基于MODIS 和VIIRS 遥感图像的苏禄- 苏拉威西海内孤立波特征研究*

张 涛 张旭东①

(1. 山东科技大学测绘科学与工程学院 青岛 266590； 2. 中国科学院海洋研究所海洋环流与波动重点实验室 青岛 266071)

海洋内孤立波(以下简称“内波”)是稳定层化的海水受扰动后形成的一种发生于海洋内部的波动， 在全球广泛分布(Jackson， 2007)。海洋内波对海洋混合等影响较大， 能将富含营养的深层海水带到表层， 促进浮游生物的繁 殖 (Wang， 2016； Villamañaet al， 2017)。大振幅的内波传播过程中产生的强大剪切力对石油平台等海上作业平台有着巨大的威胁(Lüet al， 2016)。在南海的陆丰油田， 半潜钻井船“南海Ⅵ”和锚定游轮“Ayer Biru”号在海上平台作业时遭遇大振幅内波垂向剪切力效应， 船身在不到 5min 内旋转了110°(Ebbesmeyeret al， 1991)。因此， 海洋内波的研究对于海洋资源、海洋工程等方面有着巨大的意义。

苏禄海和苏拉威西海位于巴拉望岛以南， 苏拉威西岛以北， 以苏禄群岛等诸岛为间隔， 处于菲律宾与印度尼西亚之间。苏禄海和苏拉威西海具有繁多的物种、丰富的矿产和渔业资源， 并且是亚太地区最重要的鱼类产卵地(陈思行， 1984)。同时， 苏禄海和苏拉威西海是沟通东南亚各国以及通往太平洋、印度洋的重要海域。因此， 对苏禄海和苏拉威西海的内波的研究具有重要的经济价值和研究意义。

遥感观测以其大幅宽、长时间的观测能力已经成为内波研究的一种重要手段。早在1985 年Apel 等(1985)利用LandSat 可见光遥感图像观测到了内波。Jackson(2007)通过2002 年8 月—2004 年5 月3581景中分辨率成像光谱仪(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer， MODIS)图像对内波在全球范围内的分布情况进行了统计， 发现在各个大洋中均有大量内波的存在。很多学者利用遥感图像对南海(杜涛等， 2001； 甘锡林等， 2007； Liet al， 2008)、安达曼海(Magalhaeset al， 2018； Sunet al， 2019)和苏禄海(Zenget al，2004； Zhanget al， 2018； 孙丽娜等， 2019)等海域内波的时空特征进行了分析研究。Zheng 等(2007)利用1995—2001 年7 年间的SAR 遥感影像对南海的内波时空分布进行了分析， 其主要存在于(116°—118°E， 20°—22°N)范围内，4—7 月为其高频发生期。Zhou 等(2016)利用2013—2015 年的1000 多幅MODIS 和SAR图像对安达曼海内波的时空分布统计研究。

针对南海(Rampet al， 2004； Zhaoet al， 2006； Buijsmanet al， 2010； Liet al， 2013)、安达曼海(Hyderet al， 2005； Da Silva， 2016； 黄松松等， 2019)、直布罗陀海峡(史璐等， 2018； Navarroet al， 2018)等海域内波的生成和传播特性， 也有学者开展了相关的分析研究。内潮孤立波的传播速度可利用多幅影像对同一波包的跟踪检测的多时间图像(Multi-temporal Images， MIT)方法和同一幅影波包间的波间距与半日潮周期的潮汐时间图像(Tidal Period Images， TPI)计算内波相位速度(Honget al， 2015)。孙丽娜等(2019)基于2010—2015 年的MODIS 和合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar， SAR)图像对苏禄海和南海的内波的时空分布和传播特征开展了分析， 但并未针对苏禄海内波的发生源做具体分析。Liu 等(2019)利用部分可见光红外成像辐射计(Visible Infrared Imaging Radiometer， VIIRS)图像研究了苏禄-苏拉威西海的内波， 指出苏禄海内波主要在四个海峡区域生成。但对于苏拉威西海的内波的发生源、传播方向和速度以及内波要素的变化并未展开讨论。

