基于遥感图像的南海北部内孤立波及相互作用研究

本文通过对卫星遥感图像中的内孤立波及相互作用现象进行统计分析,讨论了南海北部内孤立波及相互作用现象的时空分布特征,验证了利用卫星遥感图像反演内孤立波振幅和传播速度以及研究内波相互作用现象的可行性。统计结果表明,南海北部的内孤立波主要集中在东沙群岛以及海南岛南部,内波相互作用主要集中在东沙岛西北部以及海南岛南部。本文对此给出解释:内波传播至东沙岛附近发生绕射,绕射的内波分裂成两列后以不同的传播方向继续向西传播,相遇并发生相互作用;内波在海南岛浅滩处发生反射,与后续传来的内波发生相互作用。同时,本文利用Korteweg-de Vries (KdV)方程和Benjamin-One(BO)方程,结合观测数据,对内波振幅和传播速度进行了反演实验。反演所得的内波振幅和传播速度与南海北部实际内波振幅和传播速度相近。     

南海北部内孤立波SAR遥感反演的初步研究

应用海洋内孤立波2层流体模型的SAR遥感反演技术,对南海北部内孤立波SAR遥感反演进行了初步研究.对于不存在由同一波源生成的2个内孤立波波包的SAR遥感图像资料,可以利用Levitus等的月平均温盐资料确定跃层深度和约化重力加速度,进而确定内波波速并进行内波振幅的反演.这样能够充分利用宝贵的SAR图像资源.     

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。     

经验模态与小波分解在光学遥感内波参数提取中的应用

内波遥感参数提取是利用遥感影像研究海洋内波的重要手段,通过提取内波的基本参数可以对海洋内波的生成与传播机制进行进一步的研究。提出了利用经验模态分解、小波分解与高阶多项式拟合从光学影像中提取内波半波宽度的方法。经验模态分解与小波分解对内波剖面数据进行尺度分解,根据归一化方差最大来提取内波分量;多项式拟合基于内波剖面的亮暗条纹变化完全由内波调制的假设,对数据进行拟合,并根据一阶导数来提取半波宽度。用南海北部东沙岛附近2004年7月10日的中-巴资源卫星(China-Brazil Earth Resources Satellite,CBERS)影像对方法进行了验证。结果表明,3种方法能较好地提取所需参数,获取的内波半波宽度具有较好的一致性;上述方法在处理非平稳及非线性遥感数据上,具有非常明显的优势。基于一维非线性内波理论,通过提取的内波半波宽度,辅以水深和混合层深度数据,反演了内波的振幅。     

Gerris在海洋大振幅内孤立波数值模拟中的应用

本文运用基于自适应网格的流体动力学开源软件Gerris,来建立基于Boussinesq近似下的二维不可压缩Euler方程组的数值模型,以模拟不同层化条件下稳定状态的完全非线性大振幅内孤立波。文中比较了完全非线性的用Gerris实现的Euler模型与弱非线性的KdV理论模型在刻画大振幅内孤立波结构及特征参数上的差异,说明在模拟大振幅内孤立波时,高阶非线性不应忽略。Euler模型模拟结果表明,完全非线性大振幅内孤立波的等密度面半宽度随深度变化,这使得基于KdV方程解析解、利用卫星SAR(Synthetic Aperture Radar)图像提取内孤立波极值间距来反演内波振幅的可行性存疑,需要重新评估。此外,本文用两组实测数据验证了用Gerris实现的Euler模型模拟大振幅内波的有效性。     

南海北部内孤立波绕东沙岛传播特性的数值研究

使用三维非静压环流模式MITgcm探究生成于吕宋海峡并向东沙岛传播的内孤立波。模式结果再现了东沙岛附近内孤立波的垂向振幅变化和到达时间。在不同纬向断面中,经向不对称的等密线起伏表现出内孤立波在南海的三维性特征。东沙岛附近的海表高度梯度变化表明,内孤立波在绕过东沙岛后,分离为2个短波峰线内波,此后两者相互作用。内孤立波在大陆坡浅化过程中相速逐渐减小,并与具有半日周期的理论线性相速度吻合一致。内孤立波与东沙岛碰撞后,在岛东北部会出现反射信号。本文利用斜压潮能通量,分析了反射能与入射之比在大潮期与小潮期的差异,发现小潮期的比值大于大潮期。选取东沙岛附近的3个站点,其垂向振幅表明A波与B波在大小潮转变时有不同的变化特征。在东沙岛西部和西北部的两个站位(WB和WN),A、B波均能被显著观测到;但在东沙岛南部站位(WS)只能观测到振幅具有正弦变化趋势的B波信号。     

