南海东北部深水海域大振幅内孤立波SAR遥感仿真研究

为了克服基于两层海洋的内孤立波SAR遥感仿真模型的缺陷,使用基于连续分层海洋模型的GK-dV方程,在南海东北部深水海域进行了大振幅内孤立波传播模拟,模拟输出内孤立波振幅91.0m,半波宽度262.0m。然后使用新建立的基于连续分层海洋模型的内孤立波SAR遥感仿真模型进行了内孤立波反演,反演出内孤立波半波宽度251.5m...     

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。     

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。     

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。     

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。     

安达曼海内孤立波的潜标观测分析研究

安达曼海是内孤立波生成最多的海域之一,目前对其研究大多基于卫星遥感,缺乏基于现场观测资料的相关研究。本文通过2016年至2017年布放在安达曼海中部的锚系潜标对该海域内孤立波的方向和强度进行研究,结果表明在研究区域内孤立波主要向东北方向传播,最大振幅可达100 m。应用彻体力理论预测了研究海域内孤立波波源的分布,与遥感统计结果基本一致,并且波源位置更精确,可直观地给出不同波源激发内孤立波的能力。本文分别用浅水方程、深水方程和有限深方程对安达曼海中部内孤立波相速度进行模拟,结合卫星遥感分析发现该海域内孤立波的产生符合Lee波机制,在三种方程中有限深方程的模拟效果与潜标观测最相符。     

内孤立波波-波相互作用的数值模拟

基于弱二维的KP方程，并结合南中国海东沙群岛附近内孤立波的观测资料，模拟了内孤立波的波-波相互倌用0数值结果较好的反应了内孤立波的二维特征，同时体现两个内孤立波波-波相互作用的非线性特征，即两波相交处相速随振幅的增大而变大。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。     

内孤立波对不同水深竖直圆柱体水平作用力分析

采用理论研究和试验研究相结合的方法,对两层流体中内孤立波对不同水深竖直圆柱体水平作用力进行了分析。采用重力塌陷法进行内孤立波造波试验,通过PIV(Particle Image Velocimetry)技术获取内孤立波波剖面的时间序列,利用测力系统对竖直圆柱体在内孤立波作用下的受力进行测量。通过内孤立波波剖面试验分析,选取合适的内孤立波理论并对竖直圆柱体所受内孤立波作用力进行计算,将计算结果与试验结果进行汇总分析。结果表明:上层流体中圆柱体所受内孤立波最大水平作用力明显大于下层流体中各段圆柱体,且方向相反;随着内孤立波振幅的增大,各段圆柱体所受内孤立波最大水平作用力也相应地增大;密度跃层处圆柱体所受水平作用力具有相较于其他位置处更为复杂的变化趋势;选用合适的内孤立波理论进行计算能够较好的模拟竖直圆柱体的实际水平受力。     

A study of SAR remote sensing of internal solitary waves in the north of the South China Sea: Ⅱ. Simulation of SAR signatures of internal solitary waves

A new model developed from the full-spectrum model of Lyzenga and Bennett （ 1988 ） is built up by us preliminarily through considering the impact of the ocean surface mixed layer turbulence on SAR remote sensing of internal solitary waves. In the partial differential equation of the action spectral density of the surface gravity-capillary waves the source function representing the contribution of the turbulence is added besides the usual source function representing the contribution of the wind. The source function is determined by applying the κ - ε model and adopting the Nasmyth spectrum of oceanic turbulence （ Nasmyth, 1970; Oakey, 1982; Fan, 2002） on the basis of the previous simulation results of internal tide transformation obtained in the companion paper （Fan et al. ,2008）. Either under relatively high wind speed, or under low wind speed, our model predicts significant large modulations of radar backscatter at all three bands （ L, C and X bands） for both VV and HH polarization. These results prove that considering the impact of ocean surface mixed layer turbulence on SAR remote sensing of internal solitary waves is reasonable and appropriate for settlement of the well-known problem of contemporary radar imaging models.     

