码头邻近海域大振幅内波的原位—遥感观测及其对船舶靠离泊操纵的启示

《Ocean Engineering》：Large-amplitude internal waves near a wharf: Observations and implications for navigation

　　

大振幅内波在码头附近引起超过1 m s^?1的快速流场波动。半日潮（semi-diurnal tides）调制内波流及其相关通航风险。内波流应纳入引航员培训（pilot training）与船舶操纵（ship manoeuvring）考虑。内波驱动流（internal wave-driven currents）可集成至船舶操纵模拟器（ship-handling simulators）。

研究背景方面，靠泊操纵本身受风、浪、流等快速变化环境力影响，而高频、大振幅、非线性内波（internal waves，指层化水体中密度界面附近传播的重力波）长期未被纳入船舶操纵实践。此类内波在河口、峡湾等层化海域常见，但此前对其航行影响认识不足。Grégorio等曾根据M/V Jaeger Arrow在Grande-Anse Terminal靠泊时碰撞码头的案例，推测入射内波在码头反射可造成约3 m波高、约0.3 m s^?1、约2 min的流变，但缺乏直接波致流观测。因此，研究人员在Saguenay Fjord的Grande-Anse Terminal附近开展现场与遥感观测，以刻画内波强度、行为与重现性，并提供靠泊环境中的直接波致流证据。研究结果表明，码头附近内波可显著强于既往估计，波致流可达约1 m s^?1，对靠离泊操纵与通航安全具有直接意义，并提示应将内波流纳入引航培训和船舶操纵模拟器。

关键技术方法不超过250字：研究区为加拿大Saguenay Fjord的Grande-Anse Terminal（Port Saguenay）。观测来源包括2023年秋季（9月15日—11月1日）和2024年夏季（7月24日—9月11日）现场观测。连续观测由码头西北角垂直温度链（1 s采样、1—2 m间距、覆盖19 m）、近底温度-深度记录仪、岸基延时相机和坐底300 kHz声学多普勒流速剖面仪（acoustic Doppler current profiler，ADCP；1 m分层、12 s采样）组成。事件性观测使用28 ft研究船Colvert，开展拖曳600 kHz ADCP、120 kHz回声测深仪和电导率-温度-深度剖面仪（conductivity-temperature-depth，CTD）剖面，并在选定事件中开展无人机航拍；影像经g_rect Matlab工具箱地理校正。另分析2015—2024年Sentinel-1合成孔径雷达（synthetic aperture radar，SAR）影像。表层流定义为上13 m平均流。

研究结果如下。3.1 背景层结：CTD剖面显示，2023年与2024年表层至底层密度差Δρ=12—16 kg m^?3，密度跃层（pycnocline，密度梯度显著的水层）厚δ=3—5 m、中心深度h_p=2—5 m，历史观测可见约10 m；浮力周期（buoyancy period，T_b）约30—40 s，为高频内波解释提供参照。3.2 单个事件：岸基相机在2023年和2024年均识别到约十余个波组成的内波列，相速度约1 m s^?1向东传播；2023年波列多保持离岸，2024年多靠近码头并以约45°与局部岸线法向相交。无人机、回声测深和拖曳ADCP观测显示，2024年7月26日事件前3—4个波振幅可达η=10 m，波致流变化达约1 m s^?1、时间尺度1—2 min；波间距约150 m、单波波长约50 m，周期与T_b相当，呈强非线性、非静水特征。7月24日事件前导波η≈6 m、后续波约3 m，上8 m内波致流约1 m s^?1。3.3 锋面过境：坐底ADCP与码头温度链显示，7月24日约11:48前为厚约2 m的表层两层结构，随后约1 min内跃层下压近10 m且1 h内未恢复；随后出现周期约60 s、流速约0.5 m s^?1的振荡，O(T/T_b)=1。3.4 内波反射：2024年8月5日傍晚波列主要从码头西侧南岸反射，码头处亦有较弱反射，形成复杂的入射—反射波场。3.5 海表特征与波幅：8月5日早晚两次事件均有清晰约45°海表特征；早事件前导波η≈5 m、波致流约0.5 m s^?1，晚事件海表特征更清晰但η≈1 m、波致流约0.2 m s^?1；说明海表特征强度不能直接作为波幅代理，且两次事件在码头均造成η/h_p>1的温度振荡。3.6 船致内波：岸基相机记录到靠泊船附近的内波海表特征，垂直位移可达η=5 m；SAR显示2021年7月4日进港船生成的内波列可能追上该船，提示船致内波可在靠泊时反作用于本船。3.7 统计分析：人工识别相机影像得2023年12次/20天、2024年21次/21天，均约在高潮后2—3 h；另有2023年11月27日东北向事件约在高潮前1 h。相位平均显示，2024年扰动动能K?^′与温度扰动平方(T^′)²在高潮后2—4 h增强，2023年不明显；温度数据显示春潮活动较强；ADCP记录约14天，未做大小潮分析。3.8 推广：Sentinel-1 2015—2024年共识别20幅清晰SAR内波特征，示例9幅；均位于Grande-Anse sector高潮后约1.5—2.5 h，跨多个年份和无冰季节；12月下旬至3月中旬陆架冰覆盖期无影像。

讨论部分可总结为：4.1 海表特征与波能：基于弱非线性两层Korteweg–de Vries（KdV）理论，海表特征最大强度S_max不仅依赖波幅η，还强依赖上层厚度h₁，并受h₂与Δρ影响；5 m波在10 m跃层可产生与2.5 m波在5 m跃层相近的海表特征，浅化会增强海表强度；因此视觉强度不是波幅或能量的直接代理，弱海表特征不必然对应弱流。4.2 航行影响：观测内波能量高于既往估计，η达10 m、波致流约1 m s^?1；多在高潮后1—4 h退潮期出现，春潮增强，与M/V Jaeger Arrow事故约高潮后1.5 h、春潮期的时间一致；该时间结构给出重复增强窗口，但不能预测单个事件；约1 min尺度突变难以实时预判，入射与反射叠加使流场更复杂；安全靠泊速度约0.13 m s^?1，强内波流可使靠离泊复杂化，需进一步量化并纳入操作实践。4.3 船致内波：进港船可生成大振幅内波，其传播较慢，可能在本船靠泊时返回；邻近船生成波也可传至码头，应重视。4.4 建议：将内波过程纳入引航员培训，将真实内波场景集成至船舶操纵模拟器；在Canadian Sailing Directions ATL-111中加入水下波段落，说明可能突然出现达2 knots、数分钟的流变，多来自西北，高潮后1—4 h常见，春潮更强，晴天可见50—100 m间距、步行速度传播的平滑/粗糙带，粗糙海况下不可见不代表无次表层波。4.5 “The Bull”：卫星真彩色影像显示Port-Alfred与Port-Cartier存在类似内波；Port-Alfred的“Le Taureau”现象有引航员报告低潮至后约1.5 h短暂强南向流，曾使船在双拖轮全功率反向时仍推向南码头；影像采集于低潮后50 min，不能证明由内波引起，但提示可能关联，需专门现场研究；类似过程可能出现在其他层化港口。

研究结论可译为：Grande-Anse码头邻近海域可周期性出现高频非线性内波，波幅可达10 m、波致流约1 m s^?1，多在高潮后1—4 h出现且春潮更强；海表特征不能可靠指示波幅或能量；内波流应纳入引航培训、船舶操纵模拟器和航海出版物；船致内波及层化港口中的类似过程需进一步观测与操作评估。