内波产生的必要条件_sar图像和光学图像的区别[通俗易懂]

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前言

   内波是存在于海洋密度跃层中的非线性大振幅波动。第一模态内波在世界海洋中存在着较为广泛的分布，第一模态内孤立波能够在海表面产生强辐聚或辐散，所引起的海表面粗糙度的变化使内波可以较为容易地被卫星遥感手段观测到[1]。本文总结了第一模态内波在SAR图像和光学遥感图像上的表现特征与异同之处。研究发现：内波在SAR遥感影像与光学遥感影像上都呈现出亮暗相间的条纹图样，并且既有亮条纹在前暗条纹在后，也有暗条纹在前亮条纹在后的情况出现。SAR海洋内波成像机理主要依赖于雷达的后向散射，而海面粗糙度是影响雷达后向散射的主要因素；光学图像中耀斑区内波的成像机理是镜面反射，而在非耀斑区主要成像机理是漫反射。在SAR海洋内波遥感影像中，下降性内波在内波的传播方向上以亮条纹在前，暗条纹在后分布，上升型内波则是暗条纹在前，亮条纹在后分布；下降型内波在光学图像耀斑区表现出先暗后亮的条纹，而非耀斑区表现出先亮后暗的条纹，内波在光学图像上亮暗条纹顺序同样与内波的极性有关。

一、内波介绍与研究背景

内波是在密度稳定层化的海洋中产生的、最大振幅出现在海洋内部的波动。在非线性和频散作用相平衡的情况下, 常以内孤立波形式传播[2]。内波的主要恢复力为约化重力或地转力,其频率介于惯性频率与浮力频率之间。内波的产生主要有两个条件：（1）海水稳定分层，密度层化是内波存在的必要条件，密度层化强度越小，内波频率就越低，内波的传播速度就越小；（2）存在扰动，如海表层的风、各种海流、海底地形的起伏、地震等引起的海底剧烈震动等[3]。

海洋内孤立波（internal solitary wave, ISW）是一种特殊的、具有强非线性特征的海洋内波，也被称为非线性内波。海洋内波可以根据振幅垂向结构所拥有的极值点个数分为不同的垂向模态。等密度面起伏在整个深度上同位相的内波被定义为第一模态内波；其上下层的水平流呈反向。第一模态内孤立波在海表面引起的起伏虽然较为微弱，但能够在海表面产生较强的辐聚或辐散现象，从而引起海表面粗糙度的变化，因此第一模态内孤立波常通过卫星遥感手段进行观测[1]。

内孤立波引起的极强突发流和等密度面断崖式下沉带来的垂向剪切对石油钻井平台、海洋工程作业和潜艇水下航行的安全具有严重危害；其流速剪切可引发强烈的海水混合或产生上升流，对海洋垂向热结构有着重要的调制作用，对海洋渔业发展极为有利[3]；同时内波对海洋声传播过程、生态环境等方面也有着重要的研究意义。

近些年来，随着卫星遥感资料日益增多和卫星传感器技术的飞速发展, 遥感已经成为了内波观测的主要手段之一，它具有探测周期短、空间覆盖范围广、时空分辨率相对较高、可实现内波大面积、同步、连续监测等优势。目前常用于内波观测的遥感手段主要有高分辨率合成孔径雷达（SAR）和光学遥感观测[4]。SAR具有全天时、全天候的巨大优势，改善了直接探测手段难于跟踪内波传播和演变过程、费用高昂的局限性[5]，表1为常见的用于海洋内波研究的SAR卫星。而光学遥感凭借时间分辨率高、覆盖范围广、使用成本低等优势，最先且广泛应用于海洋内波探测[9]，表2所示为常见的光学遥感卫星。因此有必要对内孤立波在SAR与光学遥感影像中的成像机理与图像特征做总结，使在日后关于海洋内孤立波遥感观测方面取得更多的研究成果。

