基于遙感的南海北部中尺度渦對內孤立波傳播的影響

孫麗娜 ，張杰 ，孟俊敏 *，崔偉

(1.自然資源部第一海洋研究所，山東 青島 266061；2.自然資源部海洋遙測技術創新中心，山東 青島 266061)

1 引言

海洋內孤立波是發生在海水密度穩定層化的海洋內部的波動現象，是海水運動的重要形式之一，具有較強的隨機性。大振幅內孤立波促使等密度面發生快速上下起伏，嚴重威脅水下潛艇航行安全，在躍層處產生的垂向剪切流對海上石油平臺等設施具有一定的破壞力。同時，海洋內孤立波在傳播過程中引起的能量交換對海洋動力學過程有決定性影響。縱觀全球海洋內孤立波的分布，南海是內孤立波發生最活躍的海區之一[1-4]，該海域內孤立波振幅最大可達240 m[5]，傳播速度超過2 m/s[6]，波峰線長度可達上百千米，是典型的大尺度內孤立波頻發海域。

海洋中尺度渦是指疊加在海洋平均流場上、時間尺度在數天至數月之間、空間水平尺度在幾十千米至幾百千米之間的渦旋，主要發生在海洋內部，尺度較大，并且處在不停的運動狀態之中。按照中尺度渦自轉方向可將其分為兩種類型，一種是反氣旋式渦旋（北半球為順時針旋轉），也稱為暖渦；另一種是氣旋式渦旋（北半球為逆時針旋轉），又稱冷渦。南海北部的中尺度渦存在季節內周期現象，一般持續1～2 個月，自東向西移動，空間尺度一般幾十千米至幾百千米，大都產生于2 000 m 以深海域[7]。大量高能量的中尺度渦在南海東北部海域產生，向西傳播，生命周期可持續1～2 個月[8]。

中尺度渦和內孤立波是廣泛存在于海洋內部的重要中尺度動力過程，它們共存的現象最早由Fu 和Holt[9]報道，他們從Seasat 衛星SAR 圖像中發現，在紐芬蘭大淺灘南部的一個氣旋渦附近有長的、彎曲的條紋，這些條紋可能是內孤立波在SAR 圖像中成的像。Joyce 和Stalcup[10]在一次海上調查中發現，在灣流附近的反氣旋渦82 B 內部觀測到了向渦心傳播的內孤立波。隨后，大量學者又基于遙感圖像發現了不同海域都存在海洋中尺度渦和內孤立波共存的現象，Alpers 和Holt[11]通過分析SIR-X 波段SAR 圖像發現，灣流北側的反氣旋渦外部存在內孤立波。Lyzenga和Wackerman[12]基于機載和ERS-1 SAR 圖像發現，挪威外海一個反氣旋渦邊緣存在向窩心傳播的內孤立波，同年Kirby 等[13]基于SAR 圖像也報道了墨西哥特萬特佩克灣的一個反氣旋渦外部存在內孤立波。之后，開始逐步研究中尺度渦和內孤立波的相互作用，中尺度渦和內孤立波相遇時會引起海水溫度垂向變化[14]。當內孤立波經過中尺度渦存在的海域時，它的波峰線會發生扭曲，能量發生耗散[15]。在南海北部海域，受黑潮入侵和中尺度渦移動的共同作用，內孤立波的傳播路徑不僅會發生一定的變化[16]，而且內孤立波振幅會減小，傳播速度會增加[17-18]。利用現場觀測數據統計分析發現，中尺度渦對內孤立波的振幅和傳播路徑具有重要的影響，氣旋渦比反氣旋渦更有利于內孤立波振幅的增加，反氣旋渦的存在可以使內孤立波的振幅降低67%，反氣旋使內孤立波偏離原來的方向向北傳播，氣旋反之[19-20]。Xu 等[21]利用現場觀測追蹤了反氣旋渦對內孤立波在傳播過程中振幅變化的影響，當內孤立波經過反氣旋渦中心時，內孤立波振幅減小趨于0，當內孤立波繼續傳播經過反氣旋渦邊緣時，振幅逐漸增加至原來振幅的50%。

