劉曉燕，楊倩，常俊芳，曾侃

（1.山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東青島 266001；2.山東省海洋儀器儀表科技中心，山東青島 266001；3.國(guó)家海洋局東海預(yù)報(bào)中心，上海 200080；4.中國(guó)海洋大學(xué)，山東青島266003）

基于SAR海浪方向譜的西北太平洋海浪特性研究

劉曉燕1，2，楊倩1，常俊芳3，曾侃4

（1.山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東青島 266001；2.山東省海洋儀器儀表科技中心，山東青島 266001；3.國(guó)家海洋局東海預(yù)報(bào)中心，上海 200080；4.中國(guó)海洋大學(xué)，山東青島266003）

摘要：應(yīng)用中國(guó)海洋大學(xué)海洋遙感研究所基于Hasselmanns提出的MPI方法用C語(yǔ)言開發(fā)的SAR反演海浪方向譜的軟件，對(duì)2003年1月—2012年1月間西北太平洋海域Envisat波模式數(shù)據(jù)進(jìn)行海浪方向譜反演，共得到西北太平洋海域觀測(cè)的海浪方向譜146 796個(gè)。統(tǒng)計(jì)由反演的海浪方向譜得到的海浪有效波高、平均波向、平均波周期等數(shù)據(jù)，分析了西北太平洋海浪場(chǎng)分布的特點(diǎn)，得到了一些有參考意義的結(jié)果。

關(guān)鍵詞：SAR海浪方向譜；海浪特性；西北太平洋

1　　引言

早期的海浪觀測(cè)主要依賴于現(xiàn)場(chǎng)定點(diǎn)浮標(biāo)獲得的時(shí)間序列海浪有效波高數(shù)據(jù)，在時(shí)間和空間上都有一定的局限性?？臻g衛(wèi)星技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展為海浪觀測(cè)提供了新的技術(shù)手段。星載合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar，SAR）是一種主動(dòng)式微波成像雷達(dá)，它對(duì)海浪的獨(dú)特的觀測(cè)能力始于1978年Seasat-A/SAR數(shù)據(jù)［1］。20世紀(jì)90年代后，以歐空局發(fā)射的ERS-1、2/SAR和Envisat/ASAR為代表，世界各國(guó)發(fā)射的星載SAR為海浪研究和預(yù)報(bào)提供了強(qiáng)有力的支持。1991年，德國(guó)著名科學(xué)家Hasselmanns首先提出了衛(wèi)星SAR海浪圖像譜與海浪方向譜之間的非線性理論關(guān)系，并基于數(shù)據(jù)同化的概念提出了從SAR圖像反演海浪方向譜的方法（Max Planck Institute，MPI）［1］。隨后，諸多學(xué)者亦展開了SAR反演海浪方向譜的研究［2-8］。太平洋處于亞洲大陸、大洋洲、南極洲、南美洲、北美洲之間，是四大洋中面積最大、深度最深的。我國(guó)瀕臨西北太平洋，20世紀(jì)60年代以來(lái)，中國(guó)海及西北太平洋等海域，都遭受過多次重大和特大災(zāi)害性海浪的沖擊，致使沿海海上和沿岸近海漁業(yè)的生產(chǎn)、港口碼頭、交通運(yùn)輸、鹽業(yè)生產(chǎn)等造成多起巨大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡事件。因此，深入研究其海浪場(chǎng)的時(shí)間變化規(guī)律及空間上的分布特性，對(duì)我國(guó)有極其重大的意義與應(yīng)用前景。眾多學(xué)者利用各種數(shù)據(jù)源（現(xiàn)場(chǎng)、高度計(jì)、模式）研究過西北太平洋的海浪場(chǎng)［9-15］，結(jié)果表明：（1）西北太平洋季平均和月平均有效波高，冬季最大，高達(dá)2.0 m以上，有效波高2.5—4 m 的5級(jí)大浪頻率小于20%；春季、秋季，高達(dá)1.5 m左右，大浪頻率小于13%；夏季最小，小于1.0 m，大浪頻率小于10%；（2）整個(gè)太平洋的有效波高呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，大約每年增加0.5—3 cm。目前為止，未見利用SAR海浪方向譜數(shù)據(jù)進(jìn)行海浪場(chǎng)時(shí)空分布特征研究的文獻(xiàn)。本文應(yīng)用中國(guó)海洋大學(xué)海洋遙感研究所基于Hasselmanns提出的MPI方法用C語(yǔ)言開發(fā)的SAR反演海浪方向譜的軟件［16-17］反演得到的海浪方向譜數(shù)據(jù)，對(duì)西北太平洋海域海浪場(chǎng)的

