基于MODIS 和VIIRS 遙感圖像的蘇祿- 蘇拉威西海內孤立波特征研究*

張 濤 張旭東①

(1. 山東科技大學測繪科學與工程學院 青島 266590； 2. 中國科學院海洋研究所海洋環流與波動重點實驗室 青島 266071)

海洋內孤立波(以下簡稱“內波”)是穩定層化的海水受擾動后形成的一種發生于海洋內部的波動， 在全球廣泛分布(Jackson， 2007)。海洋內波對海洋混合等影響較大， 能將富含營養的深層海水帶到表層， 促進浮游生物的繁 殖 (Wang， 2016； Villama?aet al， 2017)。大振幅的內波傳播過程中產生的強大剪切力對石油平臺等海上作業平臺有著巨大的威脅(Lüet al， 2016)。在南海的陸豐油田， 半潛鉆井船“南海Ⅵ”和錨定游輪“Ayer Biru”號在海上平臺作業時遭遇大振幅內波垂向剪切力效應， 船身在不到 5min 內旋轉了110°(Ebbesmeyeret al， 1991)。因此， 海洋內波的研究對于海洋資源、海洋工程等方面有著巨大的意義。

蘇祿海和蘇拉威西海位于巴拉望島以南， 蘇拉威西島以北， 以蘇祿群島等諸島為間隔， 處于菲律賓與印度尼西亞之間。蘇祿海和蘇拉威西海具有繁多的物種、豐富的礦產和漁業資源， 并且是亞太地區最重要的魚類產卵地(陳思行， 1984)。同時， 蘇祿海和蘇拉威西海是溝通東南亞各國以及通往太平洋、印度洋的重要海域。因此， 對蘇祿海和蘇拉威西海的內波的研究具有重要的經濟價值和研究意義。

遙感觀測以其大幅寬、長時間的觀測能力已經成為內波研究的一種重要手段。早在1985 年Apel 等(1985)利用LandSat 可見光遙感圖像觀測到了內波。Jackson(2007)通過2002 年8 月—2004 年5 月3581景中分辨率成像光譜儀(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer， MODIS)圖像對內波在全球范圍內的分布情況進行了統計， 發現在各個大洋中均有大量內波的存在。很多學者利用遙感圖像對南海(杜濤等， 2001； 甘錫林等， 2007； Liet al， 2008)、安達曼海(Magalhaeset al， 2018； Sunet al， 2019)和蘇祿海(Zenget al，2004； Zhanget al， 2018； 孫麗娜等， 2019)等海域內波的時空特征進行了分析研究。Zheng 等(2007)利用1995—2001 年7 年間的SAR 遙感影像對南海的內波時空分布進行了分析， 其主要存在于(116°—118°E， 20°—22°N)范圍內，4—7 月為其高頻發生期。Zhou 等(2016)利用2013—2015 年的1000 多幅MODIS 和SAR圖像對安達曼海內波的時空分布統計研究。

針對南海(Rampet al， 2004； Zhaoet al， 2006； Buijsmanet al， 2010； Liet al， 2013)、安達曼海(Hyderet al， 2005； Da Silva， 2016； 黃松松等， 2019)、直布羅陀海峽(史璐等， 2018； Navarroet al， 2018)等海域內波的生成和傳播特性， 也有學者開展了相關的分析研究。內潮孤立波的傳播速度可利用多幅影像對同一波包的跟蹤檢測的多時間圖像(Multi-temporal Images， MIT)方法和同一幅影波包間的波間距與半日潮周期的潮汐時間圖像(Tidal Period Images， TPI)計算內波相位速度(Honget al， 2015)。孫麗娜等(2019)基于2010—2015 年的MODIS 和合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar， SAR)圖像對蘇祿海和南海的內波的時空分布和傳播特征開展了分析， 但并未針對蘇祿海內波的發生源做具體分析。Liu 等(2019)利用部分可見光紅外成像輻射計(Visible Infrared Imaging Radiometer， VIIRS)圖像研究了蘇祿-蘇拉威西海的內波， 指出蘇祿海內波主要在四個海峽區域生成。但對于蘇拉威西海的內波的發生源、傳播方向和速度以及內波要素的變化并未展開討論。

