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      基于MODIS圖像的內(nèi)孤立波信息反演——以南海北部深水區(qū)為例*

      2014-12-02 03:51:08黃曉冬
      關(guān)鍵詞:潛標(biāo)內(nèi)波傳播速度

      黃曉冬,趙 瑋

      (中國海洋大學(xué)物理海洋教育部重點實驗室,山東 青島 266100)

      海洋內(nèi)波不同于海面波動,其誘發(fā)的等密度面垂向起伏在海面很小,因而不能被輕易觀察到。海洋內(nèi)波的周期從數(shù)十分鐘到數(shù)天,其引起的等密度面起伏可以達(dá)到數(shù)百米,流速達(dá)到數(shù)米/s。內(nèi)孤立波是一種特殊的海洋內(nèi)波,非線性變陡和非靜力頻散效應(yīng)的平衡使其能夠在傳播過程中保持波型不變。它的周期短、波長小、垂向流速大、非線性強(qiáng),對海洋中的混合、物質(zhì)輸運(yùn)和聲學(xué)傳播過程有重要影響。

      南海北部是全球內(nèi)孤立波最為活躍的海域之一。內(nèi)孤立波在呂宋海峽產(chǎn)生,穿越深水海域,進(jìn)入陸架區(qū)并最終在近海破碎。以往對內(nèi)孤立波的研究大多集中在淺水區(qū),觀測表明其在此海域的最大水平流速超過2m/s[1-2],傳播速度約為2m/s[3],振幅約為150m[4]。由于深水長潛標(biāo)等技術(shù)的發(fā)展及解決內(nèi)孤立波生成傳播機(jī)制的需要,內(nèi)孤立波在呂宋海峽附近海域的活動特征成為目前研究的熱點。觀測發(fā)現(xiàn)其在南海北部深水區(qū)的水平流速達(dá)到了1.5m/s[5],傳播速度為3m 左右[6],振幅達(dá)到170m[7]。

      內(nèi)孤立波的水平流速一般在表層附近最大,而它的變化導(dǎo)致了較強(qiáng)的輻聚和輻散,為通過衛(wèi)星圖像研究內(nèi)孤立波提供了可能[8]。海表面粗糙度的變化使內(nèi)孤立波在衛(wèi)星圖像中表現(xiàn)為亮暗相間的條紋。由于具有分辨率高、不受天氣狀況限制等特點,星載Synthetic Aperture Radar(SAR)圖像中內(nèi)孤立波的成像機(jī)理、遙感仿真和探測研究已形成了較為成熟的理論體系[9]。當(dāng)天氣狀況較好時,在衛(wèi)星可見光圖像中也可以觀察到內(nèi)孤立波。Zhao等[10]使用分辨率為20m的SPOT-3衛(wèi)星可見光圖像分析了內(nèi)孤立波在南海北部陸架區(qū)的極性轉(zhuǎn)變過程。雖然Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer(MODIS)圖像的空間分辨率最高只有250m,但其具有觀測頻率高、免費(fèi)等優(yōu)點,并能夠近實時地通過NASA網(wǎng)站下載數(shù)據(jù)。目前,從衛(wèi)星遙感圖像中提取內(nèi)孤立波特征參數(shù)的研究均基于SAR圖像進(jìn)行[11-12]。本文首次探討了使用 MODIS可見光圖像對內(nèi)孤立波信息進(jìn)行反演的方法,并利用位于南海北部深水區(qū)的潛標(biāo)現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)對反演結(jié)果進(jìn)行了檢驗。結(jié)果表明,使用MODIS可見光圖像對南海北部深水區(qū)內(nèi)孤立波的特征參數(shù)進(jìn)行提取具有可觀的精度。

      1 MODIS圖像簡介

      MODIS傳感器分別搭載于NASA的Terra和Aqua衛(wèi)星上,它們分別在1999和2002年發(fā)射,運(yùn)行在高度約為700km的太陽同步軌道上,其中Terra于上午由北向南穿越赤道,而Aqua于下午由南向北穿越赤道。MODIS擁有36個分布在可見光至紅外(0.405~14.385μm)的光譜波段,能夠提供250m(波段1和2)、500m(波段3~7)和100m(波段8~36)3種分辨率的圖像數(shù)據(jù),所拍攝的圖像幅寬約為2 300km,地理定位精度約為60m,再訪問時間約為1d。這些數(shù)據(jù)均可通過NASA MODIS Rapid/Response System的網(wǎng)址 (http://rapidfire.sci.gsfc.nasa.gov)下載。

