水面下的波浪——海洋内波
波浪并非仅存在于海洋表面。在深海中，由温度和盐度的垂直分布形成的密度层受到扰动时，也会产生波浪并向四周传播。这类被称为内重力波的波动，由于回复力更小，与海洋表面波相比振幅更大（最高可达 300 米）、频率更低。内波通常由阵风以及海流流经海底地形时的抬升作用产生，因此在适宜条件下，孤立海山、洋中脊和大陆坡都可能成为内波的源区。内波既可以周期性内潮的形式存在，也会以小尺度波动随机叠加的形式弥散分布。内波活动会对海洋工程结构造成安全隐患，增加水下声道的背景噪声，同时也是深海水体的重要混合动力。因此，内波研究涉及海洋科学与海洋工程的诸多领域。
1. 水面下的轩然大波
受热膨胀效应影响，暖水密度小于冷水，因此会浮在上层并维持在海面附近。同时，海水盐度越高密度越大，因此海水密度同时由温度和盐度共同决定。在稳定层结状态下，海水按密度分层，密度随深度持续增大。垂直密度梯度通常集中在一个被称为密度跃层（pycnocline） 的区域。密度跃层：海洋学中指分隔两层不同密度水体的界面。在海洋中，表层水（或上层 100 米水体）与深层水之间的显著密度差会有效抑制垂直对流；唯一的例外是极地海域，该区域不存在密度跃层。
密度跃层分隔了上下两层密度近似均匀的水体 —— 上层密度较小，下层密度较大，波浪可以沿着这一界面传播，其机理与表面波高度相似。在更普遍的连续层结水体中，波浪也可沿与水平面呈一定倾角的方向传播。
由于内波产生于水体内部，其存在难以被直接感知，这也让内波的观测与研究蒙上了一层神秘色彩。1893 年，挪威著名科学家、极地探险家弗里乔夫・南森在一次北极考察中发现，其科考船 “前进号” 在西伯利亚北部海域航速突然大幅下降。事发地位于泰梅尔半岛沿岸，当时船只正航行在由海冰融化形成、漂浮于海水之上的淡水层区域。他的报告 [1]是对 “死水现象” 的首次科学记载，而在此之前，这一现象早已在水手的传闻中出现。
1904 年，瑞典海洋学家、物理学家瓦恩・瓦尔弗里德・埃克曼在其博士论文中对这一现象做出了解释 [2]：死水现象源于咸淡水之间的密度界面上产生的波浪。在适宜条件下，该界面处形成的尾波振幅远大于常规的表面尾波，会消耗大量船舶动能，导致船只前行困难。这便是海洋内波的早期发现历程。
- 短片：双层停滞水体现象
埃克曼成功在实验室中复现了这一现象，上述短片则借助现代设备重现了该实验。早在 1847 年，英国物理学家乔治・加布里埃尔・斯托克斯就已提出了两层流体间的界面波理论 [3] ，这是其标志性表面波研究成果的直接延伸。1883 年，瑞利勋爵研究了连续层结水体中的波动情形，该场景下波浪可沿偏离水平的方向传播。
而对于水下内波，受限于观测难度，相关研究在很长一段时间内进展缓慢。20 世纪 60 年代，探测技术的进步推动了内波的理论与应用研究。20 世纪 70 年代，埃克森公司在印度洋安达曼海开展钻探作业期间，经过 4 个月的观测发现，当地海流流速最高可达 1.8 米 / 秒。后续的卫星影像证实，有内波经过了该海域 [4]。图 2 所示的影像由合成孔径雷达（SAR）技术获取。该技术通过探测海面反射无线电波的散射能力来观测海面，而散射能力与海面粗糙度直接相关。内波伴随的海流会扰动表面波的传播，使海面纹理发生变化，从而在雷达影像上留下内波的印记。
阿莫科公司也在南海观测到了内潮 —— 即潮流流经海底地形时激发的内波。由此可见，这些潜藏在水下的波浪能量不容小觑。
为何相同的外界扰动仅会在海面造成微小波动，却能在海洋内部激发巨型波浪？ 层结海洋内部的密度差（即重力与浮力的差值）远小于大气与海水之间的密度差。因此，与密度差成正比的波动回复力大幅降低，仅约为表面波回复力的 0.1%。回复力的减小会使波动振幅增大，因此内波振幅最高可达百余米，是表面波振幅的 20~30 倍。
内波的振荡周期从数分钟到数十小时不等，波长通常为数百米至数十千米，是名副其实的巨型水下波浪。同理，内波传播速度较慢，相速度约为 1 米 / 秒，但其引发的海流流速可达 2 米 / 秒。
2. 海洋的密度层结
理解海洋的密度层结结构，是探究内波形成机制的前提。盐度对密度的影响仅局限于特定海域，海水密度整体上主要由温度决定。海洋在垂直方向上大致可分为三层：
上层混合层（UML）：厚度通常为数十米，受风切变和表面波破碎作用强烈混合。层内的湍流混合作用使水温分布近乎均匀。
