利用SAR遥感卫星资料研究东海内孤立波时空分布特征

通过分析欧洲空间局的地球资源卫星(ERS-1/2)从1995—2010年的合成孔径雷达(SAR)图像,研究了东海内孤立波的时间分布特征,绘制了东海内孤立波的空间分布图,并且反演了个别海区内孤立波的传播速度。研究结果表明:东海内孤立波主要分布在两个海域,台湾东北部海域和长江口、杭州湾以及外舟山群岛附近海域。在这两个海域,大潮期间的强潮流有利于内孤立波的出现。在长江口及附近海域,跃层强时,内孤立波出现的概率相对较高。台湾东北部内孤立波波速约为0.6—0.8 m/s,长江口及附近海域内孤立波波速约为0.6 m/s左右。     

南海北部内孤立波数学模型

在二层内潮数学模型的基础上,考虑非静力平衡扰动压力的影响,导出潮频内孤立波产生、传播的数学模型。该模型不受小地形假设的限制,并适用于南海。应用该模型能解释说明产生以下现象的物理机制：潮流流过巴坦-萨布坦海脊时,在一定海洋环境条件下,通过潮流与起伏的底地形相互作用可激发产生潮频内孤立波,并西传至东沙群岛附近的海域。     

南海文昌海域内孤立波特征观测研究

内孤立波对大陆架边缘海区的混合和生态有着显著影响,近年来已成为物理海洋学研究的热点。但是南海北部陆架的内波现场资料极为缺乏。2005年4—7月,中国科学院海洋研究所在文昌海区进行了文昌内波实验。通过此次现场观测数据发现,在4月下旬文昌海域有着强盛的内孤立波,其振幅在40m左右,产生的斜压流接近1m／s,且传播方向平行于等深线切线方向,向西南方向传播。分析还得出此类内孤立波并非发源于吕宋海峡,应该属于潮地相互作用局地生成的内孤立波。     

变系数EKdV模型在模拟南海北部大振幅内孤立波传播和裂变中的应用

利用垂向连续分层变系数EKdV模型,模拟了南海北部海域大振幅内孤立波的传播和裂变过程,并与观测数据进行比较。结果表明:连续分层变系数EKdV模型能够较好地反映振幅小于100m的内孤立波的振幅和波宽,对于更大振幅的强非线性内波,该模型模拟的振幅和波宽均较实测较小;非线性模态函数能够较准确地反映温度振荡的垂直结构,而水平流速的大小和垂直结构则与线性模态较符合。研究结果表明,变系数EKdV模型能够为研究和理解大振幅内孤立波的传播和裂变过程提供较好的理论支持。     

基于哨兵一号和高分三号卫星SAR数据的马六甲海峡内孤立波特性研究

漫长狭窄的马六甲海峡是重要的航道,研究该海峡内孤立波特征对潜艇、船只航行和海洋工程都是急需解决的问题。利用高空间分辨率的哨兵1号（Sentinel-1）和高分三号（GF-3）SAR遥感数据,对马六甲海峡的内孤立波特征开展了详细研究。利用哨兵一号2015年6月到2016年12月20景有内孤立波的SAR图像和高分三号2018年4月到2019年3月24景有内孤立波的SAR图像,统计分析了马六甲海峡海域的内孤立波空间分布特征。发现内孤立波多以内孤立波包以及单根内孤立波形式出现,内孤立波头波的波峰线最长可达39km。采用高阶非线性薛定谔方程反演模型可以计算出内孤立波的振幅与群速度,计算得到的内孤立波振幅和波包的传播群速度分别为4.7m ~ 23.9m和0.12m/s ~ 0.40m/s。由KdV方程得到的单根内孤立波的相速度为0.26m/s ~ 0.60m/s。可以得到,马六甲海峡内孤立波的振幅与传播速度与地形密切相关。     

