基于X波段雷达获取东沙群岛附近内波的传播速度

吕海滨, 何宜军, 申 辉

(1. 淮海工学院 测绘工程学院, 江苏 连云港 222005; 2.中国科学院 海洋环流与波动重点实验室, 山东 青岛266071; 3. 南京信息工程大学 海洋科学学院, 江苏 南京 210044)

海洋内波是很重要的一种海洋中尺度现象, 在层化海洋中的陆架上被频繁地发现。海洋学家一直以来大多用卫星影像来研究海洋内波。许多不同的卫星影像被用来研究南海的非线性内波的空间分布特征[1-3]。东沙群岛附近的大振幅非线性内波可能是从吕宋海峡传来。此外, 大振幅非线性内波可以损害水下油气钻井平台[4]。对于东沙群岛附近非线性内波的传播速度, Bole等[5]发现在东沙群岛附近内波传播速度介于 0.5～1.5 m/s之间, 有时最大超过 3 m/s;Ramp等[6]发现在南海东北部大振幅非线性内波向西传播的波速达到 3 m/s; 甘锡林等[7]处理了多种遥感影像得出东沙群岛附近内波的传播速度介于 1.5～2 m/s之间; Cai等[8]在同一东沙群岛海区观测得到内孤立波的相速度1.36 m/s, 得到的传播角度290°。由于大振幅孤立波具有很大的破坏性, 所以研究东沙群岛附近大振幅内波的特性是有必要的。Ramos等[9]证明利用X波段雷达研究内波参数比卫星遥感更有优势。本文的工作就是在东沙群岛附近, 利用Radon变换技术对 X波段雷达影像进行处理, 获取东沙群岛附近内波的传播速度等信息。

1 数据获取

由中国科学院知识创新工程重大项目组织进行的海上考察第二航次历时29 d, 其中从2009年6月24日15时40分到25日16时40分对东沙群岛的东北部陆架上 K106 站(117°37.6198´E,21°02.2990´N)进行了连续观测, 水深697 m(图1)。本航次利用船载X波段雷达对海表回波信息进行观测记录, 雷达工作频率9.4 GHz, HH极化。‘科学一号’考察船利用GPS进行定位, 同时利用SBE 911plus CTD和温度链来监测温盐信息, 温度链长240 m, CTD每4 h采样一次。此次监测中, 成功地测到一个振幅大于100 m的孤立内波, 如图2中线框所示。下面主要对该孤立波利用 Radon变换技术求取其波速, 然后利用同样的方法求取了本航次其他部分站点(图1)测到的部分内波波速信息。

2 图像处理

X波段船载雷达能监测后向散射强度, 该后向散射强度与海面粗燥度有关。图3a～b显示了大尺度缓慢移动的内波信息。在现场25 h连续观测中, ‘科学一号’随着海流漂移。船的位置附近有个大的亮环,由于船的位置在缓慢地漂移, 为了进行有效的对比分析, 把两幅影像经过坐标变换, 放在同一个坐标系。

2.1 图像增强处理

该过程包括一次小波分解, 然后进行小波逆变换, 目的是尽量滤除海表杂波信息。然后利用Radon变换从后向散射强度影像中提取内波参数信息。

2.2 Radon变换

在二维图像平面, Radon变换就是计算图像函数f(x,y)在同一个平面上, 沿指定角度射线方向上投影的变换方法。Radon变换可在任意维空间定义, 而且定义也存在多种形式, 下面给出在2D空间的定义式:

式中,g(x,y)代表在(x,y)处的影像灰度;δ是狄拉克函数;ρ是坐标原点到直线的垂直距离;θ是垂线与x轴的夹角。

图1 南海东沙附近部分测站Fig. 1 The sampling sites around the Dongsha Islands of the South China Sea

图2 温度链25 h连续监测的温度数据Fig. 2 The internal soliton wave was recorded by the rmistor chains during in-situ measurement for 25 hours

3 孤立波传播速度和传播方向

经过Radon变换, 图3a,b雷达影像的Radon空间分布分别对应图4a,b, 表1列出了孤立波距离原点的距离ρ和角度θ, 在该孤立波传播过程中, 传播方向基本保持一致。因此, 可以计算该孤立波的传播速度, 它在1 670 s里传播了 5 137 m, 其速度为C0= 5137/1670=3.08 m/s。因为孤立波传播速度受背景流影响, 所以, 应该把背景流速从C0中减去。Yang等[10]取内孤立波到达前的30 min内的平均流定义为背景流, Shroyer等[11]取内孤立波到达前的15 min内的平均流定义为背景流。我们把该孤立波到达之前的30 min里声学多普勒流速剖面仪(ADCP)所测流的平均值作为背景流,其等于0.04 m/s。所以该孤立波的传播速度C=3.08－0.04=3.04 m/s。由于Radon变换存在180°模糊, 结合东沙群岛附近孤立波向西北陆架传播的监测事实, 其传播方向为 270°+27°=297°。

图3 “科学一号”调查船上X波段雷达获取的2009年6月24日后向散射影像图Fig. 3 Backscatter power image recorded on board R/V Science 1 on 24 June 2009

图4 Radon空间里后向散射强度图Fig. 4 Backscatter power image in normalized Radon space

表1 孤立波相对坐标原点的ρ和θTab. 1 Distance (ρ)and angle (θ)from the internal soliton wawe to origin of the coordinate

4 其他站点内波的波速

本航次历时29 d, 期间X波段雷达测到大量内波信息, 大部分出现在陆架陆坡处。前面已经基于Radon变换技术讨论了K106站在6月24日测到的振幅超过 100 m的孤立子的波速, 下面基于同样的处理方法, 求解了本航次中获取的其他站点(图 1)部分内波的波速信息, 具体见表2。

由表2可见, 南海东北部陆架处内波, 主要西北方向传播。传播速度大小与地理空间分布没有必然联系。由于没有同步的温度链获取水下内波的传播信息, 这里仅仅通过 X波段雷达获取的表面回波信息, 求取了部分站点测到的内波的波速。

表2 基于X波段雷达获取部分站点的内波波速Tab. 2 Internal wave velocity at some sampling sites by X-band radar

5 结论

东沙群岛附近大振幅非线性内波对海上石油平台破坏性很大, 本文主要研究了东沙群岛附近振幅大于100 m孤立子内波, 利用2009年6月24日获取的船载X波段雷达影像, 在该海域利用Radon变换技术获取了大振幅内孤立波传播速度。利用该孤立波到达前30 min的ADCP流速值, 计算内波传播方向上的背景流流速为0.04 m/s。最终得出该孤立波的传播速度为3.04 m/s, 传播方向约为297°。基于同样的处理方法, 求解了本航次中获取的南海东北部陆架处其他站点部分内波的波速信息, 南海东北部陆架处内波, 主要向西北方向传播。

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[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.