呂海濱, 何宜軍, 申 輝

(1. 淮海工學(xué)院 測繪工程學(xué)院, 江蘇 連云港 222005; 2.中國科學(xué)院 海洋環(huán)流與波動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島266071; 3. 南京信息工程大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院, 江蘇 南京 210044)

海洋內(nèi)波是很重要的一種海洋中尺度現(xiàn)象, 在層化海洋中的陸架上被頻繁地發(fā)現(xiàn)。海洋學(xué)家一直以來大多用衛(wèi)星影像來研究海洋內(nèi)波。許多不同的衛(wèi)星影像被用來研究南海的非線性內(nèi)波的空間分布特征[1-3]。東沙群島附近的大振幅非線性內(nèi)波可能是從呂宋海峽傳來。此外, 大振幅非線性內(nèi)波可以損害水下油氣鉆井平臺(tái)[4]。對(duì)于東沙群島附近非線性內(nèi)波的傳播速度, Bole等[5]發(fā)現(xiàn)在東沙群島附近內(nèi)波傳播速度介于 0.5～1.5 m/s之間, 有時(shí)最大超過 3 m/s;Ramp等[6]發(fā)現(xiàn)在南海東北部大振幅非線性內(nèi)波向西傳播的波速達(dá)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(nèi)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(qū)觀測得到內(nèi)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(nèi)波的特性是有必要的。Ramos等[9]證明利用X波段雷達(dá)研究內(nèi)波參數(shù)比衛(wèi)星遙感更有優(yōu)勢。本文的工作就是在東沙群島附近, 利用Radon變換技術(shù)對(duì) X波段雷達(dá)影像進(jìn)行處理, 獲取東沙群島附近內(nèi)波的傳播速度等信息。

1 數(shù)據(jù)獲取

由中國科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程重大項(xiàng)目組織進(jìn)行的海上考察第二航次歷時(shí)29 d, 其中從2009年6月24日15時(shí)40分到25日16時(shí)40分對(duì)東沙群島的東北部陸架上 K106 站(117°37.6198′E,21°02.2990′N)進(jìn)行了連續(xù)觀測, 水深697 m(圖1)。本航次利用船載X波段雷達(dá)對(duì)海表回波信息進(jìn)行觀測記錄, 雷達(dá)工作頻率9.4 GHz, HH極化?！茖W(xué)一號(hào)’考察船利用GPS進(jìn)行定位, 同時(shí)利用SBE 911plus CTD和溫度鏈來監(jiān)測溫鹽信息, 溫度鏈長240 m, CTD每4 h采樣一次。此次監(jiān)測中, 成功地測到一個(gè)振幅大于100 m的孤立內(nèi)波, 如圖2中線框所示。下面主要對(duì)該孤立波利用 Radon變換技術(shù)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(diǎn)(圖1)測到的部分內(nèi)波波速信息。

2 圖像處理

X波段船載雷達(dá)能監(jiān)測后向散射強(qiáng)度, 該后向散射強(qiáng)度與海面粗燥度有關(guān)。圖3a～b顯示了大尺度緩慢移動(dòng)的內(nèi)波信息。在現(xiàn)場25 h連續(xù)觀測中, ‘科學(xué)一號(hào)’隨著海流漂移。船的位置附近有個(gè)大的亮環(huán),由于船的位置在緩慢地漂移, 為了進(jìn)行有效的對(duì)比分析, 把兩幅影像經(jīng)過坐標(biāo)變換, 放在同一個(gè)坐標(biāo)系。

2.1 圖像增強(qiáng)處理

該過程包括一次小波分解, 然后進(jìn)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(qiáng)度影像中提取內(nèi)波參數(shù)信息。

2.2 Radon變換

在二維圖像平面, Radon變換就是計(jì)算圖像函數(shù)f(x,y)在同一個(gè)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(shù);ρ是坐標(biāo)原點(diǎn)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(xù)監(jiān)測的溫度數(shù)據(jù)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(jīng)過Radon變換, 圖3a,b雷達(dá)影像的Radon空間分布分別對(duì)應(yīng)圖4a,b, 表1列出了孤立波距離原點(diǎn)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(jì)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?yàn)楣铝⒉▊鞑ニ俣仁鼙尘傲饔绊? 所以, 應(yīng)該把背景流速從C0中減去。Yang等[10]取內(nèi)孤立波到達(dá)前的30 min內(nèi)的平均流定義為背景流, Shroyer等[11]取內(nèi)孤立波到達(dá)前的15 min內(nèi)的平均流定義為背景流。我們把該孤立波到達(dá)之前的30 min里聲學(xué)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(jié)合東沙群島附近孤立波向西北陸架傳播的監(jiān)測事實(shí), 其傳播方向?yàn)?270°+27°=297°。

圖3 “科學(xué)一號(hào)”調(diào)查船上X波段雷達(dá)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(qiáng)度圖Fig. 4 Backscatter power image in normalized Radon space

表1 孤立波相對(duì)坐標(biāo)原點(diǎn)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(diǎn)內(nèi)波的波速

本航次歷時(shí)29 d, 期間X波段雷達(dá)測到大量內(nèi)波信息, 大部分出現(xiàn)在陸架陸坡處。前面已經(jīng)基于Radon變換技術(shù)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(diǎn)(圖 1)部分內(nèi)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(nèi)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(lián)系。由于沒有同步的溫度鏈獲取水下內(nèi)波的傳播信息, 這里僅僅通過 X波段雷達(dá)獲取的表面回波信息, 求取了部分站點(diǎn)測到的內(nèi)波的波速。

表2 基于X波段雷達(dá)獲取部分站點(diǎn)的內(nèi)波波速Tab. 2 Internal wave velocity at some sampling sites by X-band radar

5 結(jié)論

東沙群島附近大振幅非線性內(nèi)波對(duì)海上石油平臺(tái)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(nèi)波, 利用2009年6月24日獲取的船載X波段雷達(dá)影像, 在該海域利用Radon變換技術(shù)獲取了大振幅內(nèi)孤立波傳播速度。利用該孤立波到達(dá)前30 min的ADCP流速值, 計(jì)算內(nèi)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(diǎn)部分內(nèi)波的波速信息, 南海東北部陸架處內(nèi)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(wèi)星數(shù)據(jù)研究南海內(nèi)波的時(shí)空分布特征[J]. 遙感技術(shù)與應(yīng)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.