利用光学遥感探测南中国海内波.pdf
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1、52, 042802(2015) 激光与光电子学进展 Laserinternalwave; moderate-resolutionimagingspectroradiometer;SouthChinaSea OICScodes280.4788; 280.5600; 100.2000 1引言 海洋内波是海洋中的重要动力过程,它可以实现数百公里的长距离传播,从而产生巨大的质量与动量 输运。大振幅内波所引起的强大剪切力会对海上石油工程等造成巨大影响,在印尼苏门答腊岛附近的安德 收稿日期: 2014-07-01;收到修改稿日期: 2014-08-15;网络出版日期: 2015-02-14 基金项目:
2、国家自然科学基金(61171161) 作者简介: 张旭东 (1990 ) , 男, 硕士研究生, 主要从事光学遥感方面的研究。E-mail:ouc_ 导师简介: 王晶(1962) , 女, 博士,教授,博士生导师, 主要从事非线性光学方面的研究。E-mail: *通信联系人。E-mail: 52, 042802(2015) 激光与光电子学进展 042802- 曼海域进行的一项内波观测研究显示 1 , 大振幅内波经过的海域石油钻井平台被推移了30.48 m, 并旋转了 90 。内波引起的等温面和等密度面的起伏会影响海洋中声信号的传播速度与方向,即改变了声道,从而降 低了声纳的功能,增加了水下通讯
3、和目标探测的困难。因此,加强海洋内波的研究对于海洋资源、海洋工程 以及海洋军事安全有着重要的意义。 由于内波生成、传播都发生在水下,随机性也很大,分布又是在大、中尺度的海区内,以现场观测为代表 的常规观测手段成本过高,又容易受到环境条件的制约,很难得到足够的有效数据。因而,遥感便成为目前 唯一的大范围内波观测手段。光学遥感图像虽然有时会被云层遮盖,但以中分辨率成像光谱仪(MODIS) 为 代表的中分辨率光学遥感器,其图像覆盖范围大、时间分辨率高、数据公开免费等优势成为研究海洋内波的 重要数据来源。 南中国海是内波多发区,针对该海域的内波生成、传播及消亡已引起学者的高度关注 2-4 。 Fett
4、 等 5 最早 从卫星图像中发现南中国海东沙群岛附近存在着内波;Bole 等 6自航天飞机上的照片也捕获了很多内波现 象, 研究了南中国海北部内波的分布,结合实测海流和潮汐资料研究了南中国海内波的激发源、激发机理和 传播路径。Weidemann等 7 还利用紧凑型航空成像光谱仪(CASI) 观测到了近岸的内波波包。谢志宏 8 利用 大量的合成孔径雷达(SAR) 和 MODIS 影像分析了安达曼海内波的激发源地和传播特征。Jackson 等 9 又利 用 MODIS 真彩色图片研究了全球内波的分布情况,利用 2002.82004.5共 21 个月 3581 幅内波 MODIS 图像, 给出了全球
5、七大地区的内波特征。2002 年 5月,NASA 发射了新的多功能地球观测卫星Aqua, 这是继 1999 年 12 月, 第一颗搭载MODIS 的 Terra 卫星后, 第二颗同为EOS 系列的卫星。MODIS 的应用不仅在海洋内波 方面,还有海岸带图像校正、海面粗糙模型和中国近海的气溶胶特性研究等 10-14 方面。 本文利用Terra 卫星和 Aqua 卫星的MODIS 图像,分析了2010.62012.6 中国南中国海内波时间和空间 分布特征, 旨在为南中国海内波研究提供可靠的依据。 2内波时空特征分析 海洋内波是发生在密度稳定层化的海水内部的一种波动,它具有很强的随机性,其波长和波峰
6、线分布 在很宽的范围内,内波振幅大小不一,从几十米到上百米不等。现场观测和卫星遥感观测均表明海洋中的 内孤立波活动十分活跃,普遍存在于世界各大洋。南中国海是全球海洋中内孤立波最强、最为活跃、 生成和 演变机制最为复杂的海域之一,因此 ,通过 MODIS 遥感图像来分析南中国海内波的时空分布特征,旨在为内 波的预报提供数据支撑。 2.1MODIS图像处理 LAADS 是 NASA 的戈达德航天中心用来存放数据的一个网站接口,存放的数据有MODIS 一级数据、 大 气和陆地数据、可见红外辐射一级产品和陆地产品。从LAADS 可以免费下载需要的空间分辨率为250 m (Band1 and Band
