星载微波散射计海面风场与海洋环境噪声的相关特性分析

魏士俨,杨晟,许德伟

(1.国家海洋局第三海洋研究所，福建 厦门361005;2.国家卫星海洋应用中心，北京 100081)

星载微波散射计海面风场与海洋环境噪声的相关特性分析

魏士俨1,杨晟2,许德伟1

(1.国家海洋局第三海洋研究所，福建 厦门361005;2.国家卫星海洋应用中心，北京 100081)

根据海洋环境噪声机理及风关噪声已有的研究成果，提出利用星载微波散射计反演的海面风场数据进行海洋环境噪声分析，并对HY-2A和ASCAT数据与噪声谱级的相关性进行了对比分析。选取南海海域作为研究区，利用潜标测量系统获取的噪声数据和多源散射计风场数据开展了相关实验，并采用NCEP海面风场数据进行对比分析。结果表明，ASCAT数据与噪声的相关性优于HY-2A，散射计数据优于NCEP数据，散射计风场更适合海洋环境噪声的分析研究。该研究内容拓展了微波散射计风场数据的应用领域，并为海洋环境噪声研究提供了更好的技术手段。

海面风场; HY-2A; ASCAT;海洋环境噪声

1 引言

海洋环境噪声作为海洋中所固有的背景声场，是影响水声目标探测和定位的重要因素，对于潜艇水下活动极为重要。因此，加强对海洋环境噪声的研究是一个非常重要的课题。海洋环境噪声声源有很多，包括风、降雨、地震、潮汐、船舶、生物、人类活动等，其中，航船噪声是频率在50～500 Hz范围内的主要噪声源，风关噪声是几百赫兹至几十千赫兹频带内的主要噪声源[1]。在开阔海域，海面风速与海洋环境噪声级之间具有高度相关的特点。1960年Dietz等[2]研究发现，在浅海海域当风速小于5 kn且频率小于80 Hz的条件下，风速与噪声谱级不存在相关性。1964年Piggott[3]从浅海的测量结果分析得出，在高频部分，风速对数与噪声谱级大致呈线性关系，在低频段(频率小于140 Hz)时，风速在25 kn以上才对噪声有贡献。1972年Crouch和Burt[4]将此结果推广至深海海域。目前，最具代表性的噪声场谱级曲线包括Knudsen谱、Wenz谱、Piggott谱、Crouch谱等[1，5]。林建恒等[6]利用在中国近海获取的噪声数据对海面风场进行修正估计，笪良龙等[7]利用预报的风速数据对南海夏季的海洋环境噪声与风速的相关性进行了分析。

现有的海洋环境噪声特性分析研究中，同步风场数据主要采用浮标测量得到的结果，由于其投入成本较高、覆盖范围较小，使得噪声同步数据较为缺乏，制约了海洋环境噪声研究的发展；而采用模式计算得到的海面风场，受初始场和边界条件的影响，与实际观测数据仍有区别。随着卫星遥感技术的发展，特别是利用星载微波散射计实现了对全球海面风场的观测，使大范围、长时序的噪声同步风场数据观测成为可能，为海洋环境噪声的特性研究提供了一种新的手段。

目前，MetOp系列卫星和HY-2A卫星微波散射计风场是全球业务化海面风场数据的主要来源，而利用星载微波散射计风场开展海洋环境噪声特性的研究非常少，特别是还没有针对多源散射计风场与噪声谱级相关性的研究。因此，本文利用在南海典型海域通过潜标测量系统获取的海洋环境噪声数据，开展HY-2A和MetOp系列卫星微波散射计海面风场数据与噪声谱级数据的相关性对比分析，为进一步利用卫星遥感技术进行海洋环境噪声监测和建模的研究工作提供技术支持。

2 数据与方法

为了对不同星载微波散射计海面风场数据与海洋环境噪声的相关性进行对比分析，本文将中国南海典型海域作为研究区，采用海洋环境噪声数据、卫星微波散射计海面风场数据和NCEP(National Centers for Environmental Prediction)海面风场数据，通过时空匹配获取对应的数据，开展相关的研究。

2.1 微波散射计海面风速数据

2011年8月发射的HY-2A卫星，搭载有我国第一个可业务化运行的卫星散射计HY-2A，其工作频率为13.256 GHz，包括两种极化方式(VV和HH)，对同一海面分辨单元能够得到不同极化方式及入射角度的后向散射系数(σ°)观测结果。HY-2A业务化运行采用NSCAT-2地球物理模型，测风风速范围为4～24 m/s，风速精度为2 m/s或10%；风向测量范围为0°～360°，风向精度为±20°。海面风场产品的空间分辨率25 km，1 d能够覆盖全球90%的海域[8]。

2006年10月发射MetOp-A卫星及2012年9月发射的MetOp-B卫星均搭载了散射计ASCAT(Advanced Scatterometer)，3个垂直极化的天线工作频率为5.255 GHz。ASCAT采用CMOD4地球物理模型，测风风速范围为4～24 m/s，风速精度为2 m/s或10%；风向测量范围为0°～360°，风向精度为±20°[9]。海面风场产品的空间分辨率25 km，2 d能够覆盖全球海域[10]。

