馬志多 , 孟俊敏 , 孫麗娜 , 劉永信

(1. 內(nèi)蒙古大學(xué) 電子信息工程學(xué)院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000; 2. 自然資源部第一海洋研究所, 山東 青島266061; 3. 自然資源部海洋遙測技術(shù)創(chuàng)新中心, 山東 青島 266061)

內(nèi)波是一種常見的海洋現(xiàn)象, 在全球海洋中廣泛分布[1-3], 內(nèi)波能夠長時(shí)間、遠(yuǎn)距離傳播, 對(duì)內(nèi)波的研究一直是海洋科學(xué)的熱點(diǎn)[4]。衛(wèi)星遙感是海洋內(nèi)波的重要觀測手段, 遙感手段能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)全球海洋的大范圍觀測, 相較于實(shí)測手段, 遙感觀測能夠直觀成像, 成本較低, 可獲取的數(shù)據(jù)量更多, 目前星載雷達(dá)和光學(xué)傳感器都能夠?qū)崿F(xiàn)海洋內(nèi)波的觀測[5]。利用多源遙感圖像既可以研究內(nèi)波的時(shí)空分布特征[6-8], 也可以進(jìn)行內(nèi)波參數(shù)反演[9-10]。海洋內(nèi)波是一種動(dòng)態(tài)過程, 具有一定的區(qū)域傳播特性, 連續(xù)觀測的遙感數(shù)據(jù)對(duì)內(nèi)波研究更有價(jià)值。常見的用于研究內(nèi)波的遙感數(shù)據(jù)大都是極軌衛(wèi)星數(shù)據(jù), 時(shí)間分辨率較低。Lindsey 等[11]利用地球靜止衛(wèi)星AHI對(duì)內(nèi)波進(jìn)行了跟蹤觀測, 計(jì)算了衛(wèi)星對(duì)地成像位置,本文則利用FY-4A 氣象衛(wèi)星觀測海洋內(nèi)波, 并分析其觀測結(jié)果。

風(fēng)云四號(hào)(FY-4A)是我國新一代靜止軌道氣象衛(wèi)星, 裝載多種觀測儀器[12]。多通道掃描成像輻射計(jì)(AGRI)是風(fēng)云四號(hào)靜止氣象衛(wèi)星的主要載荷之一,主要通過精密的雙掃描鏡機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)精確和靈活的二維指向和分鐘級(jí)的區(qū)域快速掃描, 具有較高的時(shí)間分辨率。AGRI 共有14 個(gè)通道, 可實(shí)現(xiàn)全盤掃描和區(qū)域掃描, FY-4A 在以104.7°E 經(jīng)度為中心的位置上獲取遙感影像。其中, 區(qū)域掃描模式可獲取中國區(qū)域最高分辨率500 m 的圖像, 每幅圖像間隔時(shí)間7～30 min。對(duì)于內(nèi)波尺度較大的海域, 如南海[13]、蘇祿海[14]及安達(dá)曼海[15], FY-4A 圖像有能力探測到該區(qū)域的內(nèi)波。通過收集并分析蘇祿海和安達(dá)曼海FY-4A 遙感數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn), 圖像耀斑區(qū)的內(nèi)波清晰可見。

因此, 本文基于FY-4A 影像, 通過衛(wèi)星參數(shù)以及太陽高度角計(jì)算影像中耀斑區(qū)的位置, 并與實(shí)際探測的衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行了比對(duì); 同時(shí)還與250 m空間分辨率的MODIS 遙感影像進(jìn)行了對(duì)比[16], 驗(yàn)證了FY-4A 探測內(nèi)波的可靠性。本文利用FY-4A 的高時(shí)空分辨率連續(xù)觀測內(nèi)波的優(yōu)勢, 計(jì)算了安達(dá)曼海和蘇祿海內(nèi)波的傳播速度, 并進(jìn)行了分析。