南海东北部C型内孤立波的观测与分析

基于布放在南海东北部陆坡海域的5套潜标观测到的内孤立波波列数据和孤立波扰动KdV(PKdV)理论,研究内孤立波在趋浅陆架上的传播特征。得出如下结果:1)观测到的内孤立波属于C型内孤立波,即平均重现周期为(23.41±0.31)h。2)内孤立波在西传爬坡过程中,其振幅表现为先增大后减小再增大,与该海域温跃层深度的变化趋势一致;由观测数据和理论计算得到的孤立波振幅增长率(SAGR)数值接近,表明该海域的内孤立波的振幅变化可以采用由孤立波PKdV方程导出的趋浅温跃层理论来描述。3)随着水深变浅,内孤立波传播方向向北偏移,传播速度减小,即在A,B和D站位,传播方向分别为279°,296°和301°,偏转角度达22°;传播速度分别为2.36,2.23和1.47 m/s,减小38%。     

基于MODIS图像的内孤立波信息反演——以南海北部深水区为例

卫星遥感技术是探测海洋内孤立波的重要手段,目前提取内孤立波特征参数的工作均使用SAR图像。本文首次探讨了基于MODIS可见光图像的内孤立波信息反演方法,并对位于南海北部水深3 000m左右的内孤立波个例进行了研究,发现其振幅为124m,传播速度为3.14m/s,半波宽度为3 258m。根据潜标现场观测结果对反演得到的内孤立波信息进行了检验,结果表明,此方法具有较高的准确度,为研究南海北部深水区内孤立波提供了一条新的可行路径。     

内孤立波过陆架陆坡地形的数值模拟研究

内波是海洋中普遍存在的波动形式。内孤立波是典型的非线性内波,多发于陆架边缘海,如南海等海域,对陆架海域有重要影响。本文针对内孤立波在陆架地形上的传播问题,先基于弱非线性与全非线性数值模型,模拟了不同振幅、地形高度条件下内孤立波的演化的过程,探讨了动力系数对内孤立波演化过程的影响,对比了两模型的模拟结果在内孤立波演化过程、能量分配以及能量耗散的差异,后分析了南海的动力系数分布特征。结果表明,在内孤立波不发生破碎的情况下,弱非线性模型与全非线性模拟结果相近。当发生破碎过程时,弱非线性模型可准确模拟头波,但无法通过强非线性的破碎过程耗散能量,只能以裂变的方式辐射能量。在弱非线性模型中,随地形高度增加,频散系数减小到零,平方非线性系数由负转正,立方非线性系数绝对值增大一个量级,并主导陆架地形上内孤立波的演化过程。通过对比南海夏季与冬季非线性内波动力系数空间分布,发现内孤立波在传播过程由于夏季平方非线性效应、立方非线性效应与频散效应较强的影响,其在夏季更易发生陡化与裂变,波列发生频率高。     

一个典型南海北部第二模态内孤立波的观测分析

第二模态内孤立波在海洋中极少被观测到。本文基于潜标高时空分辨率观测数据,对南海北部陆架区的一个典型第二模态内孤立波进行了分析。结果表明,该第二模态内孤立波的流核出现在135 m深度处,其最大水平流速为0.66 m/s,传播方向为西偏北58°。沿传播方向的内孤立波流速分布在80～170 m的深度范围内,而与传播方向相反的逆流出现在海表和海底附近。垂向模态分析表明,该第二模态内孤立波水平流速的垂向结构与理论结果吻合良好。能量计算结果显示其动能密度的垂向积分可达14 kJ/m2,而波峰线方向单位长度上的动能估算值为5.98 MJ/m。尽管该第二模态内孤立波的动能比陆架区第一模态内孤立波小1个量级,但其高达0.045 s-1的流速垂向剪切约为典型第一模态内孤立波的2倍,表明其导致的混合可能更强。     

