西北太平洋海浪的特性范文

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《海洋預(yù)報(bào)雜志》2016年第3期

摘要：

應(yīng)用中國(guó)海洋大學(xué)海洋遙感研究所基于Hasselmanns提出的MPI方法用C語(yǔ)言開發(fā)的SAR反演海浪方向譜的軟件，對(duì)2003年1月—2012年1月間西北太平洋海域Envisat波模式數(shù)據(jù)進(jìn)行海浪方向譜反演，共得到西北太平洋海域觀測(cè)的海浪方向譜146796個(gè)。統(tǒng)計(jì)由反演的海浪方向譜得到的海浪有效波高、平均波向、平均波周期等數(shù)據(jù)，分析了西北太平洋海浪場(chǎng)分布的特點(diǎn)，得到了一些有參考意義的結(jié)果。

關(guān)鍵詞：

SAR海浪方向譜；海浪特性；西北太平洋

1引言

早期的海浪觀測(cè)主要依賴于現(xiàn)場(chǎng)定點(diǎn)浮標(biāo)獲得的時(shí)間序列海浪有效波高數(shù)據(jù)，在時(shí)間和空間上都有一定的局限性。空間衛(wèi)星技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展為海浪觀測(cè)提供了新的技術(shù)手段。星載合成孔徑雷達(dá)（SyntheticApertureRadar，SAR）是一種主動(dòng)式微波成像雷達(dá)，它對(duì)海浪的獨(dú)特的觀測(cè)能力始于1978年Seasat-A/SAR數(shù)據(jù)[1]。20世紀(jì)90年代后，以歐空局發(fā)射的ERS-1、2/SAR和Envisat/ASAR為代表，世界各國(guó)發(fā)射的星載SAR為海浪研究和預(yù)報(bào)提供了強(qiáng)有力的支持。1991年，德國(guó)著名科學(xué)家Hasselmanns首先提出了衛(wèi)星SAR海浪圖像譜與海浪方向譜之間的非線性理論關(guān)系，并基于數(shù)據(jù)同化的概念提出了從SAR圖像反演海浪方向譜的方法(MaxPlanckInstitute，MPI)[1]。隨后，諸多學(xué)者亦展開了SAR反演海浪方向譜的研究[2-8]。太平洋處于亞洲大陸、大洋洲、南極洲、南美洲、北美洲之間，是四大洋中面積最大、深度最深的。我國(guó)瀕臨西北太平洋，20世紀(jì)60年代以來(lái)，中國(guó)海及西北太平洋等海域，都遭受過(guò)多次重大和特大災(zāi)害性海浪的沖擊，致使沿海海上和沿岸近海漁業(yè)的生產(chǎn)、港口碼頭、交通運(yùn)輸、鹽業(yè)生產(chǎn)等造成多起巨大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡事件。因此，深入研究其海浪場(chǎng)的時(shí)間變化規(guī)律及空間上的分布特性，對(duì)我國(guó)有極其重大的意義與應(yīng)用前景。眾多學(xué)者利用各種數(shù)據(jù)源（現(xiàn)場(chǎng)、高度計(jì)、模式）研究過(guò)西北太平洋的海浪場(chǎng)[9-15]，結(jié)果表明：

(1)西北太平洋季平均和月平均有效波高，冬季最大，高達(dá)2.0m以上，有效波高2.5—4m的5級(jí)大浪頻率小于20%；春季、秋季，高達(dá)1.5m左右，大浪頻率小于13%；夏季最小，小于1.0m，大浪頻率小于10%；

(2)整個(gè)太平洋的有效波高呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，大約每年增加0.5—3cm。目前為止，未見利用SAR海浪方向譜數(shù)據(jù)進(jìn)行海浪場(chǎng)時(shí)空分布特征研究的文獻(xiàn)。本文應(yīng)用中國(guó)海洋大學(xué)海洋遙感研究所基于Hasselmanns提出的MPI方法用C語(yǔ)言開發(fā)的SAR反演海浪方向譜的軟件[16-17]反演得到的海浪方向譜數(shù)據(jù)，對(duì)西北太平洋海域海浪場(chǎng)的分布特征進(jìn)行了研究。

2方法與數(shù)據(jù)