      本文研究基于250m分辨率的MODIS圖像進(jìn)行,如圖1所示,由Aqua衛(wèi)星于2011年6月5日13:00:00分獲取,覆蓋了南海東北部海域,圖像使用ENVI軟件進(jìn)行了濾波等處理。此時,天氣狀況較好,可以從衛(wèi)星圖像中觀察到2個內(nèi)孤立波,其中ISW1位于水深3 000m左右的深水區(qū),ISW2位于水深500m左右的陸架區(qū),它們均位于太陽耀斑區(qū)之外。此時,輻散區(qū)域由于有較多的光線被散射至傳感器,其表現(xiàn)為亮條紋,為內(nèi)孤立波波前;而輻聚區(qū)域則相反,其表現(xiàn)為暗條紋,為內(nèi)孤立波波后。因此,與SAR圖像中相同,上述2個內(nèi)孤立波在MODIS圖像中表現(xiàn)為先亮后暗的條紋。有研究指出[13],當(dāng)內(nèi)孤立波在 MODIS圖像中位于太陽耀斑區(qū)時,輻散區(qū)域為暗條紋,輻聚區(qū)域為亮條紋,此時內(nèi)孤立波表現(xiàn)為先暗后亮的條紋,與SAR圖像相反。與ISW2相比,ISW1更為明顯。

      圖1 南海東北部地形圖Fig.1 Topography of the northern South China Sea

      2 理論與方法

      連續(xù)變化層結(jié)下的KdV方程[14]為:

      式中:η為內(nèi)孤立波導(dǎo)致的等密度面垂向位移;C為線性相速度;α為非線性系數(shù);β為非靜力頻散系數(shù),它們可以通過下式計算得到:

      式中:f為垂向本征函數(shù);n為垂向模態(tài);上撇號代表其為垂向?qū)?shù)。垂向本征函數(shù)f可以通過求解邊界值問題得到[15]:

      式中:H為水深;ρ0為海水密度;N為 Brunt-Visl頻率。KdV方程的解給出了內(nèi)孤立波的波型、傳播速度和特征半波長等信息:

      式中:V為內(nèi)孤立波的傳播速度;Δ為其半波寬度。

      Zheng等[16]給出了沿內(nèi)孤立波傳播方向上的SAR后向散射強(qiáng)度變化:

      式中:θ為入射角;k0為雷達(dá)波波數(shù);m3為系數(shù);gij為一階散射系數(shù);k=2k0sinθ;對于同一幅雷達(dá)圖像,Q可以認(rèn)為是常數(shù)。他們同時提出了一種Peak-to-Peak方法以計算內(nèi)孤立波的半波寬度:

      因此,只需計算SAR圖像中內(nèi)孤立波條紋最亮和最暗區(qū)域之間的距離dp-p即可得到其半波寬度。在已知海水層結(jié)并計算得到非線性、非靜力系數(shù)和線性相速度的情況下,可以通過公式進(jìn)一步得到內(nèi)孤立波的振幅、傳播速度和波型等特征參數(shù)。與雷達(dá)圖像相同,可見光圖像中內(nèi)孤立波條紋最亮和最暗區(qū)域分別對應(yīng)于輻散和輻聚最強(qiáng)處,因此上述方法同樣適用于MODIS圖像。