1 方法

1.1 計(jì)算耀斑區(qū)中心位置

光學(xué)遙感影像中, 內(nèi)波主要發(fā)生在耀斑區(qū)附近。對(duì)遙感影像耀斑區(qū)位置的研究首先以地球中心為原點(diǎn), 建立三維坐標(biāo)系如圖1 所示, 該坐標(biāo)系以原點(diǎn)指向(0°N, 0°E)的直線作為x軸, 以原點(diǎn)指向(0°N, 90°E)的直線作為y軸, 以原點(diǎn)指向北極的直線作為z軸,以該坐標(biāo)系描述衛(wèi)星以及太陽位置。其中根據(jù)衛(wèi)星所在位置以及太陽運(yùn)行位置來確定太陽耀斑區(qū)中心點(diǎn)S所在坐標(biāo), 其位置關(guān)系如圖2 所示, 其中S點(diǎn)滿足以下條件:

1)S點(diǎn)位于地球橢球面上;

2) 光線入射角與反射角相等, 即 =θ φ;

3) 入射光線、反射光線和法線在同一平面上,即θ+ =φ α。

即

根據(jù)上述3 個(gè)條件求解S點(diǎn)坐標(biāo), 其中法線方向可由S點(diǎn)坐標(biāo)表示, 太陽位置A可由地球公轉(zhuǎn)以及自轉(zhuǎn)規(guī)律求得, 衛(wèi)星位置B可由衛(wèi)星參數(shù)求得, 得到下列方程組:

其中a,b為地球長半軸長度,c為地球短半軸長度,解出x,y,z的值為S在該三維直角坐標(biāo)系中的位置,將其換算為角度即可得到S點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)。

圖1 坐標(biāo)系構(gòu)建Fig. 1 Coordinate system construction diagram

圖2 耀斑區(qū)中心點(diǎn)位置與角度關(guān)系Fig. 2 Relationship between position and angle at the center point of the flare area

1.2 傳播速度計(jì)算方法

FY-4A 靜止軌道衛(wèi)星獲取的內(nèi)波影像時(shí)間間隔較小, 從中針對(duì)一個(gè)內(nèi)波選取所有拍攝到該內(nèi)波的遙感影像, 文中稱其為一組影像, 按照時(shí)間先后順序排列后觀察可對(duì)內(nèi)波的形態(tài)變化以及傳播速度進(jìn)行研究。

傳播速度為研究內(nèi)波的一個(gè)重要參數(shù), 本文根據(jù)FY-4A 遙感影像對(duì)其進(jìn)行計(jì)算, 圖3 所示為內(nèi)波傳播速度計(jì)算原理圖, 圖中L1為前一時(shí)間遙感影像的內(nèi)波波峰線,L2為后一時(shí)間遙感影像的內(nèi)波波峰線, 選取L1上一點(diǎn)P, 過P 分別作L1在此處的切線以及該切線的垂線, 垂線與L2的交點(diǎn)為點(diǎn)Q, 點(diǎn)P和點(diǎn)Q 間的距離為l, 兩景影像的時(shí)間間隔為t, 則內(nèi)波的傳播速度v=l/t。

圖3 內(nèi)波傳播速度計(jì)算原理Fig. 3 Principle diagram of internal-wave propagation speed calculation

本文下述內(nèi)容針對(duì)上述耀斑區(qū)中心點(diǎn)計(jì)算、與MODIS 影像對(duì)比以及內(nèi)波傳播速度計(jì)算3 個(gè)研究內(nèi)容的結(jié)果進(jìn)行展示與討論, 主要分析區(qū)域?yàn)閮?nèi)波較為多發(fā)的蘇祿海[17]與安達(dá)曼海[18]。

2 結(jié)果分析

2.1 耀斑區(qū)中心點(diǎn)計(jì)算

本文選取2019 年5 月1 日這一天進(jìn)行耀斑區(qū)中心點(diǎn)位置計(jì)算, 計(jì)算結(jié)果如圖4a 所示, 為2019 年5 月1 日(世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間, UTC)整點(diǎn)時(shí)分的照射及反射光線空間示意圖。圖中紅色直線表示太陽入射光線, 藍(lán)色直線表示反射光線, 匯聚的一點(diǎn)為衛(wèi)星位置。

