星載微波散射計海面風場與海洋環境噪聲的相關特性分析

魏士儼,楊晟,許德偉

(1.國家海洋局第三海洋研究所，福建 廈門361005;2.國家衛星海洋應用中心，北京 100081)

星載微波散射計海面風場與海洋環境噪聲的相關特性分析

魏士儼1,楊晟2,許德偉1

(1.國家海洋局第三海洋研究所，福建 廈門361005;2.國家衛星海洋應用中心，北京 100081)

根據海洋環境噪聲機理及風關噪聲已有的研究成果，提出利用星載微波散射計反演的海面風場數據進行海洋環境噪聲分析，并對HY-2A和ASCAT數據與噪聲譜級的相關性進行了對比分析。選取南海海域作為研究區，利用潛標測量系統獲取的噪聲數據和多源散射計風場數據開展了相關實驗，并采用NCEP海面風場數據進行對比分析。結果表明，ASCAT數據與噪聲的相關性優于HY-2A，散射計數據優于NCEP數據，散射計風場更適合海洋環境噪聲的分析研究。該研究內容拓展了微波散射計風場數據的應用領域，并為海洋環境噪聲研究提供了更好的技術手段。

海面風場; HY-2A; ASCAT;海洋環境噪聲

1 引言

海洋環境噪聲作為海洋中所固有的背景聲場，是影響水聲目標探測和定位的重要因素，對于潛艇水下活動極為重要。因此，加強對海洋環境噪聲的研究是一個非常重要的課題。海洋環境噪聲聲源有很多，包括風、降雨、地震、潮汐、船舶、生物、人類活動等，其中，航船噪聲是頻率在50～500 Hz范圍內的主要噪聲源，風關噪聲是幾百赫茲至幾十千赫茲頻帶內的主要噪聲源[1]。在開闊海域，海面風速與海洋環境噪聲級之間具有高度相關的特點。1960年Dietz等[2]研究發現，在淺海海域當風速小于5 kn且頻率小于80 Hz的條件下，風速與噪聲譜級不存在相關性。1964年Piggott[3]從淺海的測量結果分析得出，在高頻部分，風速對數與噪聲譜級大致呈線性關系，在低頻段(頻率小于140 Hz)時，風速在25 kn以上才對噪聲有貢獻。1972年Crouch和Burt[4]將此結果推廣至深海海域。目前，最具代表性的噪聲場譜級曲線包括Knudsen譜、Wenz譜、Piggott譜、Crouch譜等[1，5]。林建恒等[6]利用在中國近海獲取的噪聲數據對海面風場進行修正估計，笪良龍等[7]利用預報的風速數據對南海夏季的海洋環境噪聲與風速的相關性進行了分析。

現有的海洋環境噪聲特性分析研究中，同步風場數據主要采用浮標測量得到的結果，由于其投入成本較高、覆蓋范圍較小，使得噪聲同步數據較為缺乏，制約了海洋環境噪聲研究的發展；而采用模式計算得到的海面風場，受初始場和邊界條件的影響，與實際觀測數據仍有區別。隨著衛星遙感技術的發展，特別是利用星載微波散射計實現了對全球海面風場的觀測，使大范圍、長時序的噪聲同步風場數據觀測成為可能，為海洋環境噪聲的特性研究提供了一種新的手段。

目前，MetOp系列衛星和HY-2A衛星微波散射計風場是全球業務化海面風場數據的主要來源，而利用星載微波散射計風場開展海洋環境噪聲特性的研究非常少，特別是還沒有針對多源散射計風場與噪聲譜級相關性的研究。因此，本文利用在南海典型海域通過潛標測量系統獲取的海洋環境噪聲數據，開展HY-2A和MetOp系列衛星微波散射計海面風場數據與噪聲譜級數據的相關性對比分析，為進一步利用衛星遙感技術進行海洋環境噪聲監測和建模的研究工作提供技術支持。

