北極喀拉海典型動力現象的SAR 遙感觀測

楊 展，王 晶，陸雅各，李志鑫

（中國海洋大學 物理與光電工程學院，山東 青島 266100）

0 引言

對于海洋動力過程的調查研究，遙感觀測是常用的手段和方法。其中，合成孔徑雷達（SAR）憑借其全天時、全天候、遠距離、大范圍和高分辨率等優勢[1]，能夠探測到如內波、渦旋和鋒面等多種海洋現象。

北極地區氣候寒冷，海區的冰封期較長，相較于中低緯度地區，高緯度海域的海洋現象研究報道較少，但隨著全球海洋變暖加速[2]，北極冰區減少，開辟和建設北極航道的可能性和重要性與日俱增，高緯度海洋的動力學過程調查與研究的價值日益凸顯。

喀拉海位于俄羅斯西伯利亞以北，是北冰洋的邊緣海之一。喀拉海底部地形較為復雜。圖1 是使用ETOPO 2022 數據集繪制的喀拉海水深圖。北部的圣安娜海槽和沃羅寧海槽從北冰洋向南延伸，最大深度達到620 m；中部地形平坦，平均深度約為50 m；西南部是新地島海槽，它的最大深度為433 m[3]，通過熱拉尼亞角東南部的低檻與圣安娜海槽相連；東南部是陸架區，水深較淺，但等深線并不規則，存在不同高度的海底山脊。

圖1 喀拉海水深圖Fig.1 Bathymetric chart of the Kara Sea

喀拉海與周邊海洋的水體交換頻繁，巴倫支海和拉普捷夫海雖與喀拉海相連，但不同海域的水文特征截然不同[4]。喀拉海還是西伯利亞2 條最大河流鄂畢河和葉尼塞河徑流的接收地，鄂畢河和葉尼塞河的淡水在夏季覆蓋喀拉海中部大片區域，龐大的淡水量對喀拉海海洋動力過程具有重要影響[5]。

復雜的地形和水體交換導致了喀拉海豐富的海洋動力過程，使其成為北極地區海洋調查與研究的熱點之一。POLUKHIN 等人利用船舶科考數據研究了喀拉海大陸徑流在喀拉海的分布，結果表明大陸徑流對喀拉海背景水文結構的影響范圍相當大[5]。MOROZOV 等人利用CTD 測量和雷達影像研究了喀拉海峽的強烈內潮，在海峽的西南方向發現了短周期內波的產生[6]。PANTELEEV 等人采用變分資料同化技術對喀拉海的海洋環流進行模擬，并驗證了所得環流模式的有效性[7]。ZATSEPIN 等人利用實地測量的數據研究了喀拉海西部海槽的動力學和水文結構[8]。KOZLOV 等人利用ENVISAT ASAR 多年衛星數據研究了喀拉海短周期內波的空間分布及統計特征，發現了喀拉海內波的生成熱點[9]。KAGAN 等人利用三維有限元流體靜力模型研究了喀拉海的潮汐波來源，并討論了潮汐的速度和內潮波的振幅分布[10]。BUKATOV 等人基于理想不可壓縮連續分層流體的線性化運動方程，研究了巴倫支海和喀拉海短周期內波的頻散特征和密度場的垂直結構[11]。DMITRENKO 等人通過系泊測量追蹤圣安娜海槽的水團，發現大西洋的水從巴倫支海和喀拉海的海流經圣安娜海槽流入北冰洋[12]。PLATOV 等人采用數值模擬研究了冬季新地島西北海岸地區底層水形成和傳播的過程，結果顯示這種過程與中尺度渦的產生密切相關[13]。

以上研究表明，目前喀拉海的海洋研究聚焦喀拉海復雜的潮流運動，水動力過程和海洋現象二維表面特征等方面，一般采用實地測量和數值模擬的方法，SAR 遙感在喀拉海的海洋調查與研究中應用還比較少。而目前SAR 遙感圖像的識別與解譯多是針對中低緯度地區（如南海，日本海）[14]，利用SAR 遙感圖像觀測高緯度地區的海洋中海洋現象的生成和傳播特征還需要深入研究。

