利用SAR遙感衛星資料研究東海內孤立波時空分布特征

郭靖，杜濤

（1.中國海洋大學海洋環境學院，山東青島266100；2.中國人民解放軍91329部隊，山東威海264300）

利用SAR遙感衛星資料研究東海內孤立波時空分布特征

郭靖1,2，杜濤1

（1.中國海洋大學海洋環境學院，山東青島266100；2.中國人民解放軍91329部隊，山東威海264300）

通過分析歐洲空間局的地球資源衛星（ERS-1/2）從1995—2010年的合成孔徑雷達（SAR）圖像，研究了東海內孤立波的時間分布特征，繪制了東海內孤立波的空間分布圖，并且反演了個別海區內孤立波的傳播速度。研究結果表明：東海內孤立波主要分布在兩個海域，臺灣東北部海域和長江口、杭州灣以及外舟山群島附近海域。在這兩個海域，大潮期間的強潮流有利于內孤立波的出現。在長江口及附近海域，躍層強時，內孤立波出現的概率相對較高。臺灣東北部內孤立波波速約為0.6—0.8 m/s，長江口及附近海域內孤立波波速約為0.6 m/s左右。

內孤立波；東中國海；合成孔徑雷達

1 引言

通過合成孔徑雷達（SAR）觀測內波始于1976年Elachi和Apel的研究[1]，而內波的成像機理直到1985年才被Alpers揭示出來[2]。1986年Thompson和Gasparovic對內波在L波段和X波段SAR圖像上的特征進行了仿真研究，并與該波段SAR圖像中的實際特征作了比較，驗證了Alpers的理論[3]。Brandt給出了一個描述直布羅陀海峽非線性內波傳播的兩層數值模式，基于對150多幅內波SAR影像的分析研究，表明所提出的模式可以較好的描述直布羅陀海峽內波的時空演化[4]。DaSilva利用近實時的地球資源衛星ERS-1的SAR圖像指導海洋內波的調查研究[5]。

許多學者也利用SAR衛星圖像對我國近海內波方面作了多方面的研究。如，Liu利用ERS的SAR研究了南海內孤立波的分布[6]。Hsu等利用衛星圖像研究了東海部分海域的內波特征，特別是對臺灣東北部復雜內波生成機制進行了研究，并繪制了臺灣東北部的內波[7]。方欣華、杜濤對黃海和整個南海海域內孤立波的時空分布做了全面細致的分析研究[8]。

國內外學者通過SAR對東海海域內孤立波做了許多研究，但這些研究大多集中在臺灣東北部海域，缺乏對整個東海海域的內孤立波分布的系統研究。本文通過分析從1995—2010年間的SAR圖像資料，對整個東海海域內孤立波的時間分布特征、空間分布特征及個別海域內孤立波的傳播速度進行了分析研究。

2 SAR及數據

SAR是一種主動式微波成像雷達。它通過適當處理所獲得的海面后向散射測量信號，產生標準化后向散射截面的圖像。這些圖像的分辨率可達到幾米到幾十米量級，因而能夠詳細地顯示出海面粗糙度的空間細節變化。自20世紀70年代末開始，美國的Seasat、歐空局ERS-1/2和加拿大的Radarsat等衛星上的合成孔徑雷達已經獲取了大量的圖像，通過分析這些圖像中由內波引起的海面粗糙度的變化可以獲得眾多海洋內波的遙感觀測資料，從而為內波研究提供豐富的信息。

圖1 內波、表面波和SAR圖像灰度的關系

圖2 SAR影像觀測到的內孤立波

SAR對內波成像主要包含以下3個物理過程[9]：

（1）內波在傳播過程中引起表層流場發生輻聚輻散，見圖1a；

（2）表層流場的輻聚輻散對海表微尺度波的調制，改變了海表的粗糙度，見圖1b；

（3）粗糙度的改變影響了雷達波后向散射的強度，使SAR圖像中的灰度值發生變化；粗糙海表面的后向散射強度大，在SAR圖像上呈現亮條紋，反之則呈現暗條紋，見圖1c。

當衛星SAR圖片的明暗條紋是由內波的影響產生時，可以通過觀察這些明暗條紋的位置、條紋數量、間距、輻射方向以及相鄰兩條紋組的相對距離和發生時間等，研究內波出現的空間位置、傳播方向和傳播速度等內波要素。圖2是ERS-2衛星的合成孔徑雷達拍攝到的臺灣東北部附近的圖像，從圖像中可以明顯地看到眾多明暗相間的條紋。利用這些條紋，可以提取內波的波長和波向等要素信息，再結合其他海洋要素就能夠反演內波波速等要素。