光滑表面内孤立波光学遥感图像的实验研究

基于光学遥感图像的内孤立波参数反演是一项重要的工作。本文在实验室条件下提出一种新方法用于模拟光滑表面情况下内孤立波的光学遥感成像。基于二维内波水槽、LED平板面光源和CCD相机搭建仿真光学遥感系统探测内孤立波。水平表面的光学遥感图像和垂向内孤立波传播图像被同时探测,旨在探讨在光滑表面下,光学遥感与内孤立波的响应。结果表明,内孤立波传播经过时,CCD1相机获得暗纹,暗纹的特性随光源入射角的变化而变化。光学遥感特征参数和垂向波要素相对应。实验还显示光学遥感图像的暗纹宽度与内孤立波的半波宽度在不同内孤立波振幅下呈现正相关关系。该系统有着现象清晰,重复性高的优点,为定量研究光学遥感成像机理提供科学依据。     

南海东沙岛北部第二模态内孤立波特性研究

高分一号是中国自主发射的光学遥感卫星,空间分辨率达到2、8和16 m,因此可以为尺度较小的第二模态内孤立波研究提供强有力的数据支撑。本文基于2014—2020年共7年高分一号光学遥感图像研究了南海东沙岛北部第二模态内孤立波特性,研究结果表明:在海水层结不变,海域第二模态内孤立波的光学遥感图像条纹亮暗次序与第一模态内孤立波的相反;第二模态内孤立波的波峰线远短于第一模态内孤立波的波峰线;南海东沙岛北部第二模态内孤立波在夏季被光学遥感观测到的概率最大;绝大部分第二模态内孤立波尾随在第一模态内孤立波之后,可能是第一模态内孤立波与地形凸起相互作用而产生了第二模态内孤立波。这一研究结果对于进一步研究全球海域第二模态内孤立波的特性奠定了良好基础。     

基于多源遥感数据的日本海内波特征研究

日本海特殊的地理位置和复杂的地形使得该海域内波表征极为复杂,遥感是大范围观测内波的有效手段,已被广泛应用于内波的探测研究。本文利用MODIS、GF-1和ENVISAT ASAR遥感影像,开展了日本海内波特征研究。通过提取内波波峰线,生成了日本海内波空间分布图;获取了内波的波峰线长度和传播速度,并基于非线性薛定谔方程反演了内波振幅。研究结果表明,日本海内波分布范围宽广,不仅大陆架沿海区内波分布密集,深海盆地也探测到了大量内波;日本海北部45°N附近海域有少量内波出现,利用高分影像探测到朝鲜陆架浅海区有大量小尺度内波,大和海盆、大和隆起的西南部海域没有发现内波。日本海内波波峰线长达100多千米,深海区的传播速度大于1 m/s;浅海区内波振幅约10 m左右,深海区可达60 m以上。     

基于遥感与现场观测数据的南海北部内波传播速度

南海北部是全球海洋中内波最为活跃、生成和演变机制较为复杂的海域,本文利用多源卫星遥感数据(MODIS、GF-1、ENVISAT ASAR、RADARSAT-2)和现场观测数据开展了南海北部内波传播速度的研究。通过匹配捕获同一条内波的相邻两幅遥感图像,由内波的空间位移和时间间隔反演传播速度,并以0.5°×0.5°网格给出了南海北部内波传播速度的分布图。研究结果表明,内波传播速度受背景流场、水体层结和底地形变化等多因素影响,特别是水深。在南海北部由东至西、由南至北方向,内波传播速度逐渐递减。深海区内波传播速度最大,可达3m/s以上;内波在向西大陆架传播过程中,随着水深变浅速度逐渐减慢,传播速度为1—2m/s;大陆架浅海的内波传播速度较小,仅为零点几米每秒。同时,利用Kd V方程反演了内波传播速度理论值,对遥感数据提取的内波传播速度进行了精度验证,结果较为一致。     

