南海北部內(nèi)波時空傳播特征的遙感研究.pdf

1、南海北部陸架坡海域是國際上公認(rèn)的天然內(nèi)波試驗場，美國從20世紀(jì)70年代就開始對該海域普遍存在的內(nèi)波現(xiàn)象進行遙感觀測，南海北部的內(nèi)波不僅以孤立波的形式出現(xiàn)，還以內(nèi)潮波的形式存在。本研究首先對南海北部內(nèi)波的類型、發(fā)源地、生成機制、傳播演變及觀測方法和研究進展進行了系統(tǒng)的綜述。由于南海具有獨特的海底特征以及顯著的海洋層化結(jié)構(gòu)，非常適宜研究海洋狀態(tài)參量對內(nèi)孤立波的傳播性質(zhì)，即內(nèi)波相速度的研究。本文主要基于衛(wèi)星遙感方法，使用多源的連續(xù)的衛(wèi)星遙感數(shù)

2、據(jù)反演南海北部內(nèi)孤立波波速，這是前人沒有實施過的。本文共計采用了南海北部成像的3對合成孔徑雷達(dá) SAR連續(xù)數(shù)據(jù)（ENVISAT-SAR和ESA2-SAR）、4對可見光MODIS/VIIRS連續(xù)數(shù)據(jù)(Terra/Aqua-MODIS和NPP-VIIRS)與9對SAR/MODIS連續(xù)數(shù)據(jù)（ENVISAT-SAR和Terra/Aqua-MODIS）。且本文所采用的SAR、MODIS、VIIRS圖像，時間上覆蓋了南海北部全年內(nèi)波頻發(fā)期（3月、4

3、月、5月、6月、7月和8月），空間上分布在南海各個特征典型的區(qū)域（呂宋海峽附近、東沙島附近，大陸架附近），非常適合研究內(nèi)波的傳播特性。
　　本文首先利用ENVISAT衛(wèi)星作為ERS1/2衛(wèi)星的延續(xù)，其飛行軌道相似，時間上始終相隔30分鐘左右的這一獨特優(yōu)勢，融合了高分辨率且不受天氣影響的合成孔徑雷達(dá)SAR數(shù)據(jù)獲取30分鐘內(nèi)內(nèi)波的位移這一重要的已知量，使得內(nèi)波在傳播過程波峰上各點的相速度得以確定。由此可以直觀得到沿內(nèi)波波峰線上各點相速

4、度空間分布與速度變化規(guī)律。并且使用了sw_vmodes模式、南海年平均海洋層化結(jié)構(gòu)GDEM數(shù)據(jù)和水深數(shù)據(jù)EPOTO1求解了T-G方程，獲得內(nèi)波的理論相速度，對SAR數(shù)據(jù)提取的波速進行了精度驗證。兩者速度大小吻合度非常高，證明了連續(xù)SAR數(shù)據(jù)反演波速的準(zhǔn)確性。初步確定了中國南海北部內(nèi)波的速度空間分布與南海北部海底地形（水深）之間的關(guān)系，同時發(fā)現(xiàn)了季節(jié)變化帶來的海洋層化結(jié)構(gòu)改變對內(nèi)波波速的影響。為進一步確定連續(xù)數(shù)據(jù)提取內(nèi)波相速度的可行性，本

5、文繼而使用4對具有清晰內(nèi)波成像且衛(wèi)星軌道特征相似、內(nèi)波成像時間間隔均在2.5小時以內(nèi)的Terra-MODIS和NPP-VIIIRS成對連續(xù)圖像中太陽耀光區(qū)（Sunglint）研究內(nèi)波相速度在東沙島附近海域的變化特征。其根據(jù)現(xiàn)有方法的改進成功的提取出了4對圖像中的太陽耀光Sunglint邊界，并且通過相速度反演揭示東沙島附近海域內(nèi)波傳播的特性?？梢姽膺B續(xù)數(shù)據(jù)與合成孔徑雷達(dá) SAR數(shù)據(jù)反演的內(nèi)波相速度顯示出同樣的時空變化特性。在南海北部以由

6、東至西、由南至北逐漸遞減，并且在相同水深處兩種類型的連續(xù)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的反演內(nèi)波相速度大小基本相同。最后本文使用合成孔徑雷達(dá)數(shù)據(jù) SAR圖像與可見光數(shù)據(jù) MODIS圖像的連用對東沙島附近內(nèi)波相速度與混合層深度的關(guān)進行了初步探討；更可貴的是SAR/MODIS連續(xù)數(shù)據(jù)中捕捉了一系列寶貴的瞬間，即內(nèi)波發(fā)生的一系列作用例如反射、衍射和波-波非線性相互作用時刻，隨后對內(nèi)波位移進行測量，可以實現(xiàn)計算內(nèi)波在東沙島南北左右關(guān)鍵點位的相速度。同時使用NOAA網(wǎng)

