基于遥感的南海北部中尺度涡对内孤立波传播的影响

孙丽娜 ，张杰 ，孟俊敏 *，崔伟

(1.自然资源部第一海洋研究所，山东 青岛 266061；2.自然资源部海洋遥测技术创新中心，山东 青岛 266061)

1 引言

海洋内孤立波是发生在海水密度稳定层化的海洋内部的波动现象，是海水运动的重要形式之一，具有较强的随机性。大振幅内孤立波促使等密度面发生快速上下起伏，严重威胁水下潜艇航行安全，在跃层处产生的垂向剪切流对海上石油平台等设施具有一定的破坏力。同时，海洋内孤立波在传播过程中引起的能量交换对海洋动力学过程有决定性影响。纵观全球海洋内孤立波的分布，南海是内孤立波发生最活跃的海区之一[1-4]，该海域内孤立波振幅最大可达240 m[5]，传播速度超过2 m/s[6]，波峰线长度可达上百千米，是典型的大尺度内孤立波频发海域。

海洋中尺度涡是指叠加在海洋平均流场上、时间尺度在数天至数月之间、空间水平尺度在几十千米至几百千米之间的涡旋，主要发生在海洋内部，尺度较大，并且处在不停的运动状态之中。按照中尺度涡自转方向可将其分为两种类型，一种是反气旋式涡旋（北半球为顺时针旋转），也称为暖涡；另一种是气旋式涡旋（北半球为逆时针旋转），又称冷涡。南海北部的中尺度涡存在季节内周期现象，一般持续1～2 个月，自东向西移动，空间尺度一般几十千米至几百千米，大都产生于2 000 m 以深海域[7]。大量高能量的中尺度涡在南海东北部海域产生，向西传播，生命周期可持续1～2 个月[8]。

中尺度涡和内孤立波是广泛存在于海洋内部的重要中尺度动力过程，它们共存的现象最早由Fu 和Holt[9]报道，他们从Seasat 卫星SAR 图像中发现，在纽芬兰大浅滩南部的一个气旋涡附近有长的、弯曲的条纹，这些条纹可能是内孤立波在SAR 图像中成的像。Joyce 和Stalcup[10]在一次海上调查中发现，在湾流附近的反气旋涡82 B 内部观测到了向涡心传播的内孤立波。随后，大量学者又基于遥感图像发现了不同海域都存在海洋中尺度涡和内孤立波共存的现象，Alpers 和Holt[11]通过分析SIR-X 波段SAR 图像发现，湾流北侧的反气旋涡外部存在内孤立波。Lyzenga和Wackerman[12]基于机载和ERS-1 SAR 图像发现，挪威外海一个反气旋涡边缘存在向窝心传播的内孤立波，同年Kirby 等[13]基于SAR 图像也报道了墨西哥特万特佩克湾的一个反气旋涡外部存在内孤立波。之后，开始逐步研究中尺度涡和内孤立波的相互作用，中尺度涡和内孤立波相遇时会引起海水温度垂向变化[14]。当内孤立波经过中尺度涡存在的海域时，它的波峰线会发生扭曲，能量发生耗散[15]。在南海北部海域，受黑潮入侵和中尺度涡移动的共同作用，内孤立波的传播路径不仅会发生一定的变化[16]，而且内孤立波振幅会减小，传播速度会增加[17-18]。利用现场观测数据统计分析发现，中尺度涡对内孤立波的振幅和传播路径具有重要的影响，气旋涡比反气旋涡更有利于内孤立波振幅的增加，反气旋涡的存在可以使内孤立波的振幅降低67%，反气旋使内孤立波偏离原来的方向向北传播，气旋反之[19-20]。Xu 等[21]利用现场观测追踪了反气旋涡对内孤立波在传播过程中振幅变化的影响，当内孤立波经过反气旋涡中心时，内孤立波振幅减小趋于0，当内孤立波继续传播经过反气旋涡边缘时，振幅逐渐增加至原来振幅的50%。