本文的ERS-1/2衛星SAR圖像來自“中國科學院對地觀測與數字地球科學中心(http://cs.rsgs.ac. cn/cs_cn/cshome.asp)”。按需求選擇區域、衛星、數據獲取時間、圖像云量，下載衛星影像資料。本文選擇的是ERS-1/2衛星，從1995—2010年衛星圖像。衛星圖片的像素為512×512，100 km×100 km。本文選取圖像覆蓋范圍為（21°—32°N，119°—125°E）

3 統計方法

3.1 區域劃分

由于東海海域東側一些區域存在大量資料缺失，且該區域能觀測到內孤立波的圖像極少，所以將東側一些區域忽略。根據ERS-1/2衛星的運行軌跡，將所研究區域劃成許多個大小約為100 km× 100 km的地理區塊，它們與SAR影像圖觀測的范圍一致。整個區域劃分后如棋盤一般（見圖3）。然后，分別以字母和數字為橫、縱坐標將每個小區塊進行編號。例如，圖3中左下角的小區塊編號為C1。

3.2 統計方法

在劃分的每一個小區塊中，分別統計覆蓋該區塊的遙感圖像總數和含有內孤立波的圖像數量。根據圖像中內孤立波出現的位置、形狀，將該內孤立波繪制到實際區域的相應位置上，可以得到東海內孤立波的總體分布圖（見圖4）。對于內孤立波出現次數較多的區域，需要進一步統計內孤立波出現次數的月分布和農歷日分布情況。據此，可以了解內孤立波在全年各月份中的出現情況是否一致，內孤立波的出現和潮流的變化關系是否密切等。

當內孤立波是由潮流和地形作用產生或者SAR圖像中的內孤立波是從內潮波中演變產生時，參照楊勁松等的方法[10-11]，內孤立波傳播速度可以這樣近似獲得：首先，從SAR圖像上沿著內孤立波的弧線輻射方向、測量兩相鄰的獨立內孤立波群的頭波之間的距離Λ，依據該內孤立波群是由半日潮還是全日潮產生的確定這兩相鄰內孤立波群之間的時間間隔（半日潮或全日潮周期）T，內孤立波的傳播速度C可這樣計算：

圖3 東海內孤立波區域劃分

圖4 東海西部內孤立波空間分布圖

4 統計結果

4.1 空間分布

將所下載的衛星SAR圖片按照劃分后的小區塊一一定位并編號。找出其中含有內孤立波的圖片，依據其定位，將圖片中的內孤立波按照位置和形狀繪制到代表實際海域的圖中，最終得到東海的內孤立波的空間分布圖（見圖4）。依據整個東海內孤立波的空間分布圖可知，內孤立波分布較為集中的區域一個是臺灣東北部海域，另一個是長江口、杭州灣外以及舟山群島附近的海域。剩余的海域內孤立波也有出現，但出現的數量相對較少。

進一步分析這兩個海域中內孤立波在遙感圖片上的特征，不難發現出現在兩個海域中的內孤立波各具特色。出現在臺灣東北部海域的內孤立波具有如下特征：（1）每一組內孤立波的波峰線都比較短；（2）各種傳播方向的內孤立波相互交錯。

而出現在長江口、杭州灣外和舟山群島附近海域的內孤立波則具有這樣的特征：（1）與一般陸架淺海區內孤立波不同，這里既有向岸傳播的內孤立波，也有離岸傳播的內孤立波；（2）波峰線既有與等深線平行趨勢的，也有不具備這一特征的。

