南海內波監測預警技術研究與應用

淳明浩 ，冷述棟 ，梁樹森 ，王 琮 ，羅小橋 ，楊肖迪 ，徐 爽

1.中國石油集團工程技術研究有限公司，天津 300451

2.中國石油集團海洋工程重點實驗室，天津 300451

3.中船重工船舶設計研究中心有限公司，北京 100081

海洋內波是一種因海水密度垂直分層而引發的波動，常發生于海面以下的數百米深度內[1]。海洋內波的成因，多歸結為近海面處的海水對流、波浪運動等攪拌，形成密度均勻的混合層，但繼續往下，海水密度受溫度、鹽度影響而明顯分層，分層界面受到攪動便產生內波[2]。海洋內波在全球海洋都存在，其中中國南海發生過目前已知有歷史記錄以來全球振幅最大的內波[3]。大振幅的海洋內波經常引起強烈、瞬變的海流，產生強烈的剪切振幅，可使海水水體在數分鐘內下沉超過150 m，水溫驟變12℃以上，對海洋油氣開發設施造成破壞[4]，主要表現為造成勘探鉆井大傾斜、產生過度的水平位移、錯段隔水管和增大錨纜的額外張力，引起海底管道和電纜斷裂，導致海洋工程項目額外的時間和設備損失等[5]。

1 目標海域概況

南海是我國最大的邊緣海，通過呂宋海峽與太平洋相連，周邊環繞中國珠三角、臺灣地區以及東南亞等重要發達經濟區[5]。本文研究的目標海域位于中國南海北部陸坡中段、珠江口盆地珠二坳陷白云凹陷南側，處在陸架到深海的陸坡位置，水深900～1 500 m，海底地形總體呈東北高、西南低的斜坡形態，屬于內波易發海域[6]。

目標海域的水體在垂向上存在大通量的溫度和鹽度混合，這種混合的劇烈程度相比公海高出數十倍乃至上百倍[7]。與臨近的呂宋海峽、南北向的恒春海脊及巴坦海脊之間相隔僅約100 km，高度卻相差多達500m，在此特別的環境條件下，曾造就了振幅達150m的巨大內波[8]。因此，在呂宋海峽海底山脊的影響下，南海內波生成頻繁，并向西傳播影響目標海域[9]。南海內波在兩個海脊之間生成后，往西傳播行進至東沙海域，因海水深度變淺、內波波速變慢而變形、破碎、翻轉進而消散，影響范圍為北南海至東沙之間的400 km區域，從生成到消散歷時約兩天半[10]。圖1中深黃色區域表示內波在南海曾出現的區域，由圖2可知目標海域位于內波的高發區，影響目標海域的內波主要來自東部海域。

圖1 歷史南海海域內波分布圖

圖2 目標海域位置

2 監測方案制定與現場監測

為了全面監測與預警海上半潛式鉆井平臺在目標海域內作業時的內波風險，在鉆井平臺周圍布設3個內波流監測預警站位，即以1套潛標和2套浮標組成監測系統，進行為期1年的全水深剖面的海流、溫度、鹽度、底流和水體密度等內波相關參數監測。通過分析監測系統采集的數據，獲取目標海域內波關鍵特征信息，為海上鉆井作業和工程保障提供海洋內波實時環境資料。監測預警站位布置如圖3所示。

圖3 平臺及監測站位布置

選擇150、300、600 kHz等多種頻率多普勒海流計（ADCP）、溫鹽深傳感器（CTD）、溫深傳感器（TD）以及海流計等傳感器，配置組成適用于1 500 m水深的全海深觀測潛標系統（見圖4）和海底錨固長周期觀測浮標系統（見圖5）。配置后的潛標系統和浮標系統，水下監測最大范圍可覆蓋從海面表層至海底1 500 m深度，確保每種監測設備均可在有效量程內實現全海深監測覆蓋。

圖4 潛標系統

圖5 浮標系統

為確保監測系統工作正常，總計利用2套潛標系統和4套浮標系統進行輪換監測，每三個月進行一次監測系統的回收與再布放，確保傳感器能夠累計一年周期持續工作。1套潛標系統布放位置距離平臺30 km處，2套浮標系統布放位置分別距離平臺36 km和54 km處，布放位置均處于歷史內波經過高概率的路徑區。監測系統的傳感器均具有自容式數據存儲功能，回收后可進行數據下載與分析處理。同時，浮標系統采集的監測數據通過衛星與岸站進行實時傳輸，確保監測結果能及時傳輸至作業平臺與數據監測中心，監測數據傳輸模式見圖6。

圖6 監測數據傳輸系統模式

3 風險分析與環境預警

對2套潛標系統和4套浮標系統的一年周期內的監測數據進行下載、分析，監測周期內的數據連續、完整，全剖面水體信號的采集率和捕獲率均達95%以上，可為內波特征與風險分析提供充足依據[l1]。