2.1MPI反演方法

星載SAR并非對(duì)海浪直接成像，SAR僅與海面短重力波或毛細(xì)波相互作用從而成像。由于海浪對(duì)海面短重力波的調(diào)制作用，因而在SAR圖像上可觀測(cè)到作為調(diào)制信號(hào)的海浪信息，表現(xiàn)為明暗相間的波紋圖像。從SAR圖像可以反演獲得海浪方向譜。1991年，Hasselmann等[1]根據(jù)SAR工作原理和流體力學(xué)理論提出包含傾斜調(diào)制、流體力學(xué)調(diào)制和速度聚束的SAR海浪成像機(jī)制，將二維海浪譜同SAR圖像譜聯(lián)系起來(lái)，推導(dǎo)出從海浪方向譜到SAR圖像譜的非線性變換關(guān)系。對(duì)于垂直極化和右視的SAR，各調(diào)制函數(shù)表示如下：在此只給出HasselmannsSAR對(duì)海浪成像的完全非線性關(guān)系的式（式（6））及其一階近似準(zhǔn)線性式（式（9））(詳細(xì)推導(dǎo)過(guò)程見Hasselmanns等的文章[1]）：式中：n表示非線性階數(shù)，m為速度聚束參數(shù)β的階數(shù)，kx表示方位向波數(shù)。式中：PRql為純RAR譜，Pvbql為純準(zhǔn)線性速度聚束譜，Pintql為準(zhǔn)線性干涉項(xiàng)。Krogstad根據(jù)Hasselmanns推導(dǎo)出的海浪方向譜到SAR圖像譜的非線性變換關(guān)系，通過(guò)迭代求逆方法得到最優(yōu)海浪方向譜的MPI反演算法[2]。MPI反演流程圖見圖1。圖1可以看出MPI算法的框架核心是一個(gè)迭代求逆過(guò)程。該過(guò)程需要SAR圖像譜和第一猜測(cè)譜作為輸入項(xiàng)。通過(guò)迭代來(lái)不斷修改海浪方向譜，使得第一猜測(cè)譜通過(guò)非線性變換得到的模擬SAR圖像譜盡量接近觀測(cè)的SAR圖像譜。定義了價(jià)值函數(shù)J（式（12）），當(dāng)J取最小值時(shí)所得的海浪方向譜F(k)為最適海浪方向譜。迭代初始所用的海浪方向譜稱為第一猜測(cè)譜，它由海浪數(shù)值預(yù)報(bào)模式WAM計(jì)算得來(lái)。WAM的運(yùn)行需要海面風(fēng)場(chǎng)和海底地形作為輸入。式中：P̂(k)為觀測(cè)SAR圖像譜，由觀測(cè)的衛(wèi)星SAR圖像作FFT變換得到。P(k)為最優(yōu)SAR圖像譜，由SAR圖像譜和海浪方向譜的非線性變換關(guān)系的前向模擬得到。F̂(k)是由海浪數(shù)值預(yù)報(bào)模式得到的第一猜測(cè)譜。F(k)代表最適海浪方向譜。由J的定義可以看到，價(jià)值函數(shù)由兩部分組成，一部分是代表前向模擬SAR圖像譜與衛(wèi)星觀測(cè)SAR圖像譜之間的差，另一部分是海浪方向譜與猜測(cè)海浪方向譜之間的差。價(jià)值函數(shù)最小化意味著既要滿足反演得到的海浪方向譜和猜測(cè)海浪方向譜最接近，又要滿足前向模擬SAR圖像譜與衛(wèi)星觀測(cè)SAR圖像譜最接近。μ為代表從最優(yōu)SAR譜到一階估計(jì)譜的置信區(qū)間的權(quán)重系數(shù)，通常取0.1P̂2max；B為一個(gè)小正數(shù)，以避免F̂(k)=0時(shí)價(jià)值函數(shù)的計(jì)算值出現(xiàn)奇異值（無(wú)窮大），通常取0.01Fmax。因此問(wèn)題變成求一般非線性變分問(wèn)題的解：此方程的解采用準(zhǔn)線性變換關(guān)系式(9)進(jìn)行迭代求出。譜的初值為第一猜測(cè)譜。假設(shè)Fn(k)為經(jīng)過(guò)n次迭代后的近似解，Pn(k)可用式(6)進(jìn)行計(jì)算。若改進(jìn)解：由ΔFn求得Fn+1，然后進(jìn)行下一次迭代，直至滿足一定的條件為止。假設(shè)：在大多數(shù)的情況下，選取：中國(guó)海洋大學(xué)海洋遙感研究所基于上述MPI方法應(yīng)用C語(yǔ)言開發(fā)了SAR反演海浪方向譜的軟件。軟件構(gòu)成框架圖如圖2所示。應(yīng)用該反演軟件分別在全球以及中國(guó)海和西北太平洋海域內(nèi)，對(duì)反演的海浪有效波高數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)浮標(biāo)有效波高數(shù)據(jù)進(jìn)行了同步印證。結(jié)果顯示：在全球海域，反演誤差為5.2%。在中國(guó)海和西北太平洋反演誤差為4.9%。對(duì)比國(guó)際上的反演精度，ORSI基于MPI方法的海浪方向譜反演軟件在中國(guó)海和西北太平洋的表現(xiàn)性能與其相當(dāng)[9-10]。