海洋中尺度渦和內孤立波的共存現象在20 世紀80 年代已有研究，隨后學者們逐漸開始利用現場觀測和數值模擬手段研究兩者的相互影響，但利用遙感手段大范圍研究中尺度渦對內孤立波的影響還鮮有報道。本文利用2010-2015 年的Terra/Aqua-MODIS、ENVISAT ASAR 和多源衛星高度計資料開展了南海內孤立波和中尺度渦遙感探測，分別提取了中尺度渦和內孤立波位置信息，分析了南海內孤立波和中尺度渦的空間分布特征。在此基礎上，進一步分析了南海東北部中尺度渦對內孤立波傳播方向的影響。本文利用遙感手段研究中尺度渦對內孤立波傳播的影響，為探測海洋中尺度動力現象的相互作用提供新手段。

2 數據與方法

2.1 數據

海洋內孤立波信息提取所用的遙感數據為光學遙感圖像和SAR 遙感圖像，其中，獲取光學遙感圖像采用的是分辨率為250 m 的太陽反射波段Terra/Aqua-MODIS 數據，其共有兩個波段band 1（0.620～0.670 μm）和band 2（0.841～0.876 μm），刈幅寬度為2 330 km。Terra 與Aqua 搭載的MODIS 在時間更新頻率上相配合，可以得到每天最少2 次白天和2 次黑夜的更新數據。MODIS 具有時間分辨率高、空間覆蓋范圍廣、數據可免費獲取等優點，已成為研究海洋內孤立波的重要數據源。ENVISAT ASAR 采用150 m 空間分辨率的VV/HH 極化方式的WSM 模式數據，刈幅寬度約為400 km。SAR 具有全天時、全天候以及能夠穿透云霧等優勢，可以彌補光學遙感成像的不足。中尺度渦信息提取所用的多源衛星高度計資料是AVISO（Archiving，Validation，and Interpretation of Satellite Oceanographic Data）分發的多源高度計海面高度異常值（Sea Level Anomaly,SLA）融合數據，其空間分辨率為0.25°，時間分辨率為1 d。

2.2 內孤立波識別方法

本文所用的遙感數據包括光學遙感圖像和SAR遙感圖像。首先對原始遙感圖像進行篩選和預處理，其中，SAR 遙感圖像要進行入射角校正和幾何校正等常規預處理，光學遙感圖像要進行幾何校正預處理。然后對內孤立波遙感圖像進行均衡化處理，找到內孤立波在圖像中的位置。根據內孤立波判別標準，建立感興趣區，利用人機交互式方法提取內孤立波位置信息。內孤立波在遙感圖像中的判別標準為內孤立波呈現明暗交替的條帶形式，或直或彎曲，大多數是彎曲的；內孤立波沿傳播方向大多以波包的形式傳播，每個波包含有幾個或多個孤立子；沿內孤立波傳播方向，最前沿的內孤立波即前導波一般最大，后面的內孤立波依次減小；波峰線一般為幾千米到幾百千米。

2.3 中尺度渦識別方法

本文采用Winding-Angle 方法進行中尺度渦識別。首先要對數據進行質量控制，利用高度計自帶數據編輯標準，剔除觀測或校正數據不準確的高度計數據。不同高度計衛星采用的參考橢球和參考框架不相同，且各校正項所使用的方法也不同。因此，在聯合使用多星測高數據前，必須進行基準統一。根據從各高度計的地球物理數據集（Geophysical Data Records，GDR）中讀取出的有關參數，利用如下公式計算出高度計沿軌觀測點的SLA。具體計算公式為

式中，SSH（Sea Surface Height）為海面高度；MSS（Mean Sea Surface）為平均海平面；TE（Tide Effects）為潮汐校正值，包括海洋潮汐、固體潮和極潮等潮汐校正值；IB（Inverse Barometer）為大氣逆壓；HF（High Frequency Wind Response）為風和氣壓變化引起的海面高頻振蕩。