2　　方法與數(shù)據(jù)

2.1 MPI反演方法

星載SAR并非對(duì)海浪直接成像，SAR僅與海面短重力波或毛細(xì)波相互作用從而成像。由于海浪對(duì)海面短重力波的調(diào)制作用，因而在SAR圖像上可觀測(cè)到作為調(diào)制信號(hào)的海浪信息，表現(xiàn)為明暗相間的波紋圖像。從SAR圖像可以反演獲得海浪方向譜。

1991年，Hasselmann等［1］根據(jù)SAR工作原理和流體力學(xué)理論提出包含傾斜調(diào)制、流體力學(xué)調(diào)制和速度聚束的SAR海浪成像機(jī)制，將二維海浪譜同SAR圖像譜聯(lián)系起來(lái)，推導(dǎo)出從海浪方向譜到SAR圖像譜的非線性變換關(guān)系。對(duì)于垂直極化和右視的SAR，各調(diào)制函數(shù)表示如下：

在此只給出Hasselmanns SAR對(duì)海浪成像的完全非線性關(guān)系的式（式（6））及其一階近似準(zhǔn)線性式（式（9））（詳細(xì)推導(dǎo)過程見Hasselmanns等的文章［1］）：

式中：n表示非線性階數(shù)，m為速度聚束參數(shù)β的階數(shù)，kx表示方位向波數(shù)。

Krogstad根據(jù)Hasselmanns推導(dǎo)出的海浪方向譜到SAR圖像譜的非線性變換關(guān)系，通過迭代求逆方法得到最優(yōu)海浪方向譜的MPI反演算法［2］。MPI反演流程圖見圖1。

圖1 MPI反演算法流程圖

圖1可以看出MPI算法的框架核心是一個(gè)迭代求逆過程。該過程需要SAR圖像譜和第一猜測(cè)譜作為輸入項(xiàng)。通過迭代來(lái)不斷修改海浪方向譜，使得第一猜測(cè)譜通過非線性變換得到的模擬SAR圖像譜盡量接近觀測(cè)的SAR圖像譜。定義了價(jià)值函數(shù)J（式（12）），當(dāng)J取最小值時(shí)所得的海浪方向譜為最適海浪方向譜。迭代初始所用的海浪方向譜稱為第一猜測(cè)譜，它由海浪數(shù)值預(yù)報(bào)模式WAM計(jì)算得來(lái)。WAM的運(yùn)行需要海面風(fēng)場(chǎng)和海底地形作為輸入。

此方程的解采用準(zhǔn)線性變換關(guān)系式（9）進(jìn)行迭代求出。譜的初值為第一猜測(cè)譜。假設(shè)為經(jīng)過n次迭代后的近似解，可用式（6）進(jìn)行計(jì)算。若改進(jìn)解：

