利用FY-4A 氣象衛星觀測海洋內波

馬志多 , 孟俊敏 , 孫麗娜 , 劉永信

(1. 內蒙古大學 電子信息工程學院, 內蒙古 呼和浩特 010000; 2. 自然資源部第一海洋研究所, 山東 青島266061; 3. 自然資源部海洋遙測技術創新中心, 山東 青島 266061)

內波是一種常見的海洋現象, 在全球海洋中廣泛分布[1-3], 內波能夠長時間、遠距離傳播, 對內波的研究一直是海洋科學的熱點[4]。衛星遙感是海洋內波的重要觀測手段, 遙感手段能夠實現對全球海洋的大范圍觀測, 相較于實測手段, 遙感觀測能夠直觀成像, 成本較低, 可獲取的數據量更多, 目前星載雷達和光學傳感器都能夠實現海洋內波的觀測[5]。利用多源遙感圖像既可以研究內波的時空分布特征[6-8], 也可以進行內波參數反演[9-10]。海洋內波是一種動態過程, 具有一定的區域傳播特性, 連續觀測的遙感數據對內波研究更有價值。常見的用于研究內波的遙感數據大都是極軌衛星數據, 時間分辨率較低。Lindsey 等[11]利用地球靜止衛星AHI對內波進行了跟蹤觀測, 計算了衛星對地成像位置,本文則利用FY-4A 氣象衛星觀測海洋內波, 并分析其觀測結果。

風云四號(FY-4A)是我國新一代靜止軌道氣象衛星, 裝載多種觀測儀器[12]。多通道掃描成像輻射計(AGRI)是風云四號靜止氣象衛星的主要載荷之一,主要通過精密的雙掃描鏡機構實現精確和靈活的二維指向和分鐘級的區域快速掃描, 具有較高的時間分辨率。AGRI 共有14 個通道, 可實現全盤掃描和區域掃描, FY-4A 在以104.7°E 經度為中心的位置上獲取遙感影像。其中, 區域掃描模式可獲取中國區域最高分辨率500 m 的圖像, 每幅圖像間隔時間7～30 min。對于內波尺度較大的海域, 如南海[13]、蘇祿海[14]及安達曼海[15], FY-4A 圖像有能力探測到該區域的內波。通過收集并分析蘇祿海和安達曼海FY-4A 遙感數據發現, 圖像耀斑區的內波清晰可見。

因此, 本文基于FY-4A 影像, 通過衛星參數以及太陽高度角計算影像中耀斑區的位置, 并與實際探測的衛星遙感影像進行了比對; 同時還與250 m空間分辨率的MODIS 遙感影像進行了對比[16], 驗證了FY-4A 探測內波的可靠性。本文利用FY-4A 的高時空分辨率連續觀測內波的優勢, 計算了安達曼海和蘇祿海內波的傳播速度, 并進行了分析。

1 方法

1.1 計算耀斑區中心位置

光學遙感影像中, 內波主要發生在耀斑區附近。對遙感影像耀斑區位置的研究首先以地球中心為原點, 建立三維坐標系如圖1 所示, 該坐標系以原點指向(0°N, 0°E)的直線作為x軸, 以原點指向(0°N, 90°E)的直線作為y軸, 以原點指向北極的直線作為z軸,以該坐標系描述衛星以及太陽位置。其中根據衛星所在位置以及太陽運行位置來確定太陽耀斑區中心點S所在坐標, 其位置關系如圖2 所示, 其中S點滿足以下條件:

1)S點位于地球橢球面上;

2) 光線入射角與反射角相等, 即 =θ φ;

3) 入射光線、反射光線和法線在同一平面上,即θ+ =φ α。

即

根據上述3 個條件求解S點坐標, 其中法線方向可由S點坐標表示, 太陽位置A可由地球公轉以及自轉規律求得, 衛星位置B可由衛星參數求得, 得到下列方程組:

其中a,b為地球長半軸長度,c為地球短半軸長度,解出x,y,z的值為S在該三維直角坐標系中的位置,將其換算為角度即可得到S點的經緯度坐標。

圖1 坐標系構建Fig. 1 Coordinate system construction diagram

圖2 耀斑區中心點位置與角度關系Fig. 2 Relationship between position and angle at the center point of the flare area

