；．－Ｉ￣Ｌ遥感 ２０１ ３年第１期 海洋内波的光学遥感探测 李旭光 （海军潜艇学院，山东青岛２６６０７１） 摘 要：海洋内波是当今海洋遥感探测的热点。星载可见光传感器已成为海洋内波研究的重 要手段之一。本文回顾了光学遥感海洋内波的研究进展。利用Ｃｏｘ－Ｍｕｎｋ模型初步探讨了光学 遥感利用太阳耀斑探测海洋内波的可见光成像机理。 关键词：遥感探测；海洋内波；光学遥感；太阳耀斑 １引言 海洋内波是海洋中的一种普遍现象，是界面水 体波动的现象。这种波动现象发生在海面表现为波 浪，在海洋内部则为内波。其最大振幅出现在海洋 表面太阳耀斑信息测量了海面斜坡的概率分布，通 过多次试验的方法得到了太阳耀斑区域辐亮度与海 面小坡度的概率分布函数之间的关系，而且给出了 风速小于１４ｍ／ｓ时不同风速下海面倾斜的小坡度的 成像机理理论上奠定了基础。Ａｐｅｌ（１９７５）利用陆 地卫星Ｌａｎｄ Ｓａｔ可见光遥感图像观测到了内波， 并指出卫星遥感是探测研究海洋内波的新技术。 内部，对自由海面没有多大影响。波动频率介于惯 概率分布函数的经验关系式。为内波在可见光遥感 性频率和频率之间，其恢复力在频率较高时主要是 重力与浮力的合力，当频率低至接近惯性频率时主 要是地转科氏惯性力，所以内波也成为内重力波或 ９９４）证明了内波的太阳耀斑成像 内惯性一重力波。本文主要论述了海洋内波的可见 Ｈｅｎｎｉｎｇｓ等（１光遥感探测及成像机理研究。 机制的一阶理论。Ｗｅｉｄｅｍａｎｎ ｅｔ ａ１．（２ｏｏｏ）利用 光学方法研究内波发现内波在海洋底部深层浑浊水 的扰动可以利用离水辐射率探测到。Ｓｈａｎ ＣＨＥＮ和 和ＳＰＯＴ１—３可见光图像资料来调查南中国海和苏禄 海内孤立波在海面的特征，比较了海洋内波的特征 海洋内波发生具有很强的随机性，并且其振幅 分布在很宽广的范围内，一般为几米至几十米，周 费昂贵，且只能局部观测。随着遥感技术的发展， 可见光遥感、高度计遥感和ＳＡＲ遥感逐步成为探测 期为几分钟到几卜小时。直接观测海洋内波不仅花 Ａ．Ｊ．ＣＨＥＮ（２０００）分别利用ＥＲＳ一１／２上ＳＡＲ图像 海洋内波的主要方法。相对于传统的观测海洋内波 在ＳＡＲ和可见光图像上相似和不同，同时给出了内 的方法，遥感探测的方法具有空间覆盖范围广，分 波可见光图像特征在耀斑区和非耀斑区域的差异。２００１）进一步论述了可见光内波遥感的 辨率相对较高，资料获取费用相对较低且信息记录 Ｍｓｈｅｉｍｅｒ（－Ｍｕｎｋ模型理论的基础上，研究了海 在影像Ｌ比较直观等优点。目前，机载和星载雷达 机理，在Ｃｏｘ－或光学传感器都可以在大空间内观测到海洋内波。 表面的太阳耀斑在内波可见光成像中起着重要的 作用，内波的波流作用导致海洋表面发生辐聚辐散 的变化，该过程改变了海面小面元的起伏程度，即 改变了海面的粗糙度，进而影响了光学传感器接收 到海面适当倾斜小面元对太阳耀斑镜面反射的辐亮 度，影响了可见光遥感图像上明暗条纹的光亮成度。 Ｊａｃｋｓｏｎ利用２００２年８月到２００４年５月收集的 ２国内外研究现状 最早就是利用遥感技术光学手段观测到内波 的，Ｓｈａｎｄ １９５３年利用航空摄影的方式记录了内 波引起海面明暗的条带现象。此后就不断地有这方 面的研究报告。Ｃｏｘ和Ｍｕｎｋ（１９５４）利用拍摄海 【作者简介】李旭光（１ ９８７－），男，硕士研究生，物理海洋学专业。 ２０１ ３年第１期 海洋内波的光学遥感探测 系（ ，Ｙ，ｚ）如图ｌ所示。Ｘ轴正向指向逆风方向， 轴的正指向为Ｘ轴正向逆时针旋转９０ｏ，即侧风方向， ３５８１幅ＭＯＤＩＳ内波图像数据对全球范围的海 洋内波进行了总结，得到了全球范围的高频非线性 内波的分布图。观测表明，内波不仅在大陆架和大 陆坡处常见，而且在各个大洋也观测到了大量内波 的存在。