郭靖，杜涛

（1.中国海洋大学海洋环境学院，山东青岛266100；2.中国人民解放军91329部队，山东威海264300）

利用SAR遥感卫星资料研究东海内孤立波时空分布特征

郭靖1,2，杜涛1

（1.中国海洋大学海洋环境学院，山东青岛266100；2.中国人民解放军91329部队，山东威海264300）

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。

内孤立波；东中国海；合成孔径雷达

1 引言

通过合成孔径雷达（SAR）观测内波始于1976年Elachi和Apel的研究[1]，而内波的成像机理直到1985年才被Alpers揭示出来[2]。1986年Thompson和Gasparovic对内波在L波段和X波段SAR图像上的特征进行了仿真研究，并与该波段SAR图像中的实际特征作了比较，验证了Alpers的理论[3]。Brandt给出了一个描述直布罗陀海峡非线性内波传播的两层数值模式，基于对150多幅内波SAR影像的分析研究，表明所提出的模式可以较好的描述直布罗陀海峡内波的时空演化[4]。DaSilva利用近实时的地球资源卫星ERS-1的SAR图像指导海洋内波的调查研究[5]。

许多学者也利用SAR卫星图像对我国近海内波方面作了多方面的研究。如，Liu利用ERS的SAR研究了南海内孤立波的分布[6]。Hsu等利用卫星图像研究了东海部分海域的内波特征，特别是对台湾东北部复杂内波生成机制进行了研究，并绘制了台湾东北部的内波[7]。方欣华、杜涛对黄海和整个南海海域内孤立波的时空分布做了全面细致的分析研究[8]。

国内外学者通过SAR对东海海域内孤立波做了许多研究，但这些研究大多集中在台湾东北部海域，缺乏对整个东海海域的内孤立波分布的系统研究。本文通过分析从1995—2010年间的SAR图像资料，对整个东海海域内孤立波的时间分布特征、空间分布特征及个别海域内孤立波的传播速度进行了分析研究。

2 SAR及数据

SAR是一种主动式微波成像雷达。它通过适当处理所获得的海面后向散射测量信号，产生标准化后向散射截面的图像。这些图像的分辨率可达到几米到几十米量级，因而能够详细地显示出海面粗糙度的空间细节变化。自20世纪70年代末开始，美国的Seasat、欧空局ERS-1/2和加拿大的Radarsat等卫星上的合成孔径雷达已经获取了大量的图像，通过分析这些图像中由内波引起的海面粗糙度的变化可以获得众多海洋内波的遥感观测资料，从而为内波研究提供丰富的信息。

图1 内波、表面波和SAR图像灰度的关系

图2 SAR影像观测到的内孤立波

SAR对内波成像主要包含以下3个物理过程[9]：

（1）内波在传播过程中引起表层流场发生辐聚辐散，见图1a；

（2）表层流场的辐聚辐散对海表微尺度波的调制，改变了海表的粗糙度，见图1b；

（3）粗糙度的改变影响了雷达波后向散射的强度，使SAR图像中的灰度值发生变化；粗糙海表面的后向散射强度大，在SAR图像上呈现亮条纹，反之则呈现暗条纹，见图1c。

当卫星SAR图片的明暗条纹是由内波的影响产生时，可以通过观察这些明暗条纹的位置、条纹数量、间距、辐射方向以及相邻两条纹组的相对距离和发生时间等，研究内波出现的空间位置、传播方向和传播速度等内波要素。图2是ERS-2卫星的合成孔径雷达拍摄到的台湾东北部附近的图像，从图像中可以明显地看到众多明暗相间的条纹。利用这些条纹，可以提取内波的波长和波向等要素信息，再结合其他海洋要素就能够反演内波波速等要素。

