基于多源卫星融合资料的中国近海海洋锋检测研究

施英妮，张根生，张春华，易 欣，刘洪伟，李 冰

（北京5111 信箱，北京 100094）

引言

海洋锋作为海洋学重要的中尺度现象，影响涉及天气变化、水声传输、海洋渔业等诸多方面：海洋锋区所在海域，热量、动量和水汽等的海气相互作用活动丰富，对天气变化影响很大，是海上风暴的爆发区；海洋锋强烈影响水声传输，声波在通过锋区时将产生不同程度的折射或反射，使能量损失增大，对导弹、鱼雷、雷达和声纳等武器系统作战使用效能发挥产生显著的影响，潜艇战和反潜艇战的战术应用，迫切需要获取准确的海洋锋信息[1-3]；海洋锋区的浮游植物较聚集，初级生产力高，渔获量明显高于其它海区，是主要渔场所在。因此，海洋锋研究一直是海洋学研究中的一个重要领域，且具有可观的研究前景。

中国近海自北向南包括渤海、黄海、东海及南海，四海相连，构成一个弧状分布，环绕亚洲大陆的东南部。中国近海在河流径流、海底地形、季风以及海面热通量的相互作用下，环流结构复杂，产生了物理特性相对独立的各种水团，为中国近海海洋锋面的形成和发展提供有利条件。目前关于中国近海海洋锋面的研究大部分都是基于海面温度数据，但中国近海海域海面温度季节性变化显著，尤其是夏季受太阳辐射影响表层海水增温明显，海面温度梯度的差异降低，从而使得用遥感海面温度锋判定海洋锋的方法失效。而各种水团具有的生物光学特性往往是不相同的，且受太阳辐射影响较小，因此卫星海色遥感资料可作为研究海洋锋的有效依据[4]。

本文基于多源卫星融合资料，利用梯度检测算法对中国近海海域进行海洋锋研究，结合海面温度和蓝绿波段遥感反射率比值的季节变换规律，利用不同季节适用的不同梯度检测阈值，获取中国近海的海温锋和海色锋分布规律。可以通过海温锋和海色锋互补，实现对中国近海锋面更全面的检测。

1 海洋锋检测算法

本文所用的多源海面温度融合数据，为欧空局海洋环境监测服务系统MYOCEAN 提供的全球网格化近实时海面温度数据OSTIA[5]。该数据集利用最优插值方法融合的多颗NOAA/AVHRR、SEVIRI 和AATSR 红外传感器海面温度数据、TMI 和AMSR 微波传感器海面温度数据以及实测数据，产品时间分辨率为1d，空间分辨率为5 km。多源卫星海色融合数据为美国NASA的OCEANCOLOR 网站提供的遥感反射率融合数据集[6]，该数据集利用最优插值方法融合了ENVISAT/MERIS、AQUA/MODIS和NPP/VIIRS 等多颗卫星传感器的数据，产品时间分辨率1d，空间分辨率为9 km。

本文检测中国近海海洋锋面采用梯度算法。梯度算法被广泛应用于海洋锋的识别研究中[7]，主要由预处理、梯度计算、梯度阈值选择和锋面提取等部分组成，流程如图1 所示。

①预处理

预处理主要减少噪声对锋面提取影响，采用中值滤波方法滤除数据的噪声，同时保持图像数据中的边缘信息。本文采用3×3 窗口对图像进行中值滤波，对于海陆边缘像素，如果3×3 窗口内不存在空值，则对该像素进行中值滤波，否则保留原像素值，不进行任何处理。

② 梯度计算

梯度算法中锋面梯度的计算公式为：

利用Sobel 算子计算梯度[8]，其中水平梯度计算公式为：

垂直梯度计算公式为：

式中，T表示要锋面计算的像素点为中心的3×3 数据矩阵。

③梯度阈值选择

海洋锋梯度检测算法中，梯度阈值的不同选择会影响海洋锋检测结果，不同研究者采用的梯度阈值标准不同，得到的锋面检测结果会存在一些差异[9,10]。目前，关于中国近海海洋锋的判别，没有一致的梯度阈值标准。中国近海海洋锋面有强有弱，弱的锋面会对比较高的梯度阈值不敏感，因此在研究具体锋面时需要根据情况调整梯度阈值的大小。本文针对中国近海沿岸锋、陆架锋和陆坡锋三种不同类型海洋锋，按冬季、春季、夏季和秋季划分，分别选取1 月、4 月、7 月、10 月，作为四个季节的代表月份处理。海面温度选取0.01～0.06 ℃ km-1进行比较作为梯度阈值获得锋面月频率分布图，蓝绿波段遥感反射率比值选取0.002～0.007 km-1进行比较作为梯度阈值获得锋面月频率分布图，从保持锋面的完整性及对零碎锋区的剔除效应选择出合适的梯度阈值。本文在不同季节采用的梯度阈值如表1 所示。

