發(fā)布時間：2020-03-13 22:12

【摘要】：南海北部陸架坡海域是國際上公認(rèn)的天然內(nèi)波試驗(yàn)場,美國從20世紀(jì)70年代就開始對該海域普遍存在的內(nèi)波現(xiàn)象進(jìn)行遙感觀測,南海北部的內(nèi)波不僅以孤立波的形式出現(xiàn),還以內(nèi)潮波的形式存在。本研究首先對南海北部內(nèi)波的類型、發(fā)源地、生成機(jī)制、傳播演變及觀測方法和研究進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)的綜述。由于南海具有獨(dú)特的海底特征以及顯著的海洋層化結(jié)構(gòu),非常適宜研究海洋狀態(tài)參量對內(nèi)孤立波的傳播性質(zhì),即內(nèi)波相速度的研究。本文主要基于衛(wèi)星遙感方法,使用多源的連續(xù)的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)反演南海北部內(nèi)孤立波波速,這是前人沒有實(shí)施過的。本文共計采用了南海北部成像的3對合成孔徑雷達(dá)SAR連續(xù)數(shù)據(jù)(ENVISAT-SAR和ESA2-SAR)、4對可見光MODIS/VIIRS連續(xù)數(shù)據(jù)(Terra/Aqua-MODIS和NPP-VIIRS)與9對SAR/MODIS連續(xù)數(shù)據(jù)(ENVISAT-SAR和Terra/Aqua-MODIS)。且本文所采用的SAR、MODIS、VIIRS圖像,時間上覆蓋了南海北部全年內(nèi)波頻發(fā)期(3月、4月、5月、6月、7月和8月),空間上分布在南海各個特征典型的區(qū)域(呂宋海峽附近、東沙島附近,大陸架附近),非常適合研究內(nèi)波的傳播特性。本文首先利用ENVISAT衛(wèi)星作為ERS1/2衛(wèi)星的延續(xù),其飛行軌道相似,時間上始終相隔30分鐘左右的這一獨(dú)特優(yōu)勢,融合了高分辨率且不受天氣影響的合成孔徑雷達(dá)SAR數(shù)據(jù)獲取30分鐘內(nèi)內(nèi)波的位移這一重要的已知量,使得內(nèi)波在傳播過程波峰上各點(diǎn)的相速度得以確定。由此可以直觀得到沿內(nèi)波波峰線上各點(diǎn)相速度空間分布與速度變化規(guī)律。并且使用了sw_vmodes模式、南海年平均海洋層化結(jié)構(gòu)GDEM數(shù)據(jù)和水深數(shù)據(jù)EPOTO1求解了T-G方程,獲得內(nèi)波的理論相速度,對SAR數(shù)據(jù)提取的波速進(jìn)行了精度驗(yàn)證。兩者速度大小吻合度非常高,證明了連續(xù)SAR數(shù)據(jù)反演波速的準(zhǔn)確性。初步確定了中國南海北部內(nèi)波的速度空間分布與南海北部海底地形(水深)之間的關(guān)系,同時發(fā)現(xiàn)了季節(jié)變化帶來的海洋層化結(jié)構(gòu)改變對內(nèi)波波速的影響。為進(jìn)一步確定連續(xù)數(shù)據(jù)提取內(nèi)波相速度的可行性,本文繼而使用4對具有清晰內(nèi)波成像且衛(wèi)星軌道特征相似、內(nèi)波成像時間間隔均在2.5小時以內(nèi)的Terra-MODIS和NPP-VIIIRS成對連續(xù)圖像中太陽耀光區(qū)(Sunglint)研究內(nèi)波相速度在東沙島附近海域的變化特征。其根據(jù)現(xiàn)有方法的改進(jìn)成功的提取出了4對圖像中的太陽耀光Sunglint邊界,并且通過相速度反演揭示東沙島附近海域內(nèi)波傳播的特性�？梢姽膺B續(xù)數(shù)據(jù)與合成孔徑雷達(dá)SAR數(shù)據(jù)反演的內(nèi)波相速度顯示出同樣的時空變化特性。在南海北部以由東至西、由南至北逐漸遞減,并且在相同水深處兩種類型的連續(xù)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的反演內(nèi)波相速度大小基本相同。最后本文使用合成孔徑雷達(dá)數(shù)據(jù)SAR圖像與可見光數(shù)據(jù)MODIS圖像的連用對東沙島附近內(nèi)波相速度與混合層深度的關(guān)進(jìn)行了初步探討;更可貴的是SAR/MODIS連續(xù)數(shù)據(jù)中捕捉了一系列寶貴的瞬間,即內(nèi)波發(fā)生的一系列作用例如反射、衍射和波-波非線性相互作用時刻,隨后對內(nèi)波位移進(jìn)行測量,可以實(shí)現(xiàn)計算內(nèi)波在東沙島南北左右關(guān)鍵點(diǎn)位的相速度。