2009 年夏季东沙群岛附近内孤立波的现场观测

通过对东沙群岛附近2009年夏季测到的三个孤立波事件的分析, 结合现场的X 波段雷达、ADCP和CTD 观测, 发现内孤立波经过时, 伴有突发性强流, 最大水平东西分量U大于0.5 m/s, 周期大约15 min, 各深度层海流均为西向。第三个孤立波事件中, 雷达后向散射影像中包含至少4个亮条带, 其中最后的条带雷达表面信号最强。而内波表面信号强弱不仅与内波的振幅有关, 还可能与潮流、混合层深度等环境条件有关, 该研究可加深对内波遥感观测的理解。     

A study of SAR remote sensing of internal solitary waves in the north of the South China Sea:I.Simulation of internal tide transformation

For settlement of the well-known problem of contemporary radar imaging models,i.e.,the pmblem of a general underestimation of radar signatures of hydrodynamic features over oceanic internal waves and underwater bottom topography in tidal watels at at high radar frequency bands(X-band and C-band),the impact of the ocean surface mixed layer turbulence and the significance of strat-ified oceanic model on SAR remote sensing of internal solitary waves are proposed.In the north of the South China Sea by utilizing seme observed data of background field the nonlinearity coefficient,the dispersion coefficient,the horizontal variability coefficient and the phase speed in the generalized K-dV equation are determined approximately.Through simulations of internal tide transfor-mation the temporal evolution and spatial distribution of the vertical displacement and horizontal velocity of intereal wave field are obtained.The simulation results indicate that the maximum amplitudes of internal solitary waves occur at depth 35 m,but the maximum current speeds take place at depth 20 m in this area of the sea(about 20°30'N,114°E)in August.It was noticed that considering the effects of flood current and ebb current respectively is appropriate to investigate influence of the background shear flow on coefficients of the K-dV equation.The obtained results provide the possibility for the simulation of SAR signatures of inter-nal solitary waves under considering the impact of ocean surface mixed layer turbulence in the companion paper.     

A study of SAR remote sensing of internal solitary waves in the north of the South China Sea: Ⅰ. Simulation of internal tide transformation

For settlement of the well-known problem of contemporary radar imaging models, i. e. , the problem of a general underestimation of radar signatures of hydrodynamic features over oceanic internal waves and underwater bottom topography in tidal waters at high radar frequency bands （ X-band and C-band）, the impact of the ocean surface mixed layer turbulence and the significance of strat- ified oceanic model on SAR remote sensing of internal solitary waves are proposed. In the north of the South China Sea by utilizing some observed data of background field the nonlinearity coefficient, the dispersion coefficient, the horizontal variability coefficient and the phase speed in the generalized K-dV equation are determined approximately. Through simulations of internal tide transfor- mation the temporal evolution and spatial distribution of the vertical displacement and horizontal velocity of internal wave field are obtained. The simulation results indicate that the maximum amplitudes of internal solitary waves occur at depth 35 m, but the maximum current speeds take place at depth 20 m in this area of the sea （about 20°30＇N, 114°E） in August. It was noticed that considering the effects of flood current and ebb current respectively is appropriate to investigate influence of the background shear flow on coefficients of the K-dV equation. The obtained results provide the possibility for the simulation of SAR signatures of internal solitary waves under considering the impact of ocean surface mixed layer turbulence in the companion paper.     

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。     

Oceanic pycnocline depth retrieval from SAR imagery in the existence of solitary internal waves

Oceanic pycnocline depth is usually inferred from in situ measurements. It is attempted to estimate the depth remotely. As solitary internal waves occur on oceanic pycnocline and propagate along it, it is possible to retrieve the depth indirectly in virtue of the solitary internal waves. A numerical model is presented for retrieving the pycnocline depth from synthetic aperture radar （SAR） images where the solitary internal waves are visible and when ocean waters are fully stratified. This numerical model is constructed by combining the solitary internal wave model and a two-layer ocean model. It is also assumed that the observed groups of solitary internal wave packets on the SAR imagery are generated by local semidiurnal tides. A case study in the East China Sea shows a good agreement with in situ CTD （conductivity-temperature-depth） data.