7、站混合層深度MLD實測數(shù)據(jù)利用插值法求得SAR/MODIS成對圖像中各個測量點位置處混合層深度的數(shù)值。證明了南海北部深水區(qū)與淺水區(qū)的海洋層化結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律是不相同的，繼而內(nèi)波相速度在深水區(qū)的和淺水區(qū)的季節(jié)性變化規(guī)律也不相同。且內(nèi)波相速度隨著混合層深度的增加而有明顯的增大。根據(jù)以上的工作，在多源遙感提取南海北部內(nèi)波相速度的特征、相速度與水深地形關(guān)系、相速度與海洋層化結(jié)構(gòu)的關(guān)系等方面總結(jié)出以下結(jié)論：
　　（1）連續(xù) SAR反演數(shù)據(jù)顯示

8、在南海北部水深100-240m、40-350m、350-550m、1000-2000m和2500-3500m的區(qū)域時，SAR圖像上提取出的平均速度分別為0.66m/s、1.00m/s、1.60m/s、2.10m/s和2.70m/s。經(jīng)過T-G方程求解得到的內(nèi)波理論相速度驗證，兩者高度吻合。
　　（2）連續(xù)SAR反演數(shù)據(jù)顯示內(nèi)波的相速度主要受到海底地形的影響。在南海北部海域，內(nèi)波相速度從東向西、從南至北呈遞減趨勢。
　?。?）

9、在南海北部250-550米水深處，連續(xù)SAR數(shù)據(jù)反演得到的內(nèi)波相速度與模擬得到的理論相速度在3月份平均高于8月大約0.25m/s，即在3月份的內(nèi)波傳播速度快于8月份的傳播速度?；旌蠈由疃茸兓沟媚虾１辈績?nèi)波相速度呈現(xiàn)季節(jié)性差異，但是比起水深帶來的影響并不明顯。即海洋層化結(jié)構(gòu)對內(nèi)波速度變化的影響小于海底地形（水深）的影響。
　?。?）成功提取了可見光數(shù)據(jù) MODIS/VIIRS圖像中的太陽耀光邊界；兩幅 MODIS和VIIRS數(shù)據(jù)中

10、的太陽耀光區(qū)大約為500千米，覆蓋了整個南海區(qū)域，且數(shù)據(jù)每天都可以獲得。因此，相比于SAR連續(xù)數(shù)據(jù)和船測數(shù)據(jù)、浮標(biāo)數(shù)據(jù)，MODIS/VIIRS連續(xù)數(shù)據(jù)可以更廣闊的觀測內(nèi)波。
　?。?）連續(xù)可見光數(shù)據(jù)MODIS/VIIRS圖像中提取的內(nèi)波相速度與連續(xù)SAR數(shù)據(jù)中提取的相速度變化規(guī)律相同，內(nèi)波相速度在南海北部海域從南至北，從東向西的隨水深變淺的出現(xiàn)明顯的遞減規(guī)律。
　?。?） MODIS/VIIRS連續(xù)數(shù)據(jù)中反演得到的內(nèi)波相速度

11、與理論相速度在8月份相比與5月份的數(shù)據(jù)都較大，尤其是在100-250和2200-2600米水深處有較為明顯的0.2-0.3m/s的速度之差。
　?。?） SAR/MODIS連續(xù)數(shù)據(jù)中反演得到的東沙島東部反射的內(nèi)波分支CD的傳播速度在1.05和1.45m/s之間波動，沒有遞減或者遞增趨勢，主要是這個地區(qū)的水深都在350米左右；東沙島南北部的衍射分支AB(北部分支)和EF（南部分支）平均相速度分別為0.99m/s和1.58m/s。

12、r>　?。?） SAR/MODIS連續(xù)數(shù)據(jù)中，南海北部東沙島附近內(nèi)孤立波相速度在深水區(qū)域和淺水區(qū)域呈現(xiàn)出不同的速度變化趨勢；在東沙島的西北部內(nèi)波相速度5月最小，8月最大，3月份的內(nèi)波相速度小于8月份的內(nèi)波相速度；而位于東沙島的東南部的內(nèi)波相速度，5月不再是內(nèi)波相速度出現(xiàn)最小值的月份；5-8月4個月份中，內(nèi)波速度基本相同，經(jīng)過5月份后內(nèi)波相速度逐漸增大至三月份達(dá)到最大值；
　?。?）插值法獲得的SAR/MODIS數(shù)據(jù)中各測量點的海洋