基于處理后的高度計數據，利用Winding-Angle渦旋探測方法提取中尺度渦位置信息。該方法首先在一個1°×1°經-緯度移動窗口內通過尋找內部SLA最小（最大）值的極值來判斷可能的氣旋渦（反氣旋渦）中心。之后，對于每一個可能的氣旋渦（反氣旋渦）中心，從其內部以1 cm 的增幅（減幅）向外尋找SLA 的等值線。最外側包含著渦旋中心的等值線即為渦旋的外邊緣。基于SLA 等值線的中尺度渦識別與探測，具體判別條件為海面高度異常等值線閉合；渦的中心位置水深大于200 m；中心與最外層閉合等值線的高度差不小于8 cm；中尺度渦的直徑不小于100 km。中尺度渦類型判別條件為SLA 等值線高中心的為暖渦，低中心的為冷渦。

3 結果與討論

3.1 空間分布

基于2010-2015 年的Terra/Aqua-MODIS、ENVISAT ASAR 和多源衛星高度計資料提取的南海中尺度渦和內孤立波的空間分布如圖1 所示。從圖1 可以看出，中尺度渦主要發生在深海海域，大部分集中在越南以東、呂宋島以西和南海東北部，南海西北部和東南部中尺度渦分布較少。氣旋渦和反氣旋渦的空間分布存在一定差異，在呂宋島以西，氣旋渦和反氣旋渦皆分布較多，越南東部海域氣旋渦分布稍多于反氣旋渦，尤其是越南東南部海域。本文探測的中尺度渦分布結果與國內外學者的探測結果一致[22-26]。內孤立波主要分布在南海北部海域、越南沿岸以及納土納群島附近海域，遙感未探測到南海中部海域的內孤立波。南海北部海域的內孤立波主要是由呂宋海峽附近的潮汐與海底地形相互作用產生，向西或西北方向傳播，內孤立波在傳播到東沙島后發生反射、繞射等現象。內孤立波經過東沙島后分為兩部分：一部分向西北方向傳播，一部分向西南方向傳播。南海西部海域，大部分內孤立波向西（越南沿岸）傳播；南海西南部的納土納群島附近海域，內孤立波主要向西南方向傳播。

圖1 南海中尺度渦和內孤立波空間分布Fig.1 Spatial distribution of mesoscale eddy and internal solitary wave in the South China Sea

綜上可知，南海內孤立波主要分布在大陸架淺海海域，深海內孤立波分布較少，南海中部海域沒有探測到內孤立波。中尺度渦主要分布于南海中部深海海區，大陸架海域分布較少，同時氣旋渦和反氣旋渦的分布存在一定差異。內孤立波和中尺度渦在南海分布范圍都很廣泛，但二者相遇范圍很小，主要集中在南海東北部海域，這也是本文研究中尺度渦對內孤立波傳播方向影響的區域。

3.2 南海內孤立波和中尺度渦月分布

將獲取的內孤立波和中尺度渦空間位置按月疊加，得到1-12 月的內孤立波和中尺度渦空間分布（圖2）。從圖2 中可以看出，南海內孤立波分布呈現很明顯的月際變化，其中，5-8 月遙感探測到的內孤立波較多，11 月至翌年2 月遙感探測到的內孤立波較少。這主要是因為夏季較淺的密度躍層有利于第一模態內孤立波的產生，而冬季較深的密躍層不利于第一模態內孤立波的產生。3-5 月是密度躍層形成并逐漸發展的時期，隨著時間的推移，躍層的強度開始增強，范圍增大，躍層深度由深海向沿岸的陸架區逐漸減小。6-8 月南海北部海域躍層達到強盛時期，在近岸陸架水域內，躍層的范圍較3-5 月有所擴大，強度增加，躍層深度在10～35 m 范圍內變化，躍層的厚度也有所加強。9-11 月南海北部海域密度躍層開始減弱，這一時期，躍層的范圍大幅度縮小，躍層的深度有所加深但其厚度較小，較6-8 月的強盛期有明顯減弱的趨勢。12 月至翌年2 月，南海北部海域混合層變厚，密度躍層變深，不利于產生第一模態內孤立波。

圖2 南海中尺度渦和內孤立波位置月分布Fig.2 Monthly distribution of mesoscale eddy and internal solitary wave in the South China Sea