本文通过遥感观测发现苏禄海和苏拉威西海是内波频发海域， 并且两个海域的内波在时空上遥相呼应， 尺度较大。为了对这两个海域的内波开展全面、综合的分析， 本文基于2016 年10 月—2019 年9 月共计3年的MODIS 和VIIRS 遥感影像， 分析了苏禄海和苏拉威西海的内波的空间分布特征， 并对内波的主要发生源、传播特性以及波峰线长度等展开了分析研究。

1 数据与方法

1.1 数据介绍

本文的研究区域为苏禄海和苏拉威西海(116.5°—127°E， 0°—11°N)两个内波频发海域。由于苏禄海与苏拉威西海主要受季风和热带风暴影响， 在季节上可分为旱季(11—次年5月)和雨季(6—10月)(Cincoet al， 2016)。本文利用Aqua、Terra和Suomi极地轨道卫星(National Polar-orbiting Partnership，简称NPP)的遥感影像资料， 来开展内波的分析研究。Aqua和Terra搭载了MODIS， 可以提供250m(1—2波段)、500m(3—7波段)和1000m(8—36波段)分辨率的光学图像。NPP搭载了VIIRS， 可以提供750m(M波段)和375m(I波段)分辨率的可见光和近红外波段图像。本研究中采用了空间分辨率为250m的MODIS影像和375m 的VIIRS 影 像， 刈 幅 宽 度 分 别 为2330km 和3000km。遥感图像的参数如表1所示。

表1 本文使用遥感图像的参数 Tab.1 Parameters of satellite images used in this study

Terra和Aqua卫星分别在地方时的上午10：30和下午1：30左右过境， 每天可以获得研究区域2次白天和2次夜间的MODIS影像数据。NPP在地方时下午1：30过境， 每天能获取2次更新的VIIRS数据， VIIRS是高级超高分辨率辐射计(Advanced Very High Resolution Radiometer， AVHRR)、MODIS和宽视场海洋观测传感器(Sea-viewing Wide Field-of-view Sensor， SeaWIFS)的扩展和改进。MODIS与VIIRS具有高时间分辨率、同步覆盖范围广、获取免费等优势。本文搜集了2016年10月—2019年9月Aqua、Terra和NPP的遥感图像共计857景， 选取的遥感图像上具有清晰内波条纹。图1是苏禄海和苏拉威西海观测到的清晰的内波影像， 从图1中可以清楚地看到研究海域分别南向和北向传播的内波。

1.2 研究方法

图1 2018 年10 月10 日Aqua 卫星观测到的苏禄-苏拉威西海内波 Fig.1 Internal waves observed by Aqua MODIS image in the Sulu Sea and Celebes Sea on October 10， 2018

光学遥感图像受云雾等天气环境影响较大， 本文选取无云或少云、具有清晰内波条纹的MODIS和VIIRS遥感影像。通过人机交互的方式提取影像中的 单条内波或波包头波的地理位置信息， 统计得到内波的空间分布规律。利用内波波峰线各点的经纬度， 计算出研究海域中波峰线长度并进行统计分析。对于研究海域内波的传播速度主要利用测量的波包间距和其半日潮生成机制的潮汐图像法(TPI)计算(Liuet al， 2019)。利用KdV方程(Xuet al， 2010， 2011， Zhaoet al， 2004)计算理论传播速度作为对比， 利用KdV方程计算内波传播速度和振幅的表达式为：

其中，Cp为内波线性速度，Cp为内波非线性速度，h1、h2分别为上下层海水厚度， Δρ为两层流体上下层密度差值(上下层密度分别为ρ1和ρ2)，ρ为海水的平均密度，η0为内波振幅，α为非线性系数，β为频散系数，Δ为内波特征半宽度，D为遥感图像上内波亮暗条纹间距。根据式(3)和式(4)反演的苏禄海和苏拉威西海的内波振幅结果如表2所示。

表2 苏禄海和苏拉威西海的内波振幅反演 Tab.2 Amplitude inversion of internal waves in the Sulu Sea and the Celebes Sea