本文选取了2013-2015年南海海域ASCAT l2和HY-2A L2B海面风场数据。由于微波散射计适合探测的风速范围为4～24 m/s，因此，剔除了超出此范围的数据，并且根据卫星数据产品的质量标识，剔除了海岸、海冰区域以及其他质量不合格的数据。ASCAT和HY-2A风场数据空间格网为25 km×25 km。

2.2 NCEP海面风速数据

本文选取了2013-2015年间南海海域NCEP海面风场数据作为比对数据。风场数据时间分辨率为1 h，空间格网为25 km×25 km。

2.3 海洋环境噪声级数据

2012-2015年间，在南海海域开展了多次利用潜标测量系统观测海洋环境噪声的实验，实验区域见图1。

图1中，主要标注了两个长期观测区域的潜标位置。实验采用的潜标测量系统主要包括两种测量单元：DSG(Digital Spectrogram Long-term Acoustic Recorder)和USR(Underwater Signal Recorder)。由于潜标系统包括不同深度的多个通道，本文中选取多个站位最上层通道获取的噪声数据，经数据质量控制，数据处理分析，得到观测区域的海洋环境噪声谱级。其中，海洋环境噪声测量并没有明确的质量控制方法，本文通过在时域空间选取较为平稳的信号，根据信号的频率特性进行分析，从而实现质量控制。累计共获得了不少于每年1个月时长的海洋环境噪声观测数据。数据的处理过程具体如下：

噪声级定义如式(1)所示[11]，

NSL=20lg〈p2〉1/2,

(1)

式中，p为声压；NSL(noise spectrum level)为噪声级，单位：dB·re·1 μPa2/Hz。本文中采用的是1/3倍频程的噪声级数据，计算公式如下：

NSL=NL1/3octive-10lg〈0.232f〉，

(2)

式中，NL1/3octive为1/3倍频程的频带声压级；f为每个频带的中心频率。

为了保证分析结果的准确性，采用Benjamin[12]的方法并结合航船等信息，将受到除风关噪声以外，其他噪声影响较大的数据剔除。该方法根据海面风速对数与其主要影响频率范围内噪声级具有线性关系的性质，得出了该范围内不同频带噪声级之间也具有线性关系；因此，对不同中心频率(本文中频率范围为630～2 500 Hz)的噪声级数据两个一组绘制散点图并拟合直线，然后剔除误差较大的数据，从而保留主要以海面风为源的噪声级数据。

图1 海洋环境噪声观测实验区域Fig.1 Marine ambient noise measurement area

2.4 海面风速与海洋环境噪声数据匹配

为了能够准确地分析海面风速和海洋环境噪声谱级的关系，需要对两类数据进行时空匹配，提取风速-噪声时空对应的数据。在提取风速数据时，时间匹配窗口为1 h；空间匹配窗口为50 km×50 km，当出现多组匹配数据时，选取距离最小的对应数据作为匹配结果。本文的实验中，对ASCAT、HY-2A风速与噪声进行了风速-噪声数据时空匹配，共得到了匹配数据317对。同时，采用散射计风速与噪声匹配后得到的噪声数据的时空序列集合，对NCEP风速数据进行了提取。具体结果如图2、图3所示。

图2 ASCAT风速-噪声匹配结果的风速分布直方图(146个数据)Fig.2 Histogram of ASCAT wind speed for wind-noise matching results (146)

图3 HY-2A风速-噪声匹配结果的风速分布直方图(171个数据)Fig.3 Histogram of HY-2A wind speed for wind-noise matching results (171)

3 结果及分析

为了研究多源星载微波散射计海面风场与海洋环境噪声之间的关系，本文开展了一系列的相关性进行分析。所有匹配数据的整体相关性如图4所示。

图4 风速对数与噪声谱级的相关性Fig.4 Correlation between wind speed logarithm and NSL

其中，采用了Pearson相关系数来描述数据的相关性，计算公式如下：

(3)

由图4可知，微波散射计风速和NCEP风速与噪声谱级的关系符合相关理论和已有的研究成果，风速对噪声的影响主要集中在400～2 500Hz的范围内。微波散射计风速数据与噪声谱级的相关性明显优于NCEP风速的结果。在400Hz以上的频段内，微波散射计风速比NCEP风速的相关系数高出0.1左右，在630Hz以上的频段内，微波散射计风速的相关系数接近0.85，表现出与噪声极强的相关性；而NCEP风速的相关系数稳定在0.75，与噪声谱级的相关性不如微波散射计风速。

为了对多源散射计风速进行对比分析，分别计算了ASCAT和HY-2A风速对数与噪声谱级的相关性，结果如图5所示。

图5 多源散射计风速对数与噪声谱级的相关性Fig.5 Correlation between scatterometer wind speed logarithm and NSL

由图5可知，两种散射计风速数据与噪声谱级的相关性明显优于NCEP风速的结果。其中，在500Hz以上的频段内，风速与噪声谱级的相关性排序从大到小依次为：ASCAT风速、HY-2A风速、NCEP风速；在630Hz以上的频段内，ASCAT风速的相关系数在0.85～0.9之间，HY-2A风速的相关系数稳定在0.8，ASCAT风速与噪声谱级的相关性优于HY-2A风速。