抛物线型背景流对内孤立波特征和能量影响的数值模拟研究

本文基于南海东北部观测的抛物线型背景流,设计了8种形式的抛物线型背景流,利用IGW模式研究了其对内孤立波(ISW)的特征和能量学的影响。研究结果表明:背景流对波包中ISW数目没有影响,但减小了ISW的相速度;对于下边界在主温跃层附近或在其上的抛物线型背景流,ISW振幅和最大位移深度均增加;随着抛物背景流曲率减小,ISW振幅、斜压与正压能比值减小,同时ISW相速度、正压能、斜压能、KE/APE都增加;如果抛物背景流底部延伸至海底,且曲率减小,则ISW振幅、相速度减小,同时正压能、斜压能、KE/APE增加;在整个深度上的背景流,随着下层曲率减小和上层曲率增大,ISW振幅、相速度、斜压与正压能比值、斜压能、KE/APE均增加。     

基于X波段海洋雷达的南海西北部内波参数特征研究

中国南海是内波频发海域,卫星遥感在内波参数特征的统计分析中得到了广泛应用,但是卫星轨道的重复访问时间长,不能连续观测内波参数的变化特征。X波段海洋雷达具有高时间和空间分辨率,可以长期连续观测内波的变化,本文提出了利用X波段海洋雷达图像提取内波参数的方法,并利用连续观测的数据研究了各参数的分布特征。首先,对雷达图像进行预处理,包括平均处理及斜坡校正两步;利用二维快速傅里叶变换确定内波的传播方向,进而根据该方向上的径向廓线确定内波的相速度大小、波长及周期。最后,利用在南海石油平台上观测的X波段雷达图像对内波各参数进行提取和统计分析,结果表明,研究区域内波的传播方向多为西北向及西向传播,相速度多为0.6～0.8 m/s,波长一般为400～600 m,周期大部分不超过1000 s。     

基于遥感的南海北部中尺度涡对内孤立波传播的影响

海洋内孤立波和中尺度涡是南海北部常见的中尺度动力过程。本文利用2010−2015年的Terra/Aqua-MODIS、ENVISAT ASAR和多源卫星高度计资料开展了南海海洋内孤立波和中尺度涡遥感探测研究,分析了中尺度涡对内孤立波传播方向的影响。结果表明,中尺度涡和内孤立波主要在南海东北部海域共存,当二者共存时,气旋（冷涡）促使内孤立波偏离原来的传播方向,向西偏南方向传播;反气旋（暖涡）促使内孤立波向西偏北方向传播,气旋与反气旋改变的内孤立波传播方向刚好相反。内孤立波和中尺度涡共存时间主要集中在3−9月,其中,3月受气旋和反气旋的共同作用,内孤立波传播方向几乎无变化;4月和5月,主要受气旋影响,内孤立波偏离原来传播方向向南传播;6−9月,主要受反气旋影响,内孤立波偏离原来的传播方向向北传播。本文利用遥感手段探索了海洋中尺度涡对内孤立波传播方向的影响,结果与现场观测结果一致。     

一种基于声速剖面展开的内波监测新方法

声速剖面时空分布的获取是利用声学方法监测内波的核心问题。在反演算法中,声速剖面通常是采用展开的方式用若干个参数来表示的。这就导致了有时很难从反演结果中直接获得内波的相关信息。本文的目标是找到一种通过展开系数直接获取内波特性的方法。通过推导内波水动力方程,可以从较少的声速剖面样本中提取出水动力简正模态（Hydrodynamic Normal Modes,HNMs）作为声速剖面展开的正交基。较之广泛采用的正交经验函数（Empirical Orthogonal Functions, EOFs）,HNMs直接与内波活动相关,具有更明确的物理含义。然后,基于HNMs对声速剖面的时间序列进行展开,获得展开系数。最后,从前两阶展开系数的时间导数中可以获取内波活动的信息。将方法应用于受内波影响而具有明显时空扰动的南海北陆架区温度链数据,结果表明：只用前两节模态就可以在较好的精度范围内重构声速剖面。前两阶系数的时间导数具有独特的双震荡结构可以用于探测内孤立波。从展开系数也可以获得幅度以及波长信息。理论推导和实验分析证明了本文方法在内波监测中的有效性。HNMs方法使用便利且对样本的依赖性较小,可以在内波活跃海域作为EOFs的有效补充用于声速剖面的展开。     

Mooring observations of internal solitary waves in the deep basin west of Luzon Strait