底边界层（BBL）：位于海底，厚度约 10 米，同样受流动剪切产生的湍流作用而充分混合。
两层之间是海洋内部相对平静的区域。该区域内的密度层会在内波作用下产生平缓振荡，仅在波浪破碎时会间歇性产生湍流 [5]，过程与表面波破碎有一定相似性。
在上层混合层与深层水之间，存在一个温度梯度极大的温跃层（对应密度也存在显著跃变），它几乎阻隔了上下水体之间的动量、能量与物质交换。温跃层分为以下两类：
- 永久性温跃层：深度约 100~800 米，其深度与强度不随季节变化，但受纬度影响显著。赤道附近的温跃层较浅且强度大；随纬度升高，温跃层逐渐加深、强度减弱，在北极海域甚至完全消失。
- 季节性温跃层：由夏秋季太阳直接辐射加热形成，深度约 100 米，如图 3 所示（参见《海洋环境》章节）。
受风应力、冷暖变化驱动的上层混合层混合作用，温跃层存在向下扩展的趋势；而海洋环流引发的缓慢上升运动，在平均状态下抵消了这种扩展。实际上，深海永久充满了来自极地的冷水，这一点将在第 7 节详细阐述。
随着探测精度提升，研究者在温跃层与深海水体中还发现了更多层状的密度细微结构，其厚度为 2~10 米，水平延伸范围为 2~20 千米。这类锯齿状细微层结的形成机制仍有待进一步探究，推测与不同水团的相互作用、小尺度内波的破碎有关。
3. 内波的探测及时空分布
如前文图 2 所示，合成孔径雷达（SAR）卫星观测可通过海面粗糙度的变化，实现内波形态的全球可视化观测。需要说明的是，海面粗糙度也可通过太阳光散射直接观测，但 SAR 灵敏度高，且不受云层与光照条件影响，是当前内波探测的主要手段。不过，SAR 无法对内波结构进行定量测量。
浮标阵列、固定式海洋平台与科考船的时序观测数据，可在特定点位提供更精准的内波信息。其中，温盐传感器链可获取海水垂直密度剖面，而流速剖面则通过声学多普勒流速剖面仪（ADCP） 利用超声波在海水中的传播效应进行测量。
这类海流主要由潮汐驱动（参见《潮汐》章节），由此产生的内潮传播速度通常为 1 米 / 秒，周期为 12 小时，波长约 50 千米。但内潮会逐渐汇聚形成孤波列，波长缩短至千米量级，这一内容将在下一节详细讨论（见图 4）。
全球内潮最活跃的海域之一是南海北部的吕宋海峡。多个因素共同造就了该区域高频的内波活动：春夏季节形成的季节性温跃层、自东南向西北逐渐变浅的地形，以及菲律宾东部的狭窄水道。正压潮与复杂地形的相互作用，会激发大振幅内波或导致波列分裂[6]。
内波的分布范围向北可延伸至北极白令海峡，向南可抵达南极威德尔海。除边缘海外，孤立海山或海岭也可激发内波：亚速尔群岛以北的大西洋中脊海域、南太平洋俾斯麦 – 所罗门群岛东北部海域，都观测到了显著的内波活动。前者由墨西哥湾流流经海底海岭引发，后者则归因于俾斯麦群岛与所罗门群岛之间的海槛地形 [7]。
需要说明的是，除了上述由地形引发的有序内波源，风场波动驱动表层流也会随机产生内波。这类内波构成了覆盖全球海洋的连续内波谱，在风暴过后活动尤为剧烈。风强迫在湖泊中同样重要：湖泊内部晃动的固有周期通常接近一天，因此容易被日周期的热成风共振激发。
4. 内波的多种形态
1834 年，苏格兰科学家约翰・斯科特・罗素在运河中观察到一个惊人的现象：船前水面升起一道孤立的水峰，它能长距离传播且形态保持不变。这一现象非同寻常，因为通常来说，单个孤立波峰可看作不同波长波动的叠加，而不同波长的波传播速度不同，理应导致波峰逐渐弥散为波列。实际上，色散效应与非线性效应引发的波形变陡相互平衡，最终形成了这种形态稳定的波动，即孤波（孤立波）。罗素的这一最初发现在很长时间内未受重视，直到 20 世纪中叶其重要性才得到认可。如今，孤波已被公认为数学与物理学中具有深远意义的基础物理过程。潮汐波分裂为孤子列的机制，也已得到完善的理论解释 [9]
5. 对海洋工程结构的安全危害
为满足能源需求，全球首座海上平台于 1947 年在墨西哥湾投入使用。此后数十年间，墨西哥湾、北欧、西非、南美、南海等海域陆续建成了上千座海上平台。对应从数十米到 3000 米不等的水深，平台形式涵盖导管架式、顺应式与浮式等多种类型，如图 6 所示。在风、浪、流共同作用的恶劣海洋环境中，为保障平台运行安全与人员安全，必须充分考虑平台承受的各类外载荷，其中内波载荷是最关键的影响因素之一 [10].
