基于遥感影像边界特性对南海海洋内波检测算法研究 *

海洋内波在海洋活动中扮演重要角色。海洋内波研究对我国海洋科学的理论研究、海洋资源的保护、开发和利用以及海洋军事等方面均具有重要意义。为了及时发现海洋内波的发生地点以及对海洋内波参数进行定量分析, 本研究基于合成孔径雷达(synthetic aperture radar, SAR)影像中内波明暗条纹的边界特性, 提出了一种集成的海洋内波检测算法: 主要运用列分离邻域处理和Canny算子边缘检测算法对条纹进行检测, 并利用海洋内波的轮廓长度、面积比值及传播方向三个特征对条纹进行筛选, 并将该算法应用于南海发生的多起海洋内波, 以验证算法的鲁棒性和适用性。研究结果表明, 该算法能够较好地识别出海洋内波的明暗条纹, 不仅能够除去非内波条纹的轮廓, 而且能够去除一些细小且不明显的内波条纹轮廓。利用余弦函数逐像素地对识别后的条纹进行拟合, 然后根据拟合结果找出明暗条纹所在位置以及相邻明暗条纹之间的间距, 从而判定出内波发生的位置。     

南海内波研究前沿与热点

内波为发生在层结海洋内部的亚中尺度波动,是物理海洋学研究,特别是海洋混合及能量级串研究,不可或的缺环节。孤立内波的突发性巨大冲击能量可对水下航行和工程设施构成灾难性威胁,实现实时监测与预报海洋内波具有重大现实意义。南海是全球海洋中超强内波多发海区之一。长期现场观测表明,吕宋海峡以西海域内孤立波振幅高达150～200 m,且终年发生。因此,南海是目前海洋内孤立波观测与研究热点海域。本文以2015年至2021年间发表的论文为依据,评述南海内波研究新进展,认为7 a来研究成果取得质的提升。第一,实现了由卫星为主要手段2D观测到以卫星与潜标同步3D观测为主要手段的提升。由此催生出振幅240 m超强内孤立波、中尺度涡对内波的调制作用、重现周期23 h内孤立波、浅海内孤立波裂变现象、深海盆内波及动能级串等创新成果。第二,研究区开始呈现向中部深海盆扩展趋势。迄今为止,南海内波观测与研究集中在吕宋海峡以西和北部陆架,现已出现向中部深海盆扩展趋势。第三,海洋探测高新技术应用于南海内波观测与研究,取得了突破性成果。由卫星高度计沿轨海面高度场二维平面波分解技术得出的南海M2内潮辐射图,解决了多年争论不休的南...     

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。     

南海文昌地区内波振幅反演研究

The field experiment is conducted from April 16,2005 to July 20,2005 at Wenchang area east of Hainan Island(19°35'N,112°E) of China.Internal wave packets are observed frequently with thermistor chains during the experiment.Meanwhile,internal waves are also detected from a synthetic aperture radar(SAR) image on June 19,2005 and several other moderate-resolution imaging spectroradiometer(MODIS) images near a mooring position.The distance between the positive and negative peaks induced by the internal wave can be obtained from satellite images.Combined with remote sensing images and in situ data,a new method to inverse the amplitude of the internal wave is proposed based on a corrected nonlinear Schr?dinger(NLS) equation.Two relationships are given between the peak-to-peak distance and the characteristic wavelength of the internal wave for different nonlinear and dispersion coefficients.Based on the satellite images,the amplitude inversion of the internal waves are carried out with the NLS equation as well as the Kd V equation.The calculated amplitudes of the NLS equation are close to the observation amplitude which promise the NLS equation a reliable method.     