同時使用NOAA網(wǎng)站混合層深度MLD實(shí)測數(shù)據(jù)利用插值法求得SAR/MODIS成對圖像中各個測量點(diǎn)位置處混合層深度的數(shù)值。證明了南海北部深水區(qū)與淺水區(qū)的海洋層化結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律是不相同的,繼而內(nèi)波相速度在深水區(qū)的和淺水區(qū)的季節(jié)性變化規(guī)律也不相同。且內(nèi)波相速度隨著混合層深度的增加而有明顯的增大。根據(jù)以上的工作,在多源遙感提取南海北部內(nèi)波相速度的特征、相速度與水深地形關(guān)系、相速度與海洋層化結(jié)構(gòu)的關(guān)系等方面總結(jié)出以下結(jié)論:(1)連續(xù)SAR反演數(shù)據(jù)顯示在南海北部水深100-240m、40-350m、350-550m、1000-2000m和2500-3500m的區(qū)域時,SAR圖像上提取出的平均速度分別為0.66m/s、1.00m/s、1.60m/s、2.10m/s和2.70m/s。經(jīng)過T-G方程求解得到的內(nèi)波理論相速度驗(yàn)證,兩者高度吻合。(2)連續(xù)SAR反演數(shù)據(jù)顯示內(nèi)波的相速度主要受到海底地形的影響。在南海北部海域,內(nèi)波相速度從東向西、從南至北呈遞減趨勢。(3)在南海北部250-550米水深處,連續(xù)SAR數(shù)據(jù)反演得到的內(nèi)波相速度與模擬得到的理論相速度在3月份平均高于8月大約0.25m/s,即在3月份的內(nèi)波傳播速度快于8月份的傳播速度。混合層深度變化使得南海北部內(nèi)波相速度呈現(xiàn)季節(jié)性差異,但是比起水深帶來的影響并不明顯。即海洋層化結(jié)構(gòu)對內(nèi)波速度變化的影響小于海底地形(水深)的影響。(4)成功提取了可見光數(shù)據(jù)MODIS/VIIRS圖像中的太陽耀光邊界;兩幅MODIS和VIIRS數(shù)據(jù)中的太陽耀光區(qū)大約為500千米,覆蓋了整個南海區(qū)域,且數(shù)據(jù)每天都可以獲得。因此,相比于SAR連續(xù)數(shù)據(jù)和船測數(shù)據(jù)、浮標(biāo)數(shù)據(jù),MODIS/VIIRS連續(xù)數(shù)據(jù)可以更廣闊的觀測內(nèi)波。(5)連續(xù)可見光數(shù)據(jù)MODIS/VIIRS圖像中提取的內(nèi)波相速度與連續(xù)SAR數(shù)據(jù)中提取的相速度變化規(guī)律相同,內(nèi)波相速度在南海北部海域從南至北,從東向西的隨水深變淺的出現(xiàn)明顯的遞減規(guī)律。(6)MODIS/VIIRS連續(xù)數(shù)據(jù)中反演得到的內(nèi)波相速度與理論相速度在8月份相比與5月份的數(shù)據(jù)都較大,尤其是在100-250和2200-2600米水深處有較為明顯的0.2-0.3m/s的速度之差。(7)SAR/MODIS連續(xù)數(shù)據(jù)中反演得到的東沙島東部反射的內(nèi)波分支CD的傳播速度在1.05和1.45m/s之間波動,沒有遞減或者遞增趨勢,主要是這個地區(qū)的水深都在50米左右;東沙島南北部的衍射分支AB(北部分支)和EF(南部分支)平均相速度分別為0.99m/s和1.58m/s。(8)SAR/MODIS連續(xù)數(shù)據(jù)中,南海北部東沙島附近內(nèi)孤立波相速度在深水區(qū)域和淺水區(qū)域呈現(xiàn)出不同的速度變化趨勢;在東沙島的西北部內(nèi)波相速度5月最小,8月最大,3月份的內(nèi)波相速度小于8月份的內(nèi)波相速度;而位于東沙島的東南部的內(nèi)波相速度,5月不再是內(nèi)波相速度出現(xiàn)最小值的月份;5-8月4個月份中,內(nèi)波速度基本相同,經(jīng)過5月份后內(nèi)波相速度逐漸增大至三月份達(dá)到最大值;(9)插值法獲得的SAR/MODIS數(shù)據(jù)中各測量點(diǎn)的海洋混合層MLD數(shù)值顯示,東沙島礁附近海域混合層深度在四個月份中的范圍是12-20米左右,內(nèi)波相速度的變化范圍是0.2-2.2m/s左右,變化較為明顯。SAR/MODIS連續(xù)數(shù)據(jù)反演信息中,4、5、7和8月份SAR/MODIS提取出的內(nèi)波相速度隨著混合層深度的增加而有明顯的增大。
【圖文】：