通过对内波流场的分析可得出以下结论：流速剪切出现在密度跃层的上下两侧。密度跃层上下的水体密度差会影响跃层特性：密度差越大，跃层厚度越薄，剪切作用越强。这一结论已通过地中海西西里岛墨西拿海峡的观测得到验证。
内波同样会对水下航行器构成安全威胁。曾有水下航行器坠向海底的事故记录，事后调查结论为航行器遭遇了强内波：巨大的垂向力将航行器拖向深海，最终航行器因无法承受极端水压而解体。因此，水下航行器操作人员必须时刻警惕内波，及时调整艇体平衡，避免事故发生。
6. 水下声道中的背景噪声源
除吸收效应外，声波强度还会因几何扩展而衰减。不过，一种类似光纤导光的声道效应可大幅削弱这种衰减。海水中的声速由海水温度与压强共同决定，因此声波会因折射作用发生传播方向偏转。
在从海面延伸至数百米深度的主温跃层中，水温随深度降低，声速也随之减小；而在更深的水层，水温近乎均匀，压强效应占据主导，声速随深度增大。因此，温跃层下方存在一个声速极小值层，声波会因折射作用被束缚在该层中，沿声道远距离传播，探测距离可达数千千米。
声波可携带大量目标信息。目标既可以主动发声，也可以反射入射声波；后者对应主动探测，前者则为被动探测。反射信号特征与目标的形状、弹性特性以及运动速度有关，其中运动速度可通过反射声波相对于入射声波的频率偏移（多普勒频移）进行测量。
在主动探测中，目标发出的声波频谱特征包含丰富信息：水流引发的桨叶振动会产生特定频率的声信号（线谱），而空化过程则会产生宽频带噪声，频谱峰值集中在 100~1000Hz 区间。
声波在传播过程中，会受到背景噪声与混响效应的干扰。内波在这一过程中影响显著，可使声信号强度产生量级为 10 倍的波动。这一特性也可反过来用于研究有序与随机内波的特征。
7. 深水混合的 “搅拌器”
海流的水平运动由风应力驱动，而温盐环流（图 8）的动力则来自重力效应。温盐环流的核心过程是高密度水体在极地下沉，其中最具代表性的是冰岛与格陵兰岛之间的丹麦海峡。
湾流携带的表层水为极地下沉流提供了水源：湾流在流经热带海域时，因蒸发作用盐度升高；这些水体抵达北极海域后，与大气接触冷却，密度进一步增大，最终沉入深海。
从全球尺度看，温盐环流形成了一个经向闭合环流：暖表层水向极地输送，深层冷水则在低纬度海域缓慢上升，完成环流循环（参见《缓慢而强大的大洋环流》章节）。
温盐环流实现了从赤道向极地的全球热量输送，输送量级与大气环流相当，因此对地球气候具有显著的调节作用（参见《气候机器》章节）。同时，它还通过深海对二氧化碳的溶解与封存作用影响全球气候（参见《被人类活动扰乱的碳循环》章节）。
温盐环流对海洋生物的生存与繁衍也具有关键的生态意义（图 9）：它一方面向深海输送溶解氧，另一方面将海底的营养盐与生源物质抬升至表层。
需要说明的是，温盐环流的维持需要机械能输入。早在 1916 年，瑞典科学家约翰・威廉・桑德斯特伦就已证明：仅靠同一水平面上的冷热源重力作用，无法维持温盐环流；热能向机械能的转化，要求加热过程发生在比冷却过程更低的高度。大气运动恰好符合这一条件，因此全球大气运动可由重力效应驱动。桑德斯特伦的结论虽在近年经过更精细假设的修正，但其核心结论依然成立。
维持温盐环流所需的机械能，主要来自内波引发的垂直混合作用。这种混合在全球尺度上将底层冷重水体向上抬升，克服重力作用闭合温盐环流。需要注意的是，内波本身只是可逆的振荡运动，只有当波浪破碎、以湍流形式释放能量时，才会产生混合效应。
深水混合的能量主要来源于风与潮汐[13]。据估算，风向海洋输入的功率约为 20 太瓦（20×10¹² 瓦），其中大部分转化为表面波，仅有百分之几用于驱动海流与大尺度水平涡旋。风场波动激发内波的功率约为 0.6 太瓦。
内波的另一能量来源是潮汐：全球潮汐向海流输送的总能量为 3.5 太瓦，其中 25%（0.9 太瓦）通过与地形的相互作用转化为内潮。
尽管这些估算仍存在较大误差，但可以确定的是，全球内波接收的总功率约为 1 太瓦，风与潮汐的贡献各占一半左右。其中约 25% 的功率（即混合效率）通过垂直混合作用用于维持温盐环流。
8. 要点回顾
- 海洋维持着稳定的密度层结结构，内波是密度跃层受到扰动的表现形式。与表面波相比，内波具有振幅大、周期长、传播速度慢的特点。
- 在风、气压、潮汐、海底滑坡、物体运动等外界扰动作用下，当层结结构与地形条件适宜时，会激发多种形态的内波，包括微振幅波、非线性内波、孤波（群）、内波波包、内潮等。
- 内波是海洋工程结构的安全隐患、水下声学探测的噪声源，也是深海环流的 “搅拌器”，因此内波研究具有重要的科学意义与工程价值。
注释与参考文献
封面图片：卫星影像显示，深海传播的内波使海面形成明暗交替的平滑与粗糙水带。这道内波正涌入科德角湾，位于科德角尖端与北侧的浅海斯泰尔瓦根滩之间。【来源：葡萄牙波尔图大学 José da Silva / 德国航空航天中心 TerraSAR-X 卫星影像，底图来自 Google Earth、斯克里普斯海洋研究所、美国国家海洋和大气管理局、美国海军、国家地理空间情报局、通用水深数据、美国地质调查局、TerraMetricks】
[1] Nansen F. (1897), Farthest North, https://www.gutenberg.org/files/30197/30197-h/30197-h.htm