由上圖中展示的一天內(nèi)衛(wèi)星成像情況, 不難發(fā)現(xiàn)耀斑區(qū)中心點(diǎn)位置與太陽和地球的相對(duì)位置具有重要關(guān)系。為驗(yàn)證本文中的理論計(jì)算結(jié)果, 選取了一組 FY-4A 遙感影像進(jìn)行分析, 影像的獲取時(shí)間為2019 年5 月20 日, 根據(jù)該時(shí)間計(jì)算出每幅影像太陽耀斑區(qū)中心點(diǎn)位置, 該坐標(biāo)點(diǎn)用紅色圓點(diǎn)標(biāo)識(shí), 其中第2 幅影像像太陽耀斑區(qū)中心點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)大約為: (9.28°N, 100.51°E), 圖5 中放大區(qū)域?yàn)榈? 幅影像的太陽耀斑區(qū)位置, 所示計(jì)算結(jié)果與影像所呈現(xiàn)的信息相符。

圖4 太陽耀斑區(qū)計(jì)算結(jié)果Fig. 4 Schematic of calculation results of solar flare area

圖5 2019 年5 月20 日05: 34(UTC)耀斑區(qū)Fig. 5 Flare area at 5: 34 (UTC) on May 20, 2019

2.2 FY-4A 與MODIS 遙感影像對(duì)比

為研究 FY-4A 對(duì)內(nèi)波觀測的可靠性, 本文將FY-4A 與MODIS 遙感影像的內(nèi)波成像進(jìn)行了對(duì)比分析, 選取了同一天(2019 年5 月20 日)的遙感影像, 如圖6 所示, MODIS 影像的綠色部分為陸地。

圖6 所示每對(duì)中兩幅遙感影像的時(shí)間存在差異,但對(duì)于內(nèi)波來講, 在該時(shí)間差情況下的兩幅影像依然具有較大的參考意義。圖中以灰度圖顯示的為FY-4A 影像, 以彩色圖顯示的為MODIS 影像, 圖中紅色曲線描述了兩圖中能夠匹配上的內(nèi)波波峰線形態(tài), 其中圖6c、d 中相同大小寫字母對(duì)表示相匹配的內(nèi)波, 其余為未匹配內(nèi)波。圖6a、b 為蘇祿海遙感影像, 圖6c、d 為安達(dá)曼海遙感影像, 觀察兩幅蘇祿海影像可發(fā)現(xiàn)圖中共有3 個(gè)內(nèi)孤立波, 在位置上能夠全部匹配, 由于時(shí)間存在差異, 云對(duì)影像的覆蓋情況存在也差異, 但從局部觀測到的內(nèi)波形態(tài)來看相似度極高; 觀察安達(dá)曼海兩幅影像, 發(fā)現(xiàn)兩圖中存在兩對(duì)能夠明顯匹配的內(nèi)波: A 和a、B 和b, 在FY-4A 影像中可以觀測到另外兩個(gè)較為清晰的內(nèi)波波包C 和D, 但在MODIS 影像中這兩個(gè)內(nèi)波波包較為模糊, 圖6d 中的西側(cè)兩個(gè)內(nèi)波波包C 和D 其中一個(gè)被云層覆蓋, 另外一個(gè)內(nèi)波波包在遙感影像中還未生成清晰的內(nèi)波條紋, 不易被分辨, 分析產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因可能由于兩幅影像時(shí)間上存在差異, 進(jìn)而導(dǎo)致影像獲取時(shí)的云層覆蓋情況有所不同, 另外兩個(gè)衛(wèi)星拍攝角度不同也會(huì)導(dǎo)致獲取影像的差異,除此之外圖6d 拍攝時(shí)內(nèi)波C 可能處于剛生成階段,內(nèi)波條紋較為模糊, 而一段時(shí)間之后的圖c 中內(nèi)波條紋則較為清晰。

上述內(nèi)容簡單對(duì)比了MODIS 與FY-4A 遙感影像對(duì)內(nèi)波的成像情況, 證實(shí)了FY-4A 觀測內(nèi)波的可靠性。