4.2 時間分布

4.2.1 月變化分布

為了解東海內孤立波出現較多的兩個海域（長江口、杭州灣外舟山群島附近和臺灣東北部）中、內孤立波在一年內各月份分布情況的變化規律，需要分別計算這兩個海域內孤立波出現次數和出現概率隨月份的分布情況。內孤立波在某月份出現的概率=該月觀測到的內孤立波數（含有內孤立波的SAR圖像數）/該月SAR圖像總數。圖5和圖6分別是長江口附近海域內孤立波出現次數和出現概率的月分布情況。在該海域，雖然內孤立波在每個月出現的次數不同，但在一年中每個月都會出現；從概率上看，以3—8月內孤立波的出現概率比較大，1月內孤立波的出現概率最低。

在東海的陸架海域，季節性躍層在每年的3月份后進入成長期，至5月份已相當強盛，9月份以后又開始減明，從11月到次年2月基本消失。所以，圖5和圖6所示的長江口、杭州灣外已及舟山群島附近海域的內孤立波出現次數和出現概率隨月份變化是與東海陸架海域海洋躍層隨月份變化有著基本一致變化規律。躍層強的月份，內孤立波出現的次數多或概率大?；蛘呖梢哉f，兩者的強弱變化規律是基本一致的。而在沒有季節躍層的月份仍觀測到有內孤立波出現，說明這些內孤立波的產生與季節性躍層關系不大，它們很可能產生于長江口附近的陸地淡水和海水的對流混合[8]。

圖5 長江口附近海域內孤立波出現次數的月分布規律

圖6 長江口附近海域內孤立波出現概率的月分布規律

圖7 臺灣東北部海域內孤立波出現次數的月分布規律

圖8 臺灣東北部海域內孤立波出現概率的月分布規律

圖7 和圖8是臺灣東北部海域內孤立波出現次數和出現概率的月分布情況?？梢钥闯觯号_灣東北部海域的內孤立波也是每個月都出現，但每個月出現的次數不同；內孤立波出現概率的月分布情況比較復雜，6、7、9、12月出現概率較高，其它月份出現概率相對較低。這與東海陸架海域海洋躍層隨月份變化的規律明顯不完全一致。

比較兩個海域內孤立波出現次數和出現概率月分布情況，共同點是：兩個海域的內孤立波在每個月都會出現。不同點是：在長江口、杭州灣外已及舟山群島附近海域，內孤立波出現概率大小的變化和東海陸架海域海洋躍層強弱的變化有著較為一致的密切關系。即，躍層強時內孤立波的出現概率就大；躍層弱時內孤立波的出現概率就小。在臺灣東北部海域，夏季躍層較強時，內孤立波的出現概率也較大；但在其他季節，兩者的強弱變化和大小變化步調不是特別一致。

4.2.2 農歷日變化分布

將東海內孤立波SAR影像的時間數據由公歷日期轉換為農歷日期，然后分別統計計算長江口、杭州灣外已及舟山群島附近海域和臺灣東北部海域內孤立波出現次數和概率的農歷日分布情況，繪制出相應的日分布圖。（圖中日期均為農歷日期，1至30分別代表初一至三十）

圖9和圖10分別是長江口、杭州灣以及外舟山群島附近海域從農歷初一至三十內孤立波的出現次數和出現概率的日分布情況?？梢钥闯?，在農歷十六至十九和農歷初二，內孤立波出現概率有小的峰值，說明強的潮流對內孤立波的出現可能會有促進作用，但是整體來看，內孤立波出現概率的大小與潮流強弱的變化規律并不完全一致。因此，在長江口、杭州灣以及外舟山群島附近海域，當有強潮流出現時內孤立波可能在該海域出現，也可能不出現。這一點與呂宋海峽的內孤立波情況[12-13]不一樣。在呂宋海峽，強潮流雖然也不是導致內孤立波產生的唯一因素，但只要強潮流出現，內孤立波就可以產生[14]。

圖9 長江口附近海域內孤立波出現次數的農歷日分布規律

圖10 長江口附近海域內孤立波出現概率的農歷日分布規律

圖11 臺灣東北部海域內孤立波出現次數的農歷日分布規律

圖12 臺灣東北部海域內孤立波出現概率的農歷日分布規律

圖11 和圖12分別是臺灣東北部海域內孤立波出現次數和概率的農歷日分布情況。內孤立波出現概率在農歷初一、初四和十四、十七的大潮期間呈現較高的峰值，表明大潮前后較強的潮流可能有利于內孤立波的產生或出現。但就整個月份來看，這個作用并不是決定性的。因為大潮期間內孤立波的出現概率并不總是處在高峰，且小潮期間，內孤立波的出現概率也并非一定特別低。

