基于多普勒频移的内波致海表面流提取

发布时间：2020-08-24 19:34

【摘要】：内波是海洋中常见的现象之一,相关研究对内波的发生源、传播路径以及传播速度、振幅等水动力学参量进行了较多的研究,但对内波致海表面流的研究较少,理论研究表明,内波致流属于强流,对内波致海表面流的研究具有重要的意义。为提取内波致海表面流,本文发展了一种多普勒频移的计算方法,使用该方法可计算SAR单视复数据的多普勒频移。由原始影像信息中的多普勒系数以及斜距时间计算并去除了卫星的多普勒频移,得到了海表面的多普勒异常。结合布拉格散射机制对布拉格波的影响进行了去除,由频移和速度的关系得到了海面运动在雷达视向的速度。利用CMOD5模型反演了成像时刻的海表面风场,并采用Chapron等人的经验模型去除了风场对雷达回波信号的影响,最后经空间投影后得到了地距向的海表面流速。使用风生海流经验公式去除了风海流,在局部区域使用克里金法去除了背景流场,最终得到了内波致海表面流。将该方法应用到南海北部、苏禄海和安达曼海,提取了局部区域的内波致海表面流,主要结论如下:(1)频谱拟合方法与能量均衡理论相结合适合于从SAR单视复图像中估算多普勒频移。使用原始影像信息中的多普勒系数和斜距时间能较好的拟合出卫星运动产生的多普勒频移1)_(Sat)。(2)内波致海表面流产生的多普勒频移十分显著,内波致海表面流具有可分离性。(3)在南海北部东沙岛附近,内波致海表面流的地距向流速主要分布在-0.2m/s~-0.5m/s,与Romeiser等人采用顺轨干涉法计算的结果十分吻合。(4)在苏禄海反演得到的内波致海表面流的地距向流速主要分布在0.3~0.8m/s,正值表示内波致海表面流远离雷达天线运动,该方向与内波传播方向在雷达距离向上的分量一致。(5)在安达曼海反演得到的内波致海表面流的地距向流速主要分布在0.3~0.8m/s,正值表示内波致海表面流远离雷达天线运动,即在该方向与内波传播方向在雷达距离向上的分量一致。
【学位授予单位】：自然资源部第一海洋研究所
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P731.24;P715.7
【图文】：

海洋内波,特征比较,表面波

而在真实的海洋中，海水的密度在各分层之间的变化非常小，在密度跃层附近的相对密度差大约在百分之一左右，即使扰动很小，也会引起海洋内部的剧烈波动。图1-1显示了海洋内波与表面波的特征比较。1893~1896 年，挪威探险家 Nansen 在北极探险时最早发现内波现象，Nansen 发现当科考船驶入上层有冰融化的淡水区域时突然减速，出现了“死水”现象，其原因是由于船消耗能量在两层界面处产生内波[2]。同时，内波在传播的过程中对海洋表层流的改变，也会影响船的行驶速度。图 1-1 海洋内波与表面波的特征比较（Thurman, 1988）海洋内波的产生需要两个条件，一是稳定的海水密度分层，二是扰动源，两个条件同时具备才能有内波生成[3]。当海水吸收了大量太阳辐射的热量后，温度上升

内波,苏禄海,东印度洋,数据提取

基于多普勒频移的内波致海表面流提取目）。虽然海洋内波的发生具有一定的随机性，但在特定海区，其出现的空间范围以及传播方向较为固定。在深海、大陆架、大陆坡等不同位置，内波的特性差别较大，其波长在几十米到几十千米之间，周期为几分钟至几十小时，振幅一般在几米至几十米之间，南海实测资料记录到了至今为止振幅最大的内波，最大垂向振幅达到了 240 米[4]。

内波,石油平台,沸水,面流速

引言内波生成机制、激发源地、传播路径等的研究，而且能够反演内波的振幅、半波宽度、传播速度及其他水动力学参量[8][9][10]。但对于内波引起的海表面流速的变化研究较少。SAR 是一种脉冲多普勒雷达，在距离向上测量的回波信号的频率由于 SAR 与地球的相对运动、地球自转、海表面运动而产生了偏移，这就是所谓的 SAR 多普勒频移[11]。理论研究表明，内波能够引起海表面流速的变化[12]，这种变化在实际海洋中也有过观测记录，如海洋中的沸水现象（图 1-3b）。内波引起的海表面流速变化信息会反应在 SAR 的回波信号中，进而导致多普勒频移的改变，在去除非相关因素的影响后，依据多普勒频移与速度的关系即可得到内波引起的海表面流速的变化。相对于海流的流速，内波致流属于强流。因此，研究内波致海表面流对于局部海洋生态环境、海上安全、近海勘探活动等都具有重要的意义。

【参考文献】