神祕的巨浪–南海內波|

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神祕的巨浪–南海內波

99/02/06 29017

許明光｜北臺灣科學技術學院通識教育中心

劉安國｜美國太空總署戈達太空飛行中心

什麼是內波

在兩種不同性質流體交界面上運動的波稱作界面波，在海上看到的浪，就是空氣與海水界面間運動的界面波。當流體內部密度垂直分布呈現層化構造時，流體層化界面受到擾動時也會出現波動，由於這種波發生在流體內部，因此稱作內波。市面上有一種玩具，在一密封的玻璃盒內，有兩層顏色略有差異的藍色液體（通常是油和水），液面上有一小船。搖晃玻璃盒時，液體表面會有波浪，而兩層液體之間也會產生另一種波動，這就是內波。

日常生活中最常見到的內波是大氣中的內波，例如天空中常出現滾筒狀排列有序的高積雲，便是大氣中的內波。大氣內波在上下運動時，氣流上升處大氣中的水蒸氣容易凝結與成雲，氣流下沉處則不易形成雲，即使已經有雲存在，也會快速消散，因此形成一道道中間透光的高積雲。

在河口處（例如淡水河河口）當河水緩慢地流入海水時，由於淡水比較輕會浮在海水之上，如果淡水與海水的界面受到擾動，也會在兩者的界面產生內波。航行在河口的船隻會因遇到河口內波的干擾，而減緩速度或停滯不前。

一般而言，海水的密度由海面向海底逐漸增加。因為接近海面的海水可以吸收太陽的熱，所以溫度較高，密度比較小。而大部分的海洋都很深，太陽光無法穿透到海底，因此海底水溫較低，又受到上層海水的壓力，密度就比較大。此外，海水的鹽度也會影響海水的密度，鹽度高的海水密度就比鹽度低的海水大。但通常海水的密度受溫度的影響遠大於受鹽度的影響。

在某些地區，接近海面的海水由於對流、波浪運動、碎波等作用的攪拌，使得接近海面處有一層海水，其密度相當均勻，一般稱為混合層。由於冬天風浪較大，會擾動到較深的海水，因此同一海域的混合層冬天會比夏天厚。某些海域海水密度在混合層與底層交界處會變化得非常快，海水分層的現象相當明顯。如果分層的界面受到擾動，就會產生海洋內波。

海洋內波的振幅與波長都比海面的風浪大得多。海面風浪的波高頂多 30 公尺，但目前所知世界上最大的內波—南海內波的振幅可以高達 150 公尺，約 50 層樓高。海面風浪周期約只幾秒到幾十秒，海洋內波的周期卻可長達好幾分鐘到幾十分鐘，比海面風浪長得多。這是因為空氣與海水的密度相差很大，而混合層與底層海水密度變化很小的關係。

看得到海面下的內波嗎

海洋內波在海面下運動，在海面上看得到嗎？答案是「可以」間接「看到」，但是必須在大潮期間且海面風浪不大的狀況下。當海面風浪不大，內波在海面下通過時，原本平靜的海面，在遙遠的地平線，每隔一陣可以看到一排白浪花由遠方傳來。當這道波浪傳到船邊，可以發現它約幾百公尺到數公里寬，最大波高約 1 公尺，波長約兩、三公尺，海面上到處是碎波，嘩嘩的碎波聲不絕於耳，像爐子上煮開的滾水。其壯觀的程度，稱為海上的錢塘潮也不為過。

雖然內波通過時會在海面上留下蹤跡，但如果海面風浪太大，還是會把它們掩蓋掉，這就是為什麼近10年來才在南海發現它的蹤跡的原因。內波在海面下運動，為什麼會在海面上留下蹤跡？這是因為內波運動時引起對流，內波向下運動時，把海水往下帶，就好像下面有一條排水溝，海面上的海水都會流向這裡，海面的小波浪都聚在一起，海面因而變得非常粗糙。相反地，當內波向上運動時，就像噴泉一樣，海水都由這裡往外流，海面的小波浪被拉平，因此這一帶海面比較平靜。

內波雖然在水面下運動，但仍然有機會由海面的現象間接偵測到。利用衛星合成口徑雷達（一種高解析度衛星雷達）及其他可見光衛星影像，就可藉由海面的粗糙度、反光的強度等，間接偵測到在水面下運動的內波。