相應(yīng)地有：

由式（9）可知：

則式（12）可寫成：

則變分方程式（13）取極小值得：

式中：

由ΔFn求得Fn+1，然后進(jìn)行下一次迭代，直至滿足一定的條件為止。假設(shè)：

在大多數(shù)的情況下，選取：

中國(guó)海洋大學(xué)海洋遙感研究所基于上述MPI方法應(yīng)用C語(yǔ)言開發(fā)了SAR反演海浪方向譜的軟件。軟件構(gòu)成框架圖如圖2所示。應(yīng)用該反演軟件分別在全球以及中國(guó)海和西北太平洋海域內(nèi)，對(duì)反演的海浪有效波高數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)浮標(biāo)有效波高數(shù)據(jù)進(jìn)行了同步印證。結(jié)果顯示：在全球海域，反演誤差為5.2%。在中國(guó)海和西北太平洋反演誤差為4.9%。對(duì)比國(guó)際上的反演精度，ORSI基于MPI方法的海浪方向譜反演軟件在中國(guó)海和西北太平洋的表現(xiàn)性能與其相當(dāng)［9-10］。

圖2反演軟件構(gòu)成框架圖

2.2數(shù)據(jù)介紹

2.2.1 SAR波模式數(shù)據(jù)

Hasselmanns提出的MPI迭代循環(huán)需要觀測(cè)的SAR圖像譜作為輸入項(xiàng)。本文用于反演海浪方向譜的數(shù)據(jù)是Envisat_ASAR波模式單視復(fù)數(shù)據(jù)Level 1B產(chǎn)品ASA_WVI_1P，來(lái)源于歐洲太空局（European Space Agency，ESA）。其數(shù)據(jù)是一個(gè)個(gè)的小圖像，大小為10 km×5 km，小圖像在軌道方向的間距為100 km，極化方式為VV或者HH，每天在全球海域可得到大約2 500個(gè)小圖像。

2.2.2數(shù)值預(yù)報(bào)模式數(shù)據(jù)

MPI反演算法需要海浪數(shù)值預(yù)報(bào)模式提供初猜譜信息。本文第一猜測(cè)譜使用的是WAM cycle4.5的數(shù)值模式結(jié)果。WAM的運(yùn)行需要風(fēng)場(chǎng)和地形數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)。本文采用ECMWF ERA 40再分析模式風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，其空間分辨率為1°×1°，時(shí)間間隔為6 h。下載網(wǎng)址：http：//apps.ecmwf.int/datasets/，采用全球地形數(shù)據(jù)：TerrainBase Global Land Elevation and Ocean Depth（tbase），其空間分辨率為5′。下載網(wǎng)址：http：//rda.ucar.edu/datasets/ds759.2/。

3　　反演結(jié)果

圖3是SAR反演軟件的輸出結(jié)果示例圖。輸出的產(chǎn)品是原始SAR圖像和它對(duì)應(yīng)的反演結(jié)果。圖3a為SAR圖像；圖3b為SAR圖像譜，由SAR圖像通過FFT變換得到；圖3c為第一猜測(cè)譜，是WAM模式預(yù)報(bào)結(jié)果；圖3d為最優(yōu)譜，即反演得到的海浪方向譜，并且可以輸出海浪的有效波高（Sig.Height）、平均波長(zhǎng)（Avg.Length）、平均周期（Avg.Period）、平均波向（Avg.Dir）等海浪參數(shù)。

本文利用該SAR反演海浪方向譜軟件對(duì)2003 年1月—2012年1月間西北太平洋海域的Envisat波模式數(shù)據(jù)進(jìn)行海浪方向譜反演，共獲得海浪方向譜觀測(cè)數(shù)據(jù)146 796個(gè)。統(tǒng)計(jì)由反演的海浪方向譜得到的海浪有效波高、平均波向、平均波周期等數(shù)據(jù)，研究了西北太平洋海浪場(chǎng)的各季節(jié)性分布特征。

