基于X波段雷達獲取東沙群島附近內波的傳播速度

呂海濱, 何宜軍, 申 輝

(1. 淮海工學院 測繪工程學院, 江蘇 連云港 222005; 2.中國科學院 海洋環流與波動重點實驗室, 山東 青島266071; 3. 南京信息工程大學 海洋科學學院, 江蘇 南京 210044)

海洋內波是很重要的一種海洋中尺度現象, 在層化海洋中的陸架上被頻繁地發現。海洋學家一直以來大多用衛星影像來研究海洋內波。許多不同的衛星影像被用來研究南海的非線性內波的空間分布特征[1-3]。東沙群島附近的大振幅非線性內波可能是從呂宋海峽傳來。此外, 大振幅非線性內波可以損害水下油氣鉆井平臺[4]。對于東沙群島附近非線性內波的傳播速度, Bole等[5]發現在東沙群島附近內波傳播速度介于 0.5～1.5 m/s之間, 有時最大超過 3 m/s;Ramp等[6]發現在南海東北部大振幅非線性內波向西傳播的波速達到 3 m/s; 甘錫林等[7]處理了多種遙感影像得出東沙群島附近內波的傳播速度介于 1.5～2 m/s之間; Cai等[8]在同一東沙群島海區觀測得到內孤立波的相速度1.36 m/s, 得到的傳播角度290°。由于大振幅孤立波具有很大的破壞性, 所以研究東沙群島附近大振幅內波的特性是有必要的。Ramos等[9]證明利用X波段雷達研究內波參數比衛星遙感更有優勢。本文的工作就是在東沙群島附近, 利用Radon變換技術對 X波段雷達影像進行處理, 獲取東沙群島附近內波的傳播速度等信息。

1 數據獲取

由中國科學院知識創新工程重大項目組織進行的海上考察第二航次歷時29 d, 其中從2009年6月24日15時40分到25日16時40分對東沙群島的東北部陸架上 K106 站(117°37.6198′E,21°02.2990′N)進行了連續觀測, 水深697 m(圖1)。本航次利用船載X波段雷達對海表回波信息進行觀測記錄, 雷達工作頻率9.4 GHz, HH極化。‘科學一號’考察船利用GPS進行定位, 同時利用SBE 911plus CTD和溫度鏈來監測溫鹽信息, 溫度鏈長240 m, CTD每4 h采樣一次。此次監測中, 成功地測到一個振幅大于100 m的孤立內波, 如圖2中線框所示。下面主要對該孤立波利用 Radon變換技術求取其波速, 然后利用同樣的方法求取了本航次其他部分站點(圖1)測到的部分內波波速信息。

2 圖像處理

X波段船載雷達能監測后向散射強度, 該后向散射強度與海面粗燥度有關。圖3a～b顯示了大尺度緩慢移動的內波信息。在現場25 h連續觀測中, ‘科學一號’隨著海流漂移。船的位置附近有個大的亮環,由于船的位置在緩慢地漂移, 為了進行有效的對比分析, 把兩幅影像經過坐標變換, 放在同一個坐標系。

2.1 圖像增強處理

該過程包括一次小波分解, 然后進行小波逆變換, 目的是盡量濾除海表雜波信息。然后利用Radon變換從后向散射強度影像中提取內波參數信息。

2.2 Radon變換

在二維圖像平面, Radon變換就是計算圖像函數f(x,y)在同一個平面上, 沿指定角度射線方向上投影的變換方法。Radon變換可在任意維空間定義, 而且定義也存在多種形式, 下面給出在2D空間的定義式:

式中,g(x,y)代表在(x,y)處的影像灰度;δ是狄拉克函數;ρ是坐標原點到直線的垂直距離;θ是垂線與x軸的夾角。

圖1 南海東沙附近部分測站Fig. 1 The sampling sites around the Dongsha Islands of the South China Sea

圖2 溫度鏈25 h連續監測的溫度數據Fig. 2 The internal soliton wave was recorded by the rmistor chains during in-situ measurement for 25 hours

3 孤立波傳播速度和傳播方向

經過Radon變換, 圖3a,b雷達影像的Radon空間分布分別對應圖4a,b, 表1列出了孤立波距離原點的距離ρ和角度θ, 在該孤立波傳播過程中, 傳播方向基本保持一致。因此, 可以計算該孤立波的傳播速度, 它在1 670 s里傳播了 5 137 m, 其速度為C0= 5137/1670=3.08 m/s。因為孤立波傳播速度受背景流影響, 所以, 應該把背景流速從C0中減去。Yang等[10]取內孤立波到達前的30 min內的平均流定義為背景流, Shroyer等[11]取內孤立波到達前的15 min內的平均流定義為背景流。我們把該孤立波到達之前的30 min里聲學多普勒流速剖面儀(ADCP)所測流的平均值作為背景流,其等于0.04 m/s。所以該孤立波的傳播速度C=3.08－0.04=3.04 m/s。由于Radon變換存在180°模糊, 結合東沙群島附近孤立波向西北陸架傳播的監測事實, 其傳播方向為 270°+27°=297°。

