俄罗斯科学院希尔绍夫海洋研究所的 Khimchenko、Frey 与 Morozov 乘“克尔德什院士”号科考船执行第 79 次南极航次，在南极布兰斯菲尔德海峡尼尔森岛外海布放了一套锚系潜标：潜标上挂了四台冰岛 Star-Oddi 公司的 Starmon mini 温度记录仪和一台同厂 DST TD 温压记录仪，连续自记 14 天，用等温线的起伏直接量出了日潮内波的振幅，成果同年发表于《俄罗斯地球科学杂志》（Russian Journal of Earth Sciences）。
一、研究背景
潮汐内波是海洋内部看不见的巨浪，在高纬度海域却很少被直接测到。
正压潮横扫海底地形时，潮流被斜坡搅动，把表层以下的密度界面掀出几十米甚至上百米的起伏，这就是潮汐内波。海峡两岸陡峭的地形让峡内潮流加速，因此海峡里的内潮往往比开阔大洋更强。不过，高纬度的内波实测记录一直稀少，南极海域更是难得。
高纬内潮还有一个独特之处：半日内潮存在一条 74 度 30 分的临界纬度，测量站位在临界纬度以北还是以南，内潮性质截然不同。南极研究程度最高的德雷克海峡自 1975 年以来积累了不少观测，而布兰斯菲尔德海峡虽然也有过潮汐研究，直接的内波观测记录依然匮乏。研究团队的目标，就是在 2020 年 1 月至 2 月的南半球夏季，用直接测温把这片海峡的潮汐内波量出来。
二、研究过程
潜标布放在布兰斯菲尔德海峡东北部、南设得兰群岛尼尔森岛近旁，坐标为 62 度 21.368 分南、58 度 49.352 分西，所在海区总水深约 70 米。潜标浮球上一共挂了五台自容式记录仪：四台 Starmon mini 温度记录仪按 26、36、46、56 米分层挂载，一台 DST TD 温压记录仪挂在最浅的 16 米；前者采样间隔 30 秒，后者 1 分钟。仪器从 1 月 20 日连续记录到 2 月 3 日，共 14 天。
图1. 冰岛Star-Oddi公司Starmon温度记录仪
高纬浅海布放潜标有一层额外难度：整个记录期间，潮流与平均流把浮球周期性压低，相对初始位置的下沉幅度在 0.5 米到 18 米之间变化，各台仪器的实际深度随时间漂移。好在顶部 16 米那台 DST TD 记下了完整的压力序列，研究团队据此逐时刻还原每台温度记录仪的真实深度，把温度序列换算成等温线位移，内波的垂向振幅就此显形。潮位与正压潮流的对比数据，则取自美国俄勒冈州立大学的 TPXO9.0 全球潮汐模型。
三、实验结果
等温线像钟摆一样按日摆动。 温度断面图显示，整个观测期等温线持续起伏，其中 1 月 21 日至 25 日最为剧烈：0.9 摄氏度等温线的深度在十几米到五十多米之间反复扫动，振幅最高达到 40 米。起伏的主周期接近 24 小时，说明日周期内波在这片海域占绝对主导。
频谱把日潮峰钉在 24 小时上。 对 1 月 20 日至 27 日 0.9 摄氏度等温线位移序列做谱分析，频谱在 24 小时周期处出现清晰的峰，恰与日潮周期对应；谱上仅有 95 百分位置信区间包络的亚惯性峰出现在平均温度起伏的谱里，并不可靠。当地惯性周期为 13.5 小时，介于半日与全日之间的弱振荡只在时间序列末端零星出现。
图2. 研究区水深与潜标站位（红点）：布兰斯菲尔德海峡东北部尼尔森岛外海（论文 Figure 1）
图3. 观测期等温线位移时间序列：14天温度断面，垂向起伏贯穿全程（论文 Figure 2）
图4. 0.9摄氏度等温线1月21日至25日的深度变化：单日起伏可达40米（论文 Figure 3）
内波是尼尔森岛坡脚的受迫波动。 日周期内波的临界纬度是 30 度，研究海区远在其极南，日潮内波无法作为自由内波向北传播，只能依附尼尔森岛的倾斜海底存在。1 月 25 日恰逢新月，观测几乎全程压在大潮期，潮汐内波因此格外强烈。团队推断，观测到的正是南半球夏季日潮分量增强的体现——模式研究早已表明，日潮振幅从乔治王岛一侧向南极半岛方向逐渐增大。
潮模型复现了潮流椭圆的旋转。 TPXO9.0 模型给出的观测点潮位序列显示，日分潮潮差 1 至 1.5 米，峰值出现在 1 月 25 日至 27 日的大潮期。基于模型潮流绘制的 120 小时前进矢量图上，24 小时周期的潮流椭圆顺时针旋转了五圈，12 小时周期的椭圆则逆时针旋转，与德雷克海峡的经典观测行为一致。
图5. 0.9摄氏度等温线位移频谱：24小时周期处峰值突出，虚线为95百分位置信区间（论文 Figure 4）
图6. 观测点潮位序列（上）与基于TPXO9.0潮流的前进矢量图（下）：24小时椭圆顺时针、12小时椭圆逆时针（论文 Figure 5）
四、研究结论
这次观测把布兰斯菲尔德海峡的潮汐内波首次量化：日周期内潮主导，等温线起伏高达 30 至 40 米；频谱在 24 小时处有清晰峰值；该内波是尼尔森岛坡底的受迫波动，无法作为自由波离开陆架；南极夏季日潮分量的增强，正是它如此强烈的背景。潮汐内波把深水营养盐与热量反复搅进表层，是极地近岸物质输运与生态过程不可忽略的推手。
支撑这项发现的，是一套在位 14 天、每 30 秒记一次温度的五传感器潜标。南极近岸风急浪涌、海冰出没，调查船窗口期极短，靠走航观测根本抓不到周期以天计的内波信号；而像 Starmon mini 这样的自容式温度记录仪体积极小，一次挂载即可按秒级间隔默默记录数周乃至数月，配合同厂的 DST 系列微型记录仪还能同步输出压力，把仪器深度的漂移一并还原。对极地与深水锚系观测而言，这类高频率、长在位的微型测温方案，是用最低的船时成本换取连续数据的可靠选择。
参考文献
Khimchenko, E. E., Frey, D. I., and Morozov, E. G.: Tidal internal waves in the Bransfield Strait, Antarctica, Russian Journal of Earth Sciences, 2020, 20: ES2006. https://doi.org/10.2205/2020ES000711
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