2 數據與方法

為了對不同星載微波散射計海面風場數據與海洋環境噪聲的相關性進行對比分析，本文將中國南海典型海域作為研究區，采用海洋環境噪聲數據、衛星微波散射計海面風場數據和NCEP(National Centers for Environmental Prediction)海面風場數據，通過時空匹配獲取對應的數據，開展相關的研究。

2.1 微波散射計海面風速數據

2011年8月發射的HY-2A衛星，搭載有我國第一個可業務化運行的衛星散射計HY-2A，其工作頻率為13.256 GHz，包括兩種極化方式(VV和HH)，對同一海面分辨單元能夠得到不同極化方式及入射角度的后向散射系數(σ°)觀測結果。HY-2A業務化運行采用NSCAT-2地球物理模型，測風風速范圍為4～24 m/s，風速精度為2 m/s或10%；風向測量范圍為0°～360°，風向精度為±20°。海面風場產品的空間分辨率25 km，1 d能夠覆蓋全球90%的海域[8]。

2006年10月發射MetOp-A衛星及2012年9月發射的MetOp-B衛星均搭載了散射計ASCAT(Advanced Scatterometer)，3個垂直極化的天線工作頻率為5.255 GHz。ASCAT采用CMOD4地球物理模型，測風風速范圍為4～24 m/s，風速精度為2 m/s或10%；風向測量范圍為0°～360°，風向精度為±20°[9]。海面風場產品的空間分辨率25 km，2 d能夠覆蓋全球海域[10]。

本文選取了2013-2015年南海海域ASCAT l2和HY-2A L2B海面風場數據。由于微波散射計適合探測的風速范圍為4～24 m/s，因此，剔除了超出此范圍的數據，并且根據衛星數據產品的質量標識，剔除了海岸、海冰區域以及其他質量不合格的數據。ASCAT和HY-2A風場數據空間格網為25 km×25 km。

2.2 NCEP海面風速數據

本文選取了2013-2015年間南海海域NCEP海面風場數據作為比對數據。風場數據時間分辨率為1 h，空間格網為25 km×25 km。

2.3 海洋環境噪聲級數據

2012-2015年間，在南海海域開展了多次利用潛標測量系統觀測海洋環境噪聲的實驗，實驗區域見圖1。

圖1中，主要標注了兩個長期觀測區域的潛標位置。實驗采用的潛標測量系統主要包括兩種測量單元：DSG(Digital Spectrogram Long-term Acoustic Recorder)和USR(Underwater Signal Recorder)。由于潛標系統包括不同深度的多個通道，本文中選取多個站位最上層通道獲取的噪聲數據，經數據質量控制，數據處理分析，得到觀測區域的海洋環境噪聲譜級。其中，海洋環境噪聲測量并沒有明確的質量控制方法，本文通過在時域空間選取較為平穩的信號，根據信號的頻率特性進行分析，從而實現質量控制。累計共獲得了不少于每年1個月時長的海洋環境噪聲觀測數據。數據的處理過程具體如下：

噪聲級定義如式(1)所示[11]，

NSL=20lg〈p2〉1/2,

(1)

式中，p為聲壓；NSL(noise spectrum level)為噪聲級，單位：dB·re·1 μPa2/Hz。本文中采用的是1/3倍頻程的噪聲級數據，計算公式如下：

NSL=NL1/3octive-10lg〈0.232f〉，

(2)

式中，NL1/3octive為1/3倍頻程的頻帶聲壓級；f為每個頻帶的中心頻率。

為了保證分析結果的準確性，采用Benjamin[12]的方法并結合航船等信息，將受到除風關噪聲以外，其他噪聲影響較大的數據剔除。該方法根據海面風速對數與其主要影響頻率范圍內噪聲級具有線性關系的性質，得出了該范圍內不同頻帶噪聲級之間也具有線性關系；因此，對不同中心頻率(本文中頻率范圍為630～2 500 Hz)的噪聲級數據兩個一組繪制散點圖并擬合直線，然后剔除誤差較大的數據，從而保留主要以海面風為源的噪聲級數據。

