基于X波段海洋雷達的南海西北部內波參數特征研究

溫靜涵, 何宜軍, 2, 陳忠彪

基于X波段海洋雷達的南海西北部內波參數特征研究

溫靜涵1, 何宜軍1, 2, 陳忠彪1

(1. 南京信息工程大學 海洋科學學院, 江蘇 南京 210044; 2. 國家衛星海洋應用中心 空間海洋遙感與應用研究重點實驗室, 北京 100081)

中國南海是內波頻發海域, 衛星遙感在內波參數特征的統計分析中得到了廣泛應用, 但是衛星軌道的重復訪問時間長, 不能連續觀測內波參數的變化特征。X波段海洋雷達具有高時間和空間分辨率, 可以長期連續觀測內波的變化, 本文提出了利用X波段海洋雷達圖像提取內波參數的方法, 并利用連續觀測的數據研究了各參數的分布特征。首先, 對雷達圖像進行預處理, 包括平均處理及斜坡校正兩步; 利用二維快速傅里葉變換確定內波的傳播方向, 進而根據該方向上的徑向廓線確定內波的相速度大小、波長及周期。最后, 利用在南海石油平臺上觀測的X波段雷達圖像對內波各參數進行提取和統計分析, 結果表明, 研究區域內波的傳播方向多為西北向及西向傳播, 相速度多為0.6～0.8 m/s, 波長一般為400～600 m, 周期大部分不超過1000 s。

海洋內波; 南海西北部; X波段海洋雷達; 參數統計

中國南海是海洋內波的多發地, 內波在海洋內部能量的傳遞、海洋生物的生長、海上的生產活動和海洋工程等方面都有重要影響。隨著遙感圖像分辨率的提高, 衛星遙感技術可以用于獲取大范圍的海洋內波圖像。目前用于海洋內波觀測的傳感器主要有合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar, SAR)、可見光光譜儀和X波段海洋雷達等。SAR具有全天時、全天候觀測成像等優點, 可以獲得高分辨率的海面圖像[1]。利用SAR進行內波觀測最早始于SAR圖像中內波調制條紋的發現[2], Alpers于1985年針對SAR圖像提出了內波的雷達成像理論為后人利用SAR觀測內波打下理論基礎[3]。Li等[4]通過測量內波波包之間的距離確定內波的群速度, 并結合兩層有限深度模型導出混合層深度。Zheng等[5]于2001年提出了曲線擬合法和peak–peak法來確定內孤立波的半振幅寬度, 進而利用SAR圖像計算內孤立波的振幅。Shen等[6]通過收集分析SAR圖像, 統計了南海西北部海洋內波的分布并提出混合層深度的反演方法。Ning等[7]通過收集44幅哨兵一號及高分3號的SAR圖像, 統計了馬六甲海峽處內波的振幅及內波波包傳播的群速度的分布范圍。Jackson[8]于2007年將中分辨率成像光譜儀(MODIS)圖像中的太陽耀斑用于分析全球范圍內的高頻非線性內孤立波, 同時分析了全球各個海域的內波發生頻率。Wang等[9]于2012年分析了2500多幅光學衛星和SAR圖像后, 對整個南海的內波傳播進行了系統的研究, 針對南海的不同區域分析內波的傳播機制。Sun等[10]利用MODIS圖像對安達曼海中內波的時空分布進行統計并推測該地內波發生源。但是, 由于衛星軌道的限制, 星載SAR和MODIS的重復訪問周期長、時間分辨率不足, 不便研究內波連續的發展變化過程, 導致內波參數統計不完全; 光學傳感器容易受云、霧、觀測角度等影響。