海洋中尺度涡和内孤立波的共存现象在20 世纪80 年代已有研究，随后学者们逐渐开始利用现场观测和数值模拟手段研究两者的相互影响，但利用遥感手段大范围研究中尺度涡对内孤立波的影响还鲜有报道。本文利用2010-2015 年的Terra/Aqua-MODIS、ENVISAT ASAR 和多源卫星高度计资料开展了南海内孤立波和中尺度涡遥感探测，分别提取了中尺度涡和内孤立波位置信息，分析了南海内孤立波和中尺度涡的空间分布特征。在此基础上，进一步分析了南海东北部中尺度涡对内孤立波传播方向的影响。本文利用遥感手段研究中尺度涡对内孤立波传播的影响，为探测海洋中尺度动力现象的相互作用提供新手段。

2 数据与方法

2.1 数据

海洋内孤立波信息提取所用的遥感数据为光学遥感图像和SAR 遥感图像，其中，获取光学遥感图像采用的是分辨率为250 m 的太阳反射波段Terra/Aqua-MODIS 数据，其共有两个波段band 1（0.620～0.670 μm）和band 2（0.841～0.876 μm），刈幅宽度为2 330 km。Terra 与Aqua 搭载的MODIS 在时间更新频率上相配合，可以得到每天最少2 次白天和2 次黑夜的更新数据。MODIS 具有时间分辨率高、空间覆盖范围广、数据可免费获取等优点，已成为研究海洋内孤立波的重要数据源。ENVISAT ASAR 采用150 m 空间分辨率的VV/HH 极化方式的WSM 模式数据，刈幅宽度约为400 km。SAR 具有全天时、全天候以及能够穿透云雾等优势，可以弥补光学遥感成像的不足。中尺度涡信息提取所用的多源卫星高度计资料是AVISO（Archiving，Validation，and Interpretation of Satellite Oceanographic Data）分发的多源高度计海面高度异常值（Sea Level Anomaly,SLA）融合数据，其空间分辨率为0.25°，时间分辨率为1 d。

2.2 内孤立波识别方法

本文所用的遥感数据包括光学遥感图像和SAR遥感图像。首先对原始遥感图像进行筛选和预处理，其中，SAR 遥感图像要进行入射角校正和几何校正等常规预处理，光学遥感图像要进行几何校正预处理。然后对内孤立波遥感图像进行均衡化处理，找到内孤立波在图像中的位置。根据内孤立波判别标准，建立感兴趣区，利用人机交互式方法提取内孤立波位置信息。内孤立波在遥感图像中的判别标准为内孤立波呈现明暗交替的条带形式，或直或弯曲，大多数是弯曲的；内孤立波沿传播方向大多以波包的形式传播，每个波包含有几个或多个孤立子；沿内孤立波传播方向，最前沿的内孤立波即前导波一般最大，后面的内孤立波依次减小；波峰线一般为几千米到几百千米。

2.3 中尺度涡识别方法

本文采用Winding-Angle 方法进行中尺度涡识别。首先要对数据进行质量控制，利用高度计自带数据编辑标准，剔除观测或校正数据不准确的高度计数据。不同高度计卫星采用的参考椭球和参考框架不相同，且各校正项所使用的方法也不同。因此，在联合使用多星测高数据前，必须进行基准统一。根据从各高度计的地球物理数据集（Geophysical Data Records，GDR）中读取出的有关参数，利用如下公式计算出高度计沿轨观测点的SLA。具体计算公式为

式中，SSH（Sea Surface Height）为海面高度；MSS（Mean Sea Surface）为平均海平面；TE（Tide Effects）为潮汐校正值，包括海洋潮汐、固体潮和极潮等潮汐校正值；IB（Inverse Barometer）为大气逆压；HF（High Frequency Wind Response）为风和气压变化引起的海面高频振荡。