本文基于Sentinel-1 SAR 圖像遙感，研究了喀拉海的內波、渦旋和鋒面的表面特征，并對SAR遙感圖像進行了分析與解譯，這對高緯度地區SAR圖像特征識別與分析提供了參考。

1 SAR 遙感數據

本文所用的衛星遙感數據為 2022年的Sentinel-1 SAR 圖像。Sentinel-1 是哥白尼全球對地觀測項目的組成部分，包含2 個軌道衛星，其中，Sentinel-1A 于2014年4月發射，Sentinel-1B 于2016年4月發射。Sentinel-1 的重訪周期為12 d，單星的重訪周期為6 d，而在北極高緯度地區，其重訪周期不到1 d。憑借其在重訪周期、覆蓋范圍、及時性和可靠性的優勢[15]，Sentinel-1 已經廣泛應用于海洋遙感觀測領域。

Sentinel-1 共有4 種拍攝模式，其中超寬條帶（Extra-wide Swath）主要用于海洋、海冰和極地地區的業務服務。本文使用的遙感圖像都是EW 模式的一級GRD 產品，采用HH+HV 的極化方式，圖像幅寬400 km，空間分辨率大約為90 m。

對遙感圖像的處理包括對原始圖像的噪聲去除和地形矯正。因為喀拉海位于極地地區，校正地形的投影系統選擇的是Stereographic North Pole，以避免圖像的變形失真。

2 SAR 海洋動力要素成像機理

2.1 SAR 內波遙感成像機理

海洋內波是發生在密度穩定層化的海水內部的一種波動，其最大振幅出現在海洋內部，波動頻率介于慣性頻率和浮性頻率之間[16]。SAR 能觀測海洋內波主要是由內波在傳播過程中的波流相互作用對海面微尺度波的調制引起的，進而影響SAR在海面的成像。大量的實驗和研究結果表明：SAR對內波成像主要通過以下3 個物理過程[17-18]：

1）內波引起海表層流場變化；

2）變化的表層流場與海表面微尺度波相互作用，產生輻聚或輻散，改變了海表面的粗糙度；

3）海表面粗糙度的變化影響了雷達后向散射強度。在輻聚區，海面粗糙度增大，雷達后向散射強度增大，表現為亮條紋；在輻散區，海面粗糙度減小，雷達后向散射強度減小，表現為暗條紋。

上述物理過程的結果是，內波在SAR 遙感圖像上一般表現為亮-暗或暗-亮相間的條紋。

2.2 SAR 海洋渦旋遙感成像機理

海洋渦旋在海洋中普遍存在，時間尺度和空間尺度不等，是一種重要的海洋動力過程。

海洋渦旋主要在流系邊界和近海海區存在，一般呈現為橢圓形或圓形[14]。按照自轉方向，海洋渦旋可以分為2 類：一種是反氣旋式渦旋，也稱暖渦；另一種是氣旋式渦旋，又稱冷渦。在遙感圖像上，渦旋呈現出非規則螺旋狀結構。

渦旋在SAR 遙感圖像上的成像機理主要有以下2 種[19]：

1）海洋渦旋相關的流場的輻聚輻散引起的波流相互作用調制了海表面粗糙度，使得渦旋在SAR圖像上表現為近似平行的螺旋形條帶，圖像中亮色或暗色的條紋表征了輻聚或輻散最強的區域。

2）海表面的油膜（包括海面溢油和有機生物漂浮物）抑制海表面的毛細波和重力波，因此雷達后向散射較弱，在SAR 圖像為暗色。海面油膜在渦旋流場的分布使得渦旋在SAR 圖像上表現為螺旋結構的暗條帶。