本文的ERS-1/2卫星SAR图像来自“中国科学院对地观测与数字地球科学中心(http://cs.rsgs.ac. cn/cs_cn/cshome.asp)”。按需求选择区域、卫星、数据获取时间、图像云量，下载卫星影像资料。本文选择的是ERS-1/2卫星，从1995—2010年卫星图像。卫星图片的像素为512×512，100 km×100 km。本文选取图像覆盖范围为（21°—32°N，119°—125°E）

3 统计方法

3.1 区域划分

由于东海海域东侧一些区域存在大量资料缺失，且该区域能观测到内孤立波的图像极少，所以将东侧一些区域忽略。根据ERS-1/2卫星的运行轨迹，将所研究区域划成许多个大小约为100 km× 100 km的地理区块，它们与SAR影像图观测的范围一致。整个区域划分后如棋盘一般（见图3）。然后，分别以字母和数字为横、纵坐标将每个小区块进行编号。例如，图3中左下角的小区块编号为C1。

3.2 统计方法

在划分的每一个小区块中，分别统计覆盖该区块的遥感图像总数和含有内孤立波的图像数量。根据图像中内孤立波出现的位置、形状，将该内孤立波绘制到实际区域的相应位置上，可以得到东海内孤立波的总体分布图（见图4）。对于内孤立波出现次数较多的区域，需要进一步统计内孤立波出现次数的月分布和农历日分布情况。据此，可以了解内孤立波在全年各月份中的出现情况是否一致，内孤立波的出现和潮流的变化关系是否密切等。

当内孤立波是由潮流和地形作用产生或者SAR图像中的内孤立波是从内潮波中演变产生时，参照杨劲松等的方法[10-11]，内孤立波传播速度可以这样近似获得：首先，从SAR图像上沿着内孤立波的弧线辐射方向、测量两相邻的独立内孤立波群的头波之间的距离Λ，依据该内孤立波群是由半日潮还是全日潮产生的确定这两相邻内孤立波群之间的时间间隔（半日潮或全日潮周期）T，内孤立波的传播速度C可这样计算：

图3 东海内孤立波区域划分

图4 东海西部内孤立波空间分布图

4 统计结果

4.1 空间分布

将所下载的卫星SAR图片按照划分后的小区块一一定位并编号。找出其中含有内孤立波的图片，依据其定位，将图片中的内孤立波按照位置和形状绘制到代表实际海域的图中，最终得到东海的内孤立波的空间分布图（见图4）。依据整个东海内孤立波的空间分布图可知，内孤立波分布较为集中的区域一个是台湾东北部海域，另一个是长江口、杭州湾外以及舟山群岛附近的海域。剩余的海域内孤立波也有出现，但出现的数量相对较少。

进一步分析这两个海域中内孤立波在遥感图片上的特征，不难发现出现在两个海域中的内孤立波各具特色。出现在台湾东北部海域的内孤立波具有如下特征：（1）每一组内孤立波的波峰线都比较短；（2）各种传播方向的内孤立波相互交错。

而出现在长江口、杭州湾外和舟山群岛附近海域的内孤立波则具有这样的特征：（1）与一般陆架浅海区内孤立波不同，这里既有向岸传播的内孤立波，也有离岸传播的内孤立波；（2）波峰线既有与等深线平行趋势的，也有不具备这一特征的。

4.2 时间分布

4.2.1 月变化分布

为了解东海内孤立波出现较多的两个海域（长江口、杭州湾外舟山群岛附近和台湾东北部）中、内孤立波在一年内各月份分布情况的变化规律，需要分别计算这两个海域内孤立波出现次数和出现概率随月份的分布情况。内孤立波在某月份出现的概率=该月观测到的内孤立波数（含有内孤立波的SAR图像数）/该月SAR图像总数。图5和图6分别是长江口附近海域内孤立波出现次数和出现概率的月分布情况。在该海域，虽然内孤立波在每个月出现的次数不同，但在一年中每个月都会出现；从概率上看，以3—8月内孤立波的出现概率比较大，1月内孤立波的出现概率最低。