圖1 海洋環境噪聲觀測實驗區域Fig.1 Marine ambient noise measurement area

2.4 海面風速與海洋環境噪聲數據匹配

為了能夠準確地分析海面風速和海洋環境噪聲譜級的關系，需要對兩類數據進行時空匹配，提取風速-噪聲時空對應的數據。在提取風速數據時，時間匹配窗口為1 h；空間匹配窗口為50 km×50 km，當出現多組匹配數據時，選取距離最小的對應數據作為匹配結果。本文的實驗中，對ASCAT、HY-2A風速與噪聲進行了風速-噪聲數據時空匹配，共得到了匹配數據317對。同時，采用散射計風速與噪聲匹配后得到的噪聲數據的時空序列集合，對NCEP風速數據進行了提取。具體結果如圖2、圖3所示。

圖2 ASCAT風速-噪聲匹配結果的風速分布直方圖(146個數據)Fig.2 Histogram of ASCAT wind speed for wind-noise matching results (146)

圖3 HY-2A風速-噪聲匹配結果的風速分布直方圖(171個數據)Fig.3 Histogram of HY-2A wind speed for wind-noise matching results (171)

3 結果及分析

為了研究多源星載微波散射計海面風場與海洋環境噪聲之間的關系，本文開展了一系列的相關性進行分析。所有匹配數據的整體相關性如圖4所示。

圖4 風速對數與噪聲譜級的相關性Fig.4 Correlation between wind speed logarithm and NSL

其中，采用了Pearson相關系數來描述數據的相關性，計算公式如下：

(3)

由圖4可知，微波散射計風速和NCEP風速與噪聲譜級的關系符合相關理論和已有的研究成果，風速對噪聲的影響主要集中在400～2 500Hz的范圍內。微波散射計風速數據與噪聲譜級的相關性明顯優于NCEP風速的結果。在400Hz以上的頻段內，微波散射計風速比NCEP風速的相關系數高出0.1左右，在630Hz以上的頻段內，微波散射計風速的相關系數接近0.85，表現出與噪聲極強的相關性；而NCEP風速的相關系數穩定在0.75，與噪聲譜級的相關性不如微波散射計風速。

為了對多源散射計風速進行對比分析，分別計算了ASCAT和HY-2A風速對數與噪聲譜級的相關性，結果如圖5所示。

圖5 多源散射計風速對數與噪聲譜級的相關性Fig.5 Correlation between scatterometer wind speed logarithm and NSL

由圖5可知，兩種散射計風速數據與噪聲譜級的相關性明顯優于NCEP風速的結果。其中，在500Hz以上的頻段內，風速與噪聲譜級的相關性排序從大到小依次為：ASCAT風速、HY-2A風速、NCEP風速；在630Hz以上的頻段內，ASCAT風速的相關系數在0.85～0.9之間，HY-2A風速的相關系數穩定在0.8，ASCAT風速與噪聲譜級的相關性優于HY-2A風速。

在整體研究的基礎上，選取了兩個重點區域，即噪聲長期觀測的區域分別開展實驗，結果如圖6和圖7所示。

圖6 風速對數與噪聲譜級相關性(南海北部)Fig.6 Correlation between wind speed logarithm and NSL(the northern South China Sea)

圖7 風速對數與噪聲譜級相關性(南海中部)Fig.7 Correlation between wind speed logarithm and NSL(the central South China Sea)

在南海北部提取的風速-噪聲匹配數據中包含了56個ASCAT數據和69個HY-2A數據；在南海中部提取的風速-噪聲匹配數據中包含了49個ASCAT數據和60個HY-2A數據。在這兩個區域中，散射計風速與噪聲譜級的相關性優于NCEP風速。圖6中，在500Hz以上的頻段內，ASCAT風速的相關系數接近0.95，HY-2A風速接近0.9，NCEP風速穩定在0.75；圖7中，在500Hz以上的頻段內，ASCAT風速和HY-2A風速的相關系數均保持在0.8，NCEP風速仍穩定在0.73。南海北部數據的相關性優于南海中部，這主要是由于在兩個區域中，采用了不同的噪聲測量系統；而南海北部匹配的散射計數據與噪聲站位的平均距離小于南海中部，這在一定程度上也影響了相關性。根據已有的風關噪聲理論，噪聲譜級與風速對數存在線性關系，因此，本文對630～2 500Hz頻率范圍內的噪聲和風速數據進行了回歸分析，并選取了1 000Hz和1 600Hz的結果繪制了散點圖，如圖8～11所示。