X波段雷達具有高時間(幾秒至幾分鐘)和空間分辨率(幾米)的優點, 可以實時獲得海面連續觀測的圖像, 近年來被廣泛應用于海浪和海流等參數的觀測。隨著X波段雷達技術的發展, 研究人員也開始探索利用X波段雷達反演海洋內波的方法。盡管與SAR相比, X波段雷達的探測范圍較小, 但它可以對海面進行實時、連續的觀測, 在海洋內孤立波的動態信息研究中有其獨到的優勢。1990年, Watson和Robinson使用X波段海洋雷達數據研究直布羅陀海峽內波的演化過程[11]。2009年, Ramos等[12]利用X波段雷達的圖像, 提出了一種基于Radon變換的方法, 計算內波的傳播方向、非線性速度、孤立波之間的距離和每個波包中孤立波的數量等參數。在此基礎上, Lu等[13]基于X波段雷達、利用Radon變換的方法計算出南海東北部內孤立波的傳播方向和傳播速度等參數, 并應用海洋的兩層有限深度理論計算混合層深度。Plant等[14]通過對2005年和2007年部署在中國南海的艦載雙極化相干X波段雷達的圖像進行分析, 發現南海至少存在兩種不同類型的內波, 并指出兩類內波各自的特征。Lund等[15]提出了一種從雷達圖像中全自動檢索內波的方法, 并且針對振幅超過20 m的大振幅內波進行了單獨討論。2016年, Badiey等[16]通過分析由錨定溫度傳感器組成的陣列和X波段雷達所得到的數據, 統計了一系列內波參數, 包括內波的傳播速度、傳播方向和振幅等。

已有的研究主要是利用SAR及MODIS圖像進行內波時間及空間分布的統計, 由于衛星的重復訪問周期較長, 使得統計時間不連續, 不能體現內波一段時間內連續的變化特征。為解決傳統方法的不足, 本文提出一種基于X波段雷達圖像提取海洋內波參數方法, 實驗時間內X波段雷達固定在石油平臺上, 基于X波段雷達高時間和空間分辨率、實時連續觀測的特點, 對海洋內波參數進行定量提取, 并對一段時間內南海西北部的內波參數進行統計分析。本文結構如下。第二節介紹所用的實驗數據, 第三節介紹本文提出的利用X波段雷達圖像提取內波參數及參數統計的方法, 第四節利用實驗數據對方法進行驗證, 第五節對研究結果進行討論與總結。

1 數據介紹

本實驗開展于2017年4—12月, 地點位于中國南海西北部的石油平臺上(圖1)。觀測海區位于海南島西南部約100 km處, 該地水深約為90 m。觀測海區的地形變化為由東南向西北水深逐漸減小, 潮汐以不規則全日潮為主, 前人已證實該地常有內波出現[17]。實驗所用的X波段海洋雷達基于一套標準的船載導航雷達開發, 工作頻率為9.4 GHz, 工作在掠入射角, 極化方式為HH極化, 加裝了40 MHz的數據采集卡和數據采集軟件, 用于將雷達接收的海面后向散射回波轉換為8 bit的灰度圖像。雷達的主要參數如表1所示, 其中, 雷達天線的旋轉速度為42 r/min, 故雷達的時間分辨率為1.43 s, 實驗中一組雷達序列采集32至128幅雷達圖像, 采集相鄰兩個圖像序列的時間間隔為3～ 10 min。雷達的徑向距離分辨率為3.75 m, 方位分辨率為1°, 最大探測范圍約為6 km。圖2為本實驗中內波通過觀測海區時X波段雷達采集的一幅圖像, 其中明暗變化的粗條紋是內波造成的海面粗糙度變化引起的雷達回波, 從圖中目視可以清楚地判斷出該組內波是向西北方向傳播。