2.2數(shù)據(jù)介紹

2.2.1SAR波模式數(shù)據(jù)Hasselmanns提出的MPI迭代循環(huán)需要觀測(cè)的SAR圖像譜作為輸入項(xiàng)。本文用于反演海浪方向譜的數(shù)據(jù)是Envisat_ASAR波模式單視復(fù)數(shù)據(jù)Level1B產(chǎn)品ASA_WVI_1P，來(lái)源于歐洲太空局（EuropeanSpaceAgency，ESA）。其數(shù)據(jù)是一個(gè)個(gè)的小圖像，大小為10km×5km，小圖像在軌道方向的間距為100km，極化方式為VV或者HH，每天在全球海域可得到大約2500個(gè)小圖像。

2.2.2數(shù)值預(yù)報(bào)模式數(shù)據(jù)MPI反演算法需要海浪數(shù)值預(yù)報(bào)模式提供初猜譜信息。本文第一猜測(cè)譜使用的是WAMcycle4.5的數(shù)值模式結(jié)果。WAM的運(yùn)行需要風(fēng)場(chǎng)和地形數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)。本文采用ECMWFERA40再分析模式風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，其空間分辨率為1°×1°，時(shí)間間隔為6h。，采用全球地形數(shù)據(jù)：，其空間分辨率為5′。

3反演結(jié)果

圖3是SAR反演軟件的輸出結(jié)果示例圖。輸出的產(chǎn)品是原始SAR圖像和它對(duì)應(yīng)的反演結(jié)果。圖3a為SAR圖像；圖3b為SAR圖像譜，由SAR圖像通過(guò)FFT變換得到；圖3c為第一猜測(cè)譜，是WAM模式預(yù)報(bào)結(jié)果；圖3d為最優(yōu)譜，即反演得到的海浪方向譜,并且可以輸出海浪的有效波高（Sig.Height）、平均波長(zhǎng)（Avg.Length）、平均周期（Avg.Period）、平均波向（Avg.Dir）等海浪參數(shù)。本文利用該SAR反演海浪方向譜軟件對(duì)2003年1月—2012年1月間西北太平洋海域的Envisat波模式數(shù)據(jù)進(jìn)行海浪方向譜反演，共獲得海浪方向譜觀測(cè)數(shù)據(jù)146796個(gè)。統(tǒng)計(jì)由反演的海浪方向譜得到的海浪有效波高、平均波向、平均波周期等數(shù)據(jù)，研究了西北太平洋海浪場(chǎng)的各季節(jié)性分布特征。

