基于双浮标观测网络的海洋内孤立波(Internal Solitary Wave, ISW)快速预警方法

《Results in Engineering》：Rapid Early Warning for Internal Solitary Waves Using a Dual-Buoy Observation Network

　　

为解决海洋内孤立波（Internal Solitary Wave, ISW）实时监测与预警需求，本研究建立了一种基于双浮标观测网络（Dual-Buoy Observation Network）的ISW快速预警系统。该系统集成实时海流数据采集、传输与处理功能，可从大剖面海流测量数据中自动检测ISW事件并提取其关键参数。通过引入ISW衰减模型，系统可预测ISW在指定目标位置的到达时间、强度演变及衰减趋势，从而建立分级动态预警框架。现场测试表明，双浮标网络数据获取率超过95%，ISW自动识别率达100%。相比传统单浮标监测，该方法使平均到达时间误差减少约3分钟，并可实现对ISW传播过程的连续追踪。系统还可依据波向与波速变化细化预警策略。结果表明，该系统对海上工程作业中的精确ISW预警具有较强的实用价值。

基于双浮标观测网络的内孤立波(ISW)快速预警系统研究解读

《Results in Engineering》刊载的此项研究由Zhang Xinwen、Ding Yibo、Lin Guanying等来自自然资源部南海海域海洋调查中心的研究人员完成，针对南海内孤立波（Internal Solitary Wave, ISW）对海上工程及水下航行安全构成的严重威胁——ISW具大振幅（可达150～240 m）、强伴随流及强垂直剪切特征——现有卫星遥感无法实时分辨垂直结构、数值模拟计算成本高且精度不足、单站现场观测难以追踪传播过程易导致漏报误报等问题，提出并验证了一种基于双浮标观测网络（Dual-Buoy Observation Network）的ISW快速预警方法，实现了原位观测、传播追踪、误差校正与分级预警的一体化工程解决方案。

研究人员所采用的主要关键技术方法包括：（1）基于ADCP（Acoustic Doppler Current Profiler，声学多普勒流速剖面仪）原位大剖面海流观测与卫星短报文实时数据传输；（2）ISW自动检测算法——对表层水平流速做高通滤波去除背景流（取前0.5 h滑动窗口矢量平均得到u₀、v₀，计算ISW扰动流速u_ISW=u-u₀、v_ISW=v-v₀），对第3～5层合成流速取均值，以动态阈值V_t=v_ave+3σ_ave（另设绝对下限20 cm/s）判定ISW发生并提取到达时间T₁、浮标位置A(x₁,y₁)、最大波致流对应流向α及目标位置B(x₂,y₂)；（3）ISW传播走时计算——采用ISWFM-NSCS非静力南海ISW数值模式预构建传播速度矩阵，将浮标与目标点转UTM（Universal Transverse Mercator，通用横轴墨卡托）坐标，按ISW传播方向α向目标—浮标连线做投影得投影点C，沿浮标至C路径以步长0.3 km分段双线性插值查取局部传播速度v_i，数值积分求走时T₂=Σ(Δd×1000)/[(v_i-1+v_i)/2]；（4）双浮标协同误差校正——上游A01#发初步预警（提前约5 h），下游A02#捕获同一次ISW后，利用两站到时差与流向互校验，当单站测向与预设参考方位（290°）偏差>15°时在275°～310°范围内合理修正传播方向以减少系统滞后误差；（5）指数衰减模型预估目标点波致流强——由A01#至A02#段统计平均衰减系数β_avg=-ln(1-r)/ΔL（r≈10%，ΔL=18 km），外推至A02#至目标点S（ΔL=12 km）得U_S=U_A02·e^-β_avg×12；（6）分级预警发布机制——A01#触发初步预警，A02#复核后发布精确预警。

研究结果如下：

4.1. Engineering Application of the System（系统工程应用）

2023年4月10日至5月12日在南海北部沿ISW典型传播方向（约290°）依次布放A01#（距A02# 18 km）、A02#（距目标S 12 km），各配75 kHz ADCP（采样间隔2 min，bin 8 m，30层）。A01#有效数据获取率≥95%（15 064/15 840组），A02#≥95%（15 660/15 840组），俯仰角<15°，系统运行稳定，满足工程要求。

4.2. ISW Detection and Analysis（ISW检测与分析）

期间自动识别55次强ISW事件（日均1～2次）。A01#波致流速度22.8～123.2 cm/s、传播方向270°～310°，A02#为10.3～110.2 cm/s、282°～316°，与南海北部A型ISW经典传播方向吻合。强ISW呈明显半日/全日周期特征（相邻事件间隔约12或24 h），A01#至A02#实测传播时间3.08～3.48 h（设计值≈3 h）。波致流速度经18 km传播平均衰减约10%，传播方向略有偏转（如281°变为311°）。

4.3. ISW Warning Analysis（ISW预警分析）

由A01#至A02#高信噪比事件统计得平均衰减系数β_avg≈0.0058 m^-1（CV≈20.7%），可用于S点强度外推。仅由A01#预测A02#到达时间平均误差9.11 min（最大22 min，最小<1 min），54.5%误差≤10 min、94.5%≤20 min（3 h提前量）；当波向偏离参考方向大时存系统性滞后。经双浮标方向互校修正后，对比单纯靠A02#对S点预警：平均绝对误差由8.4 min降至5.2 min，标准差由8.7 min降至5.8 min，最大误差由17.6 min降至9.8 min，极端误差减少。全程55次报警中无强ISW（波致流≥60 cm/s）漏报（漏报率=0%），因过度衰减致弱影响误报率≈5.45%。

讨论与结论（Conclusions）归纳翻译：

研究所提双浮标观测网络ISW快速预警方法软硬件解耦、数算分离，浮标数据获取率≥95%；预警子系统共检测55次强ISW事件；结合双浮标观测与ISWFM-NSCS速度矩阵，3 h提前量平均预警误差9.11 min、2 h提前量约5.2 min；双浮标追踪实现连续传播监测并建立分级预警，较单浮标平均到时误差降低约3 min。该方法在南海北部缓变水深区表现良好，未来需在突变地形区引入地形折射修正、增加温盐剖面自适应更新波速模型、并拓展至多模态ISW模态分解与分模态预警。