2.3 SAR 鋒面遙感成像機理

海洋鋒面是海洋中不同水系或水團的交界面，鋒區兩側的海水具有不同的物理性質，存在較強的能量耗散和表面擾動[20]。SAR 海洋鋒面遙感成像可能有以下幾個物理過程：不同流速的2 個水團通常具有各異的溫度，溫度梯度通過海氣相互作用影響交界處的對流不穩定性。風應力通過使海表面輻聚、波陡增加和破碎導致海表面粗糙度改變[21]，而不同流速水團邊界風應力不同，導致海洋鋒面兩側的海面粗糙度不同，使得海洋鋒面在SAR 遙感圖像上水團交界處呈現亮條帶。此外，海面漂浮物在海洋鋒面的積累也會影響鋒面的成像，這通常使其在SAR 圖像上表現為暗條帶。

3 喀拉海SAR 遙感觀測及圖像解譯

3.1 SAR 內波遙感觀測及解譯

圖2 是2022年7月13日在喀拉海法蘭士約瑟夫地群島附近的一張Sentinel-1 圖像，空間位置如圖7 中藍色矩形框所示。圖中可以發現4 個內波波包，從南到北分布。圖中西側3 個內波包從東北向西南傳播，東側的內波從西北向東南傳播，每個波包大約由3 個內波組成。這組內波的傳播方向可能與圣安娜海流的傳播有關，圣安娜海流自北極沿海槽西面斜坡向西南傳播[22]，與斜坡的相互作用可能產生了法蘭士約瑟夫地群島附近西南方向的內波。

圖2 2022年7月13日喀拉海北部海域的SAR 遙感圖像Fig.2 A SAR image of the Northern Kara Sea on July 13，2022

圖3 是2022年8月6日在喀拉海熱拉尼亞角東南海域的一張Sentinel-1 圖像，空間位置如圖7中紅色矩形框所示。圖中明顯的看到多個內孤立波包，分布相當密集。最大的1 個波包由5 個波組成，前導波的波峰線長度達到10.5 km。圖中大部分內波自西南向東北偏東傳播，右下角的內波則向東傳播。熱拉尼亞角東南部是喀拉海內波的生成熱點之一[9]，新地島海槽與圣安娜海槽在這里被一個低檻隔開，東西新地島流在這里交匯[22]。圖中的內波可能是東新地島流向東北傳播過程中與地形相互作用產生的。

圖3 2022年8月6日喀拉海新地島北端海域的SAR 遙感圖像Fig.3 A SAR image of the northern end of Novaya Zemlya in the Kara Sea on August 6，2022

圖4 是2022年8月28日在喀拉海新地島中部海域的一張Sentinel-1 圖像，空間位置如圖7 中紫色矩形框所示。可以看到一個從新地島海岸向東南方向傳播的內波，內孤立波波包大約由6 個波組成，前導波波峰線只有6 km 長。從傳播方向和距海岸的距離來看，這個內波很可能是由于新地島上的淡水流出海灣，在海灣出口處堆積形成的。

圖5 是2022年8月11日喀拉海西南部的一張Sentinel-1 遙感圖像，具體地理位置如圖7 中黑色矩形框所示。圖中有2 個幾乎反向傳播的內波波包，其中西側的內波前導波波峰線長27.5 km，從東南向西北偏西傳播；東側的內波包由6 個波組成，前導波波峰線長15 km，幾乎完全向東傳播。一般認為，SAR 圖像上具有相同傳播方向和相似形狀的相鄰內波列源自同一個生成地點，而圖中2個內波波包相距如此之近，傳播方向卻截然不同，說明圖中的內波可能有不同的生成源。

圖5 2022年8月11日喀拉海西南部海域的SAR 遙感圖像Fig.5 A SAR image of the Southeast Kara Sea on August 11，2022

圖6 是2022年7月20日喀拉海喀拉海峽東側的一張Sentinel-1 遙感圖像，具體地理位置如圖7中綠色矩形框所示。圖中有一個前導波波峰線長達34 km 的內波包，向東北方向傳播。在喀拉海峽，喀拉海和巴倫支海的水體交換劇烈，ADCP 資料顯示在喀拉海峽觀測到從巴倫支海到喀拉海的強海流[22]，而喀拉海峽的特殊地形導致了這里也是喀拉海內波的一個熱點區域[9]，穿過海峽的潮流與地形相互作用產生內波并向喀拉海傳播。