在东海的陆架海域，季节性跃层在每年的3月份后进入成长期，至5月份已相当强盛，9月份以后又开始减明，从11月到次年2月基本消失。所以，图5和图6所示的长江口、杭州湾外已及舟山群岛附近海域的内孤立波出现次数和出现概率随月份变化是与东海陆架海域海洋跃层随月份变化有着基本一致变化规律。跃层强的月份，内孤立波出现的次数多或概率大。或者可以说，两者的强弱变化规律是基本一致的。而在没有季节跃层的月份仍观测到有内孤立波出现，说明这些内孤立波的产生与季节性跃层关系不大，它们很可能产生于长江口附近的陆地淡水和海水的对流混合[8]。

图5 长江口附近海域内孤立波出现次数的月分布规律

图6 长江口附近海域内孤立波出现概率的月分布规律

图7 台湾东北部海域内孤立波出现次数的月分布规律

图8 台湾东北部海域内孤立波出现概率的月分布规律

图7 和图8是台湾东北部海域内孤立波出现次数和出现概率的月分布情况。可以看出：台湾东北部海域的内孤立波也是每个月都出现，但每个月出现的次数不同；内孤立波出现概率的月分布情况比较复杂，6、7、9、12月出现概率较高，其它月份出现概率相对较低。这与东海陆架海域海洋跃层随月份变化的规律明显不完全一致。

比较两个海域内孤立波出现次数和出现概率月分布情况，共同点是：两个海域的内孤立波在每个月都会出现。不同点是：在长江口、杭州湾外已及舟山群岛附近海域，内孤立波出现概率大小的变化和东海陆架海域海洋跃层强弱的变化有着较为一致的密切关系。即，跃层强时内孤立波的出现概率就大；跃层弱时内孤立波的出现概率就小。在台湾东北部海域，夏季跃层较强时，内孤立波的出现概率也较大；但在其他季节，两者的强弱变化和大小变化步调不是特别一致。

4.2.2 农历日变化分布

将东海内孤立波SAR影像的时间数据由公历日期转换为农历日期，然后分别统计计算长江口、杭州湾外已及舟山群岛附近海域和台湾东北部海域内孤立波出现次数和概率的农历日分布情况，绘制出相应的日分布图。（图中日期均为农历日期，1至30分别代表初一至三十）

图9和图10分别是长江口、杭州湾以及外舟山群岛附近海域从农历初一至三十内孤立波的出现次数和出现概率的日分布情况。可以看出，在农历十六至十九和农历初二，内孤立波出现概率有小的峰值，说明强的潮流对内孤立波的出现可能会有促进作用，但是整体来看，内孤立波出现概率的大小与潮流强弱的变化规律并不完全一致。因此，在长江口、杭州湾以及外舟山群岛附近海域，当有强潮流出现时内孤立波可能在该海域出现，也可能不出现。这一点与吕宋海峡的内孤立波情况[12-13]不一样。在吕宋海峡，强潮流虽然也不是导致内孤立波产生的唯一因素，但只要强潮流出现，内孤立波就可以产生[14]。

图9 长江口附近海域内孤立波出现次数的农历日分布规律

图10 长江口附近海域内孤立波出现概率的农历日分布规律

图11 台湾东北部海域内孤立波出现次数的农历日分布规律

图12 台湾东北部海域内孤立波出现概率的农历日分布规律

图11 和图12分别是台湾东北部海域内孤立波出现次数和概率的农历日分布情况。内孤立波出现概率在农历初一、初四和十四、十七的大潮期间呈现较高的峰值，表明大潮前后较强的潮流可能有利于内孤立波的产生或出现。但就整个月份来看，这个作用并不是决定性的。因为大潮期间内孤立波的出现概率并不总是处在高峰，且小潮期间，内孤立波的出现概率也并非一定特别低。

