近日，中国科学院南海海洋研究所夏少红研究员团队在南海北部岛礁区，成功利用分布式声学传感（DAS）技术开展水动力环境观测研究，为揭示岛礁水动力过程及其岸线演化机制提供一项革新手段。相关成果以Hydrodynamic Processes of a Typical Reef Island in the Northern South China Sea Revealed by Distributed Acoustic Sensing为题发表于《中国科学：地球科学》（Science China: Earth Science），论文第一作者为博士研究生周博，通讯作者为研究员夏少红，共同作者包括副研究员张昌榕、王新洋及博士后张成龙。

水动力过程是控制岛礁地貌发育与演化的核心因素，也是影响岛礁工程建设安全的关键。然而，传统观测因测点稀疏、成本高昂，难以连续高分辨率监测。为突破这一瓶颈，研究团队通过自主铺设光缆（图1），创新性地在西沙群岛宣德环礁的赵述岛及其周边海域部署了一套海陆一体化的DAS观测系统。

该系统成功实现了对岛礁复杂水动力环境的高密度、连续监听。通过对连续5天观测数据的精细解译，研究团队成功识别并分离出多种水动力信号，包括由海表重力波（海浪）传播引起的海底应力波动、由复杂地形导致的局部湍流、在岸线破碎的拍岸浪能量以及海流流经光缆时产生的涡激振荡信号。进一步分析揭示了这些水动力信号与区域潮汐周期、风场变化及海底地形（如礁坪、潟湖、水下沙洲等）之间存在显著耦合机制。

图1 光缆铺设示意图

研究发现，海浪和局部湍流信号分别集中于0.1-0.6 Hz和2-10 Hz频段，两者的能量随潮位涨落呈现显著的周期性波动特征（图2），并且在礁脊到潟湖方向上表现出明显的空间衰减梯度（图3）。光缆涡激振荡信号主要集中于0.6-2 Hz频段，其产生过程受到风向的控制，且振荡频率与潮位变化呈负相关。 拍岸浪信号的能量则受地形、潮汐和风场的多重影响：防波堤海岸拍岸浪的破碎效应显著强于沙滩海岸（图4）；拍岸浪能量的波动与潮汐和风场变化具有强相关性；基于观测数据估算的波浪反射系数符合典型碎石防波堤的物理特征。

图2 水下光缆记录的信号波形与时频谱，高频、中频和低频信号分别对应局部湍流、涡激振荡和海浪过程

图3 水下阵列信号能量的空间分布特征

图4 防波堤海岸（建设区）和沙滩海岸拍岸浪信号的强度对比

该研究突破传统观测的时空分辨率瓶颈，证实DAS可在珊瑚礁复杂地形中同步获取海浪、湍流、拍岸浪与流致振动信息。所获高分辨率水动力数据集可直接用于防波堤稳定性评估与岸坡优化设计、岛礁港口航道选线与资源开发布局，以及珊瑚礁生态系统保护与修复的动态基线建立。

该研究得到国家重点研发计划项目、中国科学院南海海洋研究所自主部署项目和广州市科技计划项目的资助。

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.

原文链接：https://doi.org/10.1360/SSTe-2025-0100