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。     

基于Radon 变换获取东沙群岛附近 三个内孤立波的传播速度

由于大振幅非线性内波对东沙群岛附近的海上石油平台具有很大的破坏性,已有多名学者对该海域的非线性内波的 传播波速进行了研究。主要根据2009 年6 月24 日15 时40 分至25 日16 时40 分“科学一号”考察船在东沙岛东北部陆架 上K106 站进行的长达25 h的X波段雷达、温度链、ADCP 同步观测数据,在该海域利用Radon 变换技术获取了本次观测到 的内孤立波的传播速度。利用孤立波到达前30 min的ADCP流速值,计算得到内波传播方向上的背景流大小为0.04 m/s。最终 得出6月24 日22时30 分时的内孤立波传播速度为3.04 m/s,传播方向约为297毅;6 月25 日8 时30 分的内孤立波传播速度 为2.73 m/s,传播方向约为289毅;6 月25 日12 时内孤立波的传播速度为2.59 m/s,传播方向约为283毅。第一个孤立波与后 两个孤立波,在振幅和速度大小上存在明显不同,其生成机制也可能不同。     

基于EMD算法的海洋内波参数反演

利用合成孔径雷达(SAR)图像研究海洋内波具有其他遥感探测及实地海洋测量不可替代的优势,然而从SAR数据中提取内波参数的方法却往往由于人工选取的位置不同使得反演的内波参数产生不同的偏差,为了尽量避免人工操作带来的误差并有效反演内波参数,文中提出了一种SAR图像海洋内波波向与波长参数估计的新方法。通过人工选取内波前导线上的3个位置点,计算机自动地获取内波的位置和内波的波向,提取内波断面,在此基础上利用EMD算法反演内波波长,结合内波区域海水密度剖面数据,进一步反演内波振幅参数。通过对实测SAR图像数据进行处理的结果可知,采用该方法对内波SAR图像进行处理,能很好地定位内波位置并获得传播方向及内波波长参数,结合海水密度剖面,实现了内波振幅参数反演。人工干预选取3个位置点,自动计算内波前导线弯曲弧度并自动计算5个内波剖面,减少了由于人工干预操作不同形成的偏差。     

基于MODIS和VIIRS遥感图像的苏禄-苏拉威西海内孤立波特征研究

苏禄海和苏拉威西海是内孤立波频发海域,本文基于2016年10月至2019年9月的中分辨率成像光谱仪(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS)和可见光红外成像辐射计(Visible Infrared Imaging Radiometer,VIIRS)光学遥感数据开展了苏禄海和苏拉威西海的内孤立波特征分析研究。空间分布特征表明,苏禄群岛的西北部海域(118°—121°E, 6°—10°N)和苏拉威西海南部海域为内孤立波多发区域。苏拉威西海南部海域存在南向和西向交叉传播的内孤立波。苏禄海和苏拉威西海的内孤立波波峰线最长可达400—500km,主要集中在100—150km范围内。利用射线追踪法结合遥感图像分析表明,锡布图岛和锡穆努尔岛附近海域存在4个内波发生源,生成的内孤立波分别向苏禄海的西北方向和苏拉威海的东南方向传播。遥感观测表明苏拉威西海也存在自东向西传播的内孤立波,共有3个发生源,位于邦加岛与比亚罗岛附近海域。苏禄海的内孤立波主要向西北方向传播,其传播速度在2m/s左右。苏拉威西海自东向西传播的内孤立波的速度在3.1m/s左右,自北向南传播的内孤立波的速度为3.0m/s左右。     

内孤立波破碎所致混合的实验研究

为定量分析内孤立波破碎的混合过程,本文在二维内波水槽中进行了两层流体第一模态内孤立波在斜坡上破碎的实验,运用粒子图像测速技术(PIV)测量内孤立波传播、破碎、反射过程的流场,计算涡度、湍动能和湍耗散率。结果表明不同振幅内波在不同角度斜坡上破碎时各个量的分布特征十分相似,各组实验各要素时间序列中均有两个峰值,分别发生于非线性增强和破碎时刻。得到破碎时湍耗散率与内孤立波振幅的关系为:较小振幅内波的湍耗散率与振幅呈2次关系,无因次振幅增大到0.9湍耗散率趋于不变;与斜坡角度的关系为:对于小振幅内波斜坡角度增大,破碎程度降低,耗散率减小;振幅较大时,存在一个角度使破碎程度最大。破碎引起的湍耗散率的量级在10–7到10–4m2/s3之间,比实测海洋中内孤立波传播界面和内潮遇地形破碎的湍耗散大1个量级。     