2 空间分布特征分析

利 用 收 集 整 理 的2016 年10 月—2019 年9 月 的MODIS和VIIRS遥感影像， 提取出苏禄海和苏拉威西海海域内波的波峰线位置， 得到研究海域的内波空间分布图， 结果如图2所示。为区别不同卫星探测到的内波， 内波波峰线用三种不同的颜色表示， 可以发现NPP卫星的VIIRS图像为研究区域的内波遥感探测研究提供了很好的补充。从图2的波峰线空间分布可以看出， 苏禄海的内波从南向北几乎覆盖了整个东部海域， 在巴拉望岛东南侧， 苏禄群岛的西北侧(118°E—121°E， 6°N—10°N)是苏禄海内波发生最频繁的海域。苏禄海内波主要在苏禄海南偏西侧的锡布 图岛和锡穆努尔岛附近海域及南偏东侧苏禄群岛附近海域产生， 内波传播方向单一， 均向北偏西方向传播， 并耗散于巴拉望岛附近的沿岸， 在巴拉望岛以北未观测到内波。

苏拉威西海的内波在尺度上与苏禄海相近， 整个海域西南部均为内波多发区域， 尤其在望加锡海峡东北侧和锡穆努尔岛南侧最为频繁， 其主要产生于锡布图岛和锡穆努尔岛附近海域和比亚罗岛附近海域。苏拉威西海内波在传播方向上较为复杂， 一部分内波由东向西传播， 最终消散于德拉旺群岛附近。一部分由北向南偏东方向传播， 最终消散于印度尼西亚北侧沿岸附近。

图2 2016 年10 月—2019 年09 月苏禄海与苏拉威西海内波空间分布图 Fig.2 The distribution of the internal waves in the Sulu Sea and Celebes Sea from October 2016 to September 2019

根据苏禄海和苏拉威西海的气候特征， 分别提取雨季(6—10月)和旱季(11—次年5月)的内波波峰线的位置信息， 得到不同季节内波的空间分布图， 如图3所示。从空间分布可以看出， 苏禄海和苏拉威西海在旱季的内波探测数明显多于雨季， 并且雨季时在苏禄群岛附近以及苏拉威西海西北部沿岸附近未观测到内波， 在邦奥岛附近只观测到少量内波。

稳定层结是内波发生的必要条件之一， 浮性频率是表述海水运动特征和密度层化结构的重要物理量， 可表示为：

利用式(5)分别计算得到苏禄海和苏拉威西海的垂向层结分布如图4所示。苏禄海和苏拉威西海在旱季3月和雨季的8月海洋层化结构差别不大， 跃层深度分别为90m和100m。图4可见在雨季和旱季两个海域的层结分布大致相同， 因此雨季和旱季内波呈现的季节性变化可能是由于光学遥感观测受天气等条件影响导致。

苏禄海的内波主要从南向北沿经向传播， 内波波峰线长度在传播过程中随经纬度的变化如图5a、b所示。从波峰线平均长度的分布可以看出， 波峰线的平均长度在经向上增大。如图5a所示， 在9°N的位置其平均长度达到最长128.71km， 随后遇到北部的巴拉望岛波峰线西翼消失、东翼继续向北传播， 波峰线平均长度呈下降趋势。从图5b中可以看出， 在纬向上内波波峰线平均长度的整体趋势随经度增大而变短。

图3 2016 年10 月—2019 年09 月苏禄海与苏拉威西海旱季(a)和雨季(b)内波空间分布图 Fig.3 The distribution of internal waves in the dry season (a) and rainy season (b) of the Sulu Sea and Celebes Sea from October 2016 to September 2019

图4 苏禄海(a)与苏拉威西海(b)不同季节垂向层结分布 Fig.4 Vertical stratigraphic distribution in different seasons in the Sulu Sea (a) and Celebes Sea (b)

图5 苏禄海(a， b)与苏拉威西海(c， d)内波波峰线平均长度随经纬度的变化 Fig.5 Variations in average length of wave crest of internal waves with latitude and longitude in the Sulu Sea (a， b) and Celebes Sea (c， d)

苏拉威西海的内波主要自北向东南方向和自东向西方向传播， 因此， 其波峰线在传播过程中会随经纬度的变化而变化， 图5c、d为波峰线平均长度随经纬度变化的分布图。自北向东南方向传播的内波在传 播过程中其波峰线长度主要与纬度相关， 如图5c所示， 波峰线平均长度在经向上随纬度的递减先增长后减短， 在2°N 位置波峰线平均长度达到最长143.69km。从图5d中可以看出， 在纬向上随着经度的减小， 波峰线平均长度的分布形式为先增长后减短， 且在120°E的位置波峰线平均长度最长为151.09km。随后其长度迅速减小。