二、内波遥感的成像机理

合成孔径雷达内波成像和光学传感器内波成像的成像机理有很大的不同：雷达成像几乎与天气条件无关，而光学成像需要无云或部分无云的条件，并且强烈依赖于观测几何[6]。

SAR内波遥感的成像机理

SAR海洋内波遥感主要依赖于雷达的后向散射，而海面粗糙度是影响雷达后向散射的主要因素。如下图所示，当海面光滑时，SAR 发射的雷达波在海面形成镜面反射，接收天线无法接收来自海面反射的雷达波能量，雷达后向散射很弱，因而 SAR 图像显得暗。对于有风的海面而言，风产生表面张力波和短重力波（统称微尺度波）使得海面变得较为粗糙，这相当于海面生成了许多不同方向的小反射面，使得 SAR 的接收天线可以接收海面的雷达回波，此时的雷达后向散射较小，SAR 图像亮度中等。当海面风很大时，风产生的微尺度波使得海面非常粗糙，雷达波散射方向图展布很宽，到达 SAR 的后向散射能量很大，SAR 图像显得较亮[3]。由此可知雷达信号对海面风况的依赖性较强。

海洋内波的雷达成像机理目前被大多数学者所接受的是水动力学相互作用理论。内波在运动过程中，变化的海表层流调制了海表面微尺度波的空间分布，从而改变了SAR对海面的雷达后向散射强度。虽然SAR发射的是微波电磁波，仅能穿透海水厘米级的厚度，但由于雷达波在海面的作用主要为Bragg共振后向散射机理[7]，所以仍能观测到水下百米深处的海洋内波。

下图描述了SAR海洋内波遥感成像的三个物理过程[5]：
(l) 海洋内波引起海表层流场的变化，使表层流场发生辐聚、辐散。
(2) 变化的表层流场与海表面风致微尺度波相互作用，改变海表面微尺度波的空间分布，即水动力学调制机制。
(3) 雷达波与海表面微尺度波的相互作用，该过程决定了雷达海面后向散射强度。

SAR海洋内波另一种遥感成像机理考虑了环境因素如表面膜等对内波遥感成像的调制, 称为表面膜调制机制，主要适用于沿岸海域。内波波致流在辐聚区使表面膜聚集程度增加，有效地衰减了海面微尺度波粗糙度，减弱了雷达反射率[7]。因此在SAR图像上会出现亮背景下的暗条纹，而非明暗相间的条纹。但这类海洋内波的SAR遥感图像比较少见[5]。

光学内波遥感的成像机理

光学遥感是指传感器工作在可见光波段（0.38-0.76微米）的遥感技术。光学遥感内波成像机理与SAR非常相似，成像过程如图2-3所示。内波的出现不同程度地改变了海面的坡度场，进而调制了光学传感器接收的太阳光在海面的镜面元反射的反射强度，使得内波可以在光学图像中成像[8]。

光学遥感图像的内波观测主要集中在太阳耀光区。当用光学传感器成像内波时，必须区分内波的海面表现是在太阳耀光区内部、外部，还是在过渡区。对于平坦的海面，当太阳仰角E（从地平线测量）和观测（入射角）I服从E+I = 90°的关系时，就可以看到太阳耀光区。太阳耀光是由海面的镜面反射引起太阳光的菲涅耳反射而产生，它包含了与海面粗糙度有关的海洋信息，因而可以进行内波观测。太阳耀光区域的大小和强度与太阳的高度角、方位角、卫星航线、传感器视角以及海面的环境等因素相关[3]。在非反辉区内波也可以观测到，因为阳光的漫反射也取决于表面波的斜率分布。此外，强烈的内部孤立波经常产生泡沫，泡沫片的反射率也有助于在可见光波段的成像机制[6]。

由图可知，可见光传感器对海洋内波的成像也主要是通过以下的三个物理过程实现的：
（1）内波引起海表层的流场发生辐聚、辐散现象；
（2）变化的海表层流场通过波—流相互作用引起表面波能量密度谱的改变，这一改变使得海面的粗糙度发生变化；
（3）海面粗糙度的变化决定了太阳耀光遥感影像的辐射亮度，即遥感图像的灰度值。
可见光内波遥感图像中，远离耀光区的内波条纹的反射率曲线先波峰后波谷，图像上内波条纹表现为明-暗相间；接近耀光区的反射率曲线先波谷后波峰，对应图像上内波条纹为暗-明相间。

三、内波遥感的表现特征

内波在SAR遥感影像上的的表现特征

根据SAR海洋内波遥感成像的物理模型图可知，内波界面引起上下两层海水方向相反的水平运动，从而在内波界面处形成强烈的流速剪切，导致了水质点运动的辐聚、辐散。因此海洋内波通常在SAR遥感图像上表现为亮暗相间的条纹特征；然而当风速很小（＜2 m/s）时，内波也可能仅表现为暗条纹[5]。