基于处理后的高度计数据，利用Winding-Angle涡旋探测方法提取中尺度涡位置信息。该方法首先在一个1°×1°经-纬度移动窗口内通过寻找内部SLA最小（最大）值的极值来判断可能的气旋涡（反气旋涡）中心。之后，对于每一个可能的气旋涡（反气旋涡）中心，从其内部以1 cm 的增幅（减幅）向外寻找SLA 的等值线。最外侧包含着涡旋中心的等值线即为涡旋的外边缘。基于SLA 等值线的中尺度涡识别与探测，具体判别条件为海面高度异常等值线闭合；涡的中心位置水深大于200 m；中心与最外层闭合等值线的高度差不小于8 cm；中尺度涡的直径不小于100 km。中尺度涡类型判别条件为SLA 等值线高中心的为暖涡，低中心的为冷涡。

3 结果与讨论

3.1 空间分布

基于2010-2015 年的Terra/Aqua-MODIS、ENVISAT ASAR 和多源卫星高度计资料提取的南海中尺度涡和内孤立波的空间分布如图1 所示。从图1 可以看出，中尺度涡主要发生在深海海域，大部分集中在越南以东、吕宋岛以西和南海东北部，南海西北部和东南部中尺度涡分布较少。气旋涡和反气旋涡的空间分布存在一定差异，在吕宋岛以西，气旋涡和反气旋涡皆分布较多，越南东部海域气旋涡分布稍多于反气旋涡，尤其是越南东南部海域。本文探测的中尺度涡分布结果与国内外学者的探测结果一致[22-26]。内孤立波主要分布在南海北部海域、越南沿岸以及纳土纳群岛附近海域，遥感未探测到南海中部海域的内孤立波。南海北部海域的内孤立波主要是由吕宋海峡附近的潮汐与海底地形相互作用产生，向西或西北方向传播，内孤立波在传播到东沙岛后发生反射、绕射等现象。内孤立波经过东沙岛后分为两部分：一部分向西北方向传播，一部分向西南方向传播。南海西部海域，大部分内孤立波向西（越南沿岸）传播；南海西南部的纳土纳群岛附近海域，内孤立波主要向西南方向传播。

图1 南海中尺度涡和内孤立波空间分布Fig.1 Spatial distribution of mesoscale eddy and internal solitary wave in the South China Sea

综上可知，南海内孤立波主要分布在大陆架浅海海域，深海内孤立波分布较少，南海中部海域没有探测到内孤立波。中尺度涡主要分布于南海中部深海海区，大陆架海域分布较少，同时气旋涡和反气旋涡的分布存在一定差异。内孤立波和中尺度涡在南海分布范围都很广泛，但二者相遇范围很小，主要集中在南海东北部海域，这也是本文研究中尺度涡对内孤立波传播方向影响的区域。

3.2 南海内孤立波和中尺度涡月分布

将获取的内孤立波和中尺度涡空间位置按月叠加，得到1-12 月的内孤立波和中尺度涡空间分布（图2）。从图2 中可以看出，南海内孤立波分布呈现很明显的月际变化，其中，5-8 月遥感探测到的内孤立波较多，11 月至翌年2 月遥感探测到的内孤立波较少。这主要是因为夏季较浅的密度跃层有利于第一模态内孤立波的产生，而冬季较深的密跃层不利于第一模态内孤立波的产生。3-5 月是密度跃层形成并逐渐发展的时期，随着时间的推移，跃层的强度开始增强，范围增大，跃层深度由深海向沿岸的陆架区逐渐减小。6-8 月南海北部海域跃层达到强盛时期，在近岸陆架水域内，跃层的范围较3-5 月有所扩大，强度增加，跃层深度在10～35 m 范围内变化，跃层的厚度也有所加强。9-11 月南海北部海域密度跃层开始减弱，这一时期，跃层的范围大幅度缩小，跃层的深度有所加深但其厚度较小，较6-8 月的强盛期有明显减弱的趋势。12 月至翌年2 月，南海北部海域混合层变厚，密度跃层变深，不利于产生第一模态内孤立波。

图2 南海中尺度涡和内孤立波位置月分布Fig.2 Monthly distribution of mesoscale eddy and internal solitary wave in the South China Sea