由图5可以看出， 苏禄海与苏拉威西海的内波波峰线长度分别在(119°E， 9°N)和(120°E， 2°N)附近达到最大值。通过综合比较苏禄海与苏拉威西海内波的各传播方向上的波峰线平均长度可得出， 苏拉威西海的内波的波峰线平均长度较长。

从图6内波波峰线长度的统计分布可以看出， 苏禄海与苏拉为西海的内波波峰线长度分别在400km和500km以内， 主要集中在100—150km。整体来看苏禄海的内波数量高于苏拉威西海， 但苏拉威西海大尺度内波(波峰线长度大于300km)多于苏禄海。

图6 苏禄海(a)与苏拉威西海(b)内波波峰线长度分布图 Fig.6 Length in wave crest distributions of internal waves in the Sulu Sea (a) and Celebes Sea (b)

3 讨论

3.1 生成源分析

利用苏禄海和苏拉威西海内波的空间分布特征， 可以开展内波的发生源分析。如图7a所示， 分别在苏禄海和苏拉威西海对称传播的内波波峰线上作垂线， 利用射线追踪法分析内波的可能发生区域(Nazarianet al， 2017)。其中a—b和c—d分别为其传播主方向， 通过其传播方向波峰线的各垂线交点区域S1， 此发生源位于锡布图岛和锡穆努尔岛附近海域(S1， 如图中紫色圆点所示)。利用相似的方法， 可得到苏禄海的其他交点区域S2(科肯岛附近海域)、S3(潘古塔兰岛附近海域)和S4(班加劳岛附近海域)， 如图7b—d所示， 其中f—e、g—h、j—i、k—l、m—n、o—p分别为其主传播方向。可以判断出苏禄海内波的发生源位于科肯岛、潘古塔兰岛以及班加劳岛附近海域(如图中紫色圆点所示)。对于苏拉威西海的内波， 根据其传播方向， 在内波波峰线的不同位置作垂线， 如图7e—g所示， q—r、s—t和u—v分别为其主传播方向， 各垂线的交叉区域分别为S5(锡奥岛附近海域)、S6(塔胡兰当岛附近海域)和S7(邦加岛与比亚罗岛附近海域)， 由此可判断出该内波的发生源位于锡奥岛、塔胡兰当岛岛以及邦加岛岛与比亚罗岛附近海域(如图中紫色圆点所示)。因此生成源S1—S4为苏禄海和苏拉威西海沿南北方向传播的内波的发生源， 对于苏拉威西海东西方向传播的内波， 其发生源为S5—S7。

Liu等(2019)指出苏禄海和苏拉威西海内波的生成主要与半日潮有关， 利用TPXO模型数据提取研究区域M2分潮的潮汐通量， 如图7h。从图中可以看出， 在苏禄海的S1、S2、S3、S4附近海域以及苏拉威西海的S5、S6以及S7附近海域的潮汐通量为该研究区域的较大潮汐通量， 极有可能是内波发生源， 这与利用传播方向作垂线得出的初步发生源相一致， 因此S1—S7为研究海域内波可能的发生源。

3.2 内波传播速度

图7 苏禄海(a—d)与苏拉威西海(e—g)内波发生源和M2 分潮在研究区域的潮汐通量(h) Fig.7 Generation sources of internal waves in the Sulu Sea (a)(b)(c)(d) and Celebes Sea (e)(f)(g)， and tidal transport of M2 tide in the studying area (h)

苏禄海的内波在传播过程中多以3—4个波群的形式存在， 其主要向西北方向的巴拉望岛传播， 其波峰线可达380km，传播距离高达400km， 几乎贯穿整个 海域， 最终耗散于巴拉望岛附近。如图8所示， 可以清楚地看见4个波包， 沿传播方向相邻的波包距离分别为89.82km、94.32km以及85.69km。由于苏禄海内波是由苏禄群岛及锡布图岛和锡穆努尔岛附近海域的内潮和地形相互作用而产生， 主要受半日潮影响(Liuet al， 2019)。根据半日潮周期和波包间距计算出内波传播速度依次为2.0m/s、2.1m/s和1.9m/s。苏禄海的地形沿经度方向变化不大， 因此内波在传播过程中的速度变化较小， 在趋近于巴拉望岛时水深变化起伏较大， 造成了速度的减小。