侧边界对内长波传播影响的数值模拟

利用修正的非线性水平二维Lynett-Liu内长波数值模式,模拟了小振幅孤立子内波进出水道口的传播过程,及其穿过狭窄水道的衍射过程。通过分析孤立子内波垂向波形和水平二维纹理图像随水道口的形状及开阔水域宽度的变化．研究了侧边界对孤立子内波传播所产生的影响,并与卫星遥感图片进行了对比。     

南海北部非线性内波的特征研究及生成模拟

海洋内波由于其对海洋资源、海洋军事和工程的重要性而成为海洋学中的前沿课题。文中基于SAR遥感数据,结合KDV方程和Bragg散射机制反演内波波速、半振幅宽度、深度和振幅等动力学参数。对南海北部的非线性内波进行案例研究,由吕宋海峡传来的内波遇到东沙岛发生破裂,一部分继续向西传播,另一部分向西北沿等深线垂直方向传播。波向作为一个重要指标可以有效反映内波传播变化特征,文中以方向谱模型计算同一潮周期内内波传播的方向变化,并验证了180°方向模糊问题是可以解决的。同时内波传播将次表层海水和叶绿素从下层抬升,叶绿素浓度最高值达到0.35 mg/m~3,随着内波传播在0.08~0.35 mg/m~3范围内波动并逐渐趋于背景浓度值。研究使用海底地形与潮流数值合成的OTIS(Oregon State University Tidal Inversion Software)模型对南海北部大陆架区域的内波进行生成模拟,结果表明:当暖水流经吕宋海峡进入南海北部,body forcing1.5 m~2/s~2的海域能够激发内波的生成,其中兰屿岛和恒春半岛等海底山脊起到了关键作用。     

基于光学遥感的安达曼海内孤立波传播速度特性研究

安达曼海内孤立波非常活跃且错综复杂,传播速度是内孤立波的重要特征参量,本文采用光学遥感手段建立了内孤立波传播速度的计算方法。收集并处理大量Terra/Aqua-MODIS遥感图像,利用两景图像追踪同一内孤立波与同一激发源产生的内孤立波波群两种方法定量研究安达曼海内孤立波传播速度。研究结果表明:安达曼海内孤立波传播速度在0.5～2.7 m/s之间,内孤立波传播方向主要受海底地形的影响,传播速度大小在传播过程中随水深变浅而呈减小的趋势,在深水区传播速度大小还呈现出季节性差异。     

内孤立波反射和相互作用的实验探究

本文使用重力塌陷造波法,在内波实验室三维水槽内造波,并借助染色技术、水体灰度值反演以及高速图像记录系统来展开相关实验。我们分别进行了不同水深下内孤立波在竖直挡板上的反射和不同振幅下波-波相互作用实验,每种实验分别设计了三组。通过反演计算发现:内孤立波反射实验中,马赫峰振幅并没有出现所谓的"四倍放大效应",水深深度的变化会影响马赫峰的出现,浅水阻碍或抑制了马赫峰的出现;波-波相互作用实验中,振幅差不同会影响两列波相互作用的特性,振幅差越大,马赫峰传播方向偏斜角度越大,相互作用角的临界值越大。     

南海北部内孤立波生成对黑潮响应的初步研究

为了研究南海北部黑潮入侵对内孤立波生成造成的影响,本研究在对合成孔径雷达图像处理分析的基础上,运用二维非静力模式,对南海北部内孤立波生成以及其对黑潮入侵的响应做了初步的模拟和分析。对4 a(2007~2010年)的合成孔径雷达(SAR)图像统计分析发现,内波出现频率呈现明显的季节变化。月平均数据表明,内波出现频率在5月到8月期间较高并在6月达到峰值,占全年总数的29%;而在11月到次年的2月份期间出现频率较低并在12月和1月达到最低,各占全年的0.5%。通过二维、非静力近似数值模拟研究发现:黑潮入侵引起的平流对吕宋海峡区域内孤立波的激发产生具有明显的影响。具体表现为,黑潮入侵引起的的西向平均流拉伸了内孤立波波形并加强内孤立波的能量的频散,使得大振幅内孤立波演变成多个分散的波动,波长变长、振幅变小。敏感性实验通过替换夏季温盐场为冬季温盐场,对模拟结果并无实质上的影响,表明冬夏季温盐场的差异并非是SAR观测内波出现频率呈季节变化的重要因素。