表1 X波段海洋雷達系統的參數

由于實驗條件的限制, 本實驗中沒有內波的現場實測數據。目前, 衛星遙感圖像已經被廣泛用于海洋內波的觀測, 本文選取與X波段海洋雷達同步觀測的MODIS圖像來估計內波到達觀測海區的時間。MODIS搭載于NASA的極軌衛星Terra和Aqua上, 其中Terra衛星每天10: 30前后(當地時間)過境、Aqua衛星每天13: 30前后(當地時間)過境。MODIS圖像的刈幅為2 330 km, 空間分辨率為250 m, 可以大范圍觀測海洋內波。由于光學衛星圖像容易受云層遮擋、實驗中雷達調試等原因, MODIS與X波段海洋雷達同步觀測的數據較少, 為了驗證利用X波段海洋雷達觀測內波方法的可靠性, 選取雷達觀測區域內出現內波的鄰近時間內較清晰的MODIS圖像。例如, 圖3即為本文獲取到的與X波段海洋雷達圖像(圖2)匹配的MODIS衛星圖像, 圖中紅色五角星所在位置即為實驗中所用的X波段海洋雷達所處位置, 黑色虛線框中有清晰的內波條紋, 根據內波的傳播方向和速度可以估計該內波達到雷達觀測海區的時間(圖2), 表明利用X波段海洋雷達可以有效觀測海洋內波。

2 方法

本節介紹利用X波段海洋雷達圖像提取內波參數的方法, 包括內波的傳播方向、內波的相速度、內波的波長和周期等參數。

2.1 數據預處理

2.1.1 平均處理

2.1.2 斜坡校正

由于雷達收到的電磁能量隨距離增大而衰減, X波段雷達的后向散射強度隨距離的增加急劇減小。為了有效提取內波的變化特征, 需要去除雷達圖像的灰度值隨距離的變化趨勢, 即對雷達圖像進行斜坡校正[15]。

其中,與為待定系數, 可以采用最小二乘法進行擬合確定。

然后, 用平均的灰度值減去擬合值:

完成斜坡校正過程后, 再將雷達圖像的灰度值調整至0～255

2.2 內波參數的提取

其中, Δ為前導波波峰在兩個徑向廓線中的距離差, Δ為相鄰兩組雷達圖像觀測的時間差。根據上述其中一個徑向廓線中相鄰波峰的位置差值, 可以獲得內波波包中相鄰內孤立波之間的距離, 本文中將該距離定義為內波波長, 但是并不是所有內波都以波包的形式存在, 研究區域中也存在許多內孤立波[19], 對于內孤立波則不能以上述方法計算內波波長, 故本文利用以下公式計算內波波長:

= 2, (7)

其中,為傳播方向徑向廓線上前導波點(最亮點)與相鄰最暗點之間的距離。已知內波相速度及內波波長后可以利用下式求得內波周期:

2.3 內波參數的統計

對一段時間內的研究區域中的X波段海洋雷達圖像進行篩選, 標記每一組有內波出現的雷達圖像, 利用上述方法提取內波相速度、內波傳播方向、內波波長及周期等參數, 統計觀測時間內各參數的分布規律。

由于X波段雷達連續觀測海面的變化, 而內波通過觀測海區需要一定的時間, 為了避免同一個內波被重復統計, 本文根據以下原則統計內波參數:

(1) 相鄰3 h內只統計一次內波, 即, 將3 h內雷達圖像中出現且傳播方向相近的內波作為同一個內波;

(2) 當一個內波在相鄰的多組雷達圖像內連續出現時, 將雷達回波最強的圖像用于統計內波的參數。

圖4為本文方法的流程圖。

3 結果

本節首先結合衛星圖像驗證提出的方法的有效性, 然后根據X波段雷達長期的觀測數據統計觀測海區中內波的變化特征。

3.1 內波參數提取

為了進一步說明提出的利用X波段雷達圖像提取內波參數的方法, 并檢驗方法的有效性, 選取圖2中X波段雷達觀測的內波為例, 提取內波參數并與MODIS觀測的內波做比較。

首先對X波段雷達圖像進行平均處理, 如圖5所示, 可看出平均處理可以一定程度上平滑掉圖像中海表面的風浪和涌浪, 使得內波條紋更容易被識別, 雷達圖像中內波波包的傳播方向與MODIS圖像(圖3)中內波的傳播方向一致。