图8 2019 年4 月4 日MODIS 图像观测到的苏禄海西北方向传播的内波 Fig.8 Internal wave propagation in the Sulu Sea observed by a MODIS image acquired on April 4， 2019

苏拉威西海的内波主要沿两个方向传播， 其中与苏禄海内波产生于同一地点的内波与苏禄海对称， 其多以2—3个波群的形式存在，反向沿东南方向传播， 贯穿海域西侧的南北整个海域， 最终耗散于苏拉威西岛附近的沿岸。发生于邦加岛与比亚罗岛附近的内波主要以2—4个波群的传播形式存在， 自东向西传播， 横跨整个海域于德拉旺群耗散消失。如图9所示， 图中南北向存在2个波包， 波包间距为132.29km， 平均传播速度为3m/s。东西向有4个波包， 沿其传播方向的波包间距为153.82km、118.89km和146.82km。假设其为半日潮周期(如图7h)， 则沿传播方向的波包间传播平均速度依次为3.4m/s、2.7m/s和3.3m/s。苏拉威海内波传播速度明显大于苏禄海的内波传播速度， 其主要原因可能是由于苏拉威西海水深大于苏禄海， 属于深海传播。

基于KdV方程计算出苏禄海与苏拉威西海的内波传播平均速度分别为2.0m/s和2.9m/s， 利用TPI方法与KdV方程计算得到的内波速度均值相对误差分别为4.8%和6.5%， 二者结果较为吻合。

图9 2019 年3 月24 日VIIRS 图像观测到的苏拉威西海交叉传播的内波 Fig.9 Internal wave propagation in the Celebes Sea observed by a VIIRS image acquired on March 24， 2019

4 结论

本文利用2016 年10 月—2019 年9 月的MODIS和VIIRS 光学遥感数据对苏禄海和苏拉威西海的内波的空间分布、发生源和传播特征进行了分析。从空间分布可以看出， 苏禄群岛的西北侧是苏禄海内波发生最频繁的海域， 波峰线最长可达400km， 主要集中在100—150km。波峰线平均长度在传播过程中随着纬度的升高先变长后减短， 在9°N 的位置平均长度达到最长128.71km。苏拉威西海偏南侧为内波多发区域， 波峰线长度最长可达 500km， 主要集中在100—150km。经向2°N 位置的波峰线平均长度达到最长143.69km和纬向120°E的位置最长为151.09km。苏禄海和苏拉威西海在旱季的内波探测数明显多于雨季， 并且雨季时在苏禄群岛附近以及苏拉威西海西北部沿岸附近未观测到内波， 仅在邦奥岛附近观测到少量内波。利用射线追踪法并结合研究区域潮汐通量(M2分潮)分析得出， 苏禄海主要有4 个生成源， 位于锡布图岛和锡穆努尔岛、科肯岛、潘古塔兰岛以及班加劳岛附近海域。苏拉威西海东部主要有3 个生成源， 位于锡奥岛、塔胡兰当岛以及邦加岛与比亚罗岛附近海域。苏禄海主要存在向西北方向传播的内波， 传播速度在2m/s 左右。苏拉威西海的内波主要向东南方向和向西的方向传播， 东南向传播的内波与苏禄海的内波属于同一发生源。由于水深高于苏禄海， 其内波的传播速度大于苏禄海为3m/s 左右。东西向传播的内波在3.1m/s 左右， 在传播过程中受到水深变化的影响， 其传播速度起伏较大。

光学遥感在探测内波的过程中， 会受太阳高度角等观测角度的影响， 尤其受天气(云雨等)影响较大， 因此本文并未对研究海域的时间分布特征开展统计研究。本文在MODIS 图像观测的基础上， 利用VIIRS图像作为补充， 可以更好的观测到苏禄海和苏拉威西海内波的空间分布特征。

致谢 感谢 National Aeronautics and Space Administration(NASA)提供的MODIS 和NPP 遥感图像和美国俄勒冈州立大学提供的TPXO 模型数据