14圖 1-1. 中國海海域圖，圖中彩色線分別代表 40,60,80,100,200,1000 和 2000 米水深的等深線，黑色方框代表內(nèi)波高發(fā)區(qū)Figure1-1. Map of the China Seas. The color contours are the isobaths of40,60,80,100,200,1000, and 2000 m，respectively. The black boxes indicate hotspot regions ofISWs.能夠?qū)Ｑ髢?nèi)波成像儀器很多，遙感技術(shù)所使用的電磁波段主要為紫外、可見光、紅外、微波等波段。紫外在受到大氣中的散射影響十分嚴(yán)重，故在實(shí)際應(yīng)用中采用很少。而在使用衛(wèi)星數(shù)據(jù)探測內(nèi)波方面，也基本不使用紅外圖像，因?yàn)榉直媛什粔�。原則上所有能夠大范圍、高分辨率的捕捉海面信息的儀器都有可能觀測到海洋內(nèi)波，更多的是使用可見光衛(wèi)星圖像和微波雷達(dá)圖像資料觀測內(nèi)波活動。表 1-1 給出了海洋內(nèi)波研究中常用的衛(wèi)星及傳感器基本參數(shù)。內(nèi)孤立波所引之所以可以被衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)所檢測到，是因?yàn)樾l(wèi)星傳感器可以接收到內(nèi)波調(diào)制的

量無法被接收,即雷達(dá)后向散射很弱，因而 SAR 圖像亮度很低如圖 1-2(a)。反之，海表粗糙度很高時，雷達(dá)波散射的方向各向隨機(jī)，意味著 SAR 可以收到的雷達(dá)回波能量很大，SAR 圖像亮度比較高如圖 1-2(b)所示。因此位于微波波段的 SAR雖不能直接穿透海水去測量海洋內(nèi)波，，但是 SAR 可以觀測到水下數(shù)十米、甚至數(shù)百米深處的海洋內(nèi)波體現(xiàn)在海表面的信息（Li 等,2010,Li 等,2009,Li 等,2005）[19]-[21]。在適當(dāng)?shù)娘L(fēng)速與入射角范圍內(nèi)，影響雷達(dá)回波的海面波動主要為 Bragg 波（Valenzuela,1978）[22]，即 SAR 對海表面的成像是基于 Bragg 共振散射進(jìn)行的。雷達(dá)發(fā)射的電磁波與 Bragg 波這種具有特定波長的波產(chǎn)生共振效應(yīng)。即任何可以調(diào)制海面 Bragg 波的海洋動力現(xiàn)象都可以被 SAR 監(jiān)測到。然而 SAR 成像的質(zhì)量（后向散射截面）必定受到各種環(huán)境因素、雷達(dá)成像參數(shù)和內(nèi)波參數(shù)的影響，海洋環(huán)境中特別是風(fēng)場（風(fēng)速和風(fēng)向）對 SAR 成像海洋內(nèi)波有極大的影響。種勁松等（2010）[23]在 SAR 成像機(jī)理的基礎(chǔ)上，從一維和二維的角度全面分析了各種環(huán)境和雷達(dá)成像參數(shù)的條件下 SAR 對海洋內(nèi)波成像能力的變化，總結(jié)了 SAR探測海洋內(nèi)波的最佳觀測條件。（a） (b)
【學(xué)位授予單位】：上海海洋大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：P731.24

【共引文獻(xiàn)】

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本文編號：2586836