7、2)的 L1B 级 MODIS 数据。 研究的南中国海海区经纬度为北纬0 N23N 和东经 102 E121E 的区域。鉴于内波波长可能由几十 米到上千米的跨度,选用空间分辨率为250 m 的 MODIS 图像,可以提取绝大多数内波。MODIS 图像大部分 来自 Terra 卫星,Terra 在地方时上午过境,Aqua 将在地方时下午过境。Terra 与 Aqua 上的 MODIS 数据在 时间更新频率上相配合,加上晚间过境数据,对于接收MODIS 数据来说, 可以得到每天最少2次白天更新数 据。时间选择从2010 年 6 月 1 日至 2012 年 5月 31 日,共两年的图像,选择其中无云
8、或少云的图像337 幅,采 用 ENVI 软件对 MODIS 图像进行处理 15 , 筛选出具有清晰内波轨迹的图像225 幅。例如, 图 1 是 2012 年从南 中国海经过的MODIS 图片,可以清楚地看到东沙岛附近的内波。东沙岛对内波传播产生影响,造成内波的 分裂也直观可见。 2.2 南中国海海区内波的空间分布 用 2 年 MODIS 图像统计勾勒出南中国海内波波峰线位置,如图 2所示,这是南中国海内波的空间分布。 从空间分布上看,南中国海北部、具体是吕宋海峡以西直到东经114E的陆架陆坡海区是内波发生最频 繁的地区。北部湾出口、南沙群岛尤其是Natuna岛东部也有较多的内波痕迹。菲律宾以
9、南的苏禄海虽然 不属于南中国海海区,但有时也能观察到内波出现。此外,在大约 (21 N,116 E)的位置, 内波分布有明显的 2 52, 042802(2015) 激光与光电子学进展 042802- 图 1 2012 年 MODIS 图像观测南中国海东沙岛内波 Fig.1MODISimage of internalwaves in SouthChinaSea in 2012 图 2 2010.62012.6南中国海内波空间分布 Fig.2Spatial distributionof internalwaves in South China Sea during2010.62012.6 3 5
10、2, 042802(2015) 激光与光电子学进展 042802- 空缺,而且自东而来的内波至此多被割裂,波峰线变短。这一点即是由于东沙岛导致内波的分裂。 从波峰线的推移方向上可以看出,南中国海东北部的内波有较明显的从吕宋海峡发源的趋势,这一点 与他人的结果一致,说明这两年内波发生与往年基本相同。至于北部湾口所在的南中国海西北部,内波的排列 与东沙海域略有不同,因此猜测这里可能存在另一个内波源。115E附近的海南岛东部海区,内波波峰线与东 沙群岛海区的内波波峰线有较明显的断开特征。类似的,苏禄海西部的内波也有自南发源的趋势。 2.3南中国海海区内波的时间分布 从 MODIS 图像中分析内波在各
11、个月份中出现的天数,如图 3 所示。因为MODIS 为光学遥感, 受天气影 响较大, 所以当天空多云时,图像会被大部分的云所遮盖,无法有效地观测内波。 图 3 20102012 年内波时间分布统计图 Fig.3Temporaldistributionof internalwaves during20102012 从图 3 可以看出内波的产生随季节呈周期性变化。每年夏季达到最大值,基本每天都会观测到内波的 产生,冬季内波的出现甚少,很少观测到内波的传播。内波的产生受多种因素的影响,海洋的分层是影响内 波生成的重要因素,根据 WOA2009 的温盐数据南中国海北部海域表现出空间的一致性,但有着明显
12、的季节 性变化。在夏季由于阳光照射,海水分层变强,更易于内波的产生;冬季混合层加深变厚,分层变弱, 不利于 内波生成。Ramp 等 16 同样认为冬天没有内波的产生是由于冬天的混合层变深,他们也推测偶尔出现的内 波可能与分层有关,比如受中尺度涡的影响。除了季节性变化引起的内波发生频率,黑潮入侵会使背景流 发生变化, 因此也在内波的产生过程中扮演了重要的角色。 根据 MODIS 图像中内波发生天数与总天数之比,计算出各月内波发生频率,如图 4所示。 图 4 内波的发生频率分布 Fig.4Frequencedistributionof internalwave 由图 4 可以发现, 内波出现的时间
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