波所致海表高度梯度，箭頭分別標(biāo)出了北傳與南傳的內(nèi)孤立波）；（c）龍目海峽內(nèi)孤立波現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)（等值線表示垂向位移）

龍目海峽地處印度尼西亞群島，是連接太平洋與印度洋的重要通道。該海域陡峭的海峽山脊地形、顯著的天文潮大小和典型的密度躍層結(jié)構(gòu)，使其成為大振幅內(nèi)孤立波研究的理想試驗(yàn)場(chǎng)。龍目海峽內(nèi)孤立波同時(shí)向南北兩個(gè)方向傳播，且具有明顯的空間與時(shí)間差異。安達(dá)曼海位于南亞印度洋北部，是孟加拉灣的重要組成部分。在強(qiáng)潮流與顯著地形起伏的共同作用下，當(dāng)?shù)爻３霈F(xiàn)強(qiáng)烈的內(nèi)波活動(dòng)。安達(dá)曼海內(nèi)孤立波往往分裂成多個(gè)波列，并呈現(xiàn)顯著的不對(duì)稱傳播。

安達(dá)曼海內(nèi)孤立波

（a）基于衛(wèi)星遙感的安達(dá)曼海內(nèi)孤立波空間特征（黑線表示內(nèi)孤立波波峰線位置）；（b）印度洋開(kāi)爾文波示意圖（箭頭表示開(kāi)爾文波）；（c）和（d）安達(dá)曼海內(nèi)孤立波現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)（等值線表示等溫線）

PART.05

亟需解決的科學(xué)技術(shù)問(wèn)題

盡管目前關(guān)于南海及周邊海上絲綢之路沿線的強(qiáng)災(zāi)害性內(nèi)波的研究已經(jīng)取得了豐富的研究成果，但仍有一些科學(xué)和技術(shù)難題尚待深入研究。例如，環(huán)流與中尺度渦旋在海洋內(nèi)孤立波的生成與傳播過(guò)程中扮演了重要的調(diào)制角色，然而對(duì)其具體機(jī)制的認(rèn)識(shí)尚未完全厘清。此外，多源內(nèi)孤立波的相干涉現(xiàn)象也亟待研究。不同于龍目海峽，安達(dá)曼海與蘇拉威西海內(nèi)孤立波具有多源地生成的特點(diǎn)：在傳播過(guò)程中，不同源地生成的內(nèi)孤立波可能彼此疊加，當(dāng)相位差接近時(shí)便會(huì)出現(xiàn)干涉增強(qiáng)或抵消效應(yīng)，造成觀測(cè)上明顯的振幅起伏與能量波動(dòng)。

PART.06

結(jié) 語(yǔ)

南海及周邊海上絲綢之路沿線的強(qiáng)災(zāi)害性內(nèi)波，如同海洋深處的“隱形殺手”，時(shí)刻威脅著海洋生態(tài)、水下航行安全以及海洋工程。深入研究這些內(nèi)孤立波的生成機(jī)制、傳播演變規(guī)律以及生態(tài)效應(yīng)，對(duì)于海洋資源的可持續(xù)利用、海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)以及區(qū)域海洋管理具有重要意義。未來(lái)，我們需要進(jìn)一步加強(qiáng)國(guó)際合作，開(kāi)展大規(guī)模的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，同時(shí)發(fā)展高分辨率的數(shù)值模型和人工智能技術(shù)，以更好地理解和預(yù)測(cè)內(nèi)孤立波的活動(dòng)，為海洋工程與生態(tài)保護(hù)決策提供更加高效的技術(shù)支撐。

主辦單位：中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院

國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)地球科學(xué)部

主 編：郭正堂院士

獲獎(jiǎng)情況：

第三屆全國(guó)“百?gòu)?qiáng)報(bào)刊”

甘肅省“十佳期刊”（科技類）

中國(guó)精品科技期刊

中國(guó)地學(xué)領(lǐng)域高質(zhì)量科技分級(jí)目錄T1區(qū)

2024中國(guó)最具國(guó)際影響力學(xué)術(shù)期刊（自然科學(xué)與工程技術(shù)·中文）

主要收錄：北大核心、CSCD、中國(guó)科技核心期刊、Scopus、GEOBASE、CA、EBSCO等

發(fā)文領(lǐng)域：地質(zhì)科學(xué)、大氣科學(xué)、海洋科學(xué)、地理科學(xué)、地球化學(xué)、 地球物理學(xué)和空間科學(xué)、環(huán)境地球科學(xué)等