在整体研究的基础上，选取了两个重点区域，即噪声长期观测的区域分别开展实验，结果如图6和图7所示。

图6 风速对数与噪声谱级相关性(南海北部)Fig.6 Correlation between wind speed logarithm and NSL(the northern South China Sea)

图7 风速对数与噪声谱级相关性(南海中部)Fig.7 Correlation between wind speed logarithm and NSL(the central South China Sea)

在南海北部提取的风速-噪声匹配数据中包含了56个ASCAT数据和69个HY-2A数据；在南海中部提取的风速-噪声匹配数据中包含了49个ASCAT数据和60个HY-2A数据。在这两个区域中，散射计风速与噪声谱级的相关性优于NCEP风速。图6中，在500Hz以上的频段内，ASCAT风速的相关系数接近0.95，HY-2A风速接近0.9，NCEP风速稳定在0.75；图7中，在500Hz以上的频段内，ASCAT风速和HY-2A风速的相关系数均保持在0.8，NCEP风速仍稳定在0.73。南海北部数据的相关性优于南海中部，这主要是由于在两个区域中，采用了不同的噪声测量系统；而南海北部匹配的散射计数据与噪声站位的平均距离小于南海中部，这在一定程度上也影响了相关性。根据已有的风关噪声理论，噪声谱级与风速对数存在线性关系，因此，本文对630～2 500Hz频率范围内的噪声和风速数据进行了回归分析，并选取了1 000Hz和1 600Hz的结果绘制了散点图，如图8～11所示。

图8 风速与噪声谱级散点图(1 000 Hz) Fig.8 Wind speed vs NSL(1 000 Hz)

图9 风速与噪声谱级散点图(1 600 Hz)Fig.9 Wind speed vs NSL(1 600 Hz)

图10 散射计风速与噪声谱级散点图(1 000 Hz)Fig.10 Scatterometer wind speed vs NSL(1 000 Hz)

图11 散射计风速与噪声谱级散点图(1 600 Hz)Fig.11 Scatterometer wind speed vs NSL(1 600 Hz)

上述可知，由ASCAT和HY-2A风速拟合的结果较为接近，而NCEP与散射计风速的拟合结果存在一定的偏差。为了更好地表达分析结果，如表1和表2所示，本文采用均方根误差(RMSE)和平均绝对误差(MAE)作为精度指标：

(4)

(5)

由表1、表2可知，散射计风速拟合结果的精度优于NCEP风速，ASCAT风速拟合结果的精度优于HY-2A风速；ASCAT风速的最高精度出现在2 000Hz的频率位置，HY-2A出现在630Hz的频率位置，NCEP出现在630Hz的频率位置。3种数据的误差最大值均在1 250Hz的频率位置。综上所述，就风速与噪声谱级的相关性而言，ASCAT数据优于HY-2A数据，这主要是因为相关性在一定程度上受到散射计观测海面风速精度的影响，精度越高，相关性应该越好。而散射计数据优于NCEP数据，其原因是散射计数据是观测得到的结果，比NCEP数据更接近实际的风速。对于不同区域400～2 500Hz频率范围内的噪声，散射计数据相关性存在一定范围的波动，而NCEP数据相关性比较稳定。这是由于在同一区域的不同时刻，散射计数据的位置分布并不相同，而提取的结果是匹配窗口内距离噪声点位置最近的数据，这导致匹配风速数据的分布存在一定的随机性；而NCEP数据是采用的是固定格网，即同一个噪声位置匹配的风速数据都具有相同位置坐标。

表1 风速对数与噪声谱级拟合结果分析

表2 散射计风速对数与噪声谱级拟合结果分析

4 结论

根据海洋环境噪声的产生机理以及风关噪声的研究成果，采用ASCAT、HY-2A海面风场数据和在中国南海海域利用潜标系统测量得到的海洋环境噪声数据，开展了多源海面风场数据与海洋环境噪声相关性的对比分析，并采用NCEP海面风场数据进行了对比验证。实验结果表明，散射计风速数据与海洋环境噪声谱级的相关性优于NCEP数据，ASCAT数据优于HY-2A数据；回归分析的结果也表明在研究风关噪声时，ASCAT和HY-2A数据优于NCEP数据。下一步工作中，将开展利用星载散射计风场进行海洋环境噪声建模的研究。

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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。

海洋环境安全保障专项(2016YFC1401008)；海洋公益项目HY-2A环境探测数据应用服务技术系统与示范(2013418032-1)；福建省自然科学基金青年项目(2017J05064)；基于TG-2的海洋动力环境参数遥感融合技术研究。

魏士俨(1983—),男,宁夏自治区银川市人,博士,主要研究领域为海洋遥感、海洋监测。E-mail：weishiyan@tio.org.cn

TP79

A

0253-4193(2017)05-0061-07

魏士俨, 杨晟, 许德伟. 星载微波散射计海面风场与海洋环境噪声的相关特性分析[J]. 海洋学报, 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