Ｋｅ ｅｔ ａｌ（２００７）利用光学遥感在文昌海东 部测量的内波发现此处内波的平均振幅为３２ ｍ， ｚ轴指向天顶，单位向量 和 ，分别指向太阳和卫 星传感器。 内波在光学遥感影像中的成像机理与ＳＡＲ成像 非常相似，在内波传播区域形成辐聚辐散作用改变 了海表面的粗糙度，进而调制了海表面的小面元的 内波的平均周期大约是２０分钟。Ｙａｎｇ ｄｉｎｇ—ｔｉａｎ （２００９）利用中巴资源卫星（ＣＢＥＲＳ）的可见光遥 感数据探测和计算了海南岛东部的内波分布、传播 方向、波长和振幅等信息，结果表明此区域内波 的传播方向是背离海岸的。波长在１５０—２００ ｍ。此 处的内波可以被假定为形成的上升流或扭转潮流。 Ｍａｔｔｈｅｗｓ等（２０１０）利用太阳耀斑信息，从全色 遥感立体测绘仪影像中观测到了Ｌｏｍｂｏｋ海峡附近 的内波。 这些研究表明，内波引起的光学图像的变化可 以由可见光遥感探测到。 ３海洋内波可见光遥感成像机理 Ｃｏｘ和Ｍｕｎｋ １９５４年利用航空拍摄的照片中的 太阳耀斑信息测量了海表面小斜坡的分布，通过试 验得到了太阳耀斑区域辐亮度与海面小坡度概率分 布的关系，并且得到 ／‘ ＼、 ／面／：／； ’ ‘。 。・，一，ｏ ，，， 图ｌ入射光在海向倾斜波面发生镜面反射不意图 了不同风速下海表面小坡度的概率分布函数的经验 关系式，同时假设海表面波都是由许多类似于镜面 的小平面组成，每一个小平面具有特定的斜率，海 表面波中的大部分可以为水平风向函数被描述为统 计斜率分布的平均。假设在海表面存在确定的坐标 倾斜程度，使得可见光遥感图像中太阳耀斑增加或 消失，因而可以在光学遥感图像中成像，如图（２）。 ；｛ ～ — ｉ ． 莲＿－ 。ｆ，ｌ 一 ｒ ｒｐ 蓬 ＿。＿ ＼ － ／－ ｝ ！ 。…＊ ｌ ……… …一… … 。～ ‘ｌ ～： ～ ｛｛ ： ｉ ………… …～ ～一～一 …一～一 一 … … ～ 一一 …： 二＝一 … …Ｊ 图２内波的ｌｕ］ 见光遥感成像示意图 决定太阳耀斑区辐亮度的是那些适合角度海表 面小面元的反射，太阳耀斑反映了那些小面元的累 积效应。合适坡度值的小面元越多，卫星传感器接 受到的太阳耀斑辐亮度越强。通过综合分析我们得 到太阳耀斑的辐亮度 为 ＝ ㈩ 式中， 是海表面的太阳辐照度； 是海表面 的倾角； 是反射到传感器的天顶角； 和 分别 为小面元在Ｘ轴和ｙ轴方向上满足太阳光镜面反射 到传感器的斜率分量；ｐ（ ）为坡度的概率分布函 数；ＣＯ是镜面反射太阳光的反射角： ｆ ）为粗糙海面 的菲涅耳反射率，其概率分布函数可以近似为高斯 分布，即 （ ， ） ＝ ｅｘｐ（ｅｘｐ（一 ） （２） ＋ ＝ｔａｎ （３） （）＿ 为海面均方斜率，是反映海面粗糙度的量， ４２ 河北遥感 ２０１ ３年第１期 由Ｃｏｘ—Ｍｕｎｋ经验公式知 ：表１不同传感器之间的差异 ０．００３－ｔ－５．１２×１０一 Ｗ （４） 式中： 为风速。从（１） （４）式可以看出， 太阳耀斑的辐亮度和海面粗糙度是有关系的。海洋 内波流调制的辐聚辐散效应使得海面的粗糙度增加 或减小，从而影响了海面斜坡的概率分布函数的变 化，影响了太阳耀斑的辐亮度，在可见光图像上 表现为或明或暗的条纹。把（２）和（３）式带入（１） 、＼ 传 差 优点 缺点或不足 红外传感器 穿透能力和绕射 能力强 信号弱 不易受气溶胶等 需要大气校正 影响 空间分辨率低 合成孔径雷达 空问分辨率中等 全天时、全天候 不能穿透云雾雨 工作能力 雪天气 式，我们得到关于海面粗糙度为参数的太阳耀斑 相对辐亮度，即 ｔａｎ Ⅳ，： ： （５） 蜒Ｈ ４ｚａ ｃｏｓＯ ｒ ＣＯＳ ６若已知太阳的入射角和传感器的反射角，我 们可以通过（５）式计算太阳耀斑的辐亮度。 