A total of 137 internal solitary waves （ISWs） are captured during a field experiment conducted in the deep basin west of the Luzon Strait （LS） from March to August, 2010. Mooring observations reveal that a fully developed ISW owns a maximum westward velocity of more than 1.8 m/s and an amplitude of about 200 m. The ISWs in the South China Sea （SCS） are most active in July, which may be due to the strong stratification in summer. Most of the ISW episodes are detected around and after the 1st or 15th lunar day, indicating that the ISW in the SCS is triggered by astronomic tides. Half part of the observed ISWs were detected around 19：00 local time, which can be explained by the fact that type-a ISWs emerged in the evening at roughly the same time each day. The propagation direction of the ISWs and the astronomic tides in the LS show that the area south of the Batan Island is probably the main source region of the type-a ISWs, while the area south of Itbayat Island and south of the Batan Island is likely the main source region of the type-b ISWs observed at the mooring. Moreover, for the resonance of semidiurnal internal tides emitting from the double ridges in the LS, the underwater ridge south of the Itbayat Island and south of the Batan Island is believed to favor the generation of the energetic ISWs.     

一种基于Curvelet变换的合成孔径雷达海洋内波图像的斑点噪声抑制方法

合成孔径雷达是海洋内波研究中最重要的工具之一。雷达图像中的斑点噪声会严重降低图像的质量,这一问题在处理和分析信号较弱的二模态内波信号和上升型内波信号时极为明显。合成孔径雷达图像中的海洋内孤立波的信号具有明显的尺度性和方向性。同时,curvelet变换作为一种同时具备尺度分辨率和方向分辨率的数学变换,能够对一幅雷达图像在不同尺度、不同方向和不同位置上进行分析。本文给出了一个基于curvelet变换的合成孔径雷达海洋内孤立波图像的斑点噪声抑制方法。该方法可简述为：(1)对一幅合成孔径雷达海洋内孤立波图像进行curvelet变换,获得curvelet系数;(2)分别仅仅保留一个尺度的系数,将其它尺度的系数置为零,利用处理之后的系数分别重建图像,得到仅仅用一个尺度的系数重建的图像;(3)分别计算上一步中得到的图像的均方差,根据波浪理论,图像的方差代表能量,方差越大则能量越大,以此可以确定内波信息集中的尺度;(4)在每个尺度下,分别计算每个方向的curvelet系数矩阵的平均值,以此确定内孤立波信号集中的方向;(5)在上两步工作的基础上,仅仅保留内波信号集中的尺度和方向的系数,而将其它尺度和方向的系数置为0,得到一幅提取主波信息的图像;(6)将上一步得到的提取主波信息的图像加回到原始图像中,从而达到增强波浪信息并抑制斑点噪声的目的。大量的实验验证表明,该方法不仅能有效地压制斑点噪声,而且能有效地增强波浪信号。     

Assessing the west ridge of Luzon Strait as an internal wave mediator

The Luzon Strait is blocked by two meridional ridges at depths, with the east ridge somewhat higher than the west ridge in the middle reaches of the Strait. Previous numerical models identified the Luzon Strait as the primary generation site of internal M₂ tides entering the northern South China Sea (Niwa and Hibiya, 2004), but the role of the west-versus-east ridge was uncertain. We used a hydrostatic model for the northern South China Sea and a nonhydrostatic, process-oriented model to evaluate how the west ridge of Luzon Strait modifies westward propagation of internal tides, internal bores and internal solitary waves. The dynamic role of the west ridge depends strongly on the characteristics of internal waves and is spatially inhomogeneous. For M₂ tides, both models identify the west ridge in the middle reaches of Luzon Strait as a dampener of incoming internal waves from the east ridge. In the northern Luzon Strait, the west ridge is quite imposing in height and becomes a secondary generation site for M₂ internal tides. If the incoming wave is an internal tide, previous models suggested that wave attenuation depends crucially on how supercritical the west ridge slope is. If the incoming wave is an internal bore or internal solitary wave, our investigation suggests a loss of sensitivity to the supercritical slope for internal tides, leaving ridge height as the dominant factor regulating the wave attenuation. Mechanisms responsible for the ridge-induced attenuation are discussed.     