3.1 內潮波特征

監測數據分析表明內波監測點的水體慣性周期約為35 h，不關注慣性頻率的海水運動，首先對觀測的海水溫度序列進行低通濾波，濾除慣性振蕩信號。濾波后的能量譜密度函數如圖7所示，全日周期和半日周期的譜能量顯著，三個譜峰分別對應M2（周期12.420 6 h）、K1（周期23.934 5 h）、O1（周期25.819 3 h）三個分潮，其中全日周期能量絕對占優。對高頻部分（周期＜12 h）進行高通濾波，可以看到高頻的波動信號，分別對應其他頻率的內潮波及內孤立波，如圖8所示。

圖7 濾除慣性信號后的內潮波能量譜密度

圖8 高頻部分的能量譜密度

對海水溫度信號進行全日潮（22～27 h） 和半日潮（11～13 h） 頻段的帶通濾波，可以得到全日周期內潮和半日周期內潮波動信號及振幅，如圖9所示，其中全日周期內潮振幅明顯大于半日周期內潮，兩者的最大振幅分別為33 m和20 m。

圖9 全日內潮和半日內潮特征

3.2 內孤立波特征

對系統采集到的內孤立波海溫等值線、等溫線深度、經向流速等值線等特征進行分析。在當年的4～6月之間共捕捉到內孤立波信號39個，分析統計內孤立波的時間、振幅和流速特征，分析統計結果如圖10所示。

圖10 監測到的內孤立波特征

利用氣候態層結關系，求解內孤立波本征方程，得出監測點處第一模態內波數量占優，平均相速度約為1.97 m/s，最大振幅和流速轉向的深度約為海面之下400 m（見圖11）。

圖11 氣候態層結和內波垂向第一模態

3.3 內波風險評估

3.3.1 內孤立波時間特征

監測期間內孤立波主要集中在四個時間段發生，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日基本都處于農歷朔望大潮期間，這一特性與已有研究結果相符。內孤立波平均每天約0.9個，在內波活躍的朔望大潮期間，內孤立波發生的頻率約為每天1～2個，接近半日潮周期（約12.4 h）。孤立波（列）持續時間為40 min～8.5 h，單個波列包含孤立波總數1～10個，波列內內孤立波發生間隔為10～70 min不等，單個孤立波生命周期較長，一般為1.5～2h。

3.3.2 內孤立波振幅特征

監測到的內孤立波振幅主要分布在30～40 m和60～70 m兩個范圍內，最大振幅92 m，海水起伏引起的溫度變化最大為6.07℃。5個內孤立波的最大振幅發生在海面以下200 m以淺層位，34個內孤立波發生在海面以下300 m以深層位。最大振幅發生深度為最大振幅對應的等溫線在內波發生時間段內的平均深度。

3.3.3 內孤立波波致流特征分析

根據監測數據分析，內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層（海面下60～90 m深度）。通過求解本征方程，可以得到內孤立波上、下層流速反向深度約為400 m。

3.3.4 內孤立波傳播速度計算

由于監測數據為單點時序，精確計算內波傳播特征有很大困難，因此基于氣候態層結對傳播速度進行估算：

首先，通過求解本征方程[10-13]可以得到監測海域的內波線性相速度c0=1.97 m/s和垂向各個模態。

式中：W″（z）為垂向速度二次反演，m/s；z代表垂向深度，m；W（z）為垂向速度，m/s；k3為內波流Brunt-Vaisala頻率。

通過垂向模態、線速度和密度層結可以進一步計算非線性系數α=-0.014 7[12-15]。

再通過經驗公式估算內波傳播速度[14-15]：

式中：cg為內波傳播速度，m/s；c0為內波線性相速度，m/s；η為振幅，m。

按照上述方式對內波傳播速度進行估算的結果顯示，監測時間段內，39個內孤立波的傳播速度在2.1～2.4 m/s之間，平均傳播速度為2.2 m/s。

根據內波風險預警等級（見表1），在監測到的內波傳播速度較大時，通過衛星系統進行了實時傳輸預警，預警信號實時傳輸到半潛式作業平臺，實現內波風險預警。

表1 內波預警風險分級

4 結論

（1）綜合利用由潛標和浮標組成的深水內波監測系統進行南海深水內波監測作業，經驗證科學有效。一年監測周期內，采集的數據連續、完整，采集率達95%以上，監測過程中成功捕獲多次海洋內波運動，數據捕獲率達95%以上。

（2）監測數據被用于綜合分析目標海域平臺周圍的內波最大振幅、最大流速以及傳播速度，得出平臺作業期間產生的內波對半潛式平臺不構成風險隱患，實際上內波最終未對平臺連續作業造成影響。

（3）全海深潛標和浮標構成的監測系統可監測全海深剖面水體異常，對深水內波參數的監測成功率高。同時，構建連續、實時的深水監測系統是精確監測和有效預警內波的重要方法之一，對保障深水油氣生產作業的安全極其重要。