本文通過遙感觀測發現蘇祿海和蘇拉威西海是內波頻發海域， 并且兩個海域的內波在時空上遙相呼應， 尺度較大。為了對這兩個海域的內波開展全面、綜合的分析， 本文基于2016 年10 月—2019 年9 月共計3年的MODIS 和VIIRS 遙感影像， 分析了蘇祿海和蘇拉威西海的內波的空間分布特征， 并對內波的主要發生源、傳播特性以及波峰線長度等展開了分析研究。

1 數據與方法

1.1 數據介紹

本文的研究區域為蘇祿海和蘇拉威西海(116.5°—127°E， 0°—11°N)兩個內波頻發海域。由于蘇祿海與蘇拉威西海主要受季風和熱帶風暴影響， 在季節上可分為旱季(11—次年5月)和雨季(6—10月)(Cincoet al， 2016)。本文利用Aqua、Terra和Suomi極地軌道衛星(National Polar-orbiting Partnership，簡稱NPP)的遙感影像資料， 來開展內波的分析研究。Aqua和Terra搭載了MODIS， 可以提供250m(1—2波段)、500m(3—7波段)和1000m(8—36波段)分辨率的光學圖像。NPP搭載了VIIRS， 可以提供750m(M波段)和375m(I波段)分辨率的可見光和近紅外波段圖像。本研究中采用了空間分辨率為250m的MODIS影像和375m 的VIIRS 影 像， 刈 幅 寬 度 分 別 為2330km 和3000km。遙感圖像的參數如表1所示。

表1 本文使用遙感圖像的參數 Tab.1 Parameters of satellite images used in this study

Terra和Aqua衛星分別在地方時的上午10：30和下午1：30左右過境， 每天可以獲得研究區域2次白天和2次夜間的MODIS影像數據。NPP在地方時下午1：30過境， 每天能獲取2次更新的VIIRS數據， VIIRS是高級超高分辨率輻射計(Advanced Very High Resolution Radiometer， AVHRR)、MODIS和寬視場海洋觀測傳感器(Sea-viewing Wide Field-of-view Sensor， SeaWIFS)的擴展和改進。MODIS與VIIRS具有高時間分辨率、同步覆蓋范圍廣、獲取免費等優勢。本文搜集了2016年10月—2019年9月Aqua、Terra和NPP的遙感圖像共計857景， 選取的遙感圖像上具有清晰內波條紋。圖1是蘇祿海和蘇拉威西海觀測到的清晰的內波影像， 從圖1中可以清楚地看到研究海域分別南向和北向傳播的內波。

1.2 研究方法

圖1 2018 年10 月10 日Aqua 衛星觀測到的蘇祿-蘇拉威西海內波 Fig.1 Internal waves observed by Aqua MODIS image in the Sulu Sea and Celebes Sea on October 10， 2018

光學遙感圖像受云霧等天氣環境影響較大， 本文選取無云或少云、具有清晰內波條紋的MODIS和VIIRS遙感影像。通過人機交互的方式提取影像中的 單條內波或波包頭波的地理位置信息， 統計得到內波的空間分布規律。利用內波波峰線各點的經緯度， 計算出研究海域中波峰線長度并進行統計分析。對于研究海域內波的傳播速度主要利用測量的波包間距和其半日潮生成機制的潮汐圖像法(TPI)計算(Liuet al， 2019)。利用KdV方程(Xuet al， 2010， 2011， Zhaoet al， 2004)計算理論傳播速度作為對比， 利用KdV方程計算內波傳播速度和振幅的表達式為：

其中，Cp為內波線性速度，Cp為內波非線性速度，h1、h2分別為上下層海水厚度， Δρ為兩層流體上下層密度差值(上下層密度分別為ρ1和ρ2)，ρ為海水的平均密度，η0為內波振幅，α為非線性系數，β為頻散系數，Δ為內波特征半寬度，D為遙感圖像上內波亮暗條紋間距。根據式(3)和式(4)反演的蘇祿海和蘇拉威西海的內波振幅結果如表2所示。

表2 蘇祿海和蘇拉威西海的內波振幅反演 Tab.2 Amplitude inversion of internal waves in the Sulu Sea and the Celebes Sea