南海北部陆架区内孤立波向岸传播过程研究

南海北部是全球海洋中内孤立波最强和最为活跃的海域。然而,内孤立波在传入陆架区后,其形态发生显著变化,其传播演变过程表现出高度的复杂性。本研究综合卫星图像和数值模式手段研究了内孤立波在向岸传播过程中的空间变化特征。可见光卫星图像研究结果显示,南海北部陆架区存在三种形态的内孤立波,分别为第一模态下凹型内孤立波、第一模态上凸型内孤立波和第二模态内孤立波。受水深和层结变化的控制,它们的分布区域显著不同。基于MITgcm的数值模拟研究表明,上凸型内孤立波由第一模态下凹内孤立波经过极性转换过程发展而来,而第二模态内孤立波由第一模态下凹内孤立波与急剧变浅地形相互作用而产生。     

Effects of westward shoaling pycnocline on characteristics and energetics of internal solitary wave in the Luzon Strait by numerical simulations

An internal gravity wave model was employed to simulate the generation of internal solitary waves(ISWs) over a sill by tidal flows. A westward shoaling pycnocline parameterization scheme derived from a three-parameter model was adopted, and then 14 numerical experiments were designed to investigate the influence of the pycnocline thickness, density difference across the pycnocline, westward shoaling isopycnal slope angle and pycnocline depth on the ISWs. When the pycnocline thickness on both sides of the sill increases, the total barotropic kinetic energy, total baroclinic energy and ratio of baroclinic kinetic energy(KE) to available potential energy(APE) decrease, whilst the depth of isopycnal undergoing maximum displacement and ratio of baroclinic energy to barotropic energy increase. When the density difference on both sides of the sill decreases synchronously, the total barotropic kinetic energy, ratio of baroclinic energy to barotropic energy and total baroclinic energy decrease, whilst the depth of isopycnal undergoing maximum displacement increases. When the westward shoaling isopycnal slope angle increases, the total baroclinic energy increases whilst the depth of turning point almost remains unchanged. When the depth of westward shoaling pycnocline on both sides of the sill reduces, the ratio of baroclinic energy to barotropic energy and total baroclinic energy decrease, whilst the total barotropic kinetic energy and ratio of KE to APE increase. When one of the above four different influencing factors was increased by 10% while the other factors keep unchanged, the amplitude of the leading soliton in ISW Packet A was decreased by 2.80%, 7.47%, 3.21% and 6.42% respectively. The density difference across the pycnocline and the pycnocline depth are the two most important factors in affecting the characteristics and energetics of ISWs.     

喀拉海峡潮-地相互作用激发非线性内波的数值模拟

Nonlinear internal waves(NIWs) are ubiquitous around the Kara Sea, a part of the Arctic Ocean that is north of Siberia. Three hot spot sources for internal waves, one of which is the Kara Strait, have been identified based on Envisat ASAR. The generation and evolution of the NIWs through the interactions of the tide and topography across the strait is studied based on a nonhydrostatic numerical model. The model captures most wave characteristics shown by satellite data. A typical inter-packets distance on the Barents Sea side is about 25 km in summer, with a phase speed about 0.65 m/s. A northward background current may intensify the accumulation of energy during generation, but it has little influence on the other properties of the generated waves. The single internal solitary wave(ISW) structure is a special phenomenon that follows major wave trains, with a distance about 5–8 km. This wave is generated with the leading wave packets during the same tidal period. When a steady current toward the Kara Sea is included, the basic generation process is similar, but the waves toward the Kara Sea weaken and display an internal bore-like structure with smaller amplitude than in the control experiment. In winter, due to the growth of sea ice, stratification across the Kara Strait is mainly determined by the salinity, with an almost uniform temperature close to freezing. A pycnocline deepens near the middle of the water depth(Barents Sea side), and the NIWs process is not as important as the NIWs process in summer. There is no fission process during the simulation.