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。     

基于机器学习的内孤立波波要素关系研究

内孤立波在海洋中的传播会携带能量和动量,不同振幅的内孤立波对海洋中的能量交换及海上工程等影响也不同,因此,研究内孤立波振幅与半波宽度、水深、分层条件、密度等水文特征参量之间的关系显得尤为重要.以往在研究中建立内孤立波振幅与它们之间的关系时,会受到不同理论有效适用范围的限制.本文借助实验室的水槽方法,设计了不同的水深、分...     

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.     

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。     

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TerraSAR-X卫星数据的内孤立波参数和海表流速信息提取的探索研究

本文利用TerraSAR-X(TSX)卫星于2010年4月22日在南海东沙岛附近海域获取的数据进行海洋内孤立波动力要素和海表流速信息的提取研究。基于TSX数据的后向散射强度信息,利用经验模态分解法得到内孤立波半波宽度,再利用两层模型法和参数化法计算得到内孤立波振幅和相速度。反演结果显示,利用参数化方法得到的振幅(约21~39 m)和两层模型法得到的相速度(约1.07 m/s)与历史实测资料较为一致。进而利用TSX的顺轨干涉数据获取研究海域内的多普勒速度,再分别采用M4S模型法和直接分离法处理,进而提取海表流速。结果显示,两种方法得到的海表流速的全场平均值较为一致,均为1.10 m/s左右。M4S模型法对流速最大值的改变量较大而直接分离法对流速最小值的改变量较大。M4S模型对内孤立波波峰线区域海表流速的修正大于无内孤立波的海域。最后,基于KdV方程计算得到内孤立波引起的表面流的流速约为0.28 m/s,对反演出的海表流速贡献占比23%。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

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.     

基于支持向量机预测安达曼海南部内孤立波传播特性

内孤立波是发生在密度稳定层化海水中的一种特殊的海洋内波.预测内孤立波传播难度较大.本文提出了一种方法,利用美国麻省理工学院大气环流模型(MITgcm)的内孤立波模型计算了大量模拟数据,建立数据库.采用机器学习的方法,建立一个基于支持向量机(support vector machine,SVM)的安达曼海南部内孤立波传播...     

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.     

地转及均匀背景流场对混合层深度SAR遥感反演的影响

以考虑了地转和均匀背景流场影响的两层流体界面内波频散关系模型为基础,得到新的利用SAR遥感图像计算混合层深度的方法。利用该方法对一幅南海北部SAR内波图像进行了实例研究,并且和时空同步的CTD资料进行了对比。结果表明,加入地转和均匀背景流场影响的模型更为合理,为更准确地反演混合层深度奠定了基础。