[导读] 近日，基于 SWOT 卫星的 1 日重复轨道数据，Qiu等在印度尼西亚的 Banda 和 Molucca 海域观察到内部孤立波（ISWs）。这些波是由半日潮流与复杂地形的相互作用生成的，波高为 10-20 cm，其传播速度快于区域内一阶重力波的理论速度。研究还发现这些孤立波的幅度受到区域潮汐周期（如春潮和小潮）的调控，并在季节尺度上受到海洋上层密度结构变化的影响。通过将海面高度（SSH）数据转换为海洋内部压力信号，研究量化了与这些孤立波相关的能量通量，Banda 海的能量通量达 5 kW/m，而 Molucca 海则为 2 kW/m。
印度尼西亚群岛周围海域，丰富的岛屿海峡和复杂的海底地形使其成为内部孤立波（ISWs）生成的“热点”。这些波通过潮汐流与海底地形的非线性相互作用生成，不仅在传播过程中携带动量和能量，还通过远场湍流混合影响区域海洋的动力学过程。
在过去的研究中，科学家主要依赖合成孔径雷达（SAR）等遥感技术来探测全球海洋中的非线性 ISWs 信号，印度尼西亚海域也不例外。2022 年 12 月发射的 SWOT 卫星，搭载了 Ka 波段雷达干涉仪（KaRIn），能够提供高分辨率的二维海面高度（SSH）观测。与传统高度计相比，SWOT 在 5 公里波长上的噪声底限降低了一个数量级，全球平均的均方根噪声仅为 0.25 cm。
在印度尼西亚海域，先前的观测显示，ISWs 的等密线波动幅度可达 50-100 m，足以引起 10-20 cm 的海面高度变化。SWOT 的 120 公里宽视场和改进的空间分辨率使其非常适合检测这种非线性波动。
不同于 SAR 和 MODIS 的观测，SWOT 直接测量海面高度（SSH），这是与海洋内部压力信号相关的重要动态属性。Qiu的文章展示了如何利用 SSH 信号，不仅捕捉 ISWs 的运动特征，还能量化其能量特性，包括深度整合的动能、可用势能和能量通量。
SWOT卫星KaRIn测量的海面高度异常图示例
在 SWOT 的 1 日重复轨道观测中，Banda 和 Molucca 海域展示了清晰的内部孤立波（ISWs）特征，表现为多个半圆形波峰。主导波峰的海面高度异常达到 10-20 cm，ISWs 的生成源自 Ombai 海峡和 Lifamatola 海峡，与先前基于 SAR 和高度计数据的研究结果一致。通过对 SSH 异常数据的时间序列分析，研究发现 ISWs 的出现频率与潮流强度相关，并滞后于春潮-小潮周期约 2 天。此外，由于 SWOT 的观测频率接近 ISWs 周期的两倍，在 CAL/VAL 阶段还出现了虚假的南向传播现象，这是典型的频闪效应。
Banda和Molucca海域的海面高度（SSH）异常及其随时间的变化特征。
在 Banda 和 Molucca 海域，观测到的 ISWs 的波段长度分别为 142 公里和 135 公里。通过将这些波段长度除以 潮汐周期，计算出 ISWs 沿轨传播速度分别为 3.18 m/s 和 2.80 m/s。随后，计算了 SWOT 观测路径与 ISWs 传播方向之间的平均夹角，并修正得到 ISWs 的径向传播速度，Banda 和 Molucca 海域分别为 3.02 m/s 和 2.74 m/s。
这些传播速度比理论上的模式一重力波速度（）略大，主要是由于 ISWs 的非线性效应。通过 Korteweg-de Vries (KdV) 方程考虑非线性和色散效应后，得出的 ISWs 相速度与观测值吻合，确认了 ISWs 是大振幅非线性波。
此外，Banda 海域的 ISWs 幅度随季节性上层海洋密度分层的变化呈现逐渐减小的趋势，而 Molucca 海域的幅度变化则较为微弱。这种差异与两海域上层海洋的密度剖面和浮力频率（）的季节变化密切相关。
作者利用 SWOT 卫星的 KaRIn 数据，计算了 Banda 和 Molucca 海域的 ISWs 携带的能量通量。通过识别局部 SSH 峰值，并转换为最大等密线位移，研究计算出 ISWs 的能量通量。结果显示，在 Banda 海，典型 ISWs 对应的能量通量为 74.8 kW/m，而在 Molucca 海为 74.6 kW/m。对所有可用数据周期进行平均后，得出的时间平均能量通量分别为 Banda 海的 5 kW/m 和 Molucca 海的 2 kW/m。
这些结果表明，Banda 海中部的能量传输主要由 ISWs 主导，而在 Ombai 海峡附近则主要由内部潮汐主导。相比之下，Molucca 海的 ISWs 贡献约占其能量通量的 40%。
印尼群岛周围区域的海面高度 (SSH) 异常图
在 CAL/VAL 阶段结束后，SWOT 卫星于 2023 年 7 月进入 21 天重复的科学任务阶段。上图展示了 2023 年 9 月 1 日至 21 日期间科学任务阶段的海面高度异常图。相比 CAL/VAL 阶段的单轨数据，科学任务阶段的数据覆盖了几乎整个印度尼西亚海域，除了少数狭窄的俯视和轨间缺口。分析表明，除了 Banda 和 Molucca 海，Sulu 和 Celebes 海也存在明显的 ISWs 信号，而在 Makassar 海峡则未检测到明显的 ISWs，尽管此前研究强调该区域的 ISWs 活动。这可能与 9 月上层海洋的弱层结不利于 ISWs 生成有关。未来需要更长时间的数据积累，以进一步探索整个印度尼西亚海域的 ISWs 现象。
参考文献：B. Qiu, S. Chen, J. Wang, and L.-L. Fu, “Seasonal and Fortnight Variations in Internal Solitary Waves in the Indonesian Seas From the SWOT Measurements,” Journal of Geophysical Research: Oceans, vol. 129, no. 7, p. e2024JC021086, 2024, doi: 10.1029/2024JC021086.