限于每天观测的SAR图像的总数不一样，并且观测样本数目较小，对内孤立波出现概率的农历日分布规律的分析结果，存在误差是必然的，这里的结果仅作为参考。

图13 长江口附件和台湾东北部海域内孤立波波速统计（单位：m/s）

4.3 内孤立波波速

依据本文3.2所述从遥感图像中推算内孤立波传播速度的方法，选取一些典型的图像，分别对长江口、杭州湾外以及舟山群岛附近海域和台湾东北部海域内孤立波的传播速度进行了计算，结果如图13。在台湾东北部海域，内孤立波传播波速约为0.6—0.8 m/s。在长江口、杭州湾外和舟山群岛附近海域，内孤立波传播波速约为0.6 m/s左右。台湾东北部内孤立波波速计算结果与杨劲松等的结果一致[10]。

5 结论

利用从1995—2010年间的ERS-1和ERS-2 SAR卫星数据，研究了东海内孤立波的时、空分布，通过分析研究得到以下结论:

（1）从内孤立波的空间分布特征发现，东海内孤立波集中出现在两个海域：台湾东北部海域和长江口、杭州湾外以及舟山群岛附近海域；

（2）东海内孤立波的时间分布特征：在长江口、杭州湾外以及舟山群岛附近海域，内孤立波在全年各月都有可能发生，3—8月内孤立波的出现概率较高，1月内孤立波的出现概率最低；内孤立波出现概率的高低与东海陆架海域跃层的出现及强弱变化规律有一致的地方；即，跃层强时，内孤立波出现的概率变大；跃层弱时，内孤立波出现的概率变小。同样，农历大潮期间潮流较强时，内孤立波的出现概率也可能会较高。在台湾东北部海域，内孤立波也是在全年各月都可能出现，在6、7、9、12月出现概率较高，其它月份出现概率相对较低；内孤立波出现概率和东海陆架海域的跃层变化没有密切关系；农历大潮期间潮流较强时，内孤立波的出现概率也可能提高；

（3）内孤立波的传播速度：台湾东北部海域内孤立波传播波速约为0.6—0.8 m/s，长江口、杭州湾外以及舟山群岛附近海域内孤立波传播波速约为0.6 m/s；

（4）较强的潮流会增加内孤立波在台湾东北部海域和长江口、杭州湾外以及舟山群岛附近海域的出现或产生的概率或可能性。

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[2]Alpers.Theory of Radar Imaging of Internal Waves[J].Nature, 1985,314:245-247.

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Spatial and temporal characteristics of internal solitary waves in the East China Sea from SAR images

GUO Jing1,2，DU Tao1
（1.College of Physical and Environmental Oceanography,Ocean University of China,Qingdao 266003 China; 2.PLA Unit 91329,Weihai 264300 China）

By analyzing the SAR images of ERS-1/2 from 1995 to 2010,the spatial and temporal distribution of internal solitary waves in the whole East China Sea are studied.The speeds of internal solitary waves in two special areas are also calculated.The research shows that internal solitary waves in the East China Sea occur mainly in two areas:the northeast sea area of Taiwan and the sea area around Yangtze Estuary,Hangzhou Bay, and the Zhoushan Islands.Tidal current is not the only factor that can affect the occurrence of internal solitary waves in the two areas.When the pycnocline is strong in the sea area around Yangtze Estuary,Hangzhou Bay, and the Zhoushan Islands,internal waved occur more possibly.The calculated internal wave speed is about 0.6 m/s in the northeast sea area to Taiwan while it is about 0.6—0.8 m/s in the other area.

internal solitary waves；East China Sea；SAR

P731.24

：A

：1003-0239（2014）05-0001-07

10.11737/j.issn.1003-0239.2014.05.001

2013-10-30

国家“973”计划（2007CB416605）

郭靖(1986-)，男,硕士研究生，主要从事海洋内波研究。E-mail:ggguojinggg@gmail.com