圖6 2022年7月20日喀拉海峽的SAR 遙感圖像Fig.6 A SAR image of the Kara Gates Strait on July 20，2022

以上是喀拉海具有特征地形和潮流運動處的內波，而通過對2022年喀拉海Sentinel-1 圖像的檢索，對內波前導波波峰線進行勾勒，得到喀拉海內波高頻發生的區域，如圖7所示。從遙感圖像上看，喀拉海內波主要分布在喀拉海峽、新地島海槽和中部圣安娜海槽東面斜坡處，這些地點的共同特征是水深較深、地形復雜且存在強流。空間尺度較大的內波大多分布在喀拉海中部，其中最大的內波前導波波峰線長度為58.3 km。在高緯度區域法蘭士約瑟夫地群島的東南部也觀測到了內波，而在水深相對較淺的亞馬爾半島、格達半島和泰梅爾半島的陸架海域很少觀測到內波，這與KOZKOV 等人的研究結果一致[9]。

圖7 喀拉海內波SAR 遙感圖像地理位置Fig.7 Geographical location of SAR images of internal waves in the Kara Sea

對喀拉海內波的研究表明，夏季內波較為普遍，甚至在某些區域分布比較密集。潮流-地形相互作用可能是內波主要的生成原因。

3.2 SAR 渦旋遙感觀測及解譯

圖8 是2022年8月11日在喀拉海新地島北端海域拍攝了一個海洋反氣旋渦，直徑25 km，其地理位置如圖12 藍色矩形框所示。反氣旋渦位于熱拉尼亞角東南海域，水交換頻繁，東西新地島流在此交匯。水系鋒面形成的亮帶和油膜形成的暗帶使得反氣旋渦外弧呈現由暗到亮的圖像特征。根據文獻[13]，圖像所在位置的渦旋可能與底層水團向陸架和圣安娜海槽的傳播有關。圖像右下角還存在一個明顯的內波包，內波波峰線曲率與反氣旋渦的“外旋臂”方向相似。海洋渦旋與內波共存的現象是海洋研究一直關心的問題，海洋渦旋會影響內波的傳播方向和振幅[23]。圖7 說明喀拉海也存在渦旋與內波共存的現象，而兩者之間的關系有待深入研究。

圖8 2022年8月11日喀拉海熱拉尼亞角東南海域的SAR 遙感圖像Fig.8 A SAR image of the Southeast Sea Area of Cape Zhelaniya in the Kara Sea on August 11，2022

圖9 是2022年7月28日在喀拉海新地島中部海域拍攝的一個海洋氣渦旋現象，其地理位置如圖12 紅色矩形框所示。氣旋渦直徑4.8 km，可能是風場引起，外圍的黑色暗帶可能是生物油膜對SAR海面回波信號的抑制而產生的。

圖9 2022年7月28日喀拉海新地島中部海域的SAR 遙感圖像Fig.9 A SAR image of the central sea area of Novaya Zemlya in the Kara Sea on July 28，2022

圖10 是2022年8月5日在喀拉海中部海域拍攝到的一個海洋氣旋渦，直徑11 km，其地理位置如圖12 綠色矩形框所示。在圖像下方還有一個潛在的渦旋與中心的渦旋連接，組成了一個渦旋對。這片區域位于葉尼塞河徑流出海口，很有可能是淡水流與海水的鋒面不穩定性形成的渦旋。

圖10 2022年8月5日喀拉海中部海域的SAR 遙感圖像Fig.10 A SAR image of the central Kara Sea on August 5，2022

圖11 是2022年8月1日在喀拉海西南部海域的一張Sentinel-1 遙感圖像，具體地理位置如圖12中黑色矩形框所示。圖中存在多個海洋氣旋渦，直徑在4 km 左右。圖像所在地理位置位于亞馬爾半島西邊的拜達拉塔灣，可能是海灣水體的富營養化產生了大量生物油膜，油膜對SAR 海面微波信號的抑制出現了暗帶。在風場和海流的輸運下形成了渦旋，而油膜剛好作為流場的示蹤物質，可以看出圖中復雜的流場結構，分布著大小不一的氣旋渦。