南海中尺度渦分布也呈現明顯的季節變化，其中，5-9 月的反氣旋渦較多，明顯多于同時期的氣旋渦。反氣旋渦主要分布在越南東南和呂宋島西北海域，而氣旋渦主要分布在越南以東海域。這主要是因為夏季風引起了西邊界流和海盆尺度的反氣旋式環流，并且該環流可以抵制黑潮入侵，所以容易形成反氣旋渦。氣旋渦主要發生在11 月至翌年2 月，這期間，氣旋渦主要分布在越南沿岸，反氣旋渦則主要分布在南海東北部。這是因為冬天在東北季風的驅動下，海域內形成了海盆尺度的氣旋式環流異常，加上正的風應力旋度、南向西邊界流以及海盆中央氣旋式環流的存在，所以容易產生氣旋渦。

根據南海中尺度渦和內孤立波的時空分布可知，空間上，內孤立波和中尺度渦在南海分布范圍都很廣泛，但二者相遇范圍很小，主要集中在南海東北部海域。時間上，內孤立波和中尺度渦的分布具有一定的月際變化。因此，下面以南海東北部海域為研究區域，開展中尺度渦對內孤立波傳播方向的影響研究。

3.3 中尺度渦對內孤立波傳播方向的影響

圖3 中紅色方框為中尺度渦對內孤立波傳播方向影響的研究范圍，內孤立波和中尺度渦主要于3-9 月在南海東北部（18°～21°N，117°～120°E）有共存現象。其中，3 月氣旋渦和反氣旋渦與內孤立波同時存在；4 月和5 月，僅有氣旋渦與內孤立波共存；6-9 月，只有反氣旋渦與內孤立波共存。下面分析了3-9 月內孤立波與中尺度渦共存時內孤立波傳播方向的變化情況，其中黃色箭頭表示內孤立波波峰線的傳播方向。

圖3 南海東北部中尺度渦和內孤立波傳播方向示意圖Fig.3 Schematic diagram of mesoscale eddy and propagation direction of internal solitary wave in northeast South China Sea

南海北部的內孤立波主要是在呂宋海峽附近產生，由內潮與海底地形相互作用激發，向西傳播進入南海北部[26]。從圖3 可以看出，當只有氣旋渦存在時，內孤立波向西偏南方向傳播（4 月和5 月）。內孤立波在呂宋海峽附近海域產生后向西傳播進入南海東北部，當遇到氣旋渦時，內孤立波偏離了原來的傳播方向，向西偏南約15°的方向傳播。當只有反氣旋渦存在時，內孤立波向西偏北約11°的方向傳播（6-9 月）；當氣旋渦和反氣旋渦同時存在（3 月）時，內孤立波仍然保持著原來的傳播方向向西傳播，傳播方向與沒有中尺度渦時的方向一致。從而可以得出，氣旋渦和反氣旋渦都會改變內孤立波的傳播方向，氣旋渦使內孤立波偏離原來的傳播方向向南傳播，反氣旋渦促使內孤立波偏離原來的方向向北傳播，氣旋渦對內孤立波傳播的影響更大一些。

內孤立波的生命周期較短，一般為幾個小時到幾天，中尺度渦的生命周期相對于內孤立波長一些，為幾十天甚至上百天。因此，一個固定的氣旋渦或反氣旋渦對內孤立波傳播的影響比較顯著。4 月，研究區域存在的渦旋主要為氣旋渦，6 月，研究區域存在的是反氣旋渦。圖4 列舉了反氣旋渦和內孤立波共存時的分布圖，中尺度渦的背景流速是利用多源高度計海面高度異常融合數據獲取的，內孤立波的衛星遙感圖像為RADARSAT-2 SAR 圖像，獲取時間為2013 年6 月25 日 10:16:43 UTC。從圖4 可以看出，衛星SAR 遙感圖像中有兩個明顯的內孤立波波包，位于反氣旋渦的北部。內孤立波在向西傳播的過程中，受反氣旋渦影響，向西偏北11.4°方向傳播。

圖4 RADARSAT-2 圖像Fig.4 Radarsat-2 image

圖5 為2012 年4 月11 日的氣渦旋背景流速和內孤立波分布圖，其中內孤立波遙感圖像來自Aqua 衛星的MODIS 傳感器，獲取時間為2012 年4 月11 日05:10 UTC。衛星光學遙感圖像中有兩個內孤立波波包，向西傳播進入南海北部，受氣旋渦影響，內孤立波的波峰線發生了明顯的形變，內孤立波向西偏南約15.9°方向傳播。