接下來對雷達圖像進行斜坡校正, 即去除雷達圖像的灰度值隨距離的變化趨勢, 圖6展示的為該組圖像灰度值隨距離擬合結果的示意圖(式(1)), 該擬合結果所得R–square值(確定系數)為0.95, 接近于1, 說明所選的冪函數模型適用。

3.2 內波參數統計

X波段雷達具有可以連續、長期觀測的優點, 可以有效獲取內波參數的分布特征。下面利用第2節的X波段雷達數據統計觀測海區中內波的變化特征。實驗期間各月份中內波的出現次數如圖9所示, 可以看出2017年7月至9月內波出現次數較多, 4—6月出現內波的次數呈遞增趨勢, 10—12月出現內波的次數遞減, 均少于7—9月出現內波的次數, 即這3個月為研究區域內(南海西北部)內波頻發的月份, 因此本文主要統計7—9月中內波各參數的分布規律。

1) 內波的傳播方向

首先對內波的傳播方向進行統計。圖10展示了7月、8月、9月及7—9月內波傳播方向的統計圖, 在7月和8月, 內波傳播方向最多的是西北偏西向, 在9月內波多為西向傳播; 圖10(d)展示的是7—9月方向統計集合, 可以看出研究時間內, 內波多為西北偏西向、西向傳播, 也存在少數內波向南向、東南向及西南向傳播, 這與前人利用遙感圖像統計結果一致[20]。

2) 內波的相速度

利用式(6)計算每組內波相速度, 統計7—9月各月內波相速度大小的分布情況, 如圖11所示。圖11(a)可以看出, 7月研究區域中內波相速度集中分布于0.2～ 0.8 m/s, 也有少部分分布在0～0.2 m/s及0.8～1.8 m/s; 8月內波速度分布較為均勻, 集中分布在0.2～0.8 m/s, 少部分分布在0.8～1.6 m/s中, 極少部分內波相速度小于0.2 m/s或超過1.8 m/s; 9月內波速度大部分處于0.6～1 m/s, 觀察7—9月內波相速度大小分布圖, 內波相速度最多落在0.6～0.8 m/s的區間內, 這個結論與前人利用SAR圖像總結出的經驗公式結果相吻合[21]。

3) 內波的波長

內波波長的統計結果如表2所示, 大部分內波波長為200～800 m(出現次數為74次), 尤其在400～ 600 m內居多(出現31次), 部分為800～1000 m(出現14次), 但也有小部分處于1 000 m以上及200 m以下(共出現6次), 不同月份的波長分布略有差別。

表2 內波波長的分布

注: 表中的數值為內波的出現次數。

4) 內波的周期

利用式(8)計算內波每組內波的周期, 統計于表3。周期集中分布在0～2 000 s(出現次數為82次), 其中大部分內波周期小于1 000 s(出現62次), 2 000～3 000 s內也有分布(出現8次), 極少數周期大于3 000 s(共出現4次), 該結果在研究的3個月內基本一致。

表3 內波周期的分布

注: 表中的數值為內波的出現次數。

此外, 前人的研究表明內孤立波的周期(持續時間)一般在10～30 min(600～1 800 s)[22], 而超出這個范圍的值可能是涌浪或潮波。由于本文在提取內波參數時對雷達圖像做了平均處理(第3.1節), 每次平均時所用的雷達圖像一般大于32幅, 而涌浪的周期一般小于20 s, 所以平均后的圖像中一般不包括涌浪; 潮波造成的海面粗糙度變化較小, 在雷達圖像不易觀察。本文分析了周期大于1 800 s的X波段雷達圖像, 結果表明圖像中的條紋的特征與內波相同, 所以本文將3 000 s左右的條紋仍然認為是內波造成的。