      3 計算結(jié)果

      圖1MODIS圖像中內(nèi)孤立波ISW1所處位置為119.67°E,20.56°N,此處水深為3 179m,海水層結(jié)信息從WOA01夏季氣候態(tài)溫鹽數(shù)據(jù)中提取得到。C7潛標(biāo)位于119.04°E,20.83°N,水深為2 762m,處于圖1中內(nèi)孤立波ISW1的下游,其觀測時間為2011-04~2012-04。C7潛標(biāo)攜帶了一套溫鹽鏈,由SBE-37SM型CTD和RBR TR-1060型測溫儀組成,它們的垂向間隔為10m,觀測深度為50~450m。觀測儀器的采樣頻率為1min/次,能夠分辨周期較短的內(nèi)孤立波。從圖2(a)中可以看到,在250m以淺,C7潛標(biāo)處的WOA01溫度數(shù)據(jù)與內(nèi)孤立波經(jīng)過前后的背景溫度觀測剖面吻合良好,表明 WOA01溫度數(shù)據(jù)能夠較好地描述此處的海水溫躍層情況。圖2(b)表明,MODIS圖像中ISW1位置的溫躍層位于深度60m處,浮頻率最大值接近2×10-2rad/s。將計算得到的海水層結(jié)信息代入公式(4)~(6)中,使用數(shù)值方法計算得到垂向本征函數(shù)f,結(jié)果表明,對于第一模態(tài)內(nèi)波,其振幅在深度870m處達(dá)到最大,與前人的計算結(jié)果一致[7]。相對應(yīng)地,第一模態(tài)線性相速度C為2.81m/s。將垂向本征函數(shù)f和海水密度信息代入公式和后,得到非線性系數(shù)α1為-0.008 1Hz,非靜力頻散系數(shù)β1為888 160m3/s。非線性系數(shù)為負(fù),表示下層海洋的厚度大于上層,此處存在著一個下凹型內(nèi)孤立波。

      圖2 灰線為MODIS圖像中內(nèi)孤立波ISW1位置處的海水溫度、位密、浮頻率和第一模態(tài)垂向本征函數(shù)Fig.2 The temperature,potential density,buoyancy frequency and mode-1eigenfunction at the location of ISW1in the MODIS image

      表1 從MODIS圖像中提取得到的內(nèi)孤立波ISW1的特征參數(shù)Table 1 The information of ISW1extracted from the MODIS image

      圖3(a)為MODIS圖像中內(nèi)孤立波ISW1附近的局部放大圖。在沿內(nèi)孤立波傳播方向上(見圖3(a)中黑線),MODIS圖像的灰度值存在著一個極大值和一個極小值,它們之間存在著17個像元個數(shù),距離dp-p約為4 300m(見圖3(b))。將其代入公式后,計算得到的內(nèi)孤立波半波寬度為3 258m,振幅為124m,傳播速度為3.14m/s,其中非線性作用對傳播速度的貢獻(xiàn)為0.33m/s。

      4 與潛標(biāo)觀測結(jié)果的對比

      C7潛標(biāo)的溫度觀測結(jié)果(見圖4)顯示,在2011年6月5日19~22時出現(xiàn)了1個波群,其由3個孤立子組成,為1個內(nèi)孤立波波列。波列中首孤立子的周期為74min,其余2個孤立子的周期分別為41和33 min。上述內(nèi)孤立波即為圖2MODIS圖像中的內(nèi)孤立波ISW1。C7潛標(biāo)與MODIS圖像中內(nèi)孤立波ISW1之間的距離為70.4km,內(nèi)孤立波的傳播時間為402min,計算得到其平均傳播速度為2.92m/s。在MODIS圖像中,內(nèi)孤立波ISW1只擁有一條明暗條紋,表明其余2個孤立子是在向C7潛標(biāo)傳播的過程中生成的。從MODIS圖像中反演得到的內(nèi)孤立波傳播速度為3.14m/s,略大于觀測值,這可能是由于向C7潛標(biāo)傳播的過程中水深變淺的緣故。

      圖3 a MODIS圖像中內(nèi)孤立波ISW1附近的局部放大圖Fig.3a Magnification of the ISW1in the MODIS image

      圖3 b MODIS圖像中沿內(nèi)孤立波傳播方向上(左圖中黑線)的灰度值變化Fig.3b The gray level along the propagation direction of ISW1as the black line in the left panel shows

      本文定義內(nèi)孤立波的觀測振幅為觀測深度內(nèi)等溫線起伏的最大值。如圖4所示,12℃等溫線在首孤立子波谷之前下降了91m,而在波谷之后則上升了126 m。觀測結(jié)果中孤立子波型并不前后對稱,這可能是由于背景水平流速存在垂向剪切導(dǎo)致的。進(jìn)一步地,使用表1中的內(nèi)孤立波特征參數(shù)反演結(jié)果,根據(jù)公式對內(nèi)孤立波波型進(jìn)行了估算。假設(shè)內(nèi)孤立波波型在向C7潛標(biāo)傳播的過程中保持不變,將水平距離除以傳播速度后,令估算內(nèi)孤立波波型(圖4中紅線)疊加在觀測中12℃等溫線附近。結(jié)果表明,內(nèi)孤立波波型的前半部分的反演結(jié)果與觀測存在一定出入,而后半部分則吻合良好。

