南海北部内波时空传播特征的遥感研究

发布时间：2020-03-13 22:12

【摘要】：南海北部陆架坡海域是国际上公认的天然内波试验场,美国从20世纪70年代就开始对该海域普遍存在的内波现象进行遥感观测,南海北部的内波不仅以孤立波的形式出现,还以内潮波的形式存在。本研究首先对南海北部内波的类型、发源地、生成机制、传播演变及观测方法和研究进展进行了系统的综述。由于南海具有独特的海底特征以及显著的海洋层化结构,非常适宜研究海洋状态参量对内孤立波的传播性质,即内波相速度的研究。本文主要基于卫星遥感方法,使用多源的连续的卫星遥感数据反演南海北部内孤立波波速,这是前人没有实施过的。本文共计采用了南海北部成像的3对合成孔径雷达SAR连续数据(ENVISAT-SAR和ESA2-SAR)、4对可见光MODIS/VIIRS连续数据(Terra/Aqua-MODIS和NPP-VIIRS)与9对SAR/MODIS连续数据(ENVISAT-SAR和Terra/Aqua-MODIS)。且本文所采用的SAR、MODIS、VIIRS图像,时间上覆盖了南海北部全年内波频发期(3月、4月、5月、6月、7月和8月),空间上分布在南海各个特征典型的区域(吕宋海峡附近、东沙岛附近,大陆架附近),非常适合研究内波的传播特性。本文首先利用ENVISAT卫星作为ERS1/2卫星的延续,其飞行轨道相似,时间上始终相隔30分钟左右的这一独特优势,融合了高分辨率且不受天气影响的合成孔径雷达SAR数据获取30分钟内内波的位移这一重要的已知量,使得内波在传播过程波峰上各点的相速度得以确定。由此可以直观得到沿内波波峰线上各点相速度空间分布与速度变化规律。并且使用了sw_vmodes模式、南海年平均海洋层化结构GDEM数据和水深数据EPOTO1求解了T-G方程,获得内波的理论相速度,对SAR数据提取的波速进行了精度验证。两者速度大小吻合度非常高,证明了连续SAR数据反演波速的准确性。初步确定了中国南海北部内波的速度空间分布与南海北部海底地形(水深)之间的关系,同时发现了季节变化带来的海洋层化结构改变对内波波速的影响。为进一步确定连续数据提取内波相速度的可行性,本文继而使用4对具有清晰内波成像且卫星轨道特征相似、内波成像时间间隔均在2.5小时以内的Terra-MODIS和NPP-VIIIRS成对连续图像中太阳耀光区(Sunglint)研究内波相速度在东沙岛附近海域的变化特征。其根据现有方法的改进成功的提取出了4对图像中的太阳耀光Sunglint边界,并且通过相速度反演揭示东沙岛附近海域内波传播的特性。可见光连续数据与合成孔径雷达SAR数据反演的内波相速度显示出同样的时空变化特性。在南海北部以由东至西、由南至北逐渐递减,并且在相同水深处两种类型的连续卫星数据的反演内波相速度大小基本相同。最后本文使用合成孔径雷达数据SAR图像与可见光数据MODIS图像的连用对东沙岛附近内波相速度与混合层深度的关进行了初步探讨;更可贵的是SAR/MODIS连续数据中捕捉了一系列宝贵的瞬间,即内波发生的一系列作用例如反射、衍射和波-波非线性相互作用时刻,随后对内波位移进行测量,可以实现计算内波在东沙岛南北左右关键点位的相速度。同时使用NOAA网站混合层深度MLD实测数据利用插值法求得SAR/MODIS成对图像中各个测量点位置处混合层深度的数值。证明了南海北部深水区与浅水区的海洋层化结构的变化规律是不相同的,继而内波相速度在深水区的和浅水区的季节性变化规律也不相同。且内波相速度随着混合层深度的增加而有明显的增大。根据以上的工作,在多源遥感提取南海北部内波相速度的特征、相速度与水深地形关系、相速度与海洋层化结构的关系等方面总结出以下结论:(1)连续SAR反演数据显示在南海北部水深100-240m、40-350m、350-550m、1000-2000m和2500-3500m的区域时,SAR图像上提取出的平均速度分别为0.66m/s、1.00m/s、1.60m/s、2.10m/s和2.70m/s。经过T-G方程求解得到的内波理论相速度验证,两者高度吻合。(2)连续SAR反演数据显示内波的相速度主要受到海底地形的影响。在南海北部海域,内波相速度从东向西、从南至北呈递减趋势。(3)在南海北部250-550米水深处,连续SAR数据反演得到的内波相速度与模拟得到的理论相速度在3月份平均高于8月大约0.25m/s,即在3月份的内波传播速度快于8月份的传播速度。混合层深度变化使得南海北部内波相速度呈现季节性差异,但是比起水深带来的影响并不明显。即海洋层化结构对内波速度变化的影响小于海底地形(水深)的影响。(4)成功提取了可见光数据MODIS/VIIRS图像中的太阳耀光边界;两幅MODIS和VIIRS数据中的太阳耀光区大约为500千米,覆盖了整个南海区域,且数据每天都可以获得。因此,相比于SAR连续数据和船测数据、浮标数据,MODIS/VIIRS连续数据可以更广阔的观测内波。(5)连续可见光数据MODIS/VIIRS图像中提取的内波相速度与连续SAR数据中提取的相速度变化规律相同,内波相速度在南海北部海域从南至北,从东向西的随水深变浅的出现明显的递减规律。(6)MODIS/VIIRS连续数据中反演得到的内波相速度与理论相速度在8月份相比与5月份的数据都较大,尤其是在100-250和2200-2600米水深处有较为明显的0.2-0.3m/s的速度之差。(7)SAR/MODIS连续数据中反演得到的东沙岛东部反射的内波分支CD的传播速度在1.05和1.45m/s之间波动,没有递减或者递增趋势,主要是这个地区的水深都在50米左右;东沙岛南北部的衍射分支AB(北部分支)和EF(南部分支)平均相速度分别为0.99m/s和1.58m/s。(8)SAR/MODIS连续数据中,南海北部东沙岛附近内孤立波相速度在深水区域和浅水区域呈现出不同的速度变化趋势;在东沙岛的西北部内波相速度5月最小,8月最大,3月份的内波相速度小于8月份的内波相速度;而位于东沙岛的东南部的内波相速度,5月不再是内波相速度出现最小值的月份;5-8月4个月份中,内波速度基本相同,经过5月份后内波相速度逐渐增大至三月份达到最大值;(9)插值法获得的SAR/MODIS数据中各测量点的海洋混合层MLD数值显示,东沙岛礁附近海域混合层深度在四个月份中的范围是12-20米左右,内波相速度的变化范围是0.2-2.2m/s左右,变化较为明显。SAR/MODIS连续数据反演信息中,4、5、7和8月份SAR/MODIS提取出的内波相速度随着混合层深度的增加而有明显的增大。
【图文】：

