中國(guó)科學(xué)院南海所夏少紅研究員團(tuán)隊(duì)成功利用光纖傳感實(shí)現(xiàn)島礁水動(dòng)力過(guò)程高精度監(jiān)測(cè)！

近日，中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所夏少紅研究員團(tuán)隊(duì)在南海北部島礁區(qū)，成功利用分布式聲學(xué)傳感（DAS）技術(shù)開(kāi)展水動(dòng)力環(huán)境觀測(cè)研究，為揭示島礁水動(dòng)力過(guò)程及其岸線演化機(jī)制提供一項(xiàng)革新手段。相關(guān)成果以Hydrodynamic Processes of a Typical Reef Island in the Northern South China Sea Revealed by Distributed Acoustic Sensing為題發(fā)表于《中國(guó)科學(xué)：地球科學(xué)》（Science China: Earth Science），論文第一作者為博士研究生周博，通訊作者為研究員夏少紅，共同作者包括副研究員張昌榕、王新洋及博士后張成龍。

水動(dòng)力過(guò)程是控制島礁地貌發(fā)育與演化的核心因素，也是影響島礁工程建設(shè)安全的關(guān)鍵。然而，傳統(tǒng)觀測(cè)因測(cè)點(diǎn)稀疏、成本高昂，難以連續(xù)高分辨率監(jiān)測(cè)。為突破這一瓶頸，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)自主鋪設(shè)光纜（圖1），創(chuàng)新性地在西沙群島宣德環(huán)礁的趙述島及其周邊海域部署了一套海陸一體化的DAS觀測(cè)系統(tǒng)。

該系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)島礁復(fù)雜水動(dòng)力環(huán)境的高密度、連續(xù)監(jiān)聽(tīng)。通過(guò)對(duì)連續(xù)5天觀測(cè)數(shù)據(jù)的精細(xì)解譯，研究團(tuán)隊(duì)成功識(shí)別并分離出多種水動(dòng)力信號(hào)，包括由海表重力波（海浪）傳播引起的海底應(yīng)力波動(dòng)、由復(fù)雜地形導(dǎo)致的局部湍流、在岸線破碎的拍岸浪能量以及海流流經(jīng)光纜時(shí)產(chǎn)生的渦激振蕩信號(hào)。進(jìn)一步分析揭示了這些水動(dòng)力信號(hào)與區(qū)域潮汐周期、風(fēng)場(chǎng)變化及海底地形（如礁坪、潟湖、水下沙洲等）之間存在顯著耦合機(jī)制。

圖1?光纜鋪設(shè)示意圖

研究發(fā)現(xiàn)，海浪和局部湍流信號(hào)分別集中于0.1-0.6 Hz和2-10 Hz頻段，兩者的能量隨潮位漲落呈現(xiàn)顯著的周期性波動(dòng)特征（圖2），并且在礁脊到潟湖方向上表現(xiàn)出明顯的空間衰減梯度（圖3）。光纜渦激振蕩信號(hào)主要集中于0.6-2 Hz頻段，其產(chǎn)生過(guò)程受到風(fēng)向的控制，且振蕩頻率與潮位變化呈負(fù)相關(guān)。 拍岸浪信號(hào)的能量則受地形、潮汐和風(fēng)場(chǎng)的多重影響：防波堤海岸拍岸浪的破碎效應(yīng)顯著強(qiáng)于沙灘海岸（圖4）；拍岸浪能量的波動(dòng)與潮汐和風(fēng)場(chǎng)變化具有強(qiáng)相關(guān)性；基于觀測(cè)數(shù)據(jù)估算的波浪反射系數(shù)符合典型碎石防波堤的物理特征。

圖2?水下光纜記錄的信號(hào)波形與時(shí)頻譜，高頻、中頻和低頻信號(hào)分別對(duì)應(yīng)局部湍流、渦激振蕩和海浪過(guò)程

圖3?水下陣列信號(hào)能量的空間分布特征

圖4?防波堤海岸（建設(shè)區(qū)）和沙灘海岸拍岸浪信號(hào)的強(qiáng)度對(duì)比

該研究突破傳統(tǒng)觀測(cè)的時(shí)空分辨率瓶頸，證實(shí)DAS可在珊瑚礁復(fù)雜地形中同步獲取海浪、湍流、拍岸浪與流致振動(dòng)信息。所獲高分辨率水動(dòng)力數(shù)據(jù)集可直接用于防波堤穩(wěn)定性評(píng)估與岸坡優(yōu)化設(shè)計(jì)、島礁港口航道選線與資源開(kāi)發(fā)布局，以及珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)的動(dòng)態(tài)基線建立。

該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所自主部署項(xiàng)目和廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目的資助。

文章信息：

Zhou B，Xia S*，Zhang C,et al. Hydrodynamic Processes of a Typical Reef Island in the Northern South China Sea Revealed by Distributed Acoustic Sensing. SCI CHINA EARTH SCI,2025.

https://doi.org/10.1360/SSTe-2025-0100

• 信息來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院南海所。

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