圖3 MPI算法反演結(jié)果

4　　分析與討論

利用反演得到的146 796組海浪有效波高及平均波向數(shù)據(jù)，將有效波高按0—0.5 m，0.5—1 m，1—1.5 m，1.5—2 m，2—2.5 m，2.5—3 m，3—3.5 m，3.5—4 m，＞4 m，波向按N，NNE，NE，ENE，E，ESE，SE，SSE，S，SSW，SW，WSW，W，WNW，NW，NNW進(jìn)行頻率統(tǒng)計(jì)，以20°—30°N為過渡區(qū)域，圖4中B區(qū)域（研究中發(fā)現(xiàn)該海區(qū)南北海域海浪場(chǎng)分布特征差異較大，故由北至南分3個(gè)區(qū)域進(jìn)行分析，詳見圖4），得到了西北太平洋海域春夏秋冬四季的海浪統(tǒng)計(jì)玫瑰圖（見圖5—8）。綜合圖5—8以及統(tǒng)計(jì)的有效波高、平均波周期數(shù)據(jù)分析，得西北太平洋的海浪場(chǎng)各季節(jié)分布特征如下（注：本文浪向均代表海浪傳播的方向）。

春季，西北太平洋A、B、C海區(qū)海浪統(tǒng)計(jì)玫瑰圖如圖5所示。西北太平洋30°N以北海域，浪向分布較為雜亂，但以E-SSE浪向?yàn)橹?，頻率達(dá)20%以上。20°—30°N海域內(nèi)，浪向由以北海域盛行的東偏南浪向向20°N以南海域盛行的西偏南浪向過度，總體以偏南浪向?yàn)橹?。春季西北太平洋的平均有效波高?.8 m左右，平均周期在7 s左右。

圖4西北太平洋研究海域

圖5西北太平洋春季A、B、C海區(qū)海浪統(tǒng)計(jì)玫瑰圖

圖6西北太平洋夏季A、B、C海區(qū)海浪統(tǒng)計(jì)玫瑰圖

夏季，西北太平洋A、B、C海區(qū)海浪統(tǒng)計(jì)玫瑰圖如圖6所示。西北太平洋30°N以北海域西南季風(fēng)盛行，浪向總體以東偏北向（E-N）為主，整體發(fā)生頻率可達(dá)40%以上。20°—30°N海域則以西偏北浪向（W-N）為主，整體頻率達(dá)55%。20°N以南海域則以西偏南浪向（W-S）為主，發(fā)生頻率48%左右。夏季西北太平洋的平均有效波高在1.2 m左右，平均周期在6 s左右。

秋季，西北太平洋A、B、C海區(qū)海浪統(tǒng)計(jì)玫瑰圖如圖7所示。西北太平洋30°N以北海域浪向分布較為平均，但以偏東浪向（NE-SE）為多，頻率在33%左右，其中以E為主向浪。20°—30°N海域則是西偏南浪向（W-S）為主，整體發(fā)生頻率可達(dá)65%。 20°N以南海域盛行偏西浪（WNW-SW），發(fā)生頻率72%。秋季西北太平洋平均有效波高為1.6 m左右，平均周期在6—7 s左右。

冬季，西北太平洋A、B、C海區(qū)海浪統(tǒng)計(jì)玫瑰圖如圖8所示。這是西北太平洋海域海浪場(chǎng)最強(qiáng)的季節(jié)。30°N以北海域盛行西風(fēng)帶作用突出，浪向?yàn)闁|偏南向（E-S），頻率在46%以上。20°—30°N的過渡海域，則整體以偏南浪向（SE-SW）為主，整體發(fā)生頻率可達(dá)55%。20°N以南海域則以西南浪向（WSW-SW）為主，整體頻率60%以上。冬季西北太平洋平均有效波高在2.4 m左右，平均波周期約7—8 s。

鑒于近10 a的數(shù)據(jù)積累，本文統(tǒng)計(jì)了西北太平洋海浪有效波高在2003—2011年間平均年有效波高的變化趨勢(shì)（見圖9）。發(fā)現(xiàn)西北太平洋的年平均有效波高在這幾年間整體呈現(xiàn)出微弱的上升趨勢(shì)。通過擬合得到其上升趨勢(shì)約為1.8 cm/a，這與之前的學(xué)者研究的北太平洋的海浪有效波高上升趨勢(shì)（0.5—3 cm/a）［9-10］的結(jié)論不沖突。其中2005年的異常情況可能是因?yàn)檎觊g有8個(gè)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)和熱帶風(fēng)暴發(fā)生，其中有6次強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的中心風(fēng)速大于等于45 m/s所致；而2010年是我國(guó)氣候異常、極端、罕見創(chuàng)世紀(jì)之最的一年，海浪有效波高也發(fā)生異常。