1.2 傳播速度計算方法

FY-4A 靜止軌道衛星獲取的內波影像時間間隔較小, 從中針對一個內波選取所有拍攝到該內波的遙感影像, 文中稱其為一組影像, 按照時間先后順序排列后觀察可對內波的形態變化以及傳播速度進行研究。

傳播速度為研究內波的一個重要參數, 本文根據FY-4A 遙感影像對其進行計算, 圖3 所示為內波傳播速度計算原理圖, 圖中L1為前一時間遙感影像的內波波峰線,L2為后一時間遙感影像的內波波峰線, 選取L1上一點P, 過P 分別作L1在此處的切線以及該切線的垂線, 垂線與L2的交點為點Q, 點P和點Q 間的距離為l, 兩景影像的時間間隔為t, 則內波的傳播速度v=l/t。

圖3 內波傳播速度計算原理Fig. 3 Principle diagram of internal-wave propagation speed calculation

本文下述內容針對上述耀斑區中心點計算、與MODIS 影像對比以及內波傳播速度計算3 個研究內容的結果進行展示與討論, 主要分析區域為內波較為多發的蘇祿海[17]與安達曼海[18]。

2 結果分析

2.1 耀斑區中心點計算

本文選取2019 年5 月1 日這一天進行耀斑區中心點位置計算, 計算結果如圖4a 所示, 為2019 年5 月1 日(世界標準時間, UTC)整點時分的照射及反射光線空間示意圖。圖中紅色直線表示太陽入射光線, 藍色直線表示反射光線, 匯聚的一點為衛星位置。

由上圖中展示的一天內衛星成像情況, 不難發現耀斑區中心點位置與太陽和地球的相對位置具有重要關系。為驗證本文中的理論計算結果, 選取了一組 FY-4A 遙感影像進行分析, 影像的獲取時間為2019 年5 月20 日, 根據該時間計算出每幅影像太陽耀斑區中心點位置, 該坐標點用紅色圓點標識, 其中第2 幅影像像太陽耀斑區中心點經緯度坐標大約為: (9.28°N, 100.51°E), 圖5 中放大區域為第2 幅影像的太陽耀斑區位置, 所示計算結果與影像所呈現的信息相符。

圖4 太陽耀斑區計算結果Fig. 4 Schematic of calculation results of solar flare area

圖5 2019 年5 月20 日05: 34(UTC)耀斑區Fig. 5 Flare area at 5: 34 (UTC) on May 20, 2019

2.2 FY-4A 與MODIS 遙感影像對比

為研究 FY-4A 對內波觀測的可靠性, 本文將FY-4A 與MODIS 遙感影像的內波成像進行了對比分析, 選取了同一天(2019 年5 月20 日)的遙感影像, 如圖6 所示, MODIS 影像的綠色部分為陸地。

圖6 所示每對中兩幅遙感影像的時間存在差異,但對于內波來講, 在該時間差情況下的兩幅影像依然具有較大的參考意義。圖中以灰度圖顯示的為FY-4A 影像, 以彩色圖顯示的為MODIS 影像, 圖中紅色曲線描述了兩圖中能夠匹配上的內波波峰線形態, 其中圖6c、d 中相同大小寫字母對表示相匹配的內波, 其余為未匹配內波。圖6a、b 為蘇祿海遙感影像, 圖6c、d 為安達曼海遙感影像, 觀察兩幅蘇祿海影像可發現圖中共有3 個內孤立波, 在位置上能夠全部匹配, 由于時間存在差異, 云對影像的覆蓋情況存在也差異, 但從局部觀測到的內波形態來看相似度極高; 觀察安達曼海兩幅影像, 發現兩圖中存在兩對能夠明顯匹配的內波: A 和a、B 和b, 在FY-4A 影像中可以觀測到另外兩個較為清晰的內波波包C 和D, 但在MODIS 影像中這兩個內波波包較為模糊, 圖6d 中的西側兩個內波波包C 和D 其中一個被云層覆蓋, 另外一個內波波包在遙感影像中還未生成清晰的內波條紋, 不易被分辨, 分析產生該現象的原因可能由于兩幅影像時間上存在差異, 進而導致影像獲取時的云層覆蓋情況有所不同, 另外兩個衛星拍攝角度不同也會導致獲取影像的差異,除此之外圖6d 拍攝時內波C 可能處于剛生成階段,內波條紋較為模糊, 而一段時間之后的圖c 中內波條紋則較為清晰。