圖11 2022年8月1日喀拉海西南部海域的SAR 遙感圖像Fig.11 A SAR image of the Southeast Kara Sea on August 1，2022

圖12 喀拉海渦旋SAR 遙感圖像地理位置Fig.12 Geographical location of SAR images of eddies in the Kara Sea

對喀拉海渦旋的研究表明，海洋渦旋普遍存在于喀拉海，并且有不同的空間尺度和成像特征。海表面風和流場鋒面都可能是喀拉海海洋渦旋的生成原因。

3.3 SAR 鋒面遙感觀測及解譯

圖13 是2022年8月17日在喀拉海新地島北端海域拍攝到的一張海洋鋒面的SAR 圖像，其地理位置如圖16 藍色矩形框所示。圖中的鋒面表現為明顯的亮帶，不同于內波曲率相似的亮暗條帶，鋒面的亮帶由于水團界面的不穩定性呈現不規則的弧線。如前面所提到的，圖中海域存在復雜的水體交換過程，此鋒面可能是東新地島流和西新地島流交匯形成的界面。

圖13 2022年8月17日喀拉海熱拉尼亞角東南海域的SAR 遙感圖像Fig.13 A SAR image of the Southeast Sea Area of Cape Zhelaniya in the Kara Sea on August 17，2022

圖14 是2022年8月26日在喀拉海中部海域拍攝到的一張海洋鋒面的SAR 圖像，其地理位置如圖16 紅色矩形框所示。圖中可以鋒面的亮帶非常清晰，且經向跨度較大，幾乎與緯線平行。根據鋒面所處地理位置判斷，此鋒面可能是跨過新地島北端的海流進一步向東傳播與喀拉海中部的鹽度較低的海水交匯的結果。

圖14 2022年8月26日喀拉海中部海域的SAR 遙感圖像Fig.14 A SAR image of the Central Kara Sea on August 26，2022

圖15 是2022年8月28日在喀拉海海峽拍攝到的海洋流場鋒面的SAR 圖像，其真實地理位置如圖16 綠色矩形框所示。圖中鋒面亮帶清晰地反映了喀拉海峽的流場情況，從巴倫支海的水團涌入喀拉海峽向新地島海槽傳播，理化性質不同的水團在交界處形成了流場鋒面，并且右邊也有一個可能的鋒面存在，有形成海洋氣旋渦的趨勢。

圖15 2022年8月28日喀拉海峽的SAR 遙感圖像Fig.15 A SAR image of the Kara Gates Strait on August 28，2022

圖16 喀拉海鋒面SAR 遙感圖像地理位置Fig.16 Geographical location of SAR images of front in the Kara Sea

對喀拉海鋒面的研究表明，海洋鋒面能夠表現流場的特征，在海峽口附近和海流交匯處等不同水團混合的區域，容易觀測到海洋鋒面。

4 結束語

本文利用Sentinel-1 遙感圖像，對北極地區喀拉海的海洋動力過程和現象進行了觀測，在喀拉海的不同區域發現了海洋內波、渦旋和鋒面的存在。遙感觀測結果表明，喀拉海的海洋現象較為頻繁。復雜的地形變化和水動力過程是這些海洋現象的生成和傳播的重要影響因素。

根據海洋現象SAR 成像機理對相關海洋過程圖像進行了解譯，利用現有喀拉海水動力資料結合地形對這些動力過程提供了參考性說明。海洋內波、渦旋和鋒面等海洋現象在高緯度地區的SAR成像質量是極為可觀的，這意味著利用SAR 遙感研究高緯度地區的海洋現象是可行的。

在實地測量數據有限的情況下，SAR 提供了一種全面而詳盡的海洋觀測手段，利用SAR 深入開展北極海域海洋動力現象研究的潛力有待進一步的發掘。