太阳耀斑区含有丰富的海洋信息，内波的可 见光探测与ＳＡＲ探测的方法类似，首先都是因 为内波的流作用引起海表面的辐聚辐散效应，该 过程改变了海面的粗糙度。不同的是可见光探测 利用海面太阳耀斑区的镜面反射区别于ＳＡＲ内 波后向散射探测方法。与ＳＡＲ遥感图像类似， 可见光遥感内波图像也会出现明暗相问条纹，只 是与ＳＡＲ遥感图像明暗顺序不同。图（３）和图 （４）分别从真实的机载和星载传感器图像上观 测到内波的遥感图像。从图３中可以看到图的中 上方明亮处为太阳耀斑区，由于有内波的存在， 出现了暗条纹，使其部分位置成为非耀斑区。从 图４同样可以看到卫星遥感图像上内波在海面形 成的明暗相间的条纹。 （图３—４见中间彩页） ４遥感传感器的比较 随着遥感技术的进步和各类传感器精度的提 高，利用光学遥感海洋内波逐渐增多，相比ＳＡＲ和 红外辐射计而言可见光仪器可以弥补其较低的空间 分辨率，利于观测。但可见光遥感同时收到天气和 昼夜交换的制约。红外辐射计、合成孔径雷达、可 见光传感器的比较如表１所示。 可见光传感器 空间分辨率高 信息记录在影像 不具有全天时、 上比较直观 全天候工作能力 ５结论与展望 本文初步探讨了光学遥感利用太阳耀斑探测 海洋内波的可见光成像机理。光学遥感具有探测范 围广、成像分辨率高和所获信息记录在影像上比较 直观，分析解译也比较容易的优点。作为内波探测 的一种方法可与ＳＡＲ和红外遥感探测内波方法相结 合，提高探测概率，获得更宽的探测条件。目前， 海洋内波可见光遥感探测研究有一定的认识但尚处 于探索阶段。虽然现阶段获得了大量的可见光探测 内波图像，但关于内波调制下的光学成像机理还需 进一步研究。 参考文献 【１】林辉．星载ＳＡＲ海洋内波遥感进展研究…．地球 物理学进展．２００４第２５卷（３）：１０８１－１ ０９１ ［２］ＦＥＴＴ Ｒ Ｗ，ＲＡＢＥ Ｋ．Ｓａｔｅｌ１ｉｔｅ ｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｔｅｒｎａ ｌ ｗａｖｅ ｒｅｆ ｒａｃｔ ｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ＳＯＵｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｓｅａ【Ｊ］．Ｇｅｏｐｈｙｓ Ｒｅｓ Ｌｅｔｔ．，１９７７，４（５）：１８９－１９１． ［３］Ｃｏｘ Ｍｕｎｋ Ｓ１ｏｐｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅａ ｓｕｒｆａｃｅ ｄｅｄｕｃｅｄ ｆｒｏｍ ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈ Ｓ ０ｆ Ｓ ｕｎ ｇ １ ｉ ｔ ｔｅｒ［Ｊ］．ＵＣ Ｓａｎ Ｄｉｅｇｏ，１９５６，６：４１８－４３９． ［４】 Ｍｅｉ ｓｈｍｅｒ Ｃ．Ｓｕｎ ｇｌｉｔｔｅｒ ｉｎ ｓｐｏｔ ｉｍａｇｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｖｉ Ｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｏｃｅａｎｉＣ ｐｈｅｎｏｍｅｎａ【Ａ］．Ｐｒｏｃｅｅｄ． ２ ２ｎｄ Ａｓ ｉａｎ ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｒｅｍｏｔｅ Ｓｅｎｓ ｉｎｇ． Ｓｉｎｇａｐｏｒｅ，２００１．８７０—８７５． ［５］叶海彬．经验模态与小波分解在光学遥感内波参数 提取中的应用［Ｊ］．热带海洋学报．２０１０第３１卷（２）： ４７～５４．