圖8 風速與噪聲譜級散點圖(1 000 Hz) Fig.8 Wind speed vs NSL(1 000 Hz)

圖9 風速與噪聲譜級散點圖(1 600 Hz)Fig.9 Wind speed vs NSL(1 600 Hz)

圖10 散射計風速與噪聲譜級散點圖(1 000 Hz)Fig.10 Scatterometer wind speed vs NSL(1 000 Hz)

圖11 散射計風速與噪聲譜級散點圖(1 600 Hz)Fig.11 Scatterometer wind speed vs NSL(1 600 Hz)

上述可知，由ASCAT和HY-2A風速擬合的結果較為接近，而NCEP與散射計風速的擬合結果存在一定的偏差。為了更好地表達分析結果，如表1和表2所示，本文采用均方根誤差(RMSE)和平均絕對誤差(MAE)作為精度指標：

(4)

(5)

由表1、表2可知，散射計風速擬合結果的精度優于NCEP風速，ASCAT風速擬合結果的精度優于HY-2A風速；ASCAT風速的最高精度出現在2 000Hz的頻率位置，HY-2A出現在630Hz的頻率位置，NCEP出現在630Hz的頻率位置。3種數據的誤差最大值均在1 250Hz的頻率位置。綜上所述，就風速與噪聲譜級的相關性而言，ASCAT數據優于HY-2A數據，這主要是因為相關性在一定程度上受到散射計觀測海面風速精度的影響，精度越高，相關性應該越好。而散射計數據優于NCEP數據，其原因是散射計數據是觀測得到的結果，比NCEP數據更接近實際的風速。對于不同區域400～2 500Hz頻率范圍內的噪聲，散射計數據相關性存在一定范圍的波動，而NCEP數據相關性比較穩定。這是由于在同一區域的不同時刻，散射計數據的位置分布并不相同，而提取的結果是匹配窗口內距離噪聲點位置最近的數據，這導致匹配風速數據的分布存在一定的隨機性；而NCEP數據是采用的是固定格網，即同一個噪聲位置匹配的風速數據都具有相同位置坐標。

表1 風速對數與噪聲譜級擬合結果分析

表2 散射計風速對數與噪聲譜級擬合結果分析

4 結論

根據海洋環境噪聲的產生機理以及風關噪聲的研究成果，采用ASCAT、HY-2A海面風場數據和在中國南海海域利用潛標系統測量得到的海洋環境噪聲數據，開展了多源海面風場數據與海洋環境噪聲相關性的對比分析，并采用NCEP海面風場數據進行了對比驗證。實驗結果表明，散射計風速數據與海洋環境噪聲譜級的相關性優于NCEP數據，ASCAT數據優于HY-2A數據；回歸分析的結果也表明在研究風關噪聲時，ASCAT和HY-2A數據優于NCEP數據。下一步工作中，將開展利用星載散射計風場進行海洋環境噪聲建模的研究。

[1] Wens G M. Acoustic ambient noise in the ocean: spectra and sources[J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 1962, 34(12):1936-1952.

[2] Dietz F T, Kahn J S, Birch W B. Effect of wind on shallow water ambient noise[J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 1960, 32(7):915.

[3] Piggott C L. Ambient sea noise at low frequencies in shallow water of the Scotian Shelf[J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 1964, 36(11): 2152-2163.

[4] Crouch W W, Burt P J. The logarithmic dependence of surface-generated ambient-sea-noise spectrum level on wind speed[J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 1972, 51(3): 1066-1072.

[5] Knudsen V O, Afford R S, Emling J W. Underwater ambient noise[J]. Journal of Marine Research, 1948, 7(3):410-429.

[6]林建恒,蔣國健,苑泉樂,等. 一種海洋環境噪聲估計風速的修正法[J]. 聲學學報, 2013, 31(3):276-280.