[2] Ekman V. W. (1904), On dead water, Norw. N. Polar Exped. 1893–1896: Sci. Results, XV, Christiana, Ph.D. thesis.
[3] G. Stokes (1847), On the Theory of Oscillatory Waves, Transactions of the Cambridge Philosophical Society VIII, 197–229, and Supplement 314–326.
[4] Osborne A.R. & Burch T.L. (1980), Internal solitons in the Andaman Sea, Science, 208,451-460.DOI:10.1126/science.208.4443.451
[5] Li J.C. (1993) Turbulence in Atmosphere and Ocean. In: New Trends on Fluid Mechanics and Theoretical Physics, Peking University Press,1993, 427-433
[6] Cai S.Q., Gan Z.J. & Long X.M. (2001) Some Characteristics and evolvement of the internal soliton in the northern South China Sea. Chinese Science Bulletin, 46（15),1245-1250 – Orr M.H., Mignerey PC. (2003) Nonlinear internal waves in the South China Sea: observation of the conversion of depression internal waves to elevation internal waves. J Geophys. Res. 108, C3, 3064-3076.
[7] Jackson C.R. & Apel J.R. (2002), An Atlas of Internal Waves and Their Properties. Global Ocean Associates.
[8] Grimshaw R. (1997), Internal solitary waves. In: Liu Philip L-F, Eds. Advances in Coastal and Ocean Engineering. Vol. 3 World Scientific. 1-30.
[9] Helfrich K.R. & Melville W.K. (2006), long nonlinear internal waves, Ann. Rev. Fluid Mech. 38, 395-425 – Duda T.F. et al. (2004), Internal tide and nonlinear wave behavior in the continental slope in the northern South China Sea. IEEE J. Ocean Eng. 29, 1105-31.
[10] Sarpkaya T & Isaacson M (1981), Mechanics of Wave Forces on Off-shore Structures. New York: Van Nostrand Reinhold – Chakrabarti S.K. (1994), Fluid Structure Interaction in Offshore Engineering. Computational Mechanics Publication.
[11] Susanto R.D., Mitnik L., & Zheng Q. (2005). Ocean internal waves observed in the Lombok Strait. Oceanogr., 18(4):80{87.
[12] Caruthers JW. Elementals of Marine Acoustics. Elsevier Company, 1977
[13] Wunsch C, Ferrari R. (2004) Vertical mixing, energy and the general circulation of the oceans. Ann Review of Fluid Mech. 36: 281~304
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引用这篇文章: LI Jiachun (2026年6月23日), 水面下的波浪——海洋内波, 环境百科全书，咨询于 2026年7月8日 [在线ISSN 2555-0950]网址： https://www.encyclopedie-environnement.org/zh/eau-zh/billows-below-the-sea-surface-internal-waves/.
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