卫星图像,内波,色线,中国海

14图 1-1. 中国海海域图，图中彩色线分别代表 40,60,80,100,200,1000 和 2000 米水深的等深线，黑色方框代表内波高发区Figure1-1. Map of the China Seas. The color contours are the isobaths of40,60,80,100,200,1000, and 2000 m，respectively. The black boxes indicate hotspot regions ofISWs.能够对海洋内波成像仪器很多，遥感技术所使用的电磁波段主要为紫外、可见光、红外、微波等波段。紫外在受到大气中的散射影响十分严重，故在实际应用中采用很少。而在使用卫星数据探测内波方面，也基本不使用红外图像，因为分辨率不够。原则上所有能够大范围、高分辨率的捕捉海面信息的仪器都有可能观测到海洋内波，更多的是使用可见光卫星图像和微波雷达图像资料观测内波活动。表 1-1 给出了海洋内波研究中常用的卫星及传感器基本参数。内孤立波所引之所以可以被卫星遥感数据所检测到，是因为卫星传感器可以接收到内波调制的

方向图,雷达波,海洋内波,镜面反射

量无法被接收,即雷达后向散射很弱，因而 SAR 图像亮度很低如图 1-2(a)。反之，海表粗糙度很高时，雷达波散射的方向各向随机，意味着 SAR 可以收到的雷达回波能量很大，SAR 图像亮度比较高如图 1-2(b)所示。因此位于微波波段的 SAR虽不能直接穿透海水去测量海洋内波，，但是 SAR 可以观测到水下数十米、甚至数百米深处的海洋内波体现在海表面的信息（Li 等,2010,Li 等,2009,Li 等,2005）[19]-[21]。在适当的风速与入射角范围内，影响雷达回波的海面波动主要为 Bragg 波（Valenzuela,1978）[22]，即 SAR 对海表面的成像是基于 Bragg 共振散射进行的。雷达发射的电磁波与 Bragg 波这种具有特定波长的波产生共振效应。即任何可以调制海面 Bragg 波的海洋动力现象都可以被 SAR 监测到。然而 SAR 成像的质量（后向散射截面）必定受到各种环境因素、雷达成像参数和内波参数的影响，海洋环境中特别是风场（风速和风向）对 SAR 成像海洋内波有极大的影响。种劲松等（2010）[23]在 SAR 成像机理的基础上，从一维和二维的角度全面分析了各种环境和雷达成像参数的条件下 SAR 对海洋内波成像能力的变化，总结了 SAR探测海洋内波的最佳观测条件。（a） (b)
【学位授予单位】：上海海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P731.24

【共引文献】