圖5 MODIS 圖像Fig.5 MODIS image

基于衛星遙感數據分析發現，中尺度渦對內孤立波的傳播方向具有顯著影響。在北半球，科氏力與壓強梯度力平衡作用的結果下，氣旋渦逆時針旋轉，反氣旋渦與之相反。在南海東北部海域，內孤立波主要在呂宋海峽附近海域受內潮與海底地形相互作用產生，向西傳播進入南海北部。由于呂宋海峽至東沙群島之間海域的水深較深，海底地形變化不明顯，內孤立波傳播方向主要是自東向西傳播。內孤立波在向西傳播過程中，當遇到逆時針旋轉的氣旋渦時，氣旋渦向南產生的切向流會帶動水質點向南移動，因此，內孤立波傳播方向會偏離原來的方向向南傳播。當遇到順時針旋轉的反氣旋渦時，反氣旋渦產生向北方向的切向流帶動水質點向北移動，內孤立波會偏離原來的方向向北傳播；當內孤立波與氣旋渦和反氣旋渦同時存在時，內孤立波的傳播方向變化不大。

已有現場觀測表明，內孤立波與中尺度渦相遇時，內孤立波的垂向結構會發生劇烈變化，內孤立波傳播速度受背景流場和密度場變化的影響很大[20]。傳播速度是內孤立波波前形變的主要誘導因素，中尺度渦帶來的流場和密度場的變化，直接影響內孤立波波前的傳播速度，進而導致波前畸變和傳播路徑的改變。在衛星遙感圖像中，經常會發現內孤立波波峰線扭曲、變形或增寬等現象，這主要是受不同背景環境的影響，如地形、躍層或背景流場等。Xie 等[18]采用實際的地形、流場和分層模擬分析了南海北部1 景SAR 圖像中內孤立波波前形變的原因，證明這是由1 個反氣旋渦旋引起的，而不是海底地形或躍層變化引起的。本文的研究區域位于南海東北部深海區，通常內孤立波的傳播速度和波前形態都比較穩定。內孤立波在向西傳播遇到中尺度渦時，中尺度渦改變了內孤立波原來的背景流場，進而改變了內孤立波的傳播速度和波前畸變，促使內孤立波傳播方向發生一定的改變。由于氣旋渦和反氣旋渦的旋轉方向不同，因此，它們引起的內孤立波波前畸變和傳播方向存在一定差異。同時，根據中尺度渦和內孤立波的時間分布特征，中尺度渦對內孤立波傳播方向的影響存在著一定的季節變化。

4 結論

現場觀測資料與衛星觀測資料均顯示南海的中尺度渦和內孤立波活動都十分活躍。本文利用2010-2015 年的多源衛星光學遙感圖像、SAR 遙感圖像和高度計數據資料，探測出南海中尺度渦主要發生在深海海域，大多集中在越南以東、呂宋島以西和南海東北部，南海西北部和東南部中尺度渦產生較少。內孤立波主要集中在南海北部、越南沿岸大陸架和納土納群島附近海域。中尺度渦和內孤立波主要在南海東北部海域共存，共存時間集中在3-9 月，其中3 月受氣旋和反氣旋的共同作用，內孤立波傳播方向幾乎無變化；4 月和5 月，受氣旋的作用，內孤立波偏離原來的傳播方向向南傳播；6-9 月，受反氣旋的影響，內孤立波偏離原來的傳播方向向北傳播。總之，當內孤立波與中尺度渦在南海東北部共存時，中尺度渦可以改變內孤立波的傳播方向，但氣旋和反氣旋的影響不同。氣旋促使內孤立波偏離原來的傳播方向，向西偏南方向傳播；反氣旋促使內孤立波向西偏北方向傳播，氣旋與反氣旋改變的內孤立波傳播方向剛好相反。本文結果與現場觀測所得結論一致[20]，將為以后利用遙感手段探測中尺度渦與內孤立波的相互作用提供基礎資料。

致謝：感謝NASA 網站提供的MODIS 數據；感謝AVISO 提供多源衛星高度計SLC 融合數據。