南海西南海域的内波和细结构

根据１９９０年初夏南海西南部水域的两个连续站ＣＴＤ和多层海流计资料及５０多个大面站ＣＴＤ资料的分析研究得到一些关于此海域的内波和细结构的特性。它包括等温、盐、密度面起伏的特性，盐度双跃层和逆盐层等长存性细结构、温度Ｃｏｘ数的概率密度函数及流速频谱的特性，Ｃｏｘ数和温度脉动垂向波数谱的一般品性及其随水层和地域的变化规律等诸方面。     

利用航天飞机成像雷达图像分析南海内波

利用航天央南海海面获取的内波的合成孔径雷达（ＳＡＲ）图像数据,计算并对比分析了不同波段海面的后向散射系数的差异。系统给出了ＳＡＲ图谱到海浪二维谱的计算过程,改进了一些处理方法以适用于内波分布海面,并利用众ＳＡＲ图像获得的海浪谱,简要分析了内波与风成海浪的相互作用,探讨该区内波的激励因素,认为潮流是激励温跃层在该海区产生有规模内波的主要因素。     

利用温度链对南海内波振幅的观测

内波的实测资料一般为走航或者浮标布站观测得到的一个关于时间和空间的大面资料,将此资料进行滤波后,进行简单的数值处理,即可得到内波的振幅。但是这种资料较少,布控站位难度较大,成本也较高,是一种不易获取的资料。本文利用的温度链资料是一种获取简单,成本也较低的实测资料。利用温度链资料基于内波带动水质点上下波动的物理过程,进行内波振幅的计算,将会有较大的适用性。     

内波远距离传播演化的实验研究

为了研究内波远距离传播过程中的演化规律,本文采用图像测速法(PIV)分别对内波近场和远场的速度场进行测量。实验中同时采用两台CCD相机对实验区域进行拍摄,根据实验结果对内波能量和垂向模态结构进行计算分析。实验结果表明,在近场区域生成的内波主要表现为内波射线结构。内波射线在经过海表面反射后,其能量在空间上出现非对称结构,能量在加强区域较减弱区增加约15%。在远场,内波射线结构不再清晰,内波主要表现为低模态内波结构。内波射线在反射时能量衰减显著,损失约为50%;低模态内波可以离开内波生成源地远距离传播,传播过程中能量损失较小,在远场传播过程中(第一模态内波半波长的距离)能量损失约20%。低模态内波的传播相速度介于垂向第一模态和第二模态相速度之间。     

南海北部中尺度涡与内波相遇的特征分析

基于2009年12月~2010年4月南海北部大陆坡上东沙岛以西的一套潜标资料,分析一个中尺度涡与内波相遇时海水温度的变化特征。根据潜标上的温压记录,利用功率谱分析,发现潜标布放处存在周期为20~30 min的内孤立波及全日和半日周期的内潮;结合海表面高度异常资料,描述此处一个中尺度涡的经过过程。利用天文潮大潮发生的时间规律,推断出中尺度涡与内波的相遇,从而解释了压力记录的异常变化。根据中尺度涡与内波各自引起的海流流向,分析在本次观测中两者相遇时的共同作用所引起的海水温度的垂向变化,即当两者引起的流向相反时,内波引起的日周期等温线波动由上凸型弧状变为下凹型弧状,短时震荡由向下振荡变化为向上振荡。     

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。     

船载内波快速观测技术设计

针对船载内波尤其内孤立波观测所面临的数据采样和快速下放所面临的技术问题,系统介绍了船载内波快速观测技术设计的基本路线.主要设计包括:系统的总体设计,SBE-49 CTD外部扩展数据采集系统技术,C8051F320和NAND结构的FLASH设计和甲板作业设备.满足了内波快速观测技术设计的要求.     

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。     

吕宋海峡内波传播演化的数值模拟

吕宋海峡生成的内波在往南海西部传播的过程中,具有明显的二维辐射特征,这是传统的一维KdV模式无法刻画的.基于弱二维的KP方程,并结合南中国海吕宋海峡附近内孤立波的观测资料,模拟了潮成内波的演化特征.数值结果较好地反应了内孤立波的二维特征.相比于一维的KdV方程,KP在内孤立波的仿真反演方面具有更大的优势.     