圖3 “科學一號”調查船上X波段雷達獲取的2009年6月24日后向散射影像圖Fig. 3 Backscatter power image recorded on board R/V Science 1 on 24 June 2009

圖4 Radon空間里后向散射強度圖Fig. 4 Backscatter power image in normalized Radon space

表1 孤立波相對坐標原點的ρ和θTab. 1 Distance (ρ)and angle (θ)from the internal soliton wawe to origin of the coordinate

4 其他站點內波的波速

本航次歷時29 d, 期間X波段雷達測到大量內波信息, 大部分出現在陸架陸坡處。前面已經基于Radon變換技術討論了K106站在6月24日測到的振幅超過 100 m的孤立子的波速, 下面基于同樣的處理方法, 求解了本航次中獲取的其他站點(圖 1)部分內波的波速信息, 具體見表2。

由表2可見, 南海東北部陸架處內波, 主要西北方向傳播。傳播速度大小與地理空間分布沒有必然聯系。由于沒有同步的溫度鏈獲取水下內波的傳播信息, 這里僅僅通過 X波段雷達獲取的表面回波信息, 求取了部分站點測到的內波的波速。

表2 基于X波段雷達獲取部分站點的內波波速Tab. 2 Internal wave velocity at some sampling sites by X-band radar

5 結論

東沙群島附近大振幅非線性內波對海上石油平臺破壞性很大, 本文主要研究了東沙群島附近振幅大于100 m孤立子內波, 利用2009年6月24日獲取的船載X波段雷達影像, 在該海域利用Radon變換技術獲取了大振幅內孤立波傳播速度。利用該孤立波到達前30 min的ADCP流速值, 計算內波傳播方向上的背景流流速為0.04 m/s。最終得出該孤立波的傳播速度為3.04 m/s, 傳播方向約為297°。基于同樣的處理方法, 求解了本航次中獲取的南海東北部陸架處其他站點部分內波的波速信息, 南海東北部陸架處內波, 主要向西北方向傳播。

[1]Hsu M K, Liu A K. Nonlinear internal waves in the South China Sea [J]. Canadian Journal of Remote Sensing,2000, 26( 2): 72-81.

[2]Zheng Quan-an, Susanto R D, Ho C R, et al. Statistical and dynamical analyses of generation mechanisms of solitary internal waves in the northern South China Sea[J]. Journal of Geophysical Research-Oceans, 2007,112(C3): 1-16.

[3]Du Tao, Tseng Y H, Yan X H. Impacts of tidal currents and Kuroshio intrusion on the generation of nonlinear internal waves in Luzon Strait [J]. Journal of Geophysical Research-Oceans, 2008, 113(C8): 1-15.

[4]Hyder P, Jeans D R G, Cauquil E, et al. Observations and predictability of internal solitons in the northern Andaman Sea [J]. Applied Ocean Research, 2005, 27(1):1-11.

[5]Bole J B, Ebbesmeyer C C, Romea R D. Soliton currents in the South China Sea: measurements and theoretical modeling[C]//Offshore Technology Conference.1994 Offshore Technology Conference. Houston, Texas:Offshore Technology Conference, 1994:367-376.

[6]Ramp S R, Tang T Y, Duda T F, et al. Internal solitons in the northeastern South China Sea - Part I: Sources and deep water propagation [J]. Ieee Journal of Oceanic Engineering, 2004, 29(4): 1157-1181.

[7]甘錫林, 黃韋艮, 楊勁松, 等. 利用多源遙感衛星數據研究南海內波的時空分布特征[J]. 遙感技術與應用, 2007, 22(2): 341-345.

[8]Cai Shuqun, Gan Zijun, Long Xiaomin. Some characteristics and evolution of the internal soliton in the northern South China Sea[J]. Chinese Science Bulletin,2002, 47(1): 21-26.

[9]Ramos R J, Lund B, Graber H C. Determination of internal wave properties from X-Band radar observations [J].Ocean Engineering, 2009, 36(14): 1039-1047.

[10]Yang Y J, Fang Y C, Chang M H, et al. Observations of second baroclinic mode internal solitary waves on the continental slope of the northern South China Sea[J].Journal of Geophysical Research-Oceans, 2009, 114:1-15.

[11]Shroyer E, Moum J, Nash J. Observations of polarity reversal in shoaling nonlinear internal waves[J]. Journal of Physical Oceanography, 2009, 39(3): 691-701.