海洋内波从深海向近海传播的过程中，当跃层以上水深h1小于下层水深h2，称为下降性内波；当跃层以上水深h1大于下层水深h2时称为上升型内波。下降性内波在内波的传播方向上以亮条纹在前，暗条纹在后分布；上升型内波则是暗条纹在前，亮条纹在后分布，由此特征可以判断内波的种类。当内波通过跃层深度与h2相同时的临界处，内波将会发生极性转换，极性转换处水深的一半与跃层深度相等，因此内波极性转换对内波参数反演有重要的意义。

（a）是一幅Envisat ASAR拍摄的典型的下降型内波SAR图像（2009.8.4），可以看到该内波在传播方向上亮条纹在前，暗条纹在后；图3-1（b）是一幅典型的上升型内波SAR图像（2005.8.25），可以看到该内波是暗条纹在前，亮条纹在后分布。

SAR图像中噪声大；考虑选取垂直与波峰线的小矩形区域，计算平均剖面的后向散射系数曲线（这里没有用矩形区域，直接划抛面线了）。
下降型内波沿传播方向后向散射系数先下降后上升，下图（1）为下降型内波的后向散射系数曲线。
上升型内波沿传播方向后向散射系数先上升后下降，下图（2）为上升型内波的后向散射系数曲线。

内波在光学遥感影像上的的表现特征

光学图像上海洋内波同样存在先暗后亮和先亮后暗的不同顺序特征。

内波在光学遥感和SAR图像中的特征有：
（1）内波在图像中表现为直线或曲线状亮暗相间的条纹；
（2）内波以波包形式传播，每个波包包含若干个孤立子，波包间有一定间距；
（3）沿内波传播方向，波包中孤立波波峰线长度和孤立波间距呈现递减趋势。

光学图像中耀斑区内波的成像机理是镜面反射，而在非耀斑区镜面反射很弱，主要是漫反射占主导。对于下降型内波而言，由于内波对表面流场的调制作用使得辐聚区在前辐散区在后，对应的海表面粗糙区在前光滑区在后。耀斑区光滑海表面镜面反射强，粗糙海面镜面反射弱，因此内波在图像上表现出先暗后亮的条纹。当内波位于太阳耀斑区外时，粗糙表面的漫反射作用强，光滑表面漫反射作用弱，因此内波在图像上呈现出先亮后暗的顺序特征。由此可见海洋内波与太阳耀斑区的相对位置影响着海洋内波在光学遥感图像上的亮暗顺序特征[8]。

耀斑区内光滑海表面镜面反射强，粗糙海面镜面反射弱，因此下降型内波在图像上表现出先暗后亮的条纹。图（a）为2022年3月16日4:10拍摄的安达曼海附近250米分辨率的MODIS影像数据。耀斑区外粗糙表面的漫反射作用强，光滑表面漫反射作用弱，在图像上呈现出先亮后暗的顺序特征。图（b）为2020年4月11日2:40拍摄的苏禄海附近250米分辨率的MODIS影像数据。

光学图像中绘制垂直于内波波峰线的剖面，用软件生成内波剖面的反射率曲线；耀光区内波的反射率曲线沿传播方向先波峰后波谷，对应图像上内波条纹为亮后暗前。非耀光区的内波条纹的反射率曲线先谷后波峰，图像上内波条纹表现为暗后亮前。如下图。

四、总结

内波在SAR遥感影像与光学遥感影像上都呈现出亮暗相间的条纹图样，并且既有亮条纹在前暗条纹在后，也有暗条纹在前亮条纹在后的情况出现。

SAR海洋内波成像机理主要依赖于雷达的后向散射，并且海面粗糙度是影响雷达后向散射的主要因素；光学图像中耀斑区内波的成像机理是镜面反射，而在非耀斑区主要成像机理是漫反射。

在SAR海洋内波遥感影像中，下降性内波在内波的传播方向上以亮条纹在前，暗条纹在后分布，上升型内波则是暗条纹在前，亮条纹在后分布；内波与太阳耀斑区的相对位置影响着海洋内波在光学遥感图像上的亮暗顺序特征，而太阳耀光区域与太阳的高度角、方位角、卫星航线、传感器视角以及海面环境等因素都有关系；下降型内波在光学图像耀斑区表现出先暗后亮的条纹，而非耀斑区表现出先亮后暗的条纹。内波在光学图像上亮暗条纹顺序也与内波的极性有关。

参考文献

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