近日，中國科學院南海海洋研究所夏少紅研究員團隊在南海北部島礁區，成功利用分布式聲學傳感（DAS）技術開展水動力環境觀測研究，為揭示島礁水動力過程及其岸線演化機制提供一項革新手段。相關成果以Hydrodynamic Processes of a Typical Reef Island in the Northern South China Sea Revealed by Distributed Acoustic Sensing為題發表于《中國科學：地球科學》（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。

水動力過程是控制島礁地貌發育與演化的核心因素，也是影響島礁工程建設安全的關鍵。然而，傳統觀測因測點稀疏、成本高昂，難以連續高分辨率監測。為突破這一瓶頸，研究團隊通過自主鋪設光纜（圖1），創新性地在西沙群島宣德環礁的趙述島及其周邊海域部署了一套海陸一體化的DAS觀測系統。

該系統成功實現了對島礁復雜水動力環境的高密度、連續監聽。通過對連續5天觀測數據的精細解譯，研究團隊成功識別并分離出多種水動力信號，包括由海表重力波（海浪）傳播引起的海底應力波動、由復雜地形導致的局部湍流、在岸線破碎的拍岸浪能量以及海流流經光纜時產生的渦激振蕩信號。進一步分析揭示了這些水動力信號與區域潮汐周期、風場變化及海底地形（如礁坪、潟湖、水下沙洲等）之間存在顯著耦合機制。

圖1?光纜鋪設示意圖

研究發現，海浪和局部湍流信號分別集中于0.1-0.6 Hz和2-10 Hz頻段，兩者的能量隨潮位漲落呈現顯著的周期性波動特征（圖2），并且在礁脊到潟湖方向上表現出明顯的空間衰減梯度（圖3）。光纜渦激振蕩信號主要集中于0.6-2 Hz頻段，其產生過程受到風向的控制，且振蕩頻率與潮位變化呈負相關。 拍岸浪信號的能量則受地形、潮汐和風場的多重影響：防波堤海岸拍岸浪的破碎效應顯著強于沙灘海岸（圖4）；拍岸浪能量的波動與潮汐和風場變化具有強相關性；基于觀測數據估算的波浪反射系數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波形與時頻譜，高頻、中頻和低頻信號分別對應局部湍流、渦激振蕩和海浪過程

圖3?水下陣列信號能量的空間分布特征

圖4?防波堤海岸（建設區）和沙灘海岸拍岸浪信號的強度對比

該研究突破傳統觀測的時空分辨率瓶頸，證實DAS可在珊瑚礁復雜地形中同步獲取海浪、湍流、拍岸浪與流致振動信息。所獲高分辨率水動力數據集可直接用于防波堤穩定性評估與岸坡優化設計、島礁港口航道選線與資源開發布局，以及珊瑚礁生態系統保護與修復的動態基線建立。

該研究得到國家重點研發計劃項目、中國科學院南海海洋研究所自主部署項目和廣州市科技計劃項目的資助。

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.

原文鏈接：https://doi.org/10.1360/SSTe-2025-0100