上述內容簡單對比了MODIS 與FY-4A 遙感影像對內波的成像情況, 證實了FY-4A 觀測內波的可靠性。

2.3 內波傳播速度

靜止軌道FY-4A 可以在短時間內連續獲取內波觀測的遙感影像, 基于此可以計算內波的傳播速度。本文選用2019 年5 月20 日的影像進行計算, 從中截取出蘇祿海以及安達曼海的目標區域, 分別如圖7和圖8 所示, 從圖中可看出兩組影像中每組內波成像位置無明顯差異, 選取條帶較為清晰的位置做剖面, 根據剖面上的雷達后向散射值計算兩幅影像時間間隔內內波的傳播速度如表1 和表2 所示, 表中所示傳播速度差異較大, 分析其原因可能是遙感影像的分辨率不足導致的, 根據兩幅影像計算內波傳播距離的過程中產生的誤差較大, 可能達到1～2 個像素的誤差, 該誤差會對較短時間內的傳播速度造成較大誤差。

圖6 FY-4A 與MODIS 遙感影像對比圖Fig. 6 Comparison of remote-sensing images between FY-4A and MODIS

表1 蘇祿海內波傳播速度計算結果Tab. 1 Calculation results of internal-wave propagation velocity in the Sulu Sea

表1 所示為根據不同時間FY-4A 影像計算的內波的傳播速度, 該內波與圖6a 中黃色方框所示為同一內波, 圖7 所示為表1 中時間順序上的第一幅和最后一幅影像, 根據圖中兩幅影像計算該時間段的平均速度為1.53 m/s。

表2 所示也為根據不同時間FY-4A 影像計算的內波的傳播速度, 該內波與圖6c 中黃色方框所示為同一內波, 圖8 所示為表2 中時間順序上的第一幅和最后一幅影像, 根據圖中兩幅影像計算該時間段的平均速度為2.24 m/s。

圖7 蘇祿海內波局部影像Fig. 7 Calculation data of internal-wave propagation velocity in the Sulu Sea

表2 安達曼海內波傳播速度計算結果Tab. 2 Calculation results of internal-wave propagation velocity in the Andaman Sea

圖8 安達曼海內波局部影像Fig. 8 Calculation data of internal-wave propagation velocity in the Andaman Sea

3 結論

本文利用2019 年的FY-4A 遙感影像開展了海洋內波觀測研究。通過對大量遙感圖像分析發現, 在FY-4A 遙感影像的耀斑區內波成像清晰可見, 而且可以定量的分析內波的傳播特征, 揭示了靜止軌道氣象衛星的中分辨率連續觀測能力對于研究特定區域海洋內波的傳播特性具有重要價值。本文得到以下結論:

(1) 根據時間以及衛星位置在理論上計算了FY-4A 遙感影像中耀斑區中心的位置, 并將計算結果與遙感影像進行了對比, 發現FY-4A 遙感影像可以連續大范圍觀測蘇祿海和安達曼海的內波。

(2) 利用FY-4A 可以連續觀測內波的優勢, 計算了蘇祿海和安達曼海的內波傳播速度, 分析發現,內波在短時間內的傳播速度有一定差異, 原因主要是由于FY-4A 遙感影像分辨率較低、獲取圖像時間間隔較短所導致。

(3) 通過不同時刻不同區域的FY-4A 遙感影像對比發現, 內波的可視性不同, 這有待進一步分析。

綜上, 隨著遙感器空間分辨率的提高, 基于靜止氣象衛星大范圍、持續性觀測的優勢, 可以實現內波全生命周期的連續觀測, 對于海洋學研究意義重大。