限于每天觀測的SAR圖像的總數不一樣，并且觀測樣本數目較小，對內孤立波出現概率的農歷日分布規律的分析結果，存在誤差是必然的，這里的結果僅作為參考。

圖13 長江口附件和臺灣東北部海域內孤立波波速統計（單位：m/s）

4.3 內孤立波波速

依據本文3.2所述從遙感圖像中推算內孤立波傳播速度的方法，選取一些典型的圖像，分別對長江口、杭州灣外以及舟山群島附近海域和臺灣東北部海域內孤立波的傳播速度進行了計算，結果如圖13。在臺灣東北部海域，內孤立波傳播波速約為0.6—0.8 m/s。在長江口、杭州灣外和舟山群島附近海域，內孤立波傳播波速約為0.6 m/s左右。臺灣東北部內孤立波波速計算結果與楊勁松等的結果一致[10]。

5 結論

利用從1995—2010年間的ERS-1和ERS-2 SAR衛星數據，研究了東海內孤立波的時、空分布，通過分析研究得到以下結論:

（1）從內孤立波的空間分布特征發現，東海內孤立波集中出現在兩個海域：臺灣東北部海域和長江口、杭州灣外以及舟山群島附近海域；

（2）東海內孤立波的時間分布特征：在長江口、杭州灣外以及舟山群島附近海域，內孤立波在全年各月都有可能發生，3—8月內孤立波的出現概率較高，1月內孤立波的出現概率最低；內孤立波出現概率的高低與東海陸架海域躍層的出現及強弱變化規律有一致的地方；即，躍層強時，內孤立波出現的概率變大；躍層弱時，內孤立波出現的概率變小。同樣，農歷大潮期間潮流較強時，內孤立波的出現概率也可能會較高。在臺灣東北部海域，內孤立波也是在全年各月都可能出現，在6、7、9、12月出現概率較高，其它月份出現概率相對較低；內孤立波出現概率和東海陸架海域的躍層變化沒有密切關系；農歷大潮期間潮流較強時，內孤立波的出現概率也可能提高；

（3）內孤立波的傳播速度：臺灣東北部海域內孤立波傳播波速約為0.6—0.8 m/s，長江口、杭州灣外以及舟山群島附近海域內孤立波傳播波速約為0.6 m/s；

（4）較強的潮流會增加內孤立波在臺灣東北部海域和長江口、杭州灣外以及舟山群島附近海域的出現或產生的概率或可能性。

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Spatial and temporal characteristics of internal solitary waves in the East China Sea from SAR images

GUO Jing1,2，DU Tao1
（1.College of Physical and Environmental Oceanography,Ocean University of China,Qingdao 266003 China; 2.PLA Unit 91329,Weihai 264300 China）

By analyzing the SAR images of ERS-1/2 from 1995 to 2010,the spatial and temporal distribution of internal solitary waves in the whole East China Sea are studied.The speeds of internal solitary waves in two special areas are also calculated.The research shows that internal solitary waves in the East China Sea occur mainly in two areas:the northeast sea area of Taiwan and the sea area around Yangtze Estuary,Hangzhou Bay, and the Zhoushan Islands.Tidal current is not the only factor that can affect the occurrence of internal solitary waves in the two areas.When the pycnocline is strong in the sea area around Yangtze Estuary,Hangzhou Bay, and the Zhoushan Islands,internal waved occur more possibly.The calculated internal wave speed is about 0.6 m/s in the northeast sea area to Taiwan while it is about 0.6—0.8 m/s in the other area.

internal solitary waves；East China Sea；SAR

P731.24

：A

：1003-0239（2014）05-0001-07

10.11737/j.issn.1003-0239.2014.05.001

2013-10-30

國家“973”計劃（2007CB416605）

郭靖(1986-)，男,碩士研究生，主要從事海洋內波研究。E-mail:ggguojinggg@gmail.com