2 空間分布特征分析

利 用 收 集 整 理 的2016 年10 月—2019 年9 月 的MODIS和VIIRS遙感影像， 提取出蘇祿海和蘇拉威西海海域內波的波峰線位置， 得到研究海域的內波空間分布圖， 結果如圖2所示。為區別不同衛星探測到的內波， 內波波峰線用三種不同的顏色表示， 可以發現NPP衛星的VIIRS圖像為研究區域的內波遙感探測研究提供了很好的補充。從圖2的波峰線空間分布可以看出， 蘇祿海的內波從南向北幾乎覆蓋了整個東部海域， 在巴拉望島東南側， 蘇祿群島的西北側(118°E—121°E， 6°N—10°N)是蘇祿海內波發生最頻繁的海域。蘇祿海內波主要在蘇祿海南偏西側的錫布 圖島和錫穆努爾島附近海域及南偏東側蘇祿群島附近海域產生， 內波傳播方向單一， 均向北偏西方向傳播， 并耗散于巴拉望島附近的沿岸， 在巴拉望島以北未觀測到內波。

蘇拉威西海的內波在尺度上與蘇祿海相近， 整個海域西南部均為內波多發區域， 尤其在望加錫海峽東北側和錫穆努爾島南側最為頻繁， 其主要產生于錫布圖島和錫穆努爾島附近海域和比亞羅島附近海域。蘇拉威西海內波在傳播方向上較為復雜， 一部分內波由東向西傳播， 最終消散于德拉旺群島附近。一部分由北向南偏東方向傳播， 最終消散于印度尼西亞北側沿岸附近。

圖2 2016 年10 月—2019 年09 月蘇祿海與蘇拉威西海內波空間分布圖 Fig.2 The distribution of the internal waves in the Sulu Sea and Celebes Sea from October 2016 to September 2019

根據蘇祿海和蘇拉威西海的氣候特征， 分別提取雨季(6—10月)和旱季(11—次年5月)的內波波峰線的位置信息， 得到不同季節內波的空間分布圖， 如圖3所示。從空間分布可以看出， 蘇祿海和蘇拉威西海在旱季的內波探測數明顯多于雨季， 并且雨季時在蘇祿群島附近以及蘇拉威西海西北部沿岸附近未觀測到內波， 在邦奧島附近只觀測到少量內波。

穩定層結是內波發生的必要條件之一， 浮性頻率是表述海水運動特征和密度層化結構的重要物理量， 可表示為：

利用式(5)分別計算得到蘇祿海和蘇拉威西海的垂向層結分布如圖4所示。蘇祿海和蘇拉威西海在旱季3月和雨季的8月海洋層化結構差別不大， 躍層深度分別為90m和100m。圖4可見在雨季和旱季兩個海域的層結分布大致相同， 因此雨季和旱季內波呈現的季節性變化可能是由于光學遙感觀測受天氣等條件影響導致。

蘇祿海的內波主要從南向北沿經向傳播， 內波波峰線長度在傳播過程中隨經緯度的變化如圖5a、b所示。從波峰線平均長度的分布可以看出， 波峰線的平均長度在經向上增大。如圖5a所示， 在9°N的位置其平均長度達到最長128.71km， 隨后遇到北部的巴拉望島波峰線西翼消失、東翼繼續向北傳播， 波峰線平均長度呈下降趨勢。從圖5b中可以看出， 在緯向上內波波峰線平均長度的整體趨勢隨經度增大而變短。

圖3 2016 年10 月—2019 年09 月蘇祿海與蘇拉威西海旱季(a)和雨季(b)內波空間分布圖 Fig.3 The distribution of internal waves in the dry season (a) and rainy season (b) of the Sulu Sea and Celebes Sea from October 2016 to September 2019

圖4 蘇祿海(a)與蘇拉威西海(b)不同季節垂向層結分布 Fig.4 Vertical stratigraphic distribution in different seasons in the Sulu Sea (a) and Celebes Sea (b)

圖5 蘇祿海(a， b)與蘇拉威西海(c， d)內波波峰線平均長度隨經緯度的變化 Fig.5 Variations in average length of wave crest of internal waves with latitude and longitude in the Sulu Sea (a， b) and Celebes Sea (c， d)

蘇拉威西海的內波主要自北向東南方向和自東向西方向傳播， 因此， 其波峰線在傳播過程中會隨經緯度的變化而變化， 圖5c、d為波峰線平均長度隨經緯度變化的分布圖。自北向東南方向傳播的內波在傳 播過程中其波峰線長度主要與緯度相關， 如圖5c所示， 波峰線平均長度在經向上隨緯度的遞減先增長后減短， 在2°N 位置波峰線平均長度達到最長143.69km。從圖5d中可以看出， 在緯向上隨著經度的減小， 波峰線平均長度的分布形式為先增長后減短， 且在120°E的位置波峰線平均長度最長為151.09km。隨后其長度迅速減小。