2.3 內(nèi)波傳播速度

靜止軌道FY-4A 可以在短時(shí)間內(nèi)連續(xù)獲取內(nèi)波觀測的遙感影像, 基于此可以計(jì)算內(nèi)波的傳播速度。本文選用2019 年5 月20 日的影像進(jìn)行計(jì)算, 從中截取出蘇祿海以及安達(dá)曼海的目標(biāo)區(qū)域, 分別如圖7和圖8 所示, 從圖中可看出兩組影像中每組內(nèi)波成像位置無明顯差異, 選取條帶較為清晰的位置做剖面, 根據(jù)剖面上的雷達(dá)后向散射值計(jì)算兩幅影像時(shí)間間隔內(nèi)內(nèi)波的傳播速度如表1 和表2 所示, 表中所示傳播速度差異較大, 分析其原因可能是遙感影像的分辨率不足導(dǎo)致的, 根據(jù)兩幅影像計(jì)算內(nèi)波傳播距離的過程中產(chǎn)生的誤差較大, 可能達(dá)到1～2 個(gè)像素的誤差, 該誤差會(huì)對(duì)較短時(shí)間內(nèi)的傳播速度造成較大誤差。

圖6 FY-4A 與MODIS 遙感影像對(duì)比圖Fig. 6 Comparison of remote-sensing images between FY-4A and MODIS

表1 蘇祿海內(nèi)波傳播速度計(jì)算結(jié)果Tab. 1 Calculation results of internal-wave propagation velocity in the Sulu Sea

表1 所示為根據(jù)不同時(shí)間FY-4A 影像計(jì)算的內(nèi)波的傳播速度, 該內(nèi)波與圖6a 中黃色方框所示為同一內(nèi)波, 圖7 所示為表1 中時(shí)間順序上的第一幅和最后一幅影像, 根據(jù)圖中兩幅影像計(jì)算該時(shí)間段的平均速度為1.53 m/s。

表2 所示也為根據(jù)不同時(shí)間FY-4A 影像計(jì)算的內(nèi)波的傳播速度, 該內(nèi)波與圖6c 中黃色方框所示為同一內(nèi)波, 圖8 所示為表2 中時(shí)間順序上的第一幅和最后一幅影像, 根據(jù)圖中兩幅影像計(jì)算該時(shí)間段的平均速度為2.24 m/s。

圖7 蘇祿海內(nèi)波局部影像Fig. 7 Calculation data of internal-wave propagation velocity in the Sulu Sea

表2 安達(dá)曼海內(nèi)波傳播速度計(jì)算結(jié)果Tab. 2 Calculation results of internal-wave propagation velocity in the Andaman Sea

圖8 安達(dá)曼海內(nèi)波局部影像Fig. 8 Calculation data of internal-wave propagation velocity in the Andaman Sea

3 結(jié)論

本文利用2019 年的FY-4A 遙感影像開展了海洋內(nèi)波觀測研究。通過對(duì)大量遙感圖像分析發(fā)現(xiàn), 在FY-4A 遙感影像的耀斑區(qū)內(nèi)波成像清晰可見, 而且可以定量的分析內(nèi)波的傳播特征, 揭示了靜止軌道氣象衛(wèi)星的中分辨率連續(xù)觀測能力對(duì)于研究特定區(qū)域海洋內(nèi)波的傳播特性具有重要價(jià)值。本文得到以下結(jié)論:

(1) 根據(jù)時(shí)間以及衛(wèi)星位置在理論上計(jì)算了FY-4A 遙感影像中耀斑區(qū)中心的位置, 并將計(jì)算結(jié)果與遙感影像進(jìn)行了對(duì)比, 發(fā)現(xiàn)FY-4A 遙感影像可以連續(xù)大范圍觀測蘇祿海和安達(dá)曼海的內(nèi)波。

(2) 利用FY-4A 可以連續(xù)觀測內(nèi)波的優(yōu)勢, 計(jì)算了蘇祿海和安達(dá)曼海的內(nèi)波傳播速度, 分析發(fā)現(xiàn),內(nèi)波在短時(shí)間內(nèi)的傳播速度有一定差異, 原因主要是由于FY-4A 遙感影像分辨率較低、獲取圖像時(shí)間間隔較短所導(dǎo)致。

(3) 通過不同時(shí)刻不同區(qū)域的FY-4A 遙感影像對(duì)比發(fā)現(xiàn), 內(nèi)波的可視性不同, 這有待進(jìn)一步分析。

綜上, 隨著遙感器空間分辨率的提高, 基于靜止氣象衛(wèi)星大范圍、持續(xù)性觀測的優(yōu)勢, 可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)波全生命周期的連續(xù)觀測, 對(duì)于海洋學(xué)研究意義重大。