南海中尺度涡分布也呈现明显的季节变化，其中，5-9 月的反气旋涡较多，明显多于同时期的气旋涡。反气旋涡主要分布在越南东南和吕宋岛西北海域，而气旋涡主要分布在越南以东海域。这主要是因为夏季风引起了西边界流和海盆尺度的反气旋式环流，并且该环流可以抵制黑潮入侵，所以容易形成反气旋涡。气旋涡主要发生在11 月至翌年2 月，这期间，气旋涡主要分布在越南沿岸，反气旋涡则主要分布在南海东北部。这是因为冬天在东北季风的驱动下，海域内形成了海盆尺度的气旋式环流异常，加上正的风应力旋度、南向西边界流以及海盆中央气旋式环流的存在，所以容易产生气旋涡。

根据南海中尺度涡和内孤立波的时空分布可知，空间上，内孤立波和中尺度涡在南海分布范围都很广泛，但二者相遇范围很小，主要集中在南海东北部海域。时间上，内孤立波和中尺度涡的分布具有一定的月际变化。因此，下面以南海东北部海域为研究区域，开展中尺度涡对内孤立波传播方向的影响研究。

3.3 中尺度涡对内孤立波传播方向的影响

图3 中红色方框为中尺度涡对内孤立波传播方向影响的研究范围，内孤立波和中尺度涡主要于3-9 月在南海东北部（18°～21°N，117°～120°E）有共存现象。其中，3 月气旋涡和反气旋涡与内孤立波同时存在；4 月和5 月，仅有气旋涡与内孤立波共存；6-9 月，只有反气旋涡与内孤立波共存。下面分析了3-9 月内孤立波与中尺度涡共存时内孤立波传播方向的变化情况，其中黄色箭头表示内孤立波波峰线的传播方向。

图3 南海东北部中尺度涡和内孤立波传播方向示意图Fig.3 Schematic diagram of mesoscale eddy and propagation direction of internal solitary wave in northeast South China Sea

南海北部的内孤立波主要是在吕宋海峡附近产生，由内潮与海底地形相互作用激发，向西传播进入南海北部[26]。从图3 可以看出，当只有气旋涡存在时，内孤立波向西偏南方向传播（4 月和5 月）。内孤立波在吕宋海峡附近海域产生后向西传播进入南海东北部，当遇到气旋涡时，内孤立波偏离了原来的传播方向，向西偏南约15°的方向传播。当只有反气旋涡存在时，内孤立波向西偏北约11°的方向传播（6-9 月）；当气旋涡和反气旋涡同时存在（3 月）时，内孤立波仍然保持着原来的传播方向向西传播，传播方向与没有中尺度涡时的方向一致。从而可以得出，气旋涡和反气旋涡都会改变内孤立波的传播方向，气旋涡使内孤立波偏离原来的传播方向向南传播，反气旋涡促使内孤立波偏离原来的方向向北传播，气旋涡对内孤立波传播的影响更大一些。

内孤立波的生命周期较短，一般为几个小时到几天，中尺度涡的生命周期相对于内孤立波长一些，为几十天甚至上百天。因此，一个固定的气旋涡或反气旋涡对内孤立波传播的影响比较显著。4 月，研究区域存在的涡旋主要为气旋涡，6 月，研究区域存在的是反气旋涡。图4 列举了反气旋涡和内孤立波共存时的分布图，中尺度涡的背景流速是利用多源高度计海面高度异常融合数据获取的，内孤立波的卫星遥感图像为RADARSAT-2 SAR 图像，获取时间为2013 年6 月25 日 10:16:43 UTC。从图4 可以看出，卫星SAR 遥感图像中有两个明显的内孤立波波包，位于反气旋涡的北部。内孤立波在向西传播的过程中，受反气旋涡影响，向西偏北11.4°方向传播。

图4 RADARSAT-2 图像Fig.4 Radarsat-2 image

图5 为2012 年4 月11 日的气涡旋背景流速和内孤立波分布图，其中内孤立波遥感图像来自Aqua 卫星的MODIS 传感器，获取时间为2012 年4 月11 日05:10 UTC。卫星光学遥感图像中有两个内孤立波波包，向西传播进入南海北部，受气旋涡影响，内孤立波的波峰线发生了明显的形变，内孤立波向西偏南约15.9°方向传播。