由圖5可以看出， 蘇祿海與蘇拉威西海的內波波峰線長度分別在(119°E， 9°N)和(120°E， 2°N)附近達到最大值。通過綜合比較蘇祿海與蘇拉威西海內波的各傳播方向上的波峰線平均長度可得出， 蘇拉威西海的內波的波峰線平均長度較長。

從圖6內波波峰線長度的統計分布可以看出， 蘇祿海與蘇拉為西海的內波波峰線長度分別在400km和500km以內， 主要集中在100—150km。整體來看蘇祿海的內波數量高于蘇拉威西海， 但蘇拉威西海大尺度內波(波峰線長度大于300km)多于蘇祿海。

圖6 蘇祿海(a)與蘇拉威西海(b)內波波峰線長度分布圖 Fig.6 Length in wave crest distributions of internal waves in the Sulu Sea (a) and Celebes Sea (b)

3 討論

3.1 生成源分析

利用蘇祿海和蘇拉威西海內波的空間分布特征， 可以開展內波的發生源分析。如圖7a所示， 分別在蘇祿海和蘇拉威西海對稱傳播的內波波峰線上作垂線， 利用射線追蹤法分析內波的可能發生區域(Nazarianet al， 2017)。其中a—b和c—d分別為其傳播主方向， 通過其傳播方向波峰線的各垂線交點區域S1， 此發生源位于錫布圖島和錫穆努爾島附近海域(S1， 如圖中紫色圓點所示)。利用相似的方法， 可得到蘇祿海的其他交點區域S2(科肯島附近海域)、S3(潘古塔蘭島附近海域)和S4(班加勞島附近海域)， 如圖7b—d所示， 其中f—e、g—h、j—i、k—l、m—n、o—p分別為其主傳播方向?？梢耘袛喑鎏K祿海內波的發生源位于科肯島、潘古塔蘭島以及班加勞島附近海域(如圖中紫色圓點所示)。對于蘇拉威西海的內波， 根據其傳播方向， 在內波波峰線的不同位置作垂線， 如圖7e—g所示， q—r、s—t和u—v分別為其主傳播方向， 各垂線的交叉區域分別為S5(錫奧島附近海域)、S6(塔胡蘭當島附近海域)和S7(邦加島與比亞羅島附近海域)， 由此可判斷出該內波的發生源位于錫奧島、塔胡蘭當島島以及邦加島島與比亞羅島附近海域(如圖中紫色圓點所示)。因此生成源S1—S4為蘇祿海和蘇拉威西海沿南北方向傳播的內波的發生源， 對于蘇拉威西海東西方向傳播的內波， 其發生源為S5—S7。

Liu等(2019)指出蘇祿海和蘇拉威西海內波的生成主要與半日潮有關， 利用TPXO模型數據提取研究區域M2分潮的潮汐通量， 如圖7h。從圖中可以看出， 在蘇祿海的S1、S2、S3、S4附近海域以及蘇拉威西海的S5、S6以及S7附近海域的潮汐通量為該研究區域的較大潮汐通量， 極有可能是內波發生源， 這與利用傳播方向作垂線得出的初步發生源相一致， 因此S1—S7為研究海域內波可能的發生源。

3.2 內波傳播速度

圖7 蘇祿海(a—d)與蘇拉威西海(e—g)內波發生源和M2 分潮在研究區域的潮汐通量(h) Fig.7 Generation sources of internal waves in the Sulu Sea (a)(b)(c)(d) and Celebes Sea (e)(f)(g)， and tidal transport of M2 tide in the studying area (h)

蘇祿海的內波在傳播過程中多以3—4個波群的形式存在， 其主要向西北方向的巴拉望島傳播， 其波峰線可達380km，傳播距離高達400km， 幾乎貫穿整個 海域， 最終耗散于巴拉望島附近。如圖8所示， 可以清楚地看見4個波包， 沿傳播方向相鄰的波包距離分別為89.82km、94.32km以及85.69km。由于蘇祿海內波是由蘇祿群島及錫布圖島和錫穆努爾島附近海域的內潮和地形相互作用而產生， 主要受半日潮影響(Liuet al， 2019)。根據半日潮周期和波包間距計算出內波傳播速度依次為2.0m/s、2.1m/s和1.9m/s。蘇祿海的地形沿經度方向變化不大， 因此內波在傳播過程中的速度變化較小， 在趨近于巴拉望島時水深變化起伏較大， 造成了速度的減小。