表1 中国近海海洋锋梯度阈值Table 1 Gradient threshold of ocean front of China coastal waters

④ 每日锋面提取

通过上述步骤1～3，利用Sobel 算子计算研究范围内各点的梯度变化，针对不同区域不同季节采用表1 所示梯度阈值作为判别海洋锋的标准，大于阈值判断为海洋锋区域，小于阈值判断为非海洋锋区域，从而得到每天的海洋锋检测结果，以海面温度日融合产品为例，得到海温锋日检测结果如图2 所示。

⑤ 每月锋面频率统计

以月为周期，统计海洋锋出现频率结果，该点出现锋面天数与参与计算月份有效天数之比即为某点海洋锋出现频率。本文采用出现频率大于40%确定为海洋锋的区域，如图3 所示。

2 中国近海海洋锋检测结果与讨论

目前，通过梳理前人的研究成果得到中国近海主要锋面分布为：渤海主要存在渤海沿岸锋和渤海海峡锋[11]；黄海锋面比较丰富，主要存在山东半岛锋、朝鲜半岛西岸锋（包括西朝鲜湾锋和江华湾锋）、济州岛西岸锋和济州岛东岸锋[9,12]；东海水文状况非常复杂，海洋锋也较丰富，主要有江苏沿岸锋、长江口环状锋、黑潮锋、浙闽沿岸锋[13,14]；南海北部主要存在台湾浅滩锋、广东沿岸锋、珠江口近岸锋、海南岛东部沿岸锋、北部湾锋、黑潮入侵锋[15]；南海中部和南部海区主要存在南海中部温盐锋和越南东部沿岸的海洋锋。

利用本文提出的海洋锋检测算法和检测阈值，得到的2020 年中国近海典型月份海温锋面结果如图3左侧图所示，同时间同区域的多源卫星海色融合数据检测的锋面结果如图3 右侧图所示。

从表2的检测结果看，渤海海域的海温锋，冬季锋区大体分布在辽东湾的边缘，锋面紧贴岸界，海峡锋明显；春季，辽东湾海温锋部分消失，仅渤海的南岸沿岸锋存在，锋区沿岸分布，形状不规则；夏季锋区主要存在于辽东湾湾底和渤海南部，海峡锋明显；秋季基本没有锋面出现。渤海海域无法检测到稳定的海色锋，这主要是因为渤海属于水深较浅（平均水深18 m）海域，海水对流混合可达海底，海色锋梯度不明显。

黄东海海域，从温度锋结果看，冬季锋面丰富，形状规则，位置较为固定；春季山东半岛锋、江苏沿岸锋消失，浙闽沿岸锋南缩，长江口环状锋范围缩小和黑潮锋相连，朝鲜半岛西岸锋和济州岛西岸锋也减弱；夏季水温分布较均匀，中国近海海洋锋只有零星区域存在，至秋季10 月份，中国近岸锋面较少，仅济州岛东岸和浙闽沿岸存在少量锋区。冬季海色锋不如海温锋检测结果丰富明显，只较为完整地检测到了黑潮锋、浙闽沿岸锋和济州岛东岸锋；春季朝鲜半岛周边海域的海色锋、黑潮锋和浙闽沿岸锋检测较为完整，长江口环状锋几乎消失；夏季，除了济州岛近岸锋和长江口环状锋只有部分被检测到，其它锋区都在海色锋结果上表现明显，特别是中国近岸的山东半岛锋、江苏沿岸锋和浙闽沿岸锋检测结果较完整；秋季和夏季情况类似。

南海海域，海温锋检测结果中，冬季可以检测到广东沿岸锋、珠江口近岸锋、北部湾锋和越南沿岸锋；其它季节由于海面温度差异不明显，几乎检测不到锋区。在海色锋检测结果中，四个季节均能明显检测出沿岸锋。

根据全年检测结果，总结利用海面温度和海色数据明显检测到各海洋锋的月份如表2 所示。中国近海海温锋面在11 月至次年5 月较明显，其他月份锋面较弱或完全消失。海色锋面中除了渤海海域、长江口及南海中部等区域无固定锋面外，其它海域海色锋较明显，像东海黑潮区、台湾浅滩区及南海海域沿岸等海域常年可以检测到海色锋。

表2 中国近海2020 年海温锋面和海色锋面明显存在月份对比Table 2 Contrast between SST front and sea color front of China coastal waters in 2020

3 结束语

本文基于多源卫星传感器海面温度和海色融合数据，针对中国近海近岸锋、陆架锋和陆坡锋三类海洋锋，利用不同季节适用的不同梯度检测阈值获取中国近海的海温锋和海色锋分布规律，海温锋面冬春季比较明显，夏秋季消失。海色锋除了在渤海海域、长江口及南海中部区域无固定反映外，其它海域可以通过蓝绿波段遥感反射率比值检测到海色锋，像东海黑潮区域、台湾浅滩区及南海海域沿岸区可常年检测到海色锋。通过海温锋和海色锋检测互补可实现对中国近海锋面更全面的监测。