圖7西北太平洋秋季A、B、C海區(qū)海浪統(tǒng)計(jì)玫瑰圖

5　　結(jié)論與展望

本文利用ORSI基于MPI方法應(yīng)用C語(yǔ)言開發(fā)的SAR反演海浪方向譜的軟件，反演得到了西北太平洋2003—2011年間146 796組海浪方向譜數(shù)據(jù)。利用這些數(shù)據(jù)分析了西北太平洋的海浪場(chǎng)分布特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)以20°—30°N為過渡海域，其南北海域海浪場(chǎng)分布特征差異較大。同時(shí)發(fā)現(xiàn)西北太平洋海浪有效波高在2003—2011年間整體呈現(xiàn)出微弱的上升趨勢(shì)，通過擬合得到其上升趨勢(shì)約為1.8 cm/a。但本文應(yīng)用的是基于MPI方法的海浪方向譜反演方法，其反演精度相比于PARSA反演算法略低，況且應(yīng)用觀測(cè)的SAR圖像反演海浪方向譜以研究海浪場(chǎng)的分布特征，必須收集大量的SAR數(shù)據(jù)。以后的工作中，我們會(huì)致力于提高反演算法的精度，繼續(xù)收集長(zhǎng)時(shí)間序列的SAR數(shù)據(jù)，更加深入的分析西北太平洋的海浪場(chǎng)特性。

圖8西北太平洋冬季A、B、C海區(qū)海浪統(tǒng)計(jì)玫瑰圖

圖9 2003—2011年年際平均有效波高變化趨勢(shì)

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中圖分類號(hào)：P731.22

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0239（2016）03-0018-09

DOI：10.11737/j.issn.1003-0239.2016.03.003

收稿日期：2015-09-06

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)青年基金（41206165）；海洋赤潮災(zāi)害立體監(jiān)測(cè)技術(shù)與應(yīng)用國(guó)家海洋局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助課題（MATHAB 201302）。

作者簡(jiǎn)介：劉曉燕（1989-），女，研究實(shí)習(xí)員，碩士，從事衛(wèi)星海洋遙感研究。E-mail：ouclxy@163.com分布特征進(jìn)行了研究。

Research on the sea wave characteristics of northwest Pacific Ocean based on SAR directional ocean wave spectra

LIU Xiao-yan1，2，YANG Qian1，CHANG Jun-fang3，ZENG Kan4
（1.Institute of Oceanographic Instrumentation，Shandong Academy of Sciences，Qingdao 266001 China；2.The center of Marine instrumentation science and technology of Shandong Province，Qingdao 266001 China；3.Forecast center of East China Sea of State Oceanic Administration，Shanghai 200080 China；4.Ocean University of China，Qingdao 266003 China）

Abstract：A software for retrieving directional ocean wave spectra from SAR images has been developed by Ocean Remote Sensing Institute of Ocean University of China using C++programming language，based on the MPI method proposed by Hasselmanns.This software is designed to support the wave mode data of Envisat/ ASAR as input data，and its applicability has been validated.In this paper the software is applied to retrieve directional ocean wave spectra from wave mode data of Envisat/ASAR over the Northwestern Pacific ocean during the period between Jan.2003 and Jan.2012，and 146796 observed wave spectras are got.Then the retrieved significant wave height，average wave direction and average wave period are counted.Some valuable results are acquired while analyzing the characteristics of the sea wave in the Northwest Pacific ocean by using those counted datas.

Key words：SAR directional ocean wave spectra；wave characteristics；Northwest Pacific Ocean