图5 MODIS 图像Fig.5 MODIS image

基于卫星遥感数据分析发现，中尺度涡对内孤立波的传播方向具有显著影响。在北半球，科氏力与压强梯度力平衡作用的结果下，气旋涡逆时针旋转，反气旋涡与之相反。在南海东北部海域，内孤立波主要在吕宋海峡附近海域受内潮与海底地形相互作用产生，向西传播进入南海北部。由于吕宋海峡至东沙群岛之间海域的水深较深，海底地形变化不明显，内孤立波传播方向主要是自东向西传播。内孤立波在向西传播过程中，当遇到逆时针旋转的气旋涡时，气旋涡向南产生的切向流会带动水质点向南移动，因此，内孤立波传播方向会偏离原来的方向向南传播。当遇到顺时针旋转的反气旋涡时，反气旋涡产生向北方向的切向流带动水质点向北移动，内孤立波会偏离原来的方向向北传播；当内孤立波与气旋涡和反气旋涡同时存在时，内孤立波的传播方向变化不大。

已有现场观测表明，内孤立波与中尺度涡相遇时，内孤立波的垂向结构会发生剧烈变化，内孤立波传播速度受背景流场和密度场变化的影响很大[20]。传播速度是内孤立波波前形变的主要诱导因素，中尺度涡带来的流场和密度场的变化，直接影响内孤立波波前的传播速度，进而导致波前畸变和传播路径的改变。在卫星遥感图像中，经常会发现内孤立波波峰线扭曲、变形或增宽等现象，这主要是受不同背景环境的影响，如地形、跃层或背景流场等。Xie 等[18]采用实际的地形、流场和分层模拟分析了南海北部1 景SAR 图像中内孤立波波前形变的原因，证明这是由1 个反气旋涡旋引起的，而不是海底地形或跃层变化引起的。本文的研究区域位于南海东北部深海区，通常内孤立波的传播速度和波前形态都比较稳定。内孤立波在向西传播遇到中尺度涡时，中尺度涡改变了内孤立波原来的背景流场，进而改变了内孤立波的传播速度和波前畸变，促使内孤立波传播方向发生一定的改变。由于气旋涡和反气旋涡的旋转方向不同，因此，它们引起的内孤立波波前畸变和传播方向存在一定差异。同时，根据中尺度涡和内孤立波的时间分布特征，中尺度涡对内孤立波传播方向的影响存在着一定的季节变化。

4 结论

现场观测资料与卫星观测资料均显示南海的中尺度涡和内孤立波活动都十分活跃。本文利用2010-2015 年的多源卫星光学遥感图像、SAR 遥感图像和高度计数据资料，探测出南海中尺度涡主要发生在深海海域，大多集中在越南以东、吕宋岛以西和南海东北部，南海西北部和东南部中尺度涡产生较少。内孤立波主要集中在南海北部、越南沿岸大陆架和纳土纳群岛附近海域。中尺度涡和内孤立波主要在南海东北部海域共存，共存时间集中在3-9 月，其中3 月受气旋和反气旋的共同作用，内孤立波传播方向几乎无变化；4 月和5 月，受气旋的作用，内孤立波偏离原来的传播方向向南传播；6-9 月，受反气旋的影响，内孤立波偏离原来的传播方向向北传播。总之，当内孤立波与中尺度涡在南海东北部共存时，中尺度涡可以改变内孤立波的传播方向，但气旋和反气旋的影响不同。气旋促使内孤立波偏离原来的传播方向，向西偏南方向传播；反气旋促使内孤立波向西偏北方向传播，气旋与反气旋改变的内孤立波传播方向刚好相反。本文结果与现场观测所得结论一致[20]，将为以后利用遥感手段探测中尺度涡与内孤立波的相互作用提供基础资料。

致谢：感谢NASA 网站提供的MODIS 数据；感谢AVISO 提供多源卫星高度计SLC 融合数据。