4分析與討論

利用反演得到的146796組海浪有效波高及平均波向數(shù)據(jù)，將有效波高按0—0.5m，0.5—1m，1—1.5m，1.5—2m，2—2.5m，2.5—3m，3—3.5m，3.5—4m，＞4m，波向按N,NNE,NE,ENE,E,ESE,SE，SSE，S，SSW，SW，WSW，W，WNW，NW，NNW進(jìn)行頻率統(tǒng)計(jì)，以20°—30°N為過(guò)渡區(qū)域，圖4中B區(qū)域（研究中發(fā)現(xiàn)該海區(qū)南北海域海浪場(chǎng)分布特征差異較大，故由北至南分3個(gè)區(qū)域進(jìn)行分析，詳見圖4），得到了西北太平洋海域春夏秋冬四季的海浪統(tǒng)計(jì)玫瑰圖（見圖5—8）。綜合圖5—8以及統(tǒng)計(jì)的有效波高、平均波周期數(shù)據(jù)分析，得西北太平洋的海浪場(chǎng)各季節(jié)分布特征如下（注：本文浪向均代表海浪傳播的方向）。春季，西北太平洋A、B、C海區(qū)海浪統(tǒng)計(jì)玫瑰圖如圖5所示。西北太平洋30°N以北海域，浪向分布較為雜亂，但以E-SSE浪向?yàn)橹鳎l率達(dá)20%以上。20°—30°N海域內(nèi)，浪向由以北海域盛行的東偏南浪向向20°N以南海域盛行的西偏南浪向過(guò)度，總體以偏南浪向?yàn)橹鳌４杭疚鞅碧窖蟮钠骄行Рǜ邽?.8m左右，平均周期在7s左右。夏季，西北太平洋A、B、C海區(qū)海浪統(tǒng)計(jì)玫瑰圖如圖6所示。西北太平洋30°N以北海域西南季風(fēng)盛行，浪向總體以東偏北向（E-N）為主，整體發(fā)生頻率可達(dá)40%以上。20°—30°N海域則以西偏北浪向（W-N）為主，整體頻率達(dá)55%。20°N以南海域則以西偏南浪向（W-S）為主，發(fā)生頻率48%左右。夏季西北太平洋的平均有效波高在1.2m左右，平均周期在6s左右。秋季，西北太平洋A、B、C海區(qū)海浪統(tǒng)計(jì)玫瑰圖如圖7所示。西北太平洋30°N以北海域浪向分布較為平均，但以偏東浪向（NE-SE）為多，頻率在33%左右，其中以E為主向浪。20°—30°N海域則是西偏南浪向（W-S）為主，整體發(fā)生頻率可達(dá)65%。20°N以南海域盛行偏西浪（WNW-SW），發(fā)生頻率72%。秋季西北太平洋平均有效波高為1.6m左右，平均周期在6—7s左右。冬季，西北太平洋A、B、C海區(qū)海浪統(tǒng)計(jì)玫瑰圖如圖8所示。這是西北太平洋海域海浪場(chǎng)最強(qiáng)的季節(jié)。30°N以北海域盛行西風(fēng)帶作用突出，浪向?yàn)闁|偏南向（E-S），頻率在46%以上。20°—30°N的過(guò)渡海域，則整體以偏南浪向（SE-SW）為主，整體發(fā)生頻率可達(dá)55%。20°N以南海域則以西南浪向（WSW-SW）為主，整體頻率60%以上。冬季西北太平洋平均有效波高在2.4m左右，平均波周期約7—8s。鑒于近10a的數(shù)據(jù)積累，本文統(tǒng)計(jì)了西北太平洋海浪有效波高在2003—2011年間平均年有效波高的變化趨勢(shì)（見圖9）。發(fā)現(xiàn)西北太平洋的年平均有效波高在這幾年間整體呈現(xiàn)出微弱的上升趨勢(shì)。通過(guò)擬合得到其上升趨勢(shì)約為1.8cm/a，這與之前的學(xué)者研究的北太平洋的海浪有效波高上升趨勢(shì)（0.5—3cm/a）[9-10]的結(jié)論不沖突。其中2005年的異常情況可能是因?yàn)檎觊g有8個(gè)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)和熱帶風(fēng)暴發(fā)生，其中有6次強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的中心風(fēng)速大于等于45m/s所致；而2010年是我國(guó)氣候異常、極端、罕見創(chuàng)世紀(jì)之最的一年，海浪有效波高也發(fā)生異常。

5結(jié)論與展望

本文利用ORSI基于MPI方法應(yīng)用C語(yǔ)言開發(fā)的SAR反演海浪方向譜的軟件，反演得到了西北太平洋2003—2011年間146796組海浪方向譜數(shù)據(jù)。利用這些數(shù)據(jù)分析了西北太平洋的海浪場(chǎng)分布特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)以20°—30°N為過(guò)渡海域，其南北海域海浪場(chǎng)分布特征差異較大。同時(shí)發(fā)現(xiàn)西北太平洋海浪有效波高在2003—2011年間整體呈現(xiàn)出微弱的上升趨勢(shì)，通過(guò)擬合得到其上升趨勢(shì)約為1.8cm/a。但本文應(yīng)用的是基于MPI方法的海浪方向譜反演方法，其反演精度相比于PARSA反演算法略低，況且應(yīng)用觀測(cè)的SAR圖像反演海浪方向譜以研究海浪場(chǎng)的分布特征，必須收集大量的SAR數(shù)據(jù)。以后的工作中，我們會(huì)致力于提高反演算法的精度，繼續(xù)收集長(zhǎng)時(shí)間序列的SAR數(shù)據(jù)，更加深入的分析西北太平洋的海浪場(chǎng)特性。

作者：劉曉燕 楊倩 常俊芳 曾侃 單位：山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所 山東省海洋儀器儀表科技中心 國(guó)家海洋局東海預(yù)報(bào)中心 中國(guó)海洋大學(xué)