海洋內波的特性

海洋內波大多由潮汐所引起，能量來自潮汐，因此在每月初一，十五大潮那幾天會比較明顯。小潮時，就不明顯或根本量測不到。

海洋內波有許多有趣的特性，從海面上觀察，通常一群內波由一連串七、八個波所構成，波與波之間的間隔由大逐漸縮小。也就是說同一群波，第一個波與第二個波的間隔最大，第二個波與第三個波的間隔小一點，依此類推。而波峰線也是第一個波的波峰線特別長，依次遞減。因此由衛星影像上看波峰線的排列，就可以明確知道內波傳播的方向。而一般深海的湧浪在衛星影像上是一排排等距的波峰線，無法由波浪的特徵推知波浪進行的方向。

在海面下，一群內波中也是第1個內波的波高最大，然後依次遞減。在深海的地方，混合層（上層）會比底層（下層）薄，理論上只有下沉型內波，也就是會發生向下運動的內波。相反地，當水深變淺時，如果混合層的厚度仍然不變，但底層已變薄，也就是混合層比底層厚時，就會產生上抬型內波，波會向上運動，它的方向與下沉型相反。

如果是非線性內波，還會有一個非常特殊的現象，就是當兩波交會時會有相位偏移。舉例來說，丟一顆石頭到池塘裡，池塘會產生一圈圈向外擴散的漣漪，如果在旁邊再丟一顆石頭，就會產生另一群漣漪圈圈。當兩群波相遇時，波高是相互疊加的，波峰相遇時波高會變高，而波谷相遇時波谷會更深，這是一般常見的水波。

但非線性內波（又稱作孤立子）的行為表現就完全不一樣。孤立子有粒子的特性，可看成是一顆球。試想兩顆球相撞時，其中一顆球並不會疊在另一顆球上，然後繼續向前傳遞，而是會相互彈開，或者可想像成兩顆球互相交換位置，然後繼續往前傳遞。非線性內波相會就是這樣的場景，其實自然界中還有許多波有類似的特性。

當深海的內波向淺海傳播，碰到大陸棚時，因水深變淺，內波會有頻散的現象。也就是說，內波會分解成許多波，以不同的速度傳遞。

南海的內波

雖然南海內波的存在由來已久，但是最近十幾年才引起海洋學家的注意。文獻記載在東沙島環礁北部、東北部及東部 20 至 50 海里的地方，曾發現不尋常的強流，偶爾也會遇到碎波形態的潮波。根據現有的知識評斷，這些現象應是內波引起的。由於這種由潮汐產生的波，出現的時間與地點並不固定，海面上的特徵又常被惡劣天候的風浪所掩蓋，因此相關資料並不齊全。

海洋學家很早就在南海放置錨碇量測南海的水文資料（如海流、溫度、鹽度、壓力等），但是為節省電力及受限於記憶體的容量，取樣的間隔比較長，十分鐘甚至半小時才量一次。因此就算內波通過量測點，也只能記錄到一、兩筆資料，無從捕捉到完整的內波。加上南海上空經常被雲層遮蔽，光學衛星很難有機會拍攝到神出鬼沒的內波。1977 年雖然有科學家由可見光衛星影像發現南海內波，但是並沒有受到注意。

直到 1990 年代初期，美國石油公司在南海探勘石油，當半潛式鑽油平台在作業時，遇到強流發生操作困難並斷纜，調查後發現強流是內波造成的，南海的內波才開始受到重視。之後由於有可以穿透雲層的衛星合成口徑雷達的幫助，才逐漸揭開南海內波的面紗。

研究人員把合成口徑雷達所發現南海內波的波峰線，描繪在南海海圖上以製作南海內波分布圖。他們推論南海內波是在呂宋海峽產生的，然後向西傳播。在深海的地方，一群內波所包含波的個數並不多，當內波碰到東沙環礁時，分裂成南北兩群內波。這兩群內波在東沙環礁西方會合後，繼續向西北進行，最後因碎波而消失不見。

研究人員另依據呂宋海峽衛星合成口徑雷達所拍攝的影像，發現內波的波峰線長達 200 公里，且波源可能不只一個。又從東沙環礁附近衛星合成口徑雷達所拍攝的影像，得知在深海內波波長約 4 到11公里，波高可以高達 150 公尺。他們也發現兩群非線性內波在東沙環礁的西邊會合，非線性交互作用的現象非常明顯。