Lin Jianheng, Jiang Guojian, YuanQuanle, et al. A modified method of evaluating wind speed by ocean ambient noise[J]. Acta Acustica, 2013, 31(3):276-280.

[7] 笪良龍,王超,盧曉亭,等. 基于潛標測量的海洋環境噪聲譜特性分析[J]. 海洋學報, 2014, 36(5): 54-60.

Da Lianglong, Wang Chao, Lu Xiaoting, et al. The characteristic analysis of ambient sea noise spectrum based on submersible buoy[J]. Haiyang Xuebao, 2014, 36(5): 54-60.

[8] 林明森,鄒巨洪,解學通,等. HY-2A微波散射計風場反演算法[J]. 中國工程科學,2013,15(7):68-74.

Lin Mingsen, Zou Juhong, Xie Xuetong, et al. HY-2A microwave scatterometer wind retrieval algorithm[J]. Engineering Sciences, 2013, 15(7): 68-74.

[9] Figa-Saldana J, Wilson J J W, Attema E, et al. The advanced scatterometer (ASCAT)on the meteorological operational (MetOp)platform:A follow on for European wind scat-terometers[J]. Canadian Journal of Remote Sensing, 2002, 28(3): 404-412.

[10]劉宇昕, 張毅, 王兆徽, 等. 基于ASCAT微波散射計風場與NCEP再分析風場的全球海洋表面混合風場[J]. 海洋預報, 2014, 31(3): 10-18.

Liu Yuxin, Zhang Yi, Wang Zhaohui, et al. Global sea surface blended winds based on the scatterometer winds and NCEP reanalyzed winds[J]. Marine Forecasts, 2014, 31(3):10-18.

[11] Carey W M. Sound sources and levels in the ocean[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2006, 31(1): 61-75.

[12] Benjamin Reeder D, Sheffield E S, Mach S M. Wind-generated ambient noise in a topographically isolated basin: A pre-industrial era proxy[J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 2011, 129(1): 64-73.

Correlation analysis of satellite-bone microwave scatterometer wind and ocean ambient noise

Wei Shiyan1, Yang Sheng2, Xu Dewei1

(1.ThirdInstituteofOceanography,StateOceanicAdministration,Xiamen361005,China; 2.NationalSatelliteOceanApplicationService,Beijing100081,China)

According to the fundamental mechanisms and recent research results of wind-generated noise, satellite-bone microwave scatterometer wind (SMSW) was applied to ocean ambient noise study in this paper. The correlation between HY-2A/ Advanced Scatterometer(ASCAT) wind and ambient noise was analyzed. The ambient noise data of subsurface buoy and SMSW in South China Sea were adopted in the experiment and the National Centers for Environmental Prediction(NCEP) wind was used in comparison. The results show that correlation between ASCAT data and ambient noise is better than HY-2A, and SMSW is better than NCEP data. The SMSW is more applicable to ambient noise study. This research expanded application field of SMSW and provided a better approached for ambient noise research.

sea wind; HY-2A; ASCAT; ocean ambient noise

10.3969/j.issn.0253-4193.2017.05.006

2016-06-21；

2016-11-24。

海洋環境安全保障專項(2016YFC1401008)；海洋公益項目HY-2A環境探測數據應用服務技術系統與示范(2013418032-1)；福建省自然科學基金青年項目(2017J05064)；基于TG-2的海洋動力環境參數遙感融合技術研究。

魏士儼(1983—),男,寧夏自治區銀川市人,博士,主要研究領域為海洋遙感、海洋監測。E-mail：weishiyan@tio.org.cn

TP79

A

0253-4193(2017)05-0061-07

魏士儼, 楊晟, 許德偉. 星載微波散射計海面風場與海洋環境噪聲的相關特性分析[J]. 海洋學報, 2017, 39(5): 61-67,

Wei Shiyan, Yang Sheng, Xu Dewei. Correlation analysis of satellite-bone microwave scatterometer wind and ocean ambient noise[J]. Haiyang Xuebao, 2017, 39(5): 61-67, doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2017.05.006