      圖4 內(nèi)孤立波ISW1經(jīng)過C7潛標(biāo)時的溫度觀測結(jié)果Fig.4 The temperature observation result as the ISW1passed the mooring C7

      5 結(jié)語

      本文首次基于MODIS圖像對位于南海北部深水區(qū)的1個典型內(nèi)孤立波進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,MODIS圖像中此內(nèi)孤立波明亮條紋之間擁有17個像元,距離約為4 300m。結(jié)合海水層結(jié)信息,對內(nèi)孤立波的特征參數(shù)進(jìn)行了反演,發(fā)現(xiàn)此內(nèi)孤立波的半波寬度為3 258m,振幅為124m,傳播速度為3.14m/s。潛標(biāo)現(xiàn)場觀測結(jié)果表明,此內(nèi)孤立波的傳播速度約為2.92m/s,振幅為91(前緣)或126m(后緣)。對比檢驗結(jié)果表明,本文提取南海北部深水區(qū)內(nèi)孤立波特征參數(shù)的方法具有可觀的準(zhǔn)確度,為研究南海北部深水區(qū)內(nèi)孤立波提供了一條新的可行路徑。

      [1]蔡樹群,甘子鈞,龍小敏.南海北部孤立子內(nèi)波的一些特征和演變[J].科學(xué)通報,2001,46(15):6.

      [2]Zhao W,Huang X,Tian J.A new method to estimate phase speed and vertical velocity of internal solitary waves in the South China Sea[J].J Oceanogr,2012,68(5):761-769.

      [3]方文東,施平,龍小敏,等.南海北部孤立內(nèi)波的現(xiàn)場觀測 [J].科學(xué)通報,2005,50(13):1400-1404.

      [4]Ramp S R,Tang T Y,Duda T F,et al.Internal solitons in the Northeastern South China Sea.Part I:Sources and deep water propagation[J].IEEE Journal of Oceanic Engineering,2004,29(4):1157-1181.

      [5]Ramp S R,Yang Y J,Bahr F L.Characterizing the nonlinear internal wave climate in the Northeastern South China Sea[J].Non-linear Processes in Geophysics,2010,17(5):481-498.

      [6]Alford M H,Lien R C,Simmons H,et al.Speed and evolution of nonlinear internal waves transiting the South China Sea[J].J Phys Oceanogr,2010,40(6):1338-1355.

      [7]Klymak J M,Pinkel R,Liu C T,et al.Prototypical solitons in the South China Sea[J].Geophys Res Lett,2006,33(11):1-4.

      [8]Alpers W.Theory of radar imaging of internal waves[J].Nature,1985,314(6008):245-247.

      [9]林琿,范開國,申輝,等.星載Sar海洋內(nèi)波遙感研究進(jìn)展 [J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2010,25(3):1081-1091.

      [10]Zhao Z,Klemas V V,Zheng Q,et al.Satellite observation of internal solitary waves converting polarity[J].Geophys Res Lett,2003,30:1-4.

      [11]孟俊敏.利用Sar影像提取海洋內(nèi)波信息的技術(shù)研究[D].青島:青島海洋大學(xué),2002.

      [12]石新剛,范植松,司宗尚.南海東北部深水海域大振幅內(nèi)孤立波Sar遙感仿真研究 [J].海洋與湖沼,2011,42(6):906-912.

      [13]Mitnik L,Alpers W,Chen K S,et al.Manifestation of Internal Solitary Waves on Ers Sar and Spot Images:Similarities and Differences[C].[s.l.]:Proceedings of the 2000Internationa l Geoscience and Remote Sensing Sym Posium (IGARSS'00),2000:1857-1859.

      [14]Ostrovsky L,Stepanyants Y A.Do internal solitions exist in the Ocean?[J].Rev Geophys,1989,27(3):293-310.

      [15]Apel J R,Ostrovsky L A,Stepanyants Y A,et al.Internal solitons in the ocean and their effect on underwater sound [J].J Acoust Soc Am,2007,121(2):695-722.

      [16]Zheng Q,Yuan Y,Klemas V,et al.Theoretical expression for an ocean internal soliton synthetic aperture radar image and determination of the soliton characteristic half width [J].J Geophys Res,2001,106(C12):31415-31423.

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