4 討論與總結

南海是內波頻發海域, 前人的研究大多集中于南海東北部, 且大多利用遙感影像對內波參數進行統計分析。由于衛星軌道的重復訪問時間長不能連續觀測, 統計時間跨度較大, 不能獲得連續時間內波參數的分布特征。本文采用的X波段雷達具有高時間分辨率(幾秒至幾分鐘)和空間分辨率(幾米), 可以對實驗地點進行全天時的實時連續觀測, 從而可以獲得觀測海區中內波的大范圍、連續變化, 有利于全面分析內波的變化特征?；赬波段海洋雷達圖像, 本文提出了內波參數的提取方法, 并利用長期的觀測數據統計了內波參數的分布。觀測時間中內波的主要分布特征如下:

(1) 南海西北部7—9月內波出現次數最多, 5、6月次之, 11、12月最少;

(2) 南海西北部內波多為西北向及西向傳播, 也有少部分內波為西南及東南向傳播;

(3) 內波相速度大小最多集中于0.6～0.8 m/s之間, 0.4～0.6 m/s也存在多數, 該海域內波相速度最大值超過2 m/s;

(4) 內波波長多數為400～600 m, 其次為600～ 800 m、200～400 m, 也有極少數內波波長超過1 000 m;

(5) 內波的周期絕大部分小于1 000 s, 少部分為1 000～2 000 s, 很少部分內波的周期大于2 000 s, 最大的周期大于3 000 s。

由于實驗中沒有內波的實測數據, 下一步將結合現場實測及數值模擬結果, 對觀測海區內波的源地及成因進行研究。

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Study of the characteristics of internal wave parameters in the northwestern South China Sea based on X-band marine radar

WEN Jing-han1, HE Yi-jun1, 2, CHEN Zhong-biao1

(1. College of Marine Sciences, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China; 2. Key Laboratory of Space Ocean Remote Sensing and Applications, National Satellite Ocean Application Service, Beijing 100081, China)

Internal waves (IWs) frequently occur in the South China Sea (SCS), and satellite remote sensing images have been widely used to analyze the characteristics of IW parameters. However, the repeated access time of the satellite orbit is long; thus, the characteristics of IW parameters cannot be continuously observed. X-band marine radar has high temporal and spatial resolutions, which can be used to observe the change of IWs continuously. In this study, a method for determining IW parameters from X-band marine radar images is proposed, and the characteristics of each parameter are investigated using continuous observation data. Firstly, X-band marine radar images are preprocessed by averaging and ramp correction. Secondly, the propagation directions of IWs are determined by the two-dimensional fast Fourier transform, and the parameters of IWs are determined by the radial profile in this direction, such as the phase velocity, wavelength, and period. Finally, the X-band radar images observed on the SCS oil platform are used to extract and statistically analyze the parameters of IWs. The results show that the propagation directions of IWs in the study area are mostly northwest and west, the phase velocities are mostly 0.6–0.8 m/s, the wavelengths are generally 400–600 m, and the periods are mostly less than 1, 000 s.

internal wave; the northwestern South China Sea; X-band marine radar; parametric statistics

Oct. 9, 2021

P733

A

1000-3096(2022)09-0055-09

10.11759/hykx2021109002

2021-10-09;

2022-04-12

國家自然科學基金國際合作項目(41620104003); 國家自然科學基金重大儀器設備研制項目(42027805); 江蘇省海洋科技創新專項項目(HY2018-12); 國家自然科學基金青年基金(41506199); 江蘇省自然科學基金青年基金(BK20150905)

[The International Cooperation Project of the National Natural Science Foundation of China, No. 41620104003; The National Natural Science Foundation of China Major Instrument and Equipment Development Project, No. 42027805; Jiangsu marine science and technology innovation project, No. HY2018-12; The National Natural Science Youth Foundation of China, No. 41506199; The Natural Science Youth Foundation of Jiangsu Province, No. BK20150905]

溫靜涵(1997—), 女, 山東煙臺人, 碩士研究生, 主要從事海洋內波研究, E-mail: jinghanwen@nuist.edu.cn; 陳忠彪(1987—),通信作者, 副研究員, 研究方向: 海洋微波遙感, E-mail: chenzhongbiao@nuist.edu.cn

(本文編輯: 康亦兼)