圖8 2019 年4 月4 日MODIS 圖像觀測到的蘇祿海西北方向傳播的內波 Fig.8 Internal wave propagation in the Sulu Sea observed by a MODIS image acquired on April 4， 2019

蘇拉威西海的內波主要沿兩個方向傳播， 其中與蘇祿海內波產生于同一地點的內波與蘇祿海對稱， 其多以2—3個波群的形式存在，反向沿東南方向傳播， 貫穿海域西側的南北整個海域， 最終耗散于蘇拉威西島附近的沿岸。發生于邦加島與比亞羅島附近的內波主要以2—4個波群的傳播形式存在， 自東向西傳播， 橫跨整個海域于德拉旺群耗散消失。如圖9所示， 圖中南北向存在2個波包， 波包間距為132.29km， 平均傳播速度為3m/s。東西向有4個波包， 沿其傳播方向的波包間距為153.82km、118.89km和146.82km。假設其為半日潮周期(如圖7h)， 則沿傳播方向的波包間傳播平均速度依次為3.4m/s、2.7m/s和3.3m/s。蘇拉威海內波傳播速度明顯大于蘇祿海的內波傳播速度， 其主要原因可能是由于蘇拉威西海水深大于蘇祿海， 屬于深海傳播。

基于KdV方程計算出蘇祿海與蘇拉威西海的內波傳播平均速度分別為2.0m/s和2.9m/s， 利用TPI方法與KdV方程計算得到的內波速度均值相對誤差分別為4.8%和6.5%， 二者結果較為吻合。

圖9 2019 年3 月24 日VIIRS 圖像觀測到的蘇拉威西海交叉傳播的內波 Fig.9 Internal wave propagation in the Celebes Sea observed by a VIIRS image acquired on March 24， 2019

4 結論

本文利用2016 年10 月—2019 年9 月的MODIS和VIIRS 光學遙感數據對蘇祿海和蘇拉威西海的內波的空間分布、發生源和傳播特征進行了分析。從空間分布可以看出， 蘇祿群島的西北側是蘇祿海內波發生最頻繁的海域， 波峰線最長可達400km， 主要集中在100—150km。波峰線平均長度在傳播過程中隨著緯度的升高先變長后減短， 在9°N 的位置平均長度達到最長128.71km。蘇拉威西海偏南側為內波多發區域， 波峰線長度最長可達 500km， 主要集中在100—150km。經向2°N 位置的波峰線平均長度達到最長143.69km和緯向120°E的位置最長為151.09km。蘇祿海和蘇拉威西海在旱季的內波探測數明顯多于雨季， 并且雨季時在蘇祿群島附近以及蘇拉威西海西北部沿岸附近未觀測到內波， 僅在邦奧島附近觀測到少量內波。利用射線追蹤法并結合研究區域潮汐通量(M2分潮)分析得出， 蘇祿海主要有4 個生成源， 位于錫布圖島和錫穆努爾島、科肯島、潘古塔蘭島以及班加勞島附近海域。蘇拉威西海東部主要有3 個生成源， 位于錫奧島、塔胡蘭當島以及邦加島與比亞羅島附近海域。蘇祿海主要存在向西北方向傳播的內波， 傳播速度在2m/s 左右。蘇拉威西海的內波主要向東南方向和向西的方向傳播， 東南向傳播的內波與蘇祿海的內波屬于同一發生源。由于水深高于蘇祿海， 其內波的傳播速度大于蘇祿海為3m/s 左右。東西向傳播的內波在3.1m/s 左右， 在傳播過程中受到水深變化的影響， 其傳播速度起伏較大。

光學遙感在探測內波的過程中， 會受太陽高度角等觀測角度的影響， 尤其受天氣(云雨等)影響較大， 因此本文并未對研究海域的時間分布特征開展統計研究。本文在MODIS 圖像觀測的基礎上， 利用VIIRS圖像作為補充， 可以更好的觀測到蘇祿海和蘇拉威西海內波的空間分布特征。

致謝 感謝 National Aeronautics and Space Administration(NASA)提供的MODIS 和NPP 遙感圖像和美國俄勒岡州立大學提供的TPXO 模型數據