南海北部内波活动下的声速剖面重构方法研究

在内波条件下,水声信道稳定性变差,声速剖面的重构具有一定难度。与其他方法相比,经验正交分解法优点在于能用少量参数进行重构,而不需要引入大量的参数。利用南海北部陆坡测量的温度链数据,采用经验正交分解法对声速剖面进行重构。结果表明:在内波剧烈的南海北部海域,通过经验正交分解法重构声速剖面具有可行性,其前3个模态累计贡献率达到96.7%。分析样本的周期覆盖率对重构结果的影响后发现,当样本覆盖完整的海洋潮汐活动周期时,基于EOF分析对本组声速剖面的重构均方根误差小于1.1 m/s,重构声速剖面结果理想;而当采集的样本不能覆盖完整周期时,误差较大。     

南海北部孤立子内波生成条件的初步数值研究

南海北部是一个孤立子内波活动频繁的海域,早在20世纪70年代,Fett等[1]就从卫星图片中发现在东沙群岛附近存在着孤立子内波;近年来,在该海域又多次观测到孤立子内波的活动(图1)[2-4];在1998年5～6月期间,中国科学院南海海洋研究所的“实验三号”科学考察船执行“南海季风实验”计划在南海北部东沙群岛以南进行定点观测时,也曾观测到孤立子内波的活动。     

应用非线性薛定谔方程模拟深海内波的传播

本文选取东沙岛以东深海区域,应用描述深海内波的非线性薛定谔方程,采用啁啾的思想,研究了频散和非线性效应之间的关系,模拟了深海内波的传播.数值模拟内波演变趋势与MODIS影像拍摄到的内波演变趋势基本符合,从而验证了应用非线性薛定谔方程模拟深海弱非线性内波传播的合理性.     

基于光学遥感MODIS的安达曼海内波时空分布与传播特性研究

This paper describes investigations of the internal waves in the Andaman Sea using Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer(MODIS) imagery over the period of June 2010 to May 2016. Results of the spatial and temporal distribution, generation sources and propagation characteristics of internal waves are presented. The statistical analysis shows that internal waves can be observed in almost the entire area of the Andaman Sea. Most internal waves are observed in the northern, central and southern regions of the Andaman Sea. A significant number of internal waves between 7°N and 9°N in the East Indian Ocean are also observed. Internal waves can be observed year-round in the Andaman Sea, while most of internal waves are observed between February and April, with a maximum frequency of 15.03% in March. The seasonal distribution of the internal waves shows that the internal waves have mostly been observed in the dry season(February to April), and fewer internal waves are observed in the rainy season(May to October). The double peak distribution for the occurrence frequency of internal waves is found. With respect to the lunar influence, more internal waves are observed after the spring tide, which implies the spring tide may play an important role in internal wave generation in the Andaman Sea. Generation sources of internal waves are explored based on the propagation characteristics of internal waves. The results indicate that six sources are located between the Andaman Islands and the Nicobar Islands, and one is located in the northern Andaman Sea. Four regions with active internal wave phenomenon in the Andaman Sea were presented during the MODIS survey, and the propagation speed of internal waves calculated based on the semidiurnal generation period is smaller than the results acquired from pairs of the images with short time intervals.     

南海北部东沙群岛西部海域的海底沙波与内波的研究进展

南海北部外陆架和上陆坡分布着大量的各种类型的深水沙波,经过统计,这些沙波的活动性十分迥异,有着不同于浅水沙波的运移机制。基于国内外对该地区沙波研究成果的总结,指出天文潮、风暴潮等因素均不可能造成海底沙波的持续运动。南海北部同时是世界上内波活动最频繁的区域,与沙波活动区存在空间一致性。经过本文的综述分析,南海北部频发的内波可以造成海底的强流,是造成该海域海底沙波活动的主要原因,未来应在此框架理论下,进行相关证实研究。     

海洋孤立内波数值模型的初步研究

用两层海洋模型数值研究了一个孤立内波的一维无耗散传播模式，证实该模式描写了海洋孤立内波单向传播性。