由於東沙環礁附近水域深度迅速變淺，內波因而產生頻散作用，分解成許多波速不同的小波繼續向西北傳播。有些因底層變薄，由下沉型內波轉變成上抬型內波。

內波的重要性

海洋中富含營養的物質都會慢慢沉入海底，海面雖有陽光，若沒有充分的營養鹽供應，浮游植物仍無法藉由光合作用大量繁殖，也無法建立食物鏈而形成大型的漁場。但湧昇流會把深海的營養鹽帶到海面，因此大部分的漁場都在有湧昇流的海域，如祕魯的西邊有強烈的湧昇流，成為有名的大漁場。台灣北部也因為黑潮衝擊大陸棚形成湧昇流，造就彭佳嶼海域成為台灣北部重要的漁場。

內波運動及破碎時都會造成上層海水與下層海水的混合，對於局部地區營養鹽從下層海水移到表層有很大的貢獻。而營養鹽豐富的海域，浮游生物就多，能滋養魚群而成為漁場。

當內波通過時，在分層的上方及下方，海流的方向正好相反，若海中有結構物如鑽油平台的柱子等，在分層的地方就會受到非常大的扭力，且這扭力會隨混合層厚度變化而改變位置。緬甸及泰國西邊的亞德曼海，即 2004 年南亞大海嘯發生的地區，海底有豐富的油氣，美國石油公司曾打算開採，但由於內波的影響，終止了開發的計畫。因此在內波頻繁的海域從事海洋工程，內波的影響是必須考慮的重要因素。

在分層較明顯的海域，海水分層的界面可以想像成是一片半透明的鏡面，聲納發射的聲波，依聲波入射的角度會被折射或反射。而當內波通過時，這界面會隨時間而變動，就像一片柔軟的鏡面，使得聲波行進的路線相當複雜。因此在海水分層界面附近活動的潛艇，因聲波入射角較大，較不易被發現，潛艇偵測也就更加不容易。

然而在界面附近活動的潛艇，當內波通過時也具有危險性。因為潛艇會被內波帶得往下沉或向上升，潛艇的浮沉系統為補償內波所造成的升降，會讓潛艇朝相反的方向運動，但若操作不當就可能浮出水面或撞到海底，因此在內波活躍的海域，潛艇的操控的重要。由於在軍事上的重要性，各國都投入大量人力物力研究內波。

其他觀察內波的方法

除了從衛星上觀測內波之外，也可以由船上的雷達螢幕觀測到內波。但這些都只能看到內波在海面上留下的蹤跡，若要知道內波在海面下如何運動，就需要派遣研究船直接觀測，或在內波經過的地方投放錨碇，錨碇上須安置溫度計、鹽度計、壓力計、流速儀等儀器。在內波未通過時，等密度面幾乎平行於海面，當內波通過時，等密度面會跟著運動。前面已提到海水的密度受海水的溫度影響較大，因此可藉由觀察等溫面的變動，來觀察內波的運動。

此外，海中浮游生物會集體停留在海面下某一深度，利用船上的聲納可以測得牠們所在的位置。當內波通過時，浮游生物層也會跟著上下波動，利用船上的聲納觀測浮游生物層的波動，也能得知內波的運動狀況。

未來到東沙海洋公園參訪，說不定可以順道去看壯觀的南海內波，就像到宜蘭、花蓮去玩，順便坐遊艇到海上賞鯨豚一樣。但在目前，到南海看內波仍然是一件相當不容易的事。首先內波到達的時間要抓得準，其次天氣要好，海面風浪要小，否則不但受暈船之苦，還會一無所獲。

很幸運的，探索（Discovery）頻道對世界最大的內波—南海內波—也很有興趣，在去年夏天由國內海洋專家陪同到南海拍攝。也許不久的將來，就可以在家裡欣賞到精采的影片。事實上臺灣北部也有內波，分布在基隆北方及宜蘭外海，只是規模較小。若讀者有機會到臺灣北部海域海釣，或乘郵輪出遊，在大潮期間且風平浪靜時，很有機會在離基隆北方不遠，約 10 海里的地方，看到一波波翻騰的海水迎面而來。

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資料來源

《科學發展》2010年2月，446期，52 ~ 61頁

密度(13) 